ГЛАВА 1: КОМПЮТЪРНИ КОМУНИКАЦИИ

1. 
   Основи на телекомуникацията.
   

Основна задача на телекомуникацията (ТК) е надеждно предаване на информация на големи разстояния. В електронните телекомуникации информацията се представя във вид на съобщения, които могат да бъдат кодирани като текст, глас, изображение или данни. Съобщенията се предава с помощта на сигнали.

• 
  аналогови (непрекъснати) сигнали;
  
• 
  цифрови (дискретни) сигнали.
  

AC Uc

 t
Фиг.1. Графика на аналогов сигнал.

t

 t

Сигналите имат четири основни характеристики:

• 
  продължителност - измерва се в секунди;
  

• 
  мощност – измерва се във ватове;
  

• 
  честота на изменение – измерва се в херци;
  

• 
  динамичен диапазон на сигнала - ;
  

Преобразуването на съобщението в сигнал е свързано с реализиране на три операции:

• 
  Преобразуване на неелектрическа величина в електрическа;
  
• 
  Кодиране – построяване на сигнали по определен принцип и правила;
  
• 
  Модулация – въздействие върху някой параметър на електрическия сигнал – амплитуда, честота и фаза.
  

Превръщането на съобщението в сигнал е обратим процес, в резултат на който съобщението се въстановява в началнната си форма и съдържание. За предаването на съобщението на разстояние е необходимо да се изгради комуникационна система (КС ).

ПРИЕМ-НИК

ПРЕДАВА-ТЕЛ

• 
  Телефонни – за предаване на глас;
  
• 
  Телеграфни и телетекстни – за предаане на текст;
  
• 
  Факсимилни - за предаване на неподвижни образи;
  
• 
  Телевизионни и видеотелефонни – за предаване на подвижни изображения;
  
• 
  Телеизмерителни – за предаване на данни, измерени от разстояние;
  
• 
  Комуникационни системи за предаване на цифрови данни.
  

Комуникационната система е система за предаване на съобщения, а не на електрическа енергия. Съобщението има количествена характеристика – Количество информация “V” – измерва с в битови [bit] и се определя с израза

Където:

Обемът на приетата информация на комуникационната система за време се определя с израза

Линейната структура на комуникационната система е частен случаи или сечение на реалната. Обикновенно КС имат сложни, смесени топологии и съобщенията се предават след като се фрагментират на малки части. Преминавайки по различни комуникационни линии на системата фрагментите се обединяват в крайните възли и се формира полученото съобщение. Предаването на съобщенията чрез комуникационна система се оценява по следните показатели за качество на обслужване:

• 
  Коефициент на грешка – измерва се, като отношение на броя на сгрешените към общия броят на приети битове;
  
• 
  Коефициент на грешки по блокове - измерва се, като отношение на броя на сгрешените към общия броят на приети блокове;
  
• 
  Коефициент на загубени блокове измерва се, като отношение на броя на загубените към общия броят на приети блокове;
  
• 
  Коефициент на блокове, доставени в приемника не по реда на следване – измерва се като отношение на блоковете приети в непоследователен ред към общия брой приети блокове;
  
• 
  Средно време за закъснение на съобщението;
  
• 
  Допустимо отклонение на времето за закъснение на съобщението.
  

• 
  Проводници;
  
• 
  Оптически влакна;
  
• 
  Вълновод;
  
• 
  Атмосферата.
  

• 
  Аналогов;
  
• 
  Цифров;
  
• 
  Аналогово-цифров;
  
• 
  Цифрово-аналогов.
  

Фиг. 4. Модел на взаимодействие между два персонални компютри.

• 
  - - цифров канал;
  
• 
  - - аналогов канал;
  
• 
  - - цифрово аналогов канал;
  
• 
  - - аналогово цифров канал,
  

Комуникационните канали имат следните технически характеристики:

• 
  Наличие на шум в канала;
  
• 
  Линейност на канала – липсват изкривявания на сигналите;
  
• 
  Закъснение на сигналите;
  
• 
  Затихване на сигналите;
  
• 
  Деформация на сигналите.
  

Граничната пропускателна способност на комуникационния канал се определя от формулата на Шенон:

Когато P_ш=P_с пропускателната способност на канала е равна на честотната лента.

Ако , то

Комуникационните системи се подразделят на едноканални и многоканални. КС е многоканална когато осигурява няколко паралелни канала за предаване на съобщения по една обща комуникационна линия. В тези системи входните канали се обединяват с устройства наречени мултиплексори (МП) и се разделят в изхода с демултиплексори (ДМП) (Фиг.5.).

1 1

комуникационна линия

n n

Фиг.5. Уплътнение на n комуникационни канала в една комуниационна линия.

Способите за многоканални комуникации са следните:

• 
  Времеразделяне - TDM – Time Division Multiplexing;
  
• 
  Честотно деление – FDM – Frequency Division Multiplexing;
  
• 
  Статистическо деление - SM – Statistical Multiplexing.
  

Под комуникационна мрежа (КМ) се разбира съвкупност от комуникиращи устройства, свързани помежду си чрез комуникационни линии.

Международния стандарт ISO дефинира по – конкретни понятия като:

• 
  Комуникационна подмрежа;
  
• 
  Комуникационна мрежа;
  
• 
  Комуникационна интермрежа.
  

У –ВО

У-во за

У – ВО

У-во за

Краен възел

Краен възел

Краен възел

Фиг.7. Комуникационна мрежа като сбор от подмрежи
Съвкупността от комуникационната подмрежа и крайните възли се нарича Комуникационна мрежа.

Компютърната мрежа е частен случай на комуникационна мрежа, на която крайните възли са компютрите. Компютърните мрежи се разделят основно на:

• 
  Локални компютърни мрежи - LAN (Lokal Area Networks);
  
• 
  Регионални (градски) компютърни мрежи - MAN (Metropoliten Area Networks);
  
• 
  Глобални компютърни мрежи – WAN (Wide Area Networks).
  

РУТЕР

РУТЕР

Комутацията и маршрутизацията са основни функции на междинните възли (МВ) в комуникационните мрежи. Обикновените МВ се наричат комутатори – маршрутизатори. Когато една от функциите преобладава те се наричат комутатори или маршрутизатори.

Компютърните мрежи използва следните методи за комутация:

• 
  Комутация на каналите;
  
• 
  Комутация на съобщенията;
  
• 
  Комутация на пакетите.
  

1. 
   Комуникационни мрежи с комутация на каналите
   

При този вид мрежи комутацията предаването на съобщенията се извършва на три етапа:

• 
  Установяване през мрежата на временен канал между източника и получателя;
  
• 
  Предаване (обмен) на съобщенията;
  
• 
  Разпадане на канала.
  

КВ 1

КК 1 t Н Б СИ

t

КК 2

t

КК 3 Е

Н t

Фиг. 9. Диаграма на метода за комутация на каналите.

• 
  КК – комутатор на каналите;
  
• 
  П – повикване;
  
• 
  СП – сигнал за потвърждение;
  
• 
  Н – набиране;
  
• 
  - време за анализ;
  
• 
  СГ – сигнал за готовност;
  
• 
  СС – сигнал за съединяване;
  
• 
  СИ – сигнал за изключване.
  

Недостатък на компютърната мрежа използваща комутацияна каналите (Фиг.9.) е, че при заетост на краен възел и комутируем канал се налага изчакване на тяхното освобождаване, за да се изгради канала за предаване на съобщението.

Независимо от този недостатък методът на комутация на каналите се използва за предаване на съобщения в телеграфните, телефонните и ISDN мрежите.

1. 
   Комуникационни мрежи с комутация на съобщенията
   

При изполване на метода прилагащ комутацията на съобщението, цялото съобщение се предава по различните участъци на мрежата с натрупване в междинните й възли, които се наричат комутатори на съобщението.

Всяко съобщение съдържа адресна част - А и информационна част – И (Фиг.10.). Комутаторите на съобщенията са мощни компютърни системи с голямо бързодействие, към които са включени множество от канали за приемане и предаване на съобщения. Междинните възли работят с голяма скорост и притежават голяма по обем запомняща система (дискова памет).

t

КВ 1

КС 1 t
А И t

КС 2

А И

КС 3

КВ 2 t

Комуникационни мрежи с комутация на съобщенията се използва при доставката на електронната поща (E-mail) през комуникационните мрежите и интермрежи.

1. 
   Комуникационни мрежи с комутация на пакетите.
   

Методът използващ комутация на пакетите (КП) позволява намаляване на времето за доставка на дългите съобщения. В крайните възли съобщението се разделя на пакети, всеки с адресна част - А и информационна част – И. Пакетите се предават по мрежата и когато достигнат в КВ - получател се събират за да се въстанови съобщението по съдържание и форма. Обикновено пакетите достигат до КВ - получател по различни маршрути.

Компютърната мрежа с комутация на съобщението използва два режима на работа:

• 
  Режим “Дейтаграмен”;
  
• 
  Режим “Виртуално съединение”.
  

Всеки пакет има пълен адрес, по който комутатора на пакети определят по-нататъшния му маршрут. Отделните дейтаграми се предават независимо една от друга и маршрутът им е различен. Възможно е редът на пристигане на пакетите в КВ - получател да е различен от реда, по който са изпратени. За да не се загуби реда на пакетите всяка дейтаграма се номерира и така КВ – получател ги подрежда в първоначалния ред.

Предимствата на дейтаграмния режим (Фиг.11.) са следните:

• 
  Съкращава се общото време за предаване на съобщенията;
  
• 
  Постига се висока надеждност на предаване при отказ на част от мрежата;
  
• 
  Динамична маршрутизация на дейтаграмите в зависимост от състоянието на мрежата.
  

КВ 1

КП 1 t

КП 2
А И А И А И t

КП 3

А И А И А И

КВ 2

КВ 1
А И А И t

КП 1
КП 2 t
t

КП 3

КВ 2

• 
  Изграждане на логическо (виртуално) съединение между крайните възли;
  
• 
  Предаване на пакетите един след друг;
  
• 
  Разпадане на съединението.
  

Предимствата на режим “Виртуално съединение” са следните:

• 
  Маршрутът на съединението се избира само един път и междинните възли и комутатори на пакети по време на предаването не вземат решение за избор на маршрута на предаване на пакетите;
  
• 
  Съхранява се редът за следване на пакетите;
  
• 
  Извършва се пълен контрол на грешките в пакетите.
  

Недостатъците на този метод са:

• 
  Липсва гъвкава маршрутизация;
  
• 
  Наличие на време за установяване на логическа връзка;
  
• 
  Ниска надеждност при отказ на междинните възли – налага се изграждане на нова логическа връзка между КВ 1 и КВ 2.
  

За да се ускори предаването на съобшенията при комутацията на пакетите в междинните възли се използва основно оперативната памет на комутаторите на пакети. При препълване на паметта на междинните възли се прилагат механизми за забавяне на пакетите чрез управление на натоварването на мрежата. Метода за комутацията на пакети се използва от стандарта за глобални компютърни мрежи изградени по стандарта Х.25. и световната компютърна мрежа Internet.

1. 
   Комуникационни мрежи с бърза комутация на пакетите.
   

Този метод е комбинация между методите за комутация на каналите и комутация на пакетите. При тези мрежи се намалява времето за обработка на пакетите в комутаторите. В междинните възли се използват самомаршрутизиращи се комутационни матрици. Не се извършва повторно предаване на сгрешени пакети в междинните възли, а възстановяването на такива пакети е функция на крайните възли. Интелигентността на компютърната мрежа е насочена към крайните възли.

Методът на бърза комутация на пакетите е приложим за комуникационни линии с малка вероятност за грешки – каквито са оптическите. Прилага се се в съвременните стандарти за изграждане на глобални компютърни мрежи – Frame Relay и ATM.

Комуникационните мрежи предоставят услуги на потребителите разпределени в три категории:

1. 
   Услуги за достъп до отдалечена информация:
   

• 
  Достъп до информационни системи, WWW;
  
• 
  Достъп до библиотеки on-line;
  
• 
  Достъп до ежедневната преса;
  
• 
  Електронна търговия;
  
• 
  Достъп до банки , борси.
  

1. 
   Услуги за междуличностна комуникация:
   

• 
  Електронна поща – текст, видео, гласова поща;
  
• 
  Интерактивни разговори в реално време ICQ, TRQ;
  
• 
  Видеоконферентни връзки, дискусии;
  
• 
  Дистанционно обучение.
  

1. 
   Услуги за интерактивни комуникации:
   

• 
  Участие във виртуални видеоигри;
  
• 
  Интерактивни филми и телевизия;
  
• 
  Гледане на видеофилми по поръчка.
  

Паралелно с предимствата при използването на комуникационните мрежи възникват и следните проблеми:

• 
  Разпространяване на лъжлива информация;
  
• 
  Извършване на финансови и други измами;
  
• 
  Предлагане на порнография;
  
• 
  Анонимност при използване на комуникационни услуги.
  

Съществува необходимост от налагане на цензура, която за съжаление в голяма степен ограничава мащаба на действие и възможностите на компютърните мрежи.

1. 
   Еталонен комуникационен модел за свързване на отворени системи (OSI).
   

Създаването на модела OSI (Open System Interconnection) е породено от необходимостта за информационно свързване на голям брой терминали и компютри, изградени като отворени системи.

1

2
3
4

1

2

4

Моделът OSI е създаден през 1978 г. от международната органиция по стандартизация ISO ( International Standards Organisation), след провеждане на задълбочени обсъждания на международни форуми. Важна роля при разработването на модела играе международната организация на електроинженерите IEEE. Основна идея на отворения модел е разделяне на комуникационните процеси във възлите на мрежите на слоеве (нива).

Изборът на оптималния брой на слоевете е важен проблем, тъй като по-големият брой слоеве дава възможност за по-детайлно разделяне на процесите и за упростяване на правилата за взаимодействие между слоевете. Това води до увеличаване на броя на устройствата за взаимодействие. По-малкият брой слоеве води до увеличаване сложността на устройствата за взаимодействие между слоевете и възлите.

След анализ на процесите е избран седем слоен модел, включващ следните слоеве:

• 
  Физически слой;
  
• 
  Канален слой;
  
• 
  Мрежов слой;
  
• 
  Транспортен слой;
  
• 
  Сесиен слой;
  
• 
  Представителен слой;
  
• 
  Приложен слой.
  

Слоевете на отворения модел се разделят на две групи:

• 
  Долни слоеве: физически, канален, мрежов и транспортен – свързани с предаване и доставка на информацията между различните възли на мрежата;
  
• 
  Горни слоеве: сесиен, представителен и приложен – свързани с обработката и представяне на информацията в един възел на мражата.
  

Долните три слоя (физически, канален и мрежов) са силно завсими от вида и структурата на подмрежата, към която е свързана комуникиращата система. Транспортният слой реализира независим обмен на съобщения на горните слоеве. Горните три слоя са свързани с процесите, изпълнявани в крайните мрежови възли под управление на локалните и мрежови операционни системи. Ниските слоеве се изпълняват в по-голяма степен апаратно, а горните слоеве изцяло се реализират програмно.

OSI – моделът е изграден на базата на три основни понятия:

• 
  Услуга;
  
• 
  Интерфейс;
  
• 
  Протокол.