close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Grebeshkov Vytshislitelnaya tehnika seti i telekommunikacii utshebnoe posobie

код для вставкиСкачать
Федеральное агентство связи
Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение
высшего профессионального образования
«Поволжский государственный университет телекоммуникаций
и информатики»
Кафедра автоматической электросвязи
Гребешков А.Ю.
Вычислительная техника,
сети и телекоммуникации
Учебное пособие
Самара, ПГУТИ, 2014
Федеральное агентство связи
Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение
высшего профессионального образования
«Поволжский государственный университет телекоммуникаций
и информатики»
Кафедра автоматической электросвязи
Гребешков А.Ю.
Вычислительная техника,
сети и телекоммуникации
Учебное пособие
для бакалавров техники и технологий
направлений подготовки:
11.03.02 – Инфокоммуникационные технологии
и системы связи,
09.03.03 – Прикладная информатика,
38.03.05 – Бизнес–информатика
Самара, ПГУТИ, 2014
УДК 621.395;004.3;004.7.
Гребешков А.Ю.
Вычислительная техника, сети и телекоммуникации: учебное пособие. – Самара: ФГОБУ ВПО ПГУТИ, 2014. – 218с.
В учебном пособии рассматриваются вопросы построения
современной вычислительной техники, сетей и телекоммуникаций. Рассматриваются физические основы средств вычислительной техники и передачи информации, принципы работы
устройств инфокоммуникационных технологий, сетевые протоколы SIP, H.323, TCP/IP, архитектура сетей связи следующего
поколения, архитектура современных вычислительных систем.
Рекомендовано УМО высших учебных заведений РФ по
образованию в области телекоммуникаций в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений по
направлению подготовки 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи»
Рецензенты
Надеев А.Ф. – директор ИРЭТ Казанского национального исследовательского технического университета – КАИ, д.ф.–м.н.,
профессор.
Гавлиевский С.Л. – начальник отдела сетевых интеграции ООО
«Гипросвязь–Самара», д.т.н.
Федеральное государственное образовательное бюджетное
учреждение высшего профессионального образования
«Поволжский государственный университет телекоммуникаций и
информатики»
 Гребешков А.Ю., 2014.
Содержание
СОДЕРЖАНИЕ
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ ................................ 4
ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................. 20
1. ГЛОБАЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИОННАЯ ИНФРАСТРУКТУРА
И ЕДИНАЯ СЕТЬ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ .......................................................................................... 21
ГЛОБАЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИОННАЯ ИНФРАСТРУКТУРА ................. 21
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПОДСИСТЕМЫ ЕСЭ РФ ............................... 23
ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫЕ УСЛУГИ......................................... 25
СИСТЕМА ТЕЛЕФОННОЙ НУМЕРАЦИИ ЕСЭ РФ ........................... 28
СХЕМЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ И МЕЖДУГОРОДНОЙ СЕТЕЙ
ТЕЛЕФОННОЙ СВЯЗИ .............................................................................. 30
1.6 СХЕМА ВНУТРИЗОНОВОЙ И МЕСТНОЙ СЕТИ ТЕЛЕФОННОЙ
СВЯЗИ ..................................................................................................... 34
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
2. КОММУТАЦИЯ КАНАЛОВ И ПАКЕТОВ, СЕТЕВЫЕ
ПРОТОКОЛЫ ОРГАНИЗАЦИИ СЕАНСОВ СВЯЗИ ..................... 38
2.1 КОММУТАЦИЯ ПАКЕТОВ И КОММУТАЦИЯ КАНАЛОВ НА СЕТЯХ
СВЯЗИ ..................................................................................................... 38
2.2 ОБЩЕКАНАЛЬНАЯ СИГНАЛИЗАЦИЯ №7 И ЕЁ ОСОБЕННОСТИ ....... 42
2.3 ПРОТОКОЛ H.323 ......................................................................... 45
2.4 ПРОТОКОЛ SIP.............................................................................. 50
3. АРХИТЕКТУРА И ФУНКЦИИ SOFTSWITCH, IMS НА СЕТЯХ
СЛЕДУЮЩЕГО ПОКОЛЕНИЯ ......................................................... 56
АРХИТЕКТУРА И ПРОТОКОЛЫ СЕТИ СЛЕДУЮЩЕГО
ПОКОЛЕНИЯ NGN .................................................................................. 56
3.2 АРХИТЕКТУРА И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ОБЪЕКТЫ SOFTSWITCH ...... 62
3.3 АРХИТЕКТУРА МУЛЬТИМЕДИЙНОЙ IP-ПОДСИСТЕМЫ IMS.......... 68
3.1
4. ПРОТОКОЛЫ ВЕРХНИХ УРОВНЕЙ IP–СЕТЕЙ....................... 74
4.1
4.2
4.2
МОДЕЛЬ ВЗАИМОСВЯЗИ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ ............................... 74
УРОВЕНЬ ПРИЛОЖЕНИЙ ПРОТОКОЛОВ IP–СЕТЕЙ......................... 78
ТРАНСПОРТНЫЙ УРОВЕНЬ СЕТЕВЫХ ПРОТОКОЛОВ IP–СЕТЕЙ ..... 85
5. СЕТЕВОЙ ПРОТОКОЛ IP ............................................................... 90
1
Содержание
ЗАГОЛОВОК ДЕЙТАГРАММЫ СЕТЕВОГО ПРОТОКОЛА IP
ВЕРСИИ 4 ................................................................................................ 90
5.2 СТРУКТУРА IP–АДРЕСА, ПРОТОКОЛЫ ICMP И IGMP .................. 93
5.3 СЕТЕВОЙ ПРОТОКОЛ IP ВЕРСИИ 6 ............................................... 98
5.1
6. АРХИТЕКТУРА И ПРОЦЕССЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ ... 102
6.1 АРХИТЕКТУРА И ПРОЦЕССЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ ................................................................... 102
6.2 АРХИТЕКТУРА И ПРОЦЕССЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СЕТЕЙ ДОСТУПА .................................... 108
6.3 АРХИТЕКТУРА И ПРОЦЕССЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
ТРАНСПОРТНЫХ СЕТЕЙ ........................................................................ 113
7. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ И
СРЕДСТВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ........................................ 120
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ ................ 120
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СРЕДСТВ ПЕРЕДАЧИ
ИНФОРМАЦИИ ...................................................................................... 127
7.1
7.2
8.
АРХИТЕКТУРА И ПРОЦЕССЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
МИКРОПРОЦЕССОРОВ.................................................................... 137
ПРОЦЕССЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ПРОГРАММ С ПОМОЩЬЮ
МИКРОПРОЦЕССОРА ............................................................................. 137
8.2 ОСНОВНЫЕ АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА
МИКРОПРОЦЕССОРОВ ........................................................................... 141
8.3 СИСТЕМЫ КОМАНД RISC И CISC .............................................. 146
8.4 ВИДЫ АРХИТЕКТУР И ШИНЫ МИКРОПРОЦЕССОРОВ ................... 150
8.5 ПРОЦЕССЫ ВВОДА–ВЫВОДА И КЭШ–ПАМЯТЬ
МИКРОПРОЦЕССОРА ............................................................................. 158
8.1
9. АРХИТЕКТУРА И ПРОЦЕССЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ..................................................... 164
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ В ИНФОРМАЦИОННО–
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ АРХИТЕКТУРЕ ...................................................... 164
9.2 АРХИТЕКТУРА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ .............................. 169
9.3 ОЦЕНКА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ
СИСТЕМ ................................................................................................ 174
9.1
2
Содержание
9.4
ПРОЦЕССЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ 177
10. ПРОЦЕССЫ ОРГАНИЗАЦИИ ВЫЧИСЛЕНИЙ И
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ В СОВРЕМЕННОЙ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКЕ................................................... 182
10.1 ПРОЦЕССЫ ОРГАНИЗАЦИИ ВЫЧИСЛЕНИЙ С ПОМОЩЬЮ
КОНВЕЙЕРНОЙ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ ................................................... 182
10.2 ТЕХНОЛОГИИ ОПТИМИЗАЦИИ ВЫЧИСЛЕНИЙ ............................. 185
10.3 ТЕХНОЛОГИИ ОПТИМИЗАЦИИ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ ................ 188
10.4 МНОГОЯДЕРНЫЕ ПРОЦЕССОРЫ .................................................. 191
11. ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ..................... 194
11.1 ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
И ОПТИЧЕСКИХ УЗЛОВ СВЯЗИ .............................................................. 194
11.2 ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ЦИФРОВОГО ТЕЛЕФОНА............................. 199
11.3 ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ АБОНЕНТСКИХ УСТРОЙСТВ IP-ТЕЛЕФОНИИ И
СОТОВОЙ ПОДВИЖНОЙ СВЯЗИ ............................................................. 203
УЧЕБНАЯ ЛИТЕРАТУРА.................................................................. 207
ГЛОССАРИЙ ........................................................................................ 209
3
Список сокращений и обозначений
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ
AAA
ACF
ACK
AG
AMRWB
ANSI
AG
API
ARJ
ARQ
AGS-F
AS
AS–F
ATA
ATM
BICC
BIOS
BGCF
– Authentication, Authorization, Accounting – Аутентификация, авторизация, учет стоимости – процедуры в IMS (протоколы RADIUS, Diameter)
– Access Function – Функция доступа, подтверждение доступа в протоколе H.323.
– Acknowledgement – Подтверждение
– Access Gateway – Шлюз доступа
– Adaptive Multi-Rate Wide-Band – Широкополосный кодек с адаптивной скоростью передачи, описан в Рек. МСЭ–Т G.722.2.
– American National Standard Institute – Американский национальный институт стандартов
– Access Gateway – (Медиа)шлюз доступа
– Application Programming Interface – Интерфейс
программных приложений
– Access Reject – Отказ в доступе к ресурсам сети
– Access Request – Запрос доступа к ресурсам сети
– Access Gateway Signaling Function – Функция
сигнализации (медиа)шлюза доступа, ФО в NGN
– Application Server – Сервер приложений.
– Application Server Function – Функция сервера
приложений, ФО в NGN
– Advanced Technology Attachment – Присоединение по передовой технологии, параллельная шина
ввода-вывода для включения внешних устройств
– Asynchronous Transfer Mode – Асинхронный режим переноса
– Bearer Independent Call Control – Управление вызовами, независимое от границ между сетями
– Base Input/Output System – Базовая система ввода/вывода
– Border Gateway Control Function – Функция
управления пограничным медиашлюзом в IMS
4
Список сокращений и обозначений
BSS
BS
CA–F
CCD
ССF
CD
CSMA/CD
CCS№7
CDMA
CISC
CSCF
CLPS
CLCS
CMRF
CPU
CRC
CS
– Business Support System – Система поддержки
бизнес–деятельности оператора связи
– Base Station – Базовая станция в сетях сотовой
связи или в сетях беспроводного доступа
– Call Agent Function – Функция управления речевым агентом или шлюзом, ФО в NGN
– Conference Call Device – Устройство конференцсвязи
– Call Control Function – Функция управления вызовами в архитектуре NGN
– Compact Disk – Компакт–диск (накопитель на
оптическом диске)
– Carrier-Sense Multiple Access/Collision Detection –
Метод доступа к сети с контролем несущей и обнаружением конфликтов (коллизий).
– Common Channel Signaling no 7 – Общеканальная система сигнализации №7
– Code Division Multiple Acсess – Множественный
доступ с кодовым разделением каналов
– Сomplex Instruction Set Computer – Процессор
(компьютер) со сложной системой команд
– Call Session Control Function – Функция управления вызовами и сеансами связи в IMS
– Connectionless Packet-Switched – Коммутация
пакетов, не ориентированная на соединение
– Close Logical Channel Signalling – Закрытие логического канала сигнализации в протоколе H.323
– Сontroller Multimedia Recource Function – Функция управления мультимедийными ресурсами
– Central Processing Unit – Центральное процессорное устройство, ЦПУ
– Сyclical redundancy check – Контроль целостности данных с помощью циклического избыточного
кода
– Call Server – Сервер обслуживания вызовов
5
Список сокращений и обозначений
DDR
DHCP
DMA
DMCA
DIMM
DIP
DNS
DRAM
DRQ
DSP
DTMF
DVD
DWDM
EISA
EPIC
EPON
EPROM
– Double Data Rate – Удвоенная скорость передачи данных
– Dynamic Host Configuration Protocol – Протокол
динамической конфигурации узла/хоста
– Direct Memory Access – Прямой доступ к памяти
– Direct Memory Controller Access – Контроллер
прямого доступа в память
– Dual Inline Memory Module – Модуль памяти с
двухрядным расположением выводов
– Dual Inline Package – Корпус с двумя рядами
контактов
– Domain Name Server – Протокол сервера доменных имен
– Dynamic Access Memory – Динамическая память
с произвольным доступом (к данным)
– DMA Request – Запрос доступа DMA
– Digital signal processor – Процессор цифровой
обработки сигналов
– Dual-Tone Multi-Frequency – Двухтональный
многочастотный сигнал (аналоговый)
– Digital Versatile Disk – Универсальный цифровой диск
Dense Wavelength Division Multiplexing – Мультиплексирование с разделением по длине волны
– Extended (enhanced) industry standard architecture
– Расширенная стандартная архитектура промышленного применения – стандартная общесистемная шина 32-х разрядных процессоров
– Explicitly Parallel Instruction Computing – Технология обработки команд с явным параллелизмом
(явно–параллельные вычисления)
– Ethernet PON – Пассивная оптическая сеть с
поддержкой кадров Ethernet, стандарт IEEE
802.3ah
– Еrasable Programmable Read-Оnly Memory – Сти6
Список сокращений и обозначений
ETSI
FAT
FAT32
FDM
FEPROM
FIFO
FPGA
FPU
FSB
FTP
FTTB
FTTС
GPON
GPP
GPRS
раемое программируемое постоянное запоминающее устройство с возможностью чтения
– European Telecommunication Standard Institute –
Европейский институт стандартов в области связи
(телекоммуникаций)
– File Allocation Table – Таблица размещения файлов
– File Allocation Table 32 – Таблица размещения
файлов в 32-х разрядной операционной системе
– Frequency Division Multiplexing – Мультиплексированием с частотным разделением каналов
– Flash Erasable Programmable Read–only Memory –
Быстростираемое электрически программируемое
постоянное запоминающее устройство с возможностью чтения, тип ПЗУ.
– First Input, First Out – Первый пришёл, первый
ушёл (дисциплина обслуживания заявок в очереди)
– Field–Programmable Gate Array – Программируемая <пользователем> логическая матрица, иначе –
программируемая вентильная матрица
– Floating Point Unit – Устройства обработки данных с плавающей точкой
– Front-Side Bus – Фронтальная (системная) шина
− File Transfer Path − Протокол передачи файлов
– Fiber To The Building – Оптическое волокно до
здания
– Fiber To The Сurb – Оптическое волокно до узла
(распределительного шкафа)
– Gigabit PON – Пассивная оптическая сеть с возможностью поддержки скорости Гигабит в секунду, стандарт МСЭ–Т G.984
– Generation Partnership Project – Партнерский проект по третьему поколению систем сотовой связи
– General Packet Radio Service – Служба пакетной
7
Список сокращений и обозначений
GSM
HDB3
HLR
HSDPA
HSS
http
https
HTML
IAD
I-CSCF
ICMP
IEEE
IEC
IETF
IGT
IM-MGW
передачи данных через радиоинтерфейс
– Global System for Mobile Communications – Глобальная система подвижной радиосвязи
– High-Density Bipolal – Биполярный код высокой
плотности
Home Location Register – Домашний регистр положения в сетях GSM
– High-Speed Downlink Packet Access – Высокоскоростной доступ для передачи пакетов в нисходящем потоке (от базовой станции к радиотерминалу пользователя)
– Home Subscriber Server – Домашний (основной)
сервер пользователей с данными о них в IMS
− Hypertext Transfer Protocol – Протокол передачи
гипертекстовой информации
− Hypertext Transfer Protocol Security – Безопасный
протокол передачи гипертекстовой информации
− HyperText Markup Language − Стандартный язык
гипертекстовой разметки документов в WWW
(всемирной распределенной WEB-сети)
– Integrated Access Device – Устройство интегрированного доступа
– Interrogating CSCF – Запрашивающая функция
CSCF в IMS
– Internet Control Message Protocol – Протокол
межсетевых управляющих сообщений
– Institute of Electrical and Electronics Engineers –
Институт инженеров по электротехнике и электронике
– International Electrotechnical Commission – Международная электротехническая комиссия
– Internet Engineering Task Force – Рабочая группа
по инженерным проблемам Интернета
– Interworking Gateways – Шлюз взаимодействия
– IM Media Gateway – (Медиа)шлюз среды IP8
Список сокращений и обозначений
IMS
IMSI
IMS-MGW
IN
INAP
I/O
IP
IPTV
IRQ
ISDN
ISIM
ISC
ISUP
IT
ITU
ITU-T
мультимедиа, мультимедийный (медиа)шлюз
– IP Multimedia Subsystem – Подсистема передачи
мультимедийных сообщений на базе протокола IP
– International Mobile Subscriber Identity – Международный номер абонентской станции
– IP Multimedia Subsystem-Media Gateway – Оборудование передачи мультимедийных сообщений
подсистемы передачи мультимедийных сообщений на базе протоколов Интернет
– Intelligent Network – Интеллектуальная сеть связи
– Intelligent Network Application Part – Прикладная
часть пользователя услуг интеллектуальной сети
ОКС№7
– Input/output – Ввод/вывод
– Internet Protocol – Протокол межсетевого взаимодействия
– Internet protocol television – Телевидение, передаваемое по протоколу IP.
– Interrupt Request – Запрос на прерывание
– Integrated Service Digital Network – Цифровая
сеть с интеграцией служб, ЦСИС.
– IP Multimedia Services Identity Module – Идентификационный модуль IMS
– International Switching Center – Международный
коммутационный центр (телефонной связи)
– ISDN User Part – Подсистема пользователя услуг
ISDN в ОКС№7
– Information Technology – Информационная технология
– International Telecommunication Unit – Международный союз электросвязи
– International Telecommunication Unit – Standardization Sector – Международный союз электросвязи
– сектор стандартизации
9
Список сокращений и обозначений
IU
IW–F
LAN
LGA
LSP
LTE
MAC
MAP
MDD
MEMS
MEGACO
MG
MG–F
MGC
MGC–F
MGCP
– Integer Unit – Целочисленное устройство, блок
вычислений целых чисел
– Interworking Function – Функция объекта взаимодействия, ФО в NGN
– Local Area Network – Локальная вычислительная
сеть, ЛВС
– Land Grid Array – Корпус микросхемы с матрицей контактных площадок для подключения
– Label Switching Path – Путь с коммутацией по
меткам в протоколе MPLS
– Long Time Evolution – Технология долгосрочного развития радиосетей следующего поколения
– Media Access Control – Управление доступом к
среде передачи информации
– Mobile User Part – Подсистема пользователя услуг мобильной связи ОКС№7
– Mediation Disk Device – Накопитель на жёстком
магнитном диске¸ НЖМД
– Microelectromechanical Systems – Микроэлектромеханические системы, МЭМС
– Media Gateway Cоntrol – Протокол управления
(медиа)шлюзами
– Media Gateway – Медиашлюз в т.ч. транспортный медиашлюз, медиашлюз передачи мультимедийных сообщений
– Media Gateway Function – Функция медиашлюза,
функция шлюза передачи мультимедийных сообщений, ФО в NGN
– Media Gateway Controller – Устройство управления медиашлюзом, функция контроллера медиашлюзов
– Media Gateway Control Function – Функция
управления шлюзом передачи мультимедийных
сообщений, ФО в NGN
– Media Gateway Control Protocol – Протокол
10
Список сокращений и обозначений
MIMD
MISD
MMX
MPI
MPI-R
MPI-S
MPLS
MRFC
MS–F
MSFC
MTP
NASS
NGN
NIC
NRZ
NTFS
управления медиашлюзами
– Multiple Instruction Multiple Data – Много потоков команд, много потоков данных
– Multiple Instruction Single Data – Много потоков
команд, один поток данных
– Multimedia Extensions, Matrix Math Extensions –
Расширение системы команд микропроцессора
для обработки мультимедийной информации
– Main Interface Path – Интерфейс главного пути
– Main Interface Path Receiver – Эталонная точка
интерфейса главного пути приема
– Main Interface Path Sender – Эталонная точка
интерфейса главного пути передачи
– Multi-Protocol Label Switch – Многопротокольная коммутация на основе меток
– Multimedia Resource Function Controller – Функция контроллера ресурсов мультимедиа
– Media Server Function – Функция медиа-сервера,
ФО в NGN
– Media Server Function Control – Функция управления медиа-сервером в IMS
– Message Transfer Point – Подсистема передачи/пересылки сообщений
– Network Attachment Subsystem – Подсистема
присоединения к сети (IMS)
– Next Generation Network – Сеть связи последующего поколения
– Network Interface Card – Сетевая интерфейсная
карта
– Non-Return to Zero – «Без возврата к нулю» –
метод бинарного кодирования, при котором единичные биты представляются положительным
значением, а нулевые – отрицательным
– New Technology File System – файловая система
c поддержкой объектно-ориентированных прило11
Список сокращений и обозначений
OLT
ONU
OS
OSS
OSI
OSPF
PDU
PCI
PCI
РСМ
PON
QFP
QoS
QPI
RACS
RAID
жений и технологии самовосстановления
– Optical Line Terminal – Оптический терминал
– Optical Network Unit – Пользовательское оптическое сетевое устройство.
– Operation System – Управляющая система (операционная система)
– Operation Support System – Система поддержки
эксплуатации оператора связи
– Open System Interconnections – Взаимосвязь открытых систем
– Open Shortest Path First – Протокол выбора первого кратчайшего пути
– Protocol Data Unit – Протокольный блок данных
– Protocol Control Information – Информация
управления протоколом
– Peripheral Component Interconnect – Межкомпонентное соединения с периферийными элементами
– стандартная 32-х разрядная системная шина с
возможностью расширения до 64 разрядов.
– Pulse Code Modulation – Импульсно–кодовая модуляция
– Passive Optical Network – Пассивная оптическая
сеть
– Quad Flat Package – Плоский корпус с четырьмя
рядами контактов
– Quality of Service – Качество обслуживания
– QuickPath Interconnect – Шина кратчайшего межсоединения (термин используется Intel Corp.)
– Resource and Admission Control Subsystem –
Подсистема управления доступом и ресурсами
сети в IMS
– Redundant Array of Independent Disks – Избыточный (резервированный) дисковый массив, состоящий из независимых накопителей на жёстких магнитных дисках.
12
Список сокращений и обозначений
RAM
RAN
RAS
RASF
R-F/A-F
RGW
RFC
RGW
RIP
RISC
RMON
ROM
RTP
RTCP
RTOS
SATA
SBC
– Random Access Memory – Память с произвольных доступом (память с произвольной выборкой
данных)
– Radio Acess Network – Сеть радиодоступа
– Registration, Admission and Status – Протокол
управления местонахождением, допуском и состоянием пользователя в сети доступа
– Resource and Admission Control Functions –
Функции управления доступом к ресурсам и администрирования
– Routing Function/Account Function – Функция
маршрутизации/Функция учета стоимости услуги
связи, ФО
– Residental Gateway – Выносной медиашлюз
– Request For Comments – «Необходим комментарий» (обозначение документа IETF)
– Residental Gateway – Местный (медиа)шлюз
– Routing Internet Protocol – Протокол сбора
маршрутной информации
– Redused Instruction Set Computer – Компьютер
(процессор) с сокращенной системой команд
– Remote Monitoring – Дистанционный мониторинг
– Read–Only Memory – Память только с возможностью чтения (считывания)
– Real-Time Transport Protocol – Протокол транспортировки в реальном времени
– Real-Time Transport Control Protocol – Протокол
управления транспортировкой в реальном времени
– Real-Time Operation System – Операционная
система реального времени
– Serial Advanced Technology Attachment – Последовательное соединение по новейшей технологии,
тип интерфейса для подключения НЖМД
– Session Border Controller – Пограничный кон13
Список сокращений и обозначений
SC–F
SCSI
S-CSCF
SDH
SDP
SDRAM
SDU
SECC
SG
SG–F
SIGTRAN
SIMD
SIP
SMTP
SNMP
троллер сеансов/сессий
– Service Control Function – Функция управления
услугами, ФО в NGN
– Small Computer Systems Interface – Интерфейс
малых компьютерных систем – стандарт высокоскоростного параллельного интерфейса, разработанный ANSI, используется для подключения к
компьютеру периферийных устройств, других
компьютеров или ЛВС
– Serving CSCF – Обслуживающая функция CSCF
в IMS
– Synchronous Digital Hierarchy – Синхронная цифровая иерархия
– Service Delivery Platform – Платформа распределения услуг
– Synchronous Dynamic Random Access Memory –
Синхронная динамическая память с произвольным
доступом
– Service Data Unit – Блок данных услуг
– Single Edge Contact Cartridge – Картридж (корпус) процессора с односторонним торцевым расположением выводов
– Signaling Gateway – Шлюз сигнализации в NGN
– Signaling Gateway Function – Функция шлюза сигнализации в NGN, ФО
– SIGnaling TRANspot – Передача информации
сигнализации.
– Simple Instruction Multiple Data – Один поток команд, много потоков данных
– Session Initiation Protocol – Протокол установления сеансов связи (сессии)
– Simple Mail Transfer Protocol – Простой протокол передачи электронной почты
– Simple Network Management Protocol – Простой
протокол сетевого управления
14
Список сокращений и обозначений
SoC
SPGA
SRAM
SSE
SSL
STM
SQL
TCP
TDM
TDP
TG
TMF
TMG-FE
– System-on–Chip – «Система на кристалле» – способ изготовления микропроцессорных систем и
устройств в интегрированном виде
– Staggered Pin Grid Array – Корпус микросхемы с
матрицей штырьковых выводов, расположенных в
шахматном порядке
– Static Random Access Memory – Статическая память с произвольным доступом (к данным)
– Streaming SIMD Extension – Дополнительный
набор команд микропроцессора SIMD для обработок потоков данных (потоковых данных)
– Secure Sockets Layer – Криптографический протокол, обеспечивающий безопасную передачу
данных по сети Интернет
– Synсhronous Transport Module − Синхронный
транспортный модуль в SDH
– Structured Query Language – Структурированный
язык запросов – основанный на реляционной алгебре язык манипулирования данными, применяется в реляционных СУБД
– Transmission Control Protocol – Протокол контроля передачи (входит в стек протоколов TCP/IP)
– Time–Divisioning Multiplexing – Мультиплексирование с временным разделением каналов
– Thermal Design Power – Мощность системы
теплооотвода, конструктивная тепловая мощность
микропроцессора
– Trunk Gateway – Шлюз соединительных линий
– Telecommunication Management Forum,
TeleManagement Forum – Форум по управлению
телекоммуникациями, неправительственная организация
– Transport Media Gateway Functional Element –
Функциональный элемент магистрального или
транспортного (медиа)шлюза в IMS
15
Список сокращений и обозначений
TGW
UAM
UDP
UMTS
URL
USB
VС
VLIW
VPN
WAN
WCDMA
Wi-Fi
WiMAX
WDM
XML
АДИКМ
АЛ
АЛУ
АТС
– Trunking Gateway – Транспортный (медиа)шлюз,
шлюз перехода между ТФОП и IP-сетью
– User Access Module – Модуль абонентского доступа
– User Datagram Protocol – Протокол передачи
пользовательских дейтаграмм
– Universal Mobile Telecommunications System –
Унифицированная система мобильной связи
– Uniform Resource Locator – Единый указатель
ресурсов (в сети Интернет)
– Universal Series Bus – Универсальная шина с последовательной передачей бит
– Virtual Container – Виртуальный контейнер
– Very Long Instruction Word – Длинное командное
слово
– Virtual Privet Network – Виртуальная частная
(выделенная) сеть
– Wide Area Network – Глобальная вычислительная сеть
– Wideband CDMA – Широкополосный CDMA
– Wireless Fidelity – Торговая марка, обозначающая стандарты беспроводной связи IEEE 802.11x
(дословно – «беспроводная точность»)
– Worldwide Interoperability for Microwave Access–
Общедоступная служба радиодоступа для взаимодействия сетей в УКВ диапазоне
– Wavelength-Division Multiplexing – Мультиплексирование с разделением по длине волны
– eXtensible Markup Language – Расширяемый
язык разметки
– Адаптивная дифференциальная импульсно–
кодовая модуляция
– Абонентская линия
– Арифметико-логическое устройство
– Автоматическая телефонная станция
16
Список сокращений и обозначений
АТСЭ
АЦП
БД
БРОН
ВВ
ВОС
ГИИ
ГИО
ГОСТ
ГОСТ Р
ГУУ
ДВО
ДИКМ
ЕСЭ
ЗСН
ЗТУ
ЗУ
ЗЭ
ИКМ
ИСО
ИСС
ИУ
ИУУ
К-МОП
ЛВС
МОС
МПК
МПр
МСЭ
МСЭ-Р
МСЭ-Т
МТУ
– Автоматическая телефонная станция электронная
– Аналогово–цифровое преобразование
– База данных
– Блок регистров общего назначения
– Ввод/вывод
– Взаимосвязь открытых систем
– Глобальная информационная инфраструктура
– Глобальное информационное общество
– Государственный стандарт
− Государственный стандарт России
− Групповое управляющее устройство
– Дополнительные виды обслуживания
– Дифференциальная импульсно–кодовая модуляция
– Единая сеть электросвязи
– Закрытая система нумерации
– Зоновый транзитный узел (см. УЗс)
– Запоминающее устройство
– Запоминающий элемент
– Импульсно–кодовая модуляция
– Международная организация по стандартизации
– Интеллектуальная сеть связи
– Информационное устройство
– Индивидуальное управляющее устройство
– Кремний – металл – окисел – полупроводник
(конструкция микросхемы)
− Локальная вычислительная сеть (LAN)
– Международная организация по стандартизации
– Микропроцессорный комплект
– Микропроцессор
– Международный союз электросвязи
– Сектор стандартизации радиосвязи МСЭ
– Сектор стандартизации электросвязи МСЭ
– Междугородный транзитный узел связи
17
Список сокращений и обозначений
МЭК
НЖМД
НМЛ
НОД
ОКС№7
ОП
ОПН
ООП
ОУ
ОТУ
ОС
ОЭСР
ПЗУ
ПЛИС
ПО
ППЗУ
ППН
ПЦОC
ПЭВМ
РОН
СБИС
СПД
СПС
ССОП
СчК
ТО
ТТЛ
РД
РЭС
СУБД
ССП
– Международная электротехническая комиссия
– Накопитель на жёстком магнитном диске
– Накопитель на магнитной ленте
– Накопитель на оптическом диске
– Общеканальная сигнализация номер семь (система сигнализации по общему каналу номер семь)
– Общего пользования
– Обратный порядковый номер
– Оконечное оборудование пользователя
– Оконечный узел связи
– Оконечно–транзитный узел связи
– Операционная система
– Организация экономического сотрудничества и
развития
– Постоянное запоминающее устройство
– Программируемая логическая интегральная схема
– Программное обеспечение
– Перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство
– Прямой порядковый номер, в ОКС№7
– Процессор цифровой обработки сигналов
–Персональная
электронно–вычислительная
машина
– Регистр общего назначения
– Сверхбольшая интегральная схема
– Сеть передачи данных
– Сеть подвижной радиотелефонной связи
– Сеть связи общего пользования
– Счётчик команд
– Техническое обслуживание (operation)
– Транзисторно-транзисторная логика
– Руководящий документ
– Радиоэлектронные средства
– Система управления базами данных
– Сеть следующего поколения
18
Список сокращений и обозначений
ТМгУС
ТМнУС
ТУз
ТфОП
ТЭ
УИВС
УКВ
УПАТС
УС
ФО
ШПД
ЦАП
ЦКП
ЦП
ЦПУ
ЧНН
ЭВМ
ЭСППЗУ
ЯП
ЯЗУ
– Транзитный междугородный узел связи
– Транзитный международный узел связи
– Транзитный узел зоновой связи (см. ЗТУ)
– Телефонная сеть связи общего пользования
– Техническая эксплуатация (maintenance)
– Узел исходящих–входящих сообщений
– Ультракоротковолновый диапазон радиочастот
– Учрежденческо-производственная АТС
– Узел связи
– Федеральный округ России или
функциональный объект в NGN
– Широкополосный доступ
– Цифро–аналоговое преобразование
– Цифровое коммутационное поле
– Цифровые права
– Центральное процессорное (вычислительное)
устройство
– Час наибольшей нагрузки
– Электронно-вычислительная машина
– Электрически стираемое (пере)программируемое
постоянное запоминающее устройство
– Ячейка памяти
– Ячейка запоминающего устройства
19
Введение
ВВЕДЕНИЕ
Учебное пособие предназначено для преподавания дисциплины «Вычислительные системы, сети и телекоммуникации»
студентам очной и заочной полной формы обучения по направлению подготовки бакалавра 09.03.03 – Прикладная информатика, профиль «Прикладная информатика в экономике» и по
направлению подготовки 38.03.05 – Бизнес–информатика, профиль «Электронный бизнес». Также главы 7, 8, 9, 10 используются для преподавания дисциплины «Вычислительная техника
и информационные технологии» для подготовки бакалавров
техники и технологии по направлению 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи».
Указанные дисциплины является основными для изучения
студентами основ вычислительной техники, структуры и функционирования локальных вычислительных сетей, процессов
функционирования вычислительных систем и сетей, способов
эффективного применения современных технических средств
инфокоммуникаций и сетевых протоколов для решения задач
построения информационных систем,
В учебном пособии рассматриваются:
• Архитектура и процессы функционирования вычислительных систем, сетей и телекоммуникаций.
• Физические основы средств компьютерной техники и
систем передачи информации.
• Организация вычислительных систем.
• Принципы работы устройств инфокоммуникационных
технологий.
• Сетевые протоколы всех уровней модели взаимосвязи
открытых систем.
20
1. Глобальная информационная инфраструктура и ЕСЭ РФ
1. ГЛОБАЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИОННАЯ
ИНФРАСТРУКТУРА И ЕДИНАЯ СЕТЬ
ЭЛЕКТРОСВЯЗИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
В главе 1 будут рассмотрены вопросы организации глобального информационного общества, технического обеспечение информационного обмена, организация современных сетей
связи и оказываемые ими инфокоммуникационные услуги, система нумерации Единой сети электросвязи Российской Федерации.
1.1
Глобальная информационная инфраструктура
Цель изучения раздела
Целью изучения раздела является ознакомление с основными понятиями, составом глобальной информационной инфраструктуры, основными видами сетей связи, используемыми протоколами обмена и технологиями переноса сигналов электросвязи.
Содержательная часть
Человечество движется к глобальному информационному
обществу (ГИО), где все обладают равными «цифровыми правами». Гражданин должен иметь возможность получать доступ
к глобальным информационным ресурсам. В качестве материально–технической базы ГИО используют глобальную информационную инфраструктуру (ГИИ) (см. рис. 1.1).
Информационное устройство – это персональный компьютер, планшетный компьютер, телефонный аппарат, телевизионный приёмник, смартфон. В качестве платформы поддержки приложений могут использоваться микропроцессоры в совокупности с операционными системами, программное обеспечение информационных устройств, прикладное программное
обеспечение, специализированные процессоры для преобразо21
1. Глобальная информационная инфраструктура и ЕСЭ РФ
вания информации в форму, удобную для передачи по сетям
связи.
Рис. 1.1 – Общая схема элементов ГИИ
Платформы поддержки коммуникаций – это оконечное
оборудование данных, модемы, устройства доступа различного
назначения, которые непосредственно преобразуют данные для
передачи по сетям связи. Протоколы обмена – это набор правил и форматов представления информации, которая определяет
взаимосвязанное поведение взаимодействующих объектов.
Примерами телекоммуникационных протоколов обмена являются http, SIP, H.323, TCP/IP, UDP, RTP. Телекоммуникационная инфраструктура ГИИ представлена на рис.1.2.
Транспортная сеть
DWDM, Ethernet, IP-MPLS, SDH
Сеть доступа
ТФОП
ISDN
xDSL
КТВ
FTTH
2,5G
3G
LTE
Информационные устройства
Рис. 1.2 – Телекоммуникационная инфраструктура ГИИ
Транспортная сеть связи
– осуществляет передачу или
перенос сигнала электросвязи
между различными сетями доступа использованием технологий передачи оптических и
электрических
сигналов
22
1. Глобальная информационная инфраструктура и ЕСЭ РФ
DWDM, GigabitEthernet, SDH, ATM. Транспортная сеть связи,
охватывает магистральные сетевые узлы, междугородние узлы
связи, а так же соединяющие их каналы и линии связи. Сеть
доступа – совокупность абонентских линий и станций местной
сети, которые обеспечивают доступ оконечного оборудования
пользователей (ООП) к транспортной сети, а так же обеспечивают местную связь без выхода на транспортную сеть.
Выводы по разделу
В разделе рассмотрены основные понятия глобального информационного общества, приведены основные технологии организации переноса сигналов в транспортных сетях и сетях доступа. Отмечено, что каждый гражданин имеет право на доступ к
глобальным информационным ресурсам.
Теоретические вопросы
1. Дайте определение понятию «глобальная информационная инфраструктура».
2. Какие технологии переноса сигнала электросвязи используются на транспортных сетях?
3. Что такое «информационное устройство»?
1.2 Функциональные подсистемы ЕСЭ РФ
Цель изучения раздела
Целью изучения раздела является ознакомление с функциями и назначением Единой сети электросвязи Российской Федерации, её функциональными подсистемами [11].
Содержательная часть
Единая сеть электросвязи (ЕСЭ) Российской Федерации является cоставляющей частью ГИИ и включает сети связи общего пользования (CC ОП), выделенные сети, технологические
сетей, сети связи специального назначения. На базе ЕСЭ РФ
функционирует российский сегмент сети Интернет.
23
1. Глобальная информационная инфраструктура и ЕСЭ РФ
ЕСЭ России – сложная техническая система, в состав которой входят функциональные, технические, организационные
подсистемы. К функциональным подсистемам ЕСЭ РФ относятся:
• Подсистема нумерации – определяет принципы и правила адресации и идентификации пользователей услуг сетей связи.
• Подсистема предоставления услуг – определяет правила
предоставления пользователям услуг связи.
• Подсистема контроля – определяет способы и методы
оперативного контроля и мониторинга состояния сети связи и её
элементов.
• Подсистема измерения – определяет принципы, регламенты и средства измерений значений параметров и характеристик линий связи, оборудования связи, показателей качества передачи речи, видео и данных в процессе оказания услуг.
• Подсистема восстановления и ремонта – определяет способы, регламенты и нормативы устранения повреждений и последствий отказов на сетях связи.
• Подсистема резервирования – определяет методы и способы повышения надежности и качества функционирования сетей связи с помощью штатного или дополнительного оборудования.
• Подсистема расчета (биллинг) – определяет правила определения стоимости и порядок оплаты услуг связи.
В ЕСЭ РФ в каждом поселении на расстоянии одного часа
ходьбы от гражданина должно быть установлено не менее чем
одно средство коллективного доступа для оказания услуги телефонной связи с бесплатным доступом к экстренным оперативным службам. В населенном пункте с населением не менее
500 жителей, должно быть средство коллективного доступа в
сеть Интернет. Это – универсальные услуги связи.
Организация связи, функционирование ЕСЭ РФ, условия
предоставления услуг связи регулируются законом Российской
Федерации «О связи» № 126–ФЗ от 7.07.2003 г. с актуальными
изменениями. Подготовлено более 70 подзаконных нормативно–
24
1. Глобальная информационная инфраструктура и ЕСЭ РФ
правовых актов (НПА) и постановлений правительства РФ, регламентирующих производство и применение средств связи, правила оказания населению услуг связи. Документы доступны на
сайте www.minsvyaz.ru.
Выводы по разделу
Состав и функциональное назначение подсистем ЕСЭ РФ
обусловлены их использованием для организации связи. Функции уточняются нормативно-правовыми актами, регламентирующих различные стороны функционирования отрасли
«Связь».
Теоретические вопросы
1. Укажите назначение функциональной подсистемы нумерации на ЕСЭ РФ.
2. Дайте общее определение понятию «универсальные услуги связи».
3. Какие федеральные законы определяют функционирование отрасли «Связь»?
1.3
Инфокоммуникационные услуги
Цель изучения раздела
Целью изучения раздела является ознакомление с составом,
содержанием и способами предоставления инфокоммуникационных услуг.
Содержательная часть
В ГИИ услуга связи эволюционируют в инфокоммуникационную услугу [9,10]. Инфокоммуникационная услуга предусматривает не только установление сеанса связи между пользователями, но и предоставление информации от третьей стороны
(сайт, социальная сеть, портал, электронный магазин и т.п.).
Большинство инфокоммуникационных услуг предполагает на25
1. Глобальная информационная инфраструктура и ЕСЭ РФ
личие клиентской и серверной частей; клиентская часть реализуется в оборудовании пользователя, а серверная – на специальном выделенном узле сети, называемом узлом служб (см. рис.
1.3).
Рис. 1.3 – Схема «Клиент–сервер»
Инфокоммуникационные услуги предполагают передачу
мультимедиа информации, которая характеризуется высокими
скоростями передачи и несимметричностью информационных
потоков, причем входящий (downstream) к пользователю информационный поток в несколько раз интенсивнее исходящего
(upstream) информационного потока. К инфокоммуникационным услугам предъявляются особые требования:
• мобильность услуг – предоставление услуг с любого
терминала пользователя;
• возможность гибкого и быстрого создания новых услуг;
• гарантированное качество услуг;
• конвергентность – независимость качества услуги от используемых для её предоставления сетей и сетевых технологий.
Бизнес-модель предоставления инфокоммуникационных
услуг отличается от модели традиционных услуг связи и предполагает наличие не только абонента и оператора связи, но и
третьей стороны – поставщика контента/сервиса. Оператор становится предоставителем услуг переноса сигнала электросвязи,
а также предоставляет дополнительные виды обслуживания
(ДВО) и информационно-справочные услуги.
Широкополосность (broaband) или широкополосный доступ
(ШПД), скорость которого определялась МСЭ–Т в 2010 г. как
26
1. Глобальная информационная инфраструктура и ЕСЭ РФ
256 Кбит/с является основой для подключения инфокоммуникационных услуг. Неправительственная организация TeleManagement Forum (объединяет 780 компаний из 195 стран) определяет
скорость ШПД для домохозяйств от 384 Кбит/с до 30 Мбит/с.
К базовым инфокоммуникационным услугам прежде всего
относятся услуги, ориентированные на установление телефонного соединения с использованием ЕСЭ РФ, услуги по передаче
факсимильных сообщений, услуги по организации модемных
соединений, услуги еще эксплуатируемых сетей ISDN с цифровым коммутируемым доступом со скоростью 128 кбит/сек.
Дополнительные виды обслуживания предоставляются с базовыми услугами, например:
• идентификации вызывающей линии;
• запрет идентификации вызывающей линии;
• переадресация вызова при отсутствии ответа;
• переадресация вызова при занятости;
• удержание вызова и т.п.
К базовым инфокоммуникационным услугам сейчас также
можно отнести услугу доступа в сеть Интернет с поддержкой
сервисов WWW, E-mail, FTP-приложений.
К расширенным инфокоммуникационным услугам относятся информационно-справочные услуги, услуги виртуальных частных сетей VPN, услуги мультимедиа, в том числе IPTV. Сюда
же относятся услуги интеллектуальных сетей связи – «Телеголосование», «Вызов с дополнительной оплатой» (Premium Rate).
Сюда же можно отнести услуги социальных и «облачных» сетей, peer-to-peer сети, в том числе торренты, VoIP–телефония, в
том числе Skype, Интернет-телевидение и т.п.
Выводы по разделу
Для инфокоммуникационных услуг характерно разнообразие прикладных протоколов и возможностей по управлению услугами со стороны пользователя, это услуги широкополосные,
мультисервисные, мобильные, с гарантированным качеством.
27
1. Глобальная информационная инфраструктура и ЕСЭ РФ
Теоретические вопросы
1. Укажите назначение сервера в системе предоставления
инфокоммуникационных услуг.
2. Какое значение в настоящее время имеет мобильность
инфокоммуникационной услуги и почему?
3. Какие инфокоммуникационные услуги относятся к базовым услугам?
4. К какому набору услуг можно отнести услугу «Бесплатный вызовов»?
1.4
Система телефонной нумерации ЕСЭ РФ
Цель изучения раздела
Целью изучения раздела является ознакомление со способами идентификации абонентов телефонной сети связи в составе Единой сети электросвязи Российской Федерации.
Содержательная часть
Для предоставления услуг междугородной автоматической
телефонной связи абонентским терминалам присваивается национальный телефонный номер вида АВСавхххххх. Здесь АВС –
код географической зоны нумерации ЕСЭ РФ, авхххххх – номер
абонента в пределах зоны нумерации (внутризоновый номер).
Коды АВС присваиваются краям, областям, республикам России, г. Москве (495, 499) на основании Реестра нумерации Российской системы нумерации и плана нумерации, который поддерживается Федеральным агентством связи (Россвязь). Другие
коды DEF используются для географически неопределяемых
зон нумерации, например 901, 902, 903, 927, 937 в составе федеральных номеров системы подвижной радиосвязи; DEF = 800
обозначает телематическую услугу «Бесплатный вызов» («Услуга 800»), когда вызов будет оплачен входящим абонентом.
Международный телефонный номер имеет вид αβγ
АВСавхххххх, где αβγ – международный одно–, двух– или
трехзначный код страны назначения. Например, код России –
28
1. Глобальная информационная инфраструктура и ЕСЭ РФ
«7», код Украины «380», код Франции «33», код США и Канады
«1», код Египта «40». По рекомендации МСЭ–Т E.164 длина
номера абонента телефонной сети связи с функциями ЦСИО
(ISDN) составляет до 15-ти знаков, когда к стандартному номеру вида АВСавхххххх добирается трехзначный подадрес одного
из устройств ISDN, например цифровой факс, телекс, модем.
В телефонной нумерации выделяют индексы или префиксы
выхода на соответствующий вид телефонной связи. В России
«8» – это выход на междугородную связь, комбинация «8+1+0»
или знак «+» – префикс выхода на международную связь. Для
выхода на внутризоновую сеть в России используется индекс
выхода «8+2» – зоновая сеть, поэтому цифры кода АВС и DEF
имеются следующие ограничения: А ≠ 1,2; D ≠ 1,2.
Номер авххххх называется единым семизначным номером:
а ≠ «0» или «8» при использовании 7 знаков в номере; в ≠ «0»
или «8» при использовании 6 знаков в номере. Цифры ав называются кодами стотысячной группы и обычно соответствуют
кодам конкретных узлов сети внутризоновой связи.
Значность номера на сети выбирается с учётом числа абонентов сети. Для всех сулчаев первый знак в номере не может
быть равен «0» или «8», так как «0» – индекс выхода к узлу
спецслужб, «8» – индекс выхода на зоновую и междугородную
сети. Поэтому предельно допустимая ёмкость зоны семизначной
нумерации не может превышать 8x106 номеров. В случае, если
значность внутреннего номера авххххх не достигает 7 знаков,
то при междугородной телефонной связи вместо а или ав добираются незначащие цифры номера, например АВС(2)вххххх.
Цифры «Ххххх» называется станционным номером абонента.
В ближайшие 10–15 лет создаются условия для замены номеров спецслужб с номера «0»Х(Х) на номер типа «U»(Y). Планируется начать подготовку к замене индекса выхода на междугородную связь с «8» на «0» и замена префикса «8»+«10» на
«0»+«0». Междугородные коды АВС, которые начинались с
«0», будут заменены на коды из резервной группы «4ВС»;
окончательно будет осуществлён переход к единой нумерации
29
1. Глобальная информационная инфраструктура и ЕСЭ РФ
спецслужб – единая служба спасения «112». Более общее описание принципов адресации и идентификации устройств связи
можно найти в стандарте ISO 7498 и его аналоге ГОСТ Р ИСО
7498.
Выводы по разделу
Для предоставления услуг связи на территории Российской
Федерации, прежде всего услуг телефонной связи, используется
система нумерации с 15-ти значным телефонным номером абонента. Существует местный, зоновый, междугородный и международный телефонный номер и соответствующая система нумерации. Единая система и план нумерации на территории России поддерживается на государственном уровне и постоянно
развиваются.
Теоретические вопросы
1. Для чего нужен код ABC?
2. Могут ли на территории города X. и на территории города другого федерального округа Y. существовать абоненты с
одинаковым номером вида авххххх?
3. Может ли на территории Российской Федерации существовать два абонента с одинаковым национальным телефонным
номером?
4. От чего зависит количество цифр в международном коде
страны αβγ?
1.5
Схемы международной и междугородной сетей
телефонной связи
Цель изучения раздела
Целью изучения раздела является ознакомление со способами организации междугородной и международной сетей телефонной связи Единой сети электросвязи Российской Федерации.
30
1. Глобальная информационная инфраструктура и ЕСЭ РФ
Содержательная часть
Архитектура междугородной и международной телефонной
сети связи (сеть фиксированной телефонной связи) – иерархическая с главными узлами связи и узлами связи второго, третьего
уровня. Главные узлы связи – это международные или национальные средства связи, которые обслуживают транзитный телефонный трафик. Согласно Рек. МСЭ–Т Е.170 и 171, созданы
международные коммутационные центры ISC, которые могут
обслуживать как оконечный, так и транзитный международный
телефонный трафик (см. рис. 1.4).
ISC 1
ISC 3
ISC 2
Рис. 1.4 – Схема
международной
телефонной сети связи
ISC 4
Весь мир разделен на
9 зон международной теISC 5
ISC 6
лефонной нумерации или
телефонных континентов.
России выделена зона α =
«7», Европе – зона α = «3» и «4», США и Канада занимают α =
«1» зону, Средний и Ближней Восток относятся к «6» зоне. Узлы ISC строятся в количестве от 1 до N на территории одного
государства и обслуживают, как транзитную, так и оконечную
телефонную нагрузку. В России центры ISC называются
ТМнУС – транзитный международный узел связи.
Узлы ТМнУС оператора международной связи размещаются не менее чем в двух федеральных округах европейской части
России и не менее чем в двух федеральных округах азиатской
части России, т.е. всего у каждого оператора международной
связи таких узлов не менее 4. Каждый ТМнУС должен быть
подключен к соответствующим иностранным международным
узлам связи.
31
1. Глобальная информационная инфраструктура и ЕСЭ РФ
Фрагмент международной телефонной сети связи на территории России показан на рис. 1.5.
Рис. 1.5 – Схема международной телефонной сети оператора
связи на территории России
На территории России дли пропуска транзитной междугородней и международной нагрузки используются транзитные
междугородные узлы связи ТМгУС. ТМгУС создаются по одному в каждом федеральном округе, всего таких узлов у данного
операторов дальней или междугородной телефонной связи
должно быть минимум 7. ТМгУС соединены по схеме «каждый
с каждым» и каждый – не менее чем с двумя ТМнУС. ТМгУС
подключает к междугородной телефонной сети транзитные зоновые узлы фиксированной зоновой телефонной связи ТУз (или
ЗТУ), как показано на рис. 1.6.
ТУз также используются для оказания услуг внутризоновой
связи (связи внутри субъекта РФ). Все ТУз обязательно подключаются к ТМгУС своего федерального округа, а также к
ТМгУС другого ФО. Узлы ТУз размещаются в городах федерального значения; все ТУз данного оператора в границах субъекта РФ соединены прямыми каналами связи.
32
1. Глобальная информационная инфраструктура и ЕСЭ РФ
Рис. 1.6 – Схема междугородной телефонной сети оператора
связи
Узлы ТМгУС, ТМнУС, ТУз реализуется на базе международной или междугородной автоматической телефонной станции с коммутацией каналов или на базе оборудования с коммутацией пакетов, выполняющих функции ТМгУС, ТМнУС, ТУз.
Выводы по разделу
Для предоставления услуг международной и междугородной телефонной связи на территории Российской Федерации
используется иерархическая сеть с коммутацией каналов и с выделением узлов ТУз, ТМгУС, ТМнУС.
Теоретические вопросы
1. Сколько узлов CT1 построено на международной сети
телефонной связи?
2. Определите минимально допустимое количество ТМгУС
оператора связи на территории России.
3. Каковы функции ТУз?
4. Может ли в субъекте РФ один и тот же оператор связи
построить два ТУз?
33
1. Глобальная информационная инфраструктура и ЕСЭ РФ
1.6 Схема внутризоновой и местной сети
телефонной связи
Цель изучения раздела
Целью изучения раздела является ознакомление со способами организации междугородной и международной сети телефонной связи Единой сети электросвязи Российской Федерации.
Содержательная часть
Архитектура внутризоновой и местных сетей связи ЕСЭ РФ
иерархическая. Узлы ТУз подключают к сети зоновой (внутрирегиональной) телефонной связи местные сети каждого муниципального образования. К ТУз подключаются узлы связи местной телефонной сети связи в виде опорной станции ОПС и
опорно–транзитной станции ОПТС, как показано на рис. 1.7.
Рис. 1.7 – Схема зоновой телефонной сети оператора связи с
несколькими ТУз и КС
Также для подключения местных сетей к междугородной и
внутризоновой сети связи используется комбинированная станция КС с использованием функции коммутации пакетов, объединяющая функции узла связи местной телефонной сети и
34
1. Глобальная информационная инфраструктура и ЕСЭ РФ
ТУз. В этом случае функции ОПС частично исполняют специализированные шлюзы (см. раздел 3).
Опорная станция реализуется на базе автоматической телефонной станции АТС или УПАТС, предназначенной для непосредственного подключения абонентов ТФОП к сети местной
телефонной связи и выхода на внутризоновые, междугородные
и международные сети связи. Оконечно-транзитная станция
применяется для подключения абонентов к ТУз также ОПТС
обслуживает транзитный трафик между ОПС и трафик «своих»
оконечных абонентов.
Самой простой схемой местной сети является нерайонированная сеть без узлов, как показано на рис. 1.8. Достоинством
такого решения является относительная дешевизна и простая
схема инженерной конструкции. НеАб.А
Аб.В
достатком является ограниченная емкость сети, малая надежность и ограОПС
ниченная способность к развитию.
Рис. 1.8 – Схема местной
нерайонированной телефонной сети
связи без узлов
Другим вариантом построения местной сети ёмкостью от
20 000 до 80 000 абонентских портов является районированная
схема без узлов на рис.1.9.
Аб.Б
Аб.А
ОПС9
МСЛ
Аб.Б
Рис. 1.9 – Схема местной
телефонной сети без узлов
В узлах сети находятся
опорные коммутационные станции, выполняющие функции
ОПС4
оконечных узлов. РайонированАб.В
ная схема без узлов предусматривает, что станции соединяются по полносвязной схеме «каждая с каждой». Это целесообразно, если трафик на сети обеспе-
ОПС3
35
1. Глобальная информационная инфраструктура и ЕСЭ РФ
чивает достаточно высокое удельное использование (50…70% )
одной цифровой линии/канала со скоростью передачи 64 Кбит/с.
Более сложной схемой, применяемой для сети емкостью более 80 000 абонентских портов, является районированная схема
с узлообразованием на рис. 1.10, где на узлах связи применяются цифровые системы коммутации с каналами двухстороннего
использования.
Рис. 1.10 – Схема районированной телефонной сети связи с
узлообразованием
Узлы исходящих–входящих сообщений, УИВС выполняют
функции концентраторов исходящего и входящего трафика от
ОПС и ОПТС «своего» узлового района в направлении других
узловых районов.
Узкл ОПТС может выполнять функцию «тандемого узла»,
предназначенного для пропуска избыточной нагрузки ∆yij между двумя оконечными узлами связи (путь выбора 1, путь выбора
2), если этот трафик не был обслужен на прямом пути. Избыточная нагрузка ∆yij – это трафик, который не может быть
обслужен прямыми каналами между двумя оконечными узлами
36
1. Глобальная информационная инфраструктура и ЕСЭ РФ
ОУ, в этом случае вызовы пойдут через транзитный или оконечно–транзитный узел, ОТУ, как это показано на схеме рис. 1.11.
Рис. 1.11 – Схема организации обходных направлений связи
Для пары ОУi – ОУj на местной, зоновой и междугородной
телефонной сети связи могут существовать до 7 ОТУ, выполняющих функцию тандемных узлов и формирующих несколько
транзитных путей установления соединения.
Выводы по разделу
Для предоставления услуг внутризоновой телефонной связи
используются транзитный узел зоновый, ТУз. На местной телефонной фиксированной сети связи оборудование систем коммутации может применяться в качества опорных станций, так и в
качестве опорно–транзитных станций. В последнем случае
ОПТС могут выполнять функции оконечно–транзитных узлов.
Различают следующие схемы местных сетей связи: нерайонированная схема, районированная схема без узлообразования, районированная схема с узлообразованием.
Теоретические вопросы
1. Как организована внутризоновая телефонная сеть связи?
2. Через какие узлы абонент местной телефонной сети получает доступ к международной телефонной сети?
3. Какие функции исполняет оконечно-транзитный узел
связи?
4. Какие узлы коммутации называются тандемными?
37
2. Коммутация каналов и пакетов, сетевые протоколы организации
сеансов связи
2. КОММУТАЦИЯ КАНАЛОВ И ПАКЕТОВ,
СЕТЕВЫЕ ПРОТОКОЛЫ ОРГАНИЗАЦИИ
СЕАНСОВ СВЯЗИ
В главе 2 будут рассмотрены принципы коммутации каналов и пакетов, достоинства и недостатки каждого способа передачи сообщений. В разделе 2.2 рассматривается базовый протокол сигнализации для сетей коммутацией каналов ОКС№7. В
разделах 2.3. и 2.4. рассматриваются сетевые протоколы организации сеансов связи сетей с коммутацией пакетов – H.323. и SIP.
2.1 Коммутация пакетов и коммутация каналов на
сетях связи
Цель изучения раздела
Целью изучения раздела является ознакомление с базовыми
принципами коммутации каналов и пакетов в современных телекоммуникациях, достоинствами и недостатками этих способов организации передачи сообщений.
Содержательная часть
В современных телекоммуникациях имеет место постепенный переход от коммутации каналов к коммутации пакетов для
оказания услуг связи массовому пользователю. Коммутация каналов в сети электросвязи технологически означает организацию последовательности каналов передачи для доставки сообщений электросвязи от источника к получателю. Между абонентами А (условно исходящий) и абонентом Б (условно входящий)
организуется сквозной канал электросвязи по схеме «точка –
точка» или «точка – много точек». В процессе формирования
канала используются методы частотного, временного или пространственного мультиплексирования для увеличения скорости
передачи на рис. 2.1) и см. раздел 7.
38
2. Коммутация каналов и пакетов, сетевые протоколы организации
сеансов связи
В результате переноса сигнала электросвязи по коммутируемому каналу происходит процедура обмена информацией.
Достоинства такого способа следующие:
Рис. 2.1 – Схема коммутации каналов на сети связи
• Наличие гарантированного канала для передачи со скоростью, кратной 64 Кбит/с (для Европы) или 56 Кбит/с (для Северной Америки).
• Адрес получателя передается только в начале соединения.
• Трафик передается с минимальными задержками.
Недостатками являются:
• Простаивание коммутируемого канала, когда обмен между пользователями отсутствует,
• Необходимость предварительно устанавливать соединение,
• Возможность отказа в установлении соединения на любом участке, например при отсутствии свободных каналов.
С конца 1970-х наметился постепенный переход к использованию коммутации пакетов (пакетной коммутации) на основе
протокола X.25 (скорость передачи до 64 Кбит/с), протокола
ретрансляции кадров FrameRelay (скорость до 2 Мбит/с), прото-
39
2. Коммутация каналов и пакетов, сетевые протоколы организации
сеансов связи
кола Ethernet (скорость от 10 до 10 000 Мбит/сек), HSPDA в сетях 3G (скорость от 384 Кбит/с до 2 Мбит/с).
Пакет информации – это сообщение электросвязи, которое
передается по сети передачи данных и в составе которого присутствуют данные, необходимые для его обработки узлом связи
(адрес). Коммутация пакетов предусматривает использование
технологии доставки получателю сообщений электросвязи, разбитых на отдельные пакеты информации, которые могут пересылаться из исходного пункта в пункт назначения независимо
друг от друга в соответствии с содержащимся в них адресом.
Для коммутации пакетов сейчас в основном используется стек
(семейство) протоколов TCP/IP, рассматриваемый в главе 4.
Общая схема сети с коммутацией пакетов представлена на рисунке 2.2.
Рис. 2.2 – Схема коммутации пакетов
На рисунке 2.2 видно, что между пользователями отсутствует сквозной, «из–конца–в–конец» канала связи. Следует отметить, что в следующий период времени маршрут доставки пакета получателю может измениться, в то время как канал связи
сохранялся на все время соединения.
40
2. Коммутация каналов и пакетов, сетевые протоколы организации
сеансов связи
Информация передается в процессе установления сеанса
(электро)связи, то есть в процессе передачи и/или приема информации без предварительного установления соединения. Достоинства такого способа следующие:
• Максимально эффективное использование сетевого ресурса.
• Не требуется предварительное установление соединения.
Недостатками является отсутствие гарантий доставки пакетов в целом, непредсказуемое время задержки доставки пакетов,
адреса доставки передаются с каждым пакетом в адресном заголовке.
При коммутации пакетов возможно установление т.н. логического соединения (виртуального канала), когда ООП согласуют некоторые параметры соединения, например скорость,
маршрут доставки пакетов, допустимое время задержки. Однако
при этом приходится использовать пакеты со служебной информацией для поддержания логического соединения.
Если логический канал не формируется, пакеты просто отправляются получателю по мере формирования источником.
Такой способ передачи проще и называется дейтаграммным.
В сетях с коммутацией пакетов для организации сеанса связи, прежде всего для передачи речевой информации (речи) используются различные протоколы. Рассмотрим два базовых
протокола – H.323 и SIP.
Выводы по разделу
Для предоставления услуг связи используются как сети связи с коммутацией каналов, так и сети связи с коммутацией пакетов.
Каждый из этих способов передачи сообщений имеет свои
достоинства и недостатки, однако, с учетом развития сети Интернет, сети с коммутацией пакетов развиваются интенсивнее.
41
2. Коммутация каналов и пакетов, сетевые протоколы организации
сеансов связи
Теоретические вопросы
1. Может ли коммутируемый канал связи организовываться последовательно через два узла связи?
2. Для чего пакету информации нужен адресный заголовок?
3. В чем достоинства коммутации каналов?
4. Может ли логический канал проходить через несколько
узлов связи?
2.2 Общеканальная сигнализация №7 и её особенности
Цель изучения раздела
Целью изучения раздела является ознакомление с базовыми
принципами использования системы общеканальной сигнализации ОКС№7.
Содержательная часть
Общеканальная сигнализация – это метод передачи сигнальных сообщений на сетях с коммутацией каналов, когда по
единому каналу передается сигнальная информация, относящаяся к множеству других каналов или узлов связи. Сигнальная информация передается в виде пакетов переменной длины, которые называются сигнальными единицами (см. Рек. МСЭ–Т
Q.703). Вся информация кодируется в двоичной форме. В качестве сигнальной информации передается номер абонента, его
характеристики, тип терминала, сведения о дополнительных услугах и т.п. Используемая в России общеканальная сигнализация №7 (ОКС№7) предназначена для обмена сигнальной информацией в цифровых сетях связи с коммутацией каналов и
стандартизирована МСЭ-Т в Рекомендациях Q.701–Q.795. При
обмене по ОКС№7 также передается информация для технического обслуживания и эксплуатации узлов связи. Система
ОКС№7 применяется согласно национальной спецификации
42
2. Коммутация каналов и пакетов, сетевые протоколы организации
сеансов связи
ISUP–R–2000, взаимодействует с другими системами сигнализации, обслуживает вызовы на сети подвижной связи, СПС и
взаимодействует с сетью с коммутацией пакетов. ОКС№7 работает по выделенным цифровым каналам в составе ИКМ–тракта
со скоростью 64(56) Кбит/с, которые называются звеньями сигнализации, количество которых определяется как [n+1], где n –
количество работающих звеньев, 1 – количество резервных
звеньев. В ОКС №7 заложены функции автоматического переключения передачи сигнального трафика на резервное звено в
случае отказа рабочего звена.
В сети ОКС№7 выделяют пункты сигнализации – часть
оборудования узла связи, которое имеет специальный трехзначный код в системе ОКС№7 для адресного приема, обработки и
передачи сигнальных сообщений. Код пункта сигнализации
ОКС№7 передается в адресной части сигнального сообщения,
которое обслуживает сеанс связи между абонентами. Все звенья
сигнализации между двумя пунктами сигнализации образуют
пучок звеньев сигнализации. В ОКС №7 применяется эффективная процедура анализа правильности переданных сигнальных
единиц и устранения последствий неправильного приема (см.
рис. 2.3).
Рис. 2.3 – Выявление ошибки передачи сигнальной
единицы в ОКС№7
43
2. Коммутация каналов и пакетов, сетевые протоколы организации
сеансов связи
В заголовке сигнальной единицы выделяются специальные
биты-индикаторы, чьё изменение с «0» на «1» или наоборот
свидетельствует о наличии ошибок при обмене. Любой сигнальный пункт при передаче нумерует каждую сигнальную единицу
от «0» до «127» в двоичной форме. На рис. 2.3 эти номера соответствуют прямым порядковым номерам, ППН и равны, соответственно «5», «6» и «7» при передаче от пункта–отправителя
101 к пункту назначения 102. Сигнальная единица №5 уже успешно передана, сигнальная единица №6 повреждена помехой,
сигнальная единица №7 только готовится к передаче.
При приеме прямой порядковый номер обязательно проверяется пунктом сигнализации. В случае, если принимается сигнальная единица с нераспознаваемым/поврежденным номером,
то это свидетельствует об ошибке передачи. Информацию об
ошибке следует передать в сторону сигнального пункта, который отправил эту сигнальную единицу.
Для передачи информации о правильном приеме или об
ошибке на приеме используются поля адресной части сигнальной единицы, отправляемой в обратном направлении, от пункта
102 на рис. 2.3) к сигнальному пункту 101. На примере видно,
что номер последней правильной принятой сигнальной единицы
передается в поле «Обратный порядковый номер» ОПН и равен
5; изменение значения бита-индикатора (на рисунке не показан)
говорит о том, что следующая единица то есть сигнальная единица №6, принята с ошибкой.
Пункт сигнализации 101, получив сигнальную единицу с
ОПН=5 и инвертированным битом-индикатором, останавливает
текущую передачу сигнальной единицы с ППН = №7, и повторно передает сигнальную единицу с ППН=6 в сторону сигнального пункта 102. Это продолжается, пока сигнальная единица не
будет передана, или, ошибка не устраняется повторной передачей. В противном случае ОКС№7 переключается на резервное
звено сигнализации. В настоящее время система сигнализации
44
2. Коммутация каналов и пакетов, сетевые протоколы организации
сеансов связи
ОКС№7 рассматривается как унаследованная и не применятся
на сетях связи с коммутацией пакетов.
Выводы по разделу
На сетях связи с коммутацией каналов для установления
коммутируемого соединения повсеместно применяется система
сигнализации ОКС №7. Эта система сигнализации является достаточной универсальной для организации соединений между
абонентами различных систем связи, как фиксированных, так и
подвижных/мобильных сетей связи.
Теоретические вопросы
1. Дайте определение понятию «сигнализация по общему
каналу».
2. Что такое «звено сигнализации»?
3. Для чего нужен прямой порядковый номер сигнальной
единицы?
4. О чем свидетельствует изменение значения обратного
бита-индикатора?
2.3 Протокол H.323
Цель изучения раздела
Целью изучения раздела является ознакомление с составом,
организацией, последовательностью обмена сообщениями протокола организации сеансов мультимедийной связи H.323.
Содержательная часть
Рекомендация МСЭ–Т Н.323 описывает системы мультимедийной связи, которые ориентированы преимущественно на работу в сетях с коммутацией пакетов, не обеспечивающих гарантированное качество обслуживания. Сети на базе протокола
Н.323, ориентированы на интеграцию с ТФОП. Процедура уста-
45
2. Коммутация каналов и пакетов, сетевые протоколы организации
сеансов связи
новления соединения в таких сетях базируется на рекомендации
ITU-T Q.931 и практически идентична такой же процедуре в сетях ТФОП/ISDN. Общая архитектура сети на основе протокола
H.323 представлена на рисунке 2.4. Протокол Н.323 включает в
себя три основных протокола: протокол взаимодействия оконечного оборудования с привратником RAS, протокол управления соединениями Н.225.0 (см. Рек. МСЭ–Т Q.931) и протокол
управления логическими каналами Н.245.
Рис. 2.4 – Архитектура сети на основе протокола H.323
Терминал Н.323 (H.320, H.323, V.70) – это оконечное устройство c с поддержкой сети IP-телефонии, обеспечивающее
двухстороннюю речевую или мультимедийную связь с другим
терминалом, шлюзом или устройством управления конференциями.
Основной функцией шлюза является преобразование речевой (мультимедийной) информации, поступающей со стороны
46
2. Коммутация каналов и пакетов, сетевые протоколы организации
сеансов связи
ТФОП с постоянной скоростью, в вид, пригодный для передачи
по сетям с коммутацией пакетов, а также обратное преобразование (см. главу 7). При отсутствии в сети привратника шлюз может преобразовывать телефонные номера ТФОП в IP–адрес.
Шлюз поддерживает обмен сигнальными сообщениями как с
оборудованием ТФОП, так и с привратником или оконечным
устройством – мультимедийным терминалом Н.323. Устройство организации конференц-связи MCU организует обмен данными в процессе многоточечной видео или аудиоконференцсвязи. В число наиболее важных функций, выполняемых привратником, входят:
• преобразование символьного адреса (имени абонента,
телефонного номера, адреса электронной почты) в IP–адрес;
• контроль доступа пользователей к услугам мультимедиа
при помощи сигнализации RAS;
• контроль, управление и резервирование пропускной
способности сети;
• маршрутизация сигнальных сообщений между терминалами – привратник может организовывать сигнальный канал
непосредственно между терминалами или ретранслировать сигнальные сообщения от одного терминала к другому.
Шлюз, в совокупности с привратником, образует универсальную платформу для предоставления всего спектра услуг
мультимедийной связи.
Все процедуры протоколов семейства H.323. осуществляются путем передачи запросов и получения ответов в формате
специфицированных сообщений (см. рис. 2.5.). Сначала вызывающее оборудование (Пользователь 1) передает сообщение
RAS ARQ (Запрос доступа) с символьным адресом вызываемого абонента (Пользователь 2). В ответ привратник передает сообщение RAS ACF (Подтверждение доступа) с уведомлением,
что именно он будет маршрутизировать сигнальные сообщения
с указанием адреса своего сигнального канала.
47
2. Коммутация каналов и пакетов, сетевые протоколы организации
сеансов связи
Рис. 2.5 – Последовательность обмена сообщениями
протокола H.323
Пользователь 1 передает на адрес сигнального канала запрос соединения Setup по протоколу Н.225. Привратник пересылает сообщение Setup Пользователю 2 и передает Пользователю 1 сообщение Call Proceeding по протоколу Н.225. Это означает, что привратнику полученной информации достаточно
для обслуживания поступившего вызова.
Когда Пользователь 2 примет входящий запрос, привратнику передается сообщение Connect по Н.225 с транспортным адресом управляющего канала Н.245 Пользователя 2. Привратник
заменяет этот адрес транспортным адресом своего управляющего канала Н.245 и пересылает сообщение Пользователю 2, после
чего открывается управляющий канал Н.245. Далее последовательно передаются служебные сообщения.
48
2. Коммутация каналов и пакетов, сетевые протоколы организации
сеансов связи
В процессе установления сеанса связи определяется ведущее и ведомое устройство (Master/slave determination) для разрешения конфликтов, возникающих между двумя устройствами
при организации конференции. Также осуществляется обмен
данными о функциональных возможностях (CapabilitySetExchange) для согласования режимов работы передающей и принимающей сторон, например скорости обмена и видов кодирования.
Открытие и закрытие однонаправленных логических каналов (Logical Channel Signalling) используется для указания вида
переносимой информации (речь, видео). После успешного завершения обмена сообщениями открывается сеанс связи. Оборудование Пользователя 1 передает речевую информацию, упакованную в пакеты RTP/UDP/IP (см. главы 4–5), на транспортный адрес RTP-канала Пользователя 2, а Пользователь 2 передает речевую информацию на транспортный адрес RTP-канала
оборудования Пользователя 1. При помощи канала RTCP ведется контроль передачи информации по RTP каналам.
Выводы по разделу
Рекомендация МСЭ–Т Н.323 специфицирует системы мультимедийной связи, которые ориентированы на работу в сетях с
коммутацией пакетов, не обеспечивающих гарантированное качество обслуживания. Оконечные устройства Н.323 поддерживают передачу информации в режиме многоадресной рассылки.
Сети, построенные на базе протоколов Н.323, ориентированы на
интеграцию с телефонными сетями.
Теоретические вопросы
1. Приведите описание функций шлюза.
2. Для чего применяется протокол RAS?
3. Перечислите основные функции привратника (gatekeeper).
49
2. Коммутация каналов и пакетов, сетевые протоколы организации
сеансов связи
4. Какие параметры сеанса связи определяются с помощью
протокола H.245?
5. Для чего используются логические каналы?
2.4
Протокол SIP
Цель изучения раздела
Целью изучения раздела является ознакомление с составом,
организацией, последовательностью обмена сообщениями протокола инициализации сеансов связи SIP.
Содержательная часть
Протокол SIP относится к протоколам уровня приложений
семиуровневой модели взаимосвязи открытых систем. С помощью SIP осуществляются такие операции, как установление,
модификация и завершение мультимедийных сессий на сети с
коммутацией пакетов.
Протокол SIP поддерживает архитектуру «клиент-сервер»,
запросы и ответы (отклики) передаются в текстовой форме.
Клиент SIP выдает запросы, в которых указывает, что он желает
получить от сервера. Сервер принимает, обрабатыва запрос, и
выдает ответ с уведомлением об успешном выполнении запроса,
уведомлением об ошибке или информацию, затребованную клиентом SIP. Версия SIP под названием SIP-T (SIP for Telephones,
IETF RFC 3372) позволяет согласовывать сигнализацию ТФОП
с протоколом SIP.
Основным элементом SIP, реализующим функции управления соединением, является терминал пользователя. Остальные
элементы (cерверы) SIP отвечают за маршрутизацию запросов/вызовов, за предоставление дополнительные услуги. Для
организации взаимодействия с программными приложениями и
для обеспечения мобильности пользователей SIP использует
адрес, подобный адресу электронной почты:
50
2. Коммутация каналов и пакетов, сетевые протоколы организации
сеансов связи
имя@домен;
имя@IP адрес;
№ телефона@адрес шлюза.
Адрес SIP состоит из двух частей. Первая часть – это имя
пользователя, зарегистрированного в домене или на терминале
SIP, вторая часть – имя домена, шлюза или IP–адрес. Если вторая часть адреса идентифицирует какой–либо шлюз, то в первой
указывается телефонный номер абонента. Общие запросы протоколы SIP приведены в таблице 2.1. Ответы на запросы приведены в таблице 2.2.
Таблица 2.1 – Запросы протокола SIP
Тип запроса
Описание запроса
Приглашает пользователя открыть сеанс связи.
INVITE
Содержит описание сеанса связи.
Подтверждение приема окончательного ответа
ACK
на запрос Invite
Завершение сеанса связи, передается любым
BYE
участником сеанса связи
Отменяет обработку запросов
CANCEL
REGISTER Передача адресной информации для регистрации пользователя на сервер определения местоположения
Запрос информации о функциональных возOPTION
можностях терминала
Таблица 2.2 – Ответы на запросы протокола SIP/2.0
Тип
Описание ответа на запрос
ответа
Информационные ответы, сообщают о состоянии
1xx
установления сеанса связи. Например, «100
Trying» – запрос обрабатывается, «180 Ringing» –
51
2. Коммутация каналов и пакетов, сетевые протоколы организации
сеансов связи
Тип
ответа
2хх
3хх
4хх
5хх
6xx
Описание ответа на запрос
местоположение вызываемого пользователя определено. Выдан сигнал о входящем вызове.
Информирование об обработке/завершении обработки запроса. «200 ОК» – успешное завершение,
«202 Accepted» – запрос принят для обработки.
Сообщение о переадресации. Информация для
оборудования вызывающего пользователя о новом местоположении вызываемого пользователя
или перенос другой информации. Например «302
Moved Temporarily» – пользователь временно
сменил местоположение.
Невозможность обработать запрос по причине
обнаружения ошибок в самом запросе или при его
обработке. Пользователь должен изменить запрос
для повторной передачи. Например, «400 Bad
Request» – запрос не понят из-за синтаксических
ошибок в нем или ошибка в сигнализации; «403
Caller Not Registered» – нет такого пользователя;
«486 Busy Here» – абонент занят.
Запрос не может быть обработан из-за ошибки
сервера. Например, «500 Internal Server Error» –
внутренняя ошибка сервера, «503 Service
Unavailable» – сервер не может в данный момент
обслужить вызов вследствие перегрузки или проведения технического обслуживания.
Глобальная ошибка, например «604 Does Not
Exist Anywhere» – вызываемого пользователя не
существует.
52
2. Коммутация каналов и пакетов, сетевые протоколы организации
сеансов связи
Прокси–сервер (от английского proxy – представитель) выполняет функции пользователя в сети, для чего принимает запросы, обрабатывает их, осуществляет поиск и вызов пользователя, маршрутизацию запроса. Прокси–сервер состоит из клиентской и серверной частей, поэтому может принимать запросы,
инициировать собственные запросы и возвращать ответы. Прокси–сервер может быть совмещен с сервером определения местоположения или существовать отдельно от этого сервера, но
иметь возможность взаимодействовать с ним по протоколам
LDAP согласно IETF RFC 1777, RFC 2167.
Для хранения текущего адреса пользователя служит сервер
определения местоположения пользователей, представляющий собой базу данных адресной информации. Кроме постоянного адреса пользователя, в этой базе данных может храниться
один или несколько контактных (текущих) адресов, то есть адресов конкретных устройств пользователя. Этот сервер может
быть совмещен с прокси–сервером. Пользователь может сообщить свой новый адрес один раз, а может регистрироваться периодически через определенные промежутки времени.
Процедура установления сеанса связи с использованием
протокола SIP приведена на рис. 2.6. Для инициирования сеанса
связи Пользователь 1 посылает запрос «INVITE» в сторону прокси-сервера. Адрес прокси-сервера пользователь 1 узнает у администратора сети (этот запрос на схеме не показан). В запросе
«INVITE» пользователь 1 указывает известный ему адрес вызываемого пользователя. Прокси–сервер запрашивает текущий адрес вызываемого пользователя у сервера определения местоположения «Запрос местоположения». Сервер определения метсополоения сообщает прокси–серверу этот адрес «3. Ответ с контактным адресом».
В случае отсутствия прокси-сервера Пользователь 1 посылает запрос непосредственно по заранее известному IP–адресу
Пользователя 2.
53
2. Коммутация каналов и пакетов, сетевые протоколы организации
сеансов связи
Рис 2.6 – Последовательность обмена сообщениями
протокола SIP с использованием прокси-сервера
Далее прокси–сервер передает запрос «INVITE» Пользователю 2, где содержатся данные о возможностях вызывающего
терминала, адрес прокси–сервера для того, чтобы ответы на обратном пути от Пользователя 2 шли через прокси-сервер.
После приема и обработки запроса оборудование сообщает
Пользователю 2 о входящем запросе/вызове, а Пользователю 1
передает ответ «180 Ringing». Если Пользователь 2 отвечает, то
Пользователю 1 передается сообщение «200 ОК», содержащее
данные о возможностях терминала Пользователь 2. Терминал
Пользователя 1 подтверждает прием ответа Пользователя 2 запросом «АСК». На этом фаза установления соединения закончена и начинается разговорная фаза.
По завершении разговорной фазы одной из сторон передается запрос «BYE», который подтверждается ответом «200 ОК»
(на рис. 2.6 не показаны). Все сообщения проходят через про-
54
2. Коммутация каналов и пакетов, сетевые протоколы организации
сеансов связи
кси–сервер, который может модифицировать в них некоторые
поля.
Выводы по разделу
Протокол SIP прикладного уровня, позволяет устанавливать, изменять и завершать мультимедийные сессии. Протокол
ориентирован на работу в сетях с коммутацией пакетов.
Основным функциональным элементом является терминал
пользователя SIP. Остальные элементы сети отвечают за маршрутизацию вызовов, а в некоторых случаях предоставляют дополнительные услуги.
Теоретические вопросы
1. Укажите назначение протокола SIP.
2. Каковы функции прокси-сервера?
3. Для чего передается запрос INVITE?
4. Что означает передача сообщения 200 Ok?
5. Каково функциональное назначение сервера определения местоположения?
55
3. Архитектура и функции Softswitch, IMS на сетях следующего
поколения
3. АРХИТЕКТУРА И ФУНКЦИИ SOFTSWITCH, IMS
НА СЕТЯХ СЛЕДУЮЩЕГО ПОКОЛЕНИЯ
В главе 3 рассматривается архитектура и принципы функционирования системы связи сетей следующего поколения [9].
В разделе 3.1 рассматривается архитектура сетей и услуги NGN.
В разделе 3.2 рассматривается архитектура и функциональные
объекты гибкого программного коммутатора softswitch. В разделе 3.3 рассматривается архитектура и функции мультимедийной подсистемы IMS.
3.1 Архитектура и протоколы сети следующего
поколения NGN
Цель изучения раздела
Целью изучения раздела является ознакомление с архитектурой, возможностями и основными протоколами сети следующего поколения NGN, особенностями управления вызовами (сеансами связи) на сетях NGN с использованием архитектуры
гибкого программного коммутатора.
Содержательная часть
Сеть следующего поколения ССП или NGN (Next
Generation Network) – сеть с коммутацией пакетов, которая способна предоставлять инфокоммуникационные услуги и услуги
ТФОП, обеспечивая при этом требуемое качество обслуживания. Сеть NGN поддерживает обобщенную мобильность пользователей, т.е. абонент может пользоваться услугами независимо от технологии доступа и типа используемого терминала. В
NGN предусматривается свободный переход от одного провайдера услуг (оператора связи) к другому. Согласно Рек. МСЭ–Т
Y.2011, базовая архитектура NGN включает 4 основных функциональных уровня (рис 3.1):
56
3. Архитектура и функции Softswitch, IMS на сетях следующего
поколения
Рис. 3.1 – Базовая архитектура сети NGN
• Уровень доступа, A (Aсcess) – сети доступа к транспортной сети, здесь обеспечивается подключение пользователя для
передачи информации.
• Транспортный уровень, T (transport) – высокоскоростная
транспортная сеть, которая обеспечивает передачу информации
от одной сети доступа к другой.
• Уровень управления вызовами, С (control) – совокупность функций по управлению вызовами, сеансами связи и сигнализацией на основе ИТ–технологий и стека протоколов
TCP/IP (см. главы 4–5).
• Уровень услуг, S (service) – логика выполнения услуг,
включает программные приложения NGN и открытые интерфейсы для взимодействия со сторонними программных приложений.
К особенностям NGN относятся:
• наличие клиентской (пользовательской) и серверной части;
• поддержка разнообразных протоколов и многосвязное
взаимодействие («точка – много точек»);
57
3. Архитектура и функции Softswitch, IMS на сетях следующего
поколения
• многообразие схем идентификации пользователей при помощи IP-адресации и стека протоколов TCP/IP;
• конвергенция услуг мобильных и фиксированных сетей
связи.
В NGN функции предоставления услуг отделены от функций передачи пакетов и переноса сигнала электросвязи. Поэтому в NGN используется распределенная архитектура с многокомпонентным построением, где связь между компонентами
осуществляется по открытым интерфейсам. Ключевым компонентом управления вызовами/сеансами связи NGN является
гибкий или программный коммутатор (softswitch)
Softswitch (программный коммутатор, гибкий коммутатор) – носитель интеллектуальных возможностей сети NGN,
который координирует управление обслуживанием вызовов,
обрабатывает протоколы NGN, обеспечивает связность компонентов, сетей, в том числе сетей ТФОП (см. рис. 3.2).
Центральным элементом softswitch является узел управления вызовами, который выполняют функцию контроллера
(управляющего устройства) медиашлюзов MGC (Media
Gateway Controller).
Для связи с внешними сетями используются медиашлюзы
(media gateways) выполняющие функции сопряжения между
NGN, сетями с коммутацией каналов, сетями подвижной связи,
при этом обеспечивается взаимодействие различных протоколов. Существуют медиашлюзы различного функционального
назначения:
• Транспортный (медиа)шлюз MG (Media Gateway) – выполняет преобразования информации при обмене между транспортными сетями для разных типов мультимедийных данных.
Например, преобразует речевую информацию, поступающую со
стороны ТфОП, в вид, пригодный для передачи по сетям с коммутацией пакетов и обратно.
58
3. Архитектура и функции Softswitch, IMS на сетях следующего
поколения
Рис. 3.2 – Общая архитектура softswitch в NGN
• Устройство управления, MGC – осуществляет функции
управления вызовами/сеансами связи пользователей, функции
управления медиашлюзами.
• (Медиа)шлюз доступа, AG – предназначен для подключения к Softswitch учрежденческих телефонных станций, аналоговых модемов, телефонных аппаратов, линий xDSL, транспортных шлюзов для мобильной сети стандарта GSM/UMTS, а
также средств интегрированного абонентского доступа IAD
(Integrated Access Devices).
• Шлюз сигнализации, SG – реализует функции преобразования сигнальной информации между разными транспортными
уровнями, например передачу сигнальной информации от
ТфОП к MGC и обратно, в том числе релизует пункт сигнализации ОКС №7.
59
3. Архитектура и функции Softswitch, IMS на сетях следующего
поколения
• Шлюз взаимодействия, IG – поддерживает взаимодействие различных протоколов сигнализации одного уровня, например протоколов IPv4 и IP v6.
Для взаимодействия рассмотренных компонентов используются протоколы NGN в таблице 3.1:
Таблица 3.1 – Протоколы сети NGN
Протокол
SIP
SIP-T
Функция в сети
NGN
Установление
сеанса связи, в
том числе
между
Softswitch
Передача
сигнализации
ОКС№7 через
SIP–сеть
Комментарий
Применяется для установления, как голосовых, так и
мультимедийных сеансов
связи по IP–сетям.
H.323
Установление и
управление
сеансом
мультимедийной связи
H.248/
MEGACO
Управление
шлюзами
доступа
60
Версия протокола SIP,
обеспечивающая «прозрачную» передачу сообщений
ОКС№7 по сети SIP. Развитие SIP-T продолжается для
поддержки обмена между
различными ТФОП через
Softswitch.
Используется при передаче
речи и видеоизображения
по сетям с коммутацией
пакетов, в т.ч. с поддержкой унаследованного оборудования сетей с коммутацией каналов и ISDN.
Современный протокол
управления медиашлюзами.
3. Архитектура и функции Softswitch, IMS на сетях следующего
поколения
Протокол
MGCP
SIGTRAN
BICC
Функция в сети
NGN
Управление
шлюзами
доступа
Передача
протоколов
управления и
сигнализации по
IP-сети
Управление
вызовом в сетях
с разделенными
уровнями
управления и
переноса
информации
Комментарий
Устаревший протокол
управления медиашлюзами.
Набор стандартов, предлагаемых IETF для передачи
данных сигнализации
ОКС№7 по IP–сети.
Протокол установления соединения, не зависящий от
типа используемой транспортной сети. Реализует
полный набор услуг сети
ISDN. Содержит стандарты
сигнальных процедур, в том
числе для сетей 3G.
Один MGC управляет одновременно несколькими медиашлюзами.
Разные MGC (Softswitch) взаимодействуют между собой по
протоколу SIP, а также по протоколам H.323 и BICC.
Использование архитектуры Softswitch имеет следующие
технические преимущества по сравнению с узлами связи ТФОП:
• упрощение структуры сети;
• обеспечение совместимости разнородного оборудования;
• гибкая маршрутизация вызовов в сети;
• возможность управления качеством обслуживания вызовов и сеансов связи.
61
3. Архитектура и функции Softswitch, IMS на сетях следующего
поколения
Выводы по разделу
Программный коммутатор Softswitch обеспечивает управление обслуживанием вызовов, обработку сигнализации для одной или несколько сетей NGN и поддерживает ТФОП. В сети
NGN может присутствовать несколько Softswitch, которые связаны между собой по протоколам SIP, H.323 или BICC. Они согласованно управляют шлюзами, участвующими в установлении
мультмедийного сеанса связи между пользователями.
Теоретические вопросы
1. В чем заключаются особенности построения сетей NGN?
2. Дайте определение понятию softswitch.
3. В чем состоит преимущество архитектуры softswitch?
4. Укажите функциональное назначение транспортного
шлюза и шлюза сигнализации в архитектуре Softswitch.
3.2 Архитектура и функциональные объекты Softswitch
Цель изучения раздела
Целью изучения раздела является изучение функционального описания архитектуры гибкого программного коммутатора
(softswitch) на сетях следующего поколения.
Содержательная часть
В архитектуре гибкого коммутатора по аналогии с архитектурой NGN выделяют несколько уровней (плоскостей), как показано на рис. 3.3. Эти уровни не увязываются с конкретным
оборудованием связи. В результате функции различных уровней
может физически исполнять одно и тоже устройство (сервер,
оборудование связи) или функции распределяются между многими устройствами.
62
3. Архитектура и функции Softswitch, IMS на сетях следующего
поколения
Транспортный уровень в целом отвечает за транспортировку
сообщений между различными устройствами уровня доступа,
как в ГИИ. На этом уровне выделяют домены – группы сходных
функций Softswitch.
Рис. 3.3 – Функциональные объекты и уровни Softswitch
Домен взаимодействия объединяет функции прямого и обратного преобразования внешней информации в вид, пригодный
для передачи по IP-сети, функции преобразования сигнализации
63
3. Архитектура и функции Softswitch, IMS на сетях следующего
поколения
и сетевых протоколов. Домен «не-IP» доступа объединяет
функции доступа к IP–сети для различных не–IP терминалов.
К уровню управления обслуживанием вызовов (сигнализацией) относятся функции управления элементами сети с коммутацией пакетов, управление обслуживанием вызовов, устанавливаются и разрушаются логические каналы для организации сеансов связи. Собственно информация пользователей передается
через транспортный уровень. Уровень услуг и приложений содержит логику выполнения услуг и/или приложений и управляет этими услугами. Здесь реализуется функциональность серверов приложений и серверов дополнительных услуг и возможностей, которые обеспечивают информационную составляющую
инфокоммуникационных услуг.
Уровень эксплуатационного управления (на рис. 3.3 не показан) поддерживает функции включения/выключения абонентов и услуг, управление эксплуатацией оборудования, биллинг.
В архитектуре гибкого коммутатора выделяется 12 основных функциональных объектов, ФО – логическое описание
отдельных функций Softswitch. ФО физически реализуются в
виде программ или устройств связи.
Функция контроллера медиашлюзов, MGC–F – описывает
логику обслуживания вызова, порядок и алгоритм управления
медиашлюзами, в том числе:
• определение состояние процесса обслуживания каждого
вызова в медиашлюзе;
• контроль передачи информации пользователя от одного
шлюза к другому;
• прием/передача сигнальных сообщений от других MGC–
F и от внешних сетей;
• взаимодействие с сервером приложений для предоставления услуг пользователю;
• взаимодействие с другими ФО для обеспечения маршрутизации вызова, аутентификации и учета.
64
3. Архитектура и функции Softswitch, IMS на сетях следующего
поколения
Функциональный объект медиашлюза, MG–F – описывает
логику протоколов RTP/RTCP, H.248 и MGCP в процессе управления со стороны MGC–F, обеспечивает сопряжение терминала
пользователя и сети доступа, в том числе:
• кодирование, пакетирование информации, компенсация
эха, корректировочные действия при потерях пакетов;
• генерирование акустических сигналов («Занято», «Посылка вызова», «Ответ станции»), сигналов DTMF, генерирование комфортного шума, анализ цифр абонентского номера;
• обработка абонентской сигнализации, обнаружение событий – появление сигналов DTMF, отбой/ответ абонента, детектирование речевых сигналов.
Функциональный объект шлюза сигнализации SG–F описывает логику обмена сигнализацией между сетью с коммутацией
пакетов, ТфОП и СПС. ФО SG–F описывает логику транспортировки сигнальных единиц ОКС №7 по сети NGN (для MGC) с
использованием протокола SIGTRAN.
Функциональный объект сигнализации шлюза доступа AGSF – описывает пакетирование и транспортировку данных протоколов абонентской сигнализации V5 или EDSS по сети с коммутацией пакетов, а также обмен сигнальной информацией между IP–сетью и сетью беспроводного доступа СПС. Функциональный объект сервера приложений AS-F описывает использование протоколов SIP, MGCP, H.248, LDAP, http, XML для
обеспечения работы программных приложений и предоставления услуг речевой почты, видеоконференцсвязи, других инфокоммуникационных услуг. ФО AS-F обеспечивает фиксацию
начала и окончания сеансов связи, повторную инициализацию
сеансов, биллинг услуг, запрос дополнительных услуг у других
AS–F, например «черный список», переадресация, уведомление
о входящем сообщении и т.п.
Функциональный объект медиа-сервера MS-F описывает
использование протоколов SIP, MGCP и H.248 в процессе обра-
65
3. Архитектура и функции Softswitch, IMS на сетях следующего
поколения
ботки пользовательского трафика от любых приложений, также
содержит описание логики кодирования мультимедиа из одного
формата в другой, например речи из кодера G.711 в кодер G.729.
ФО MS–F реализуется в качестве сервера, обслуживающего запросы от AS-F или MGC-F, касающиеся обработки пользовательской информации. Функциональный объект управления услугами SC-F существует, когда AS–F управляет логикой услуг.
SC–F использует ОКС №7, а также интерфейсы API типа JAIN и
Parlay. Функциональный объект маршрутизации и учета стоимости R-F/A-F описывает логику маршрутизации локальных и
межсетевых вызовов (R–F), фиксирует детали каждого сеанса
связи для целей биллинга и планирования (A–F), обеспечивает
управление сеансом и управление мобильностью, может узнавать о маршрутной информации от внешних источников. Функциональный объект взаимодействия IW–F (Interworking
Function) – описывает логику взаимодействия различных сетей
связи.
Общая схема взаимодействия MGC (Softswitch) с другими
компонентами сети NGN, в частности c оборудованием H.323. и
SIP показана на рис.3.4.
Оборудование Softswitch может применяться на ЕСЭ РФ в качестве:
• узлов местной связи для городских и сельских телефонных сетей связи;
• узлов связи междугородных телефонных сетей связи;
• узлов сетей с коммутацией пакетов для передачи мультимедийных данных;
• узлов сетей для передачи речи по протоколу IP (IP–телефония)
и SIP;
• оборудования связи для построения интеллектуальных сетей
связи;
• оборудования связи для построения узлов телематических
служб – серверов электронной почты, серверов электронной
66
3. Архитектура и функции Softswitch, IMS на сетях следующего
поколения
коммерции, порталов мультимедийных услуг, серверов IP
TV.
RAPLAY
PARLAY
ИСС
Сервер
Сервер
SCP
SCRIPT
Java
МАК – Мультисервисный абонентский концентратор
Рис. 3.4 – Обобщенная схема взаимодействия Softswitch и
элементов сети NGN
Достоинства архитектуры softswitch следующие:
1. Распространенность – большое количество поддерживаемых технологий дает возможность оператору подобрать оборудование, наиболее отвечающее его требованиям и позволяющее оптимальным образом взаимодействовать с уже имеющимися сетевыми ресурсами.
2. Softswitch–решения относительно легко масштабировать, начиная с простейшей архитектуры, обслуживающей кор-
67
3. Архитектура и функции Softswitch, IMS на сетях следующего
поколения
поративный сектор, и заканчивая крупномасштабными проектами межрегионального оператора.
Недостатки softswitch – это многообразие оборудования, которое порождает проблему совместимости. Некоторые производители оборудования предоставляют фирменные системы
управления сетью, которые не всегда корректно и полноценно
работают с оборудованием сторонних поставщиков при его интеграции в сеть оператора, поскольку имеются отличия не только в реализации, но и в функциональности многих систем.
Выводы по разделу
В архитектуре гибкого программного коммутатора выделяется 12 основных функциональных объектов, которые могут физически располагаться в различных автономных устройствах
или многофункциональных платформах.
Теоретические вопросы
1. Приведите назначение уровня управления вызовами и
сигнализацией в архитектуре softswitch.
2. Какие возможности предоставляет функциональный
объект MGC-F?
3. Какие возможности предоставляет функциональный
объект MS–F?
4. По какому протоколу взаимодействуют ФО MGC–F и
MG–F?
3.3 Архитектура мультимедийной IP-подсистемы IMS
Цель изучения раздела
Целью изучения раздела является ознакомление с мультимедийной IP-подсистемой IMS на сетях следующего поколения.
68
3. Архитектура и функции Softswitch, IMS на сетях следующего
поколения
Содержательная часть
В 2002 г. консорциумом «Партнерский проект по третьему
поколению», 3GPP (3G Generation Partnership Project) для сетей
3G/WCDMA была предложена технология сервисной подсистемы IP-мультимедиа, IMS. Мультимедийная IP-подсистема –
это комплекс функциональных элементов базовой сети, предназначенный для предоставления услуг на базе протокола SIP. Архитектура IMS поддерживает регистрацию, аутентификацию
пользователя и оконечного устройства на определенном фрагменте сети. IMS стала продолжением эволюции NGN за счет
добавления в архитектуру подвижных сетей 3G.
Подсистема IMS имеет следующие особенности:
• интегрированное управление сетями с IP-соединениями, в
том числе контроль QoS, управление установлением сеансов
связи, аутентификацию пользователей;
• взаимодействие с другими сетями и сетями прошлых поколений (унаследованными сетями связи);
• независимость программных приложений от уровня
управления вызовом/сеансом связи и уровня транспортной сети;
• независимость технологии доступа к сети от технологии
управления вызовом/сеансом связи и приложений.
Вместо понятия «абонент» в IMS предлагается понятие
«абонентская сеть» т.е. вся совокупность пользовательских
устройств в квартире или доме. Для этого в систему управления
сеансами связи IMS добавляется домашний сервер абонентов
HSS для учета местоположения абонентов в процессах биллинга, роуминга и контроля местоположения абонента.
В основу построения «ядра» управления IMS положена концепция Softswitch с разделением процедур управления между
различными уровнями и функциями. Однако в IMS функции
ядра управления взаимодействуют через специфицированные
контрольные точки (серии М) – описание мест соединения
двух неперекрывающихся функций или функциональных групп.
69
3. Архитектура и функции Softswitch, IMS на сетях следующего
поколения
Архитектура IMS, также как NGN/Softswith представляет собой
набор логических функций, которые можно разделить на три
уровня (см. рис. 3.5.):
1.
уровень доступа и базовой сети;
2.
уровень управления сетью и сеансами связи;
3.
уровень услуг и приложений.
Рис. 3.5 – Обобщенная схема уровней архитектуры IMS
Уровень доступа и базовой сети отвечает за процедуру
подключения пользователей к IMS (подуровень управления) и
транспортировку данных пользователя (функции передачи). В
Рек. МСЭ–Т Y.2021–2006 г. этот уровень детально не описывается, но в документах ETSI отмечается, что функциональными
элементами транспортного уровня являются следующие:
• Подсистема присоединения сети, NASS – используется
для сетей не–3G, обеспечивает динамическое назначение IPадресов, аутентификацию пользователя, авторизацию и конфигурацию доступа к сети, управление местоположением.
70
3. Архитектура и функции Softswitch, IMS на сетях следующего
поколения
• Подсистема управления доступом и ресурсами, RACS –
используется для сетей не–3G, обеспечивает управление доступом, резервирование ресурсов, управление шлюзом, преобразование сетевых адресов.
• Мультимедийный шлюз, IM–MGW – преобразование
пользовательской информации сети с коммутацией каналов в
пакеты IP-сети и обратно, коммутацию пользовательской информации между портами шлюза.
На уровне управления сетью и сеансами связи располагается функция управления вызовами и сеансами CSCF, которая регистрирует абонентские устройства и направляет сигнальные
сообщения протокола SIP к соответствующим серверам приложений. Функция CSCF включает три подфункции:
1. Proxy CSCF – обслуживание поступающего трафик,
взаимодействие с функциями трансляции сетевого адреса и
уровнем доступа и базовой сети. Обеспечивает возможность получить информацию о физическом местоположении терминала,
выполняет аутентификацию, устанавливает требуемую пропускную способность сети, разрешает или запрещает сеанс связи.
2. Запрашивающая функция I-CSCF – описывает обращение к HSS, чтобы найти S-CSCF для конкретного абонента, выполнить маршрутизацию транзитного трафика.
3. Обслуживающая функция S-CSCF – обрабатывает все
SIP-coобщения, которыми обмениваются устройства пользователя.
Уровень управления сетью и сеансами связи включает также HSS, где централизованно хранятся уникальные профили
услуг и данные всех абонентов. В IMS для обмена информацией
с базой данных HSS используется протокол Diameter – эволюционное развитие протокола RADIUS для аутентификации, авторизации и учета пользователей; протокол работает поверх
TCP или SCTP.
71
3. Архитектура и функции Softswitch, IMS на сетях следующего
поколения
Функция управления медиа-шлюзами, MGCF описывает
взаимодействие SIP с сигнализацией других медиа-шлюзов (например, Н.248). Функция MGCF обеспечивает возможность
управления магистральным медиашлюзом TMG–FE, в том числе
распределение и отмену распределения ресурсов медиашлюза,
изменение способа использования этих ресурсов. Функция
управления пограничным медиашлюзом, BGCF описывает выбор
сети, с которой должна быть связана IMS, выбирает функцию
MGCF для этой сети. В случае транзита трафика через IMS
функция BGCF может обладать дополнительными возможностями маршрутизации. Контроллер функции управления мультимедийными ресурсами, CMFR – формирует многосторонние
схемы конференц-связи, выполняет повтор объявлений и транскодирование среды передачи. Шлюз среды IP-мультимедиа IMMGW (IM Media Gateway) – управляет каналами из сети с коммутацией каналов и потоками мультимедиа из сети с коммутацией пакетов. Шлюз IM-MGW может поддерживать преобразование TDM/IP, функции управления качеством и обработку загрузки, функции кодека, эхо-компенсатора.
Уровень услуг и приложений включает функциональность
серверов приложений и контент–серверов для предоставления
абонентам дополнительных услуг, например управление присутствием или управление списками групп. Здесь находятся
мультмедийные платформы SDP для распространения услуг,
например
видеообмен,
видеохостиг,
интернет–банкинг.
Cистемы эксплуатационной поддержки оператора связи OSS
обеспечивают контроль и управления IMS. Система поддержки
бизнеса оператора связи BSS обеспечивает решения бизнес–
задач и управления взаимоотношения с клиентами.
Существует ряд различий между IMS и Softswitch. В
Softswitch функции имеют довольно условное деление и описание; в документах IMS дается четкое описание функций и процедур их взаимодействия, а также определены и стандартизиро-
72
3. Архитектура и функции Softswitch, IMS на сетях следующего
поколения
ваны точки M. Архитектура IMS проектировалась в рамках сети
3G на основе протокола IP; основным протоколом IMS является
SIP, использующий IMS лишь как систему, предоставляющую
сервисные функции по безопасности, авторизации, доступа к
услугам. Функция управления шлюзами в IMS и сам медиашлюз – это лишь средство для связи абонентов 3G с абонентами
ТФОП. Для общения абонентов 3G с абонентами фиксированных VoIP–сетей и абонентами других сетей, архитектура IMS
предусматривает использование функций MGCF и BGCF.
Концепция IMS разрабатывалась позже Softswitch, поэтому
в ней уже заранее предусмотрена поддержка как IPv4, так и
IPv6. Достоинством IMS является использование в проводных
сетях NGN и мобильных сетях 3G единообразной архитектуры,
что дает возможность конвергенции фиксированных и мобильных сетей.
Выводы по разделу
Мультимедийная IP-подсистема IMS – это комплекс функциональных элементов базовой сети, предназначенный для предоставления услуг на базе протокола SIP и ориентированной на
протокол IPv6 и сеть подвижной наземной радиотелефонной
связи стандарта 3G. В IMS специфицированы контрольные точки М для взаимодействия между функциями и уровнями архитектуры.
Теоретические вопросы
1. Что такое IMS?
2. На какие уровни делится архитектура IMS?
3. Какие функции выполняет CSCF в IMS?
4. Каковы функции сервера HSS в IMS?
5. В чем сходство и различие архитектур IMS и Softswitch?
73
4. Протоколы верхних уровней IP–сетей
4. ПРОТОКОЛЫ ВЕРХНИХ УРОВНЕЙ IP–СЕТЕЙ
В главе 4 рассматриваются протоколы IP–сетей в привязке
к модели ВОС [1,6]. В разделе 4.1 рассматривается модель ВОС.
В разделе 4.2 рассматривается IP–инфраструктура предоставления услуг и уровень приложений протоколов IP–сетей. В разделе 4.3 рассматривается транспортный уровень протоколов IP–
сетей.
4.1
Модель взаимосвязи открытых систем
Цель изучения раздела
Целью изучения раздела является изучение общих положений по модели взаимосвязи открытых систем и функциям уровней модели взаимосвязи открытых систем.
Содержательная часть
В 1984 года Международная организация по стандартизации, МОС (ISO) предложила концепцию открытых систем и
взаимосвязи открытых систем. Открытая система – это система, реализующая открытые спецификации на интерфейсы,
службы и форматы данных, достаточные для того, чтобы обеспечить:
• возможность переноса (мобильность) прикладных систем
на разные платформы;
• совместную работу (интероперабельность) с другими прикладными системами на локальных и удаленных платформах;
• взаимодействие с пользователями в стиле, облегчающем
последним переход от системы к системе (мобильность пользователей).
Открытая система может быть физически представлена
любым типом телекоммуникационного, вычислительного оборудования или программного обеспечения. Под «спецификацией» понимаются требования в виде упорядоченного описания
74
4. Протоколы верхних уровней IP–сетей
параметров и структуры объекта/интерфейса с указаниями на
взаимосвязь с другими объектами. Открытая спецификация –
это прежде общедоступная спецификация, поддерживаемая
гласным согласительным процессом.
Эталонная модель взаимодействия открытых систем, ВОС
или OSI/ISO, стандартизирует описание взаимосвязи различных
систем на семи функциональных уровнях. Каждый уровень выполняет определенные функции и обеспечивает набор услуг для
расположенного над ним уровня. Совокупность правил (процедур) взаимодействия объектов одноименных уровней разных
открытых систем называется протоколом. Правила взаимодействия объектов смежных уровней одной и той же системы определяют межуровневый интерфейс. Каждый уровень ВОС добавляет свои сервисные функции к сервисным функциям, которые
«ранее» обеспечены нижележащими уровнями. Обмен информацией между уровнями ВОС осуществляется с помощью протокольного блока данных, PDU, который состоит из данных
пользователя и управляющей информации протокола, используемым на соответствующем уровне модели ВОС, как показано
на рис. 4.1.
Рис. 4.1. – Обмен данными между уровнями модели ВОС
При поступлении PDU с уровня N, на нижестоящем уровне
N–1 этот PDU воспринимается как совокупность данных, чья
75
4. Протоколы верхних уровней IP–сетей
достоверность проверяться не будет. PDU на уровне N–1 обрабатывается как блок данных услуги, SDU, потому что уровень
N–1 оказывает услугу уровню N по обработке данных.
В свою очередь, уровень N–1 добавляет к SDU свою информацию управления протоколом PCI уровня N–1 для координации работы с уровнем N–2. В PCI, в частности, могут быть
указаны идентификатор и версия протокола. Каждый уровень
модели ВОС добавляет к начальному информационному блоку
свой блок данных PCI, которые формируют заголовок PDU.
Модель информационного взаимодействия в рамках модели
ВОС, например, между клиентом и сервером, приведена на рис.
4.2. Верхними уровнями считаются уровни 4–7.
Прикладной уровень (7) согласует семантику данных, задаёт
требования по качеству обслуживания, определяет доступность
пользователя в данный момент, выполняет обработку информации, представленной пользователем, реализует управление
службами FTP, HTTP, SMTP, DHCP, общим доступом к сети.
Уровень представления (6) – обеспечивает форму представления данных в согласованном формате, например в формате
ASCII, JPEG, MPEG. Здесь же, при необходимости, происходит
шифрование и сжатие данных.
Сеансовый уровень (5) организует сеансы связи на период
взаимодействия программных процессов клиента и сервера, создает виртуальные порты протоколов для приема и передачи сообщений, осуществляет синхронизацию отдельных событий,
устанавливает сеанс связи между устройствами, ведущее и ведомое устройство, задает предельное время передачи сообщения.
Транспортный уровень(4) реализует процедуры сопряжения
пользователей с базовой сетью передачи информации, производит сборку и разборку сообщений. Здесь из исходного сообщения формируются сегменты (см. главу 5) для передачи по сети, а
на приеме происходит обратный процесс восстановления исходного сообщения.
76
4. Протоколы верхних уровней IP–сетей
Рис. 4.2 – Информационное взаимодействие открытых
систем в рамках модели ВОС
Нижними уровнями считаются уровни 1–3. Сетевой уровень (3) обеспечивает сквозную передачу пакетов между системами. Здесь происходит адресация сообщения, преобразование
сегмента в пакет путем присвоения сетевого адреса, определяется маршрут, по которому будет отправлен пакет и способы обработки сетевого адреса.
Канальный уровень (2) – формирует из пакетов фреймы или
кадры данных. Здесь задаются физические адреса (MAC адреса
– см. главу 5) источников и получателя фрейма, к фрейму добавляется контрольная сумма, которая на приеме позволяет определить и исправить некоторые ошибки.
Физический уровень (1) осуществляет передачу/перенос бит
по физической среде распространения сигнала (электрический
или оптический кабель, радиоканал). На этом уровне произво-
77
4. Протоколы верхних уровней IP–сетей
дится низкоуровневое кодирование данных, синхронизация передаваемых битов информации.
Выводы по разделу
Модель взаимосвязи открытых систем – абстрактная архитектура, описывающая взаимосвязь различных устройств и программных средств. Стандартной для ISO является семиуровневая модель ВОС, где каждый уровень используется для обработки информации PDU в процессе информационного обмена между различными открытыми системами.
Теоретические вопросы
1. Что такое «открытая система»?
2. Что такое протокольный блок данных PDU?
3. На какие уровни делится открытая система в рамках модели ВОС?
4. Какие функции выполняет сетевой уровень модели
ВОС?
5. Каковы функции среды распространения сигнала в модели ВОС?
4.2
Уровень приложений протоколов IP–сетей
Цель изучения раздела
Целью изучения раздела является ознакомление с архитектурой, возможностями и основными принципами применения
протоколов уровня приложений IP–сетей.
Содержательная часть
Развитие телекоммуникаций и появление инфокоммуникационных услуг привело к формированию многоуровневой информационно-технологической инфраструктуры для предоставления услуг связи при повсеместном использовании протокола
IP (см. рис. 4.3).
78
4. Протоколы верхних уровней IP–сетей
Рис. 4.3. – Инфраструктура IP–сетей для предоставления
инфокоммуникационных слуг
Протокол IP не зависит от конкретной технологии сети доступа и транспортной сети. Уровень IP–услуг и приложений использует IP–протокол вне зависимости от того, какие используются телекоммуникационные технологии. Координация разработок и поддержка IP–технологий выполняется исследовательской группой IRTF и инженерной группой IETF (www.ietf.org)
выполняющих процедуру обсуждения и ввода в действие документов RFC, регулирующих стандартизацию IP–технологий и
протоколов TCP/IP. Под стеком (семейством) протоколов
TCP/IP обычно понимают весь набор IP-технологий, описанных
RFC. Соответствие уровней TCP/IP уровням модели ВОС представлены на рис. 4.4.
Прикладному уровню соответствуют программы Firefox,
Internet Explorer, Chrome, Opera предлагающие средства доступа
к Интернет–сайтам. Программы Thunderbird, TheBat!, Outlook
являются почтовыми клиентами и позволяют обмениваться сообщениями электронной почты и приложенными к ним файла-
79
4. Протоколы верхних уровней IP–сетей
ми. Программа ISC DHCP является одним из самых распространенных бесплатных продуктов для работы с протоколом DHCP.
Программа Skype используется для комфортного речевого обмена пользователей сети Интернет.
John Cowley (c)
Рис. 4.4 – Стек протоколов TCP/IP и уровни модели ВОС
Протокол передачи гипертекстовой информации HTTP
предназначен для доступа к гипертекстовым документам во
«Всемирной паутине» WWW, использует архитектуру «клиент –
сервер». В качестве клиента используются WEB–браузеры
(Internet Explorer, Firefox, Chrome, Opera), в качестве сервера
используются т.н. WEB–серверы, например Apache http сервер,
Apache Tomcat, nginx, HTTP File Server. С помощью HTTP можно запрашивать и получать информацию WEB-страниц, а также
файлы, мультимедиа данные. В частности, с помощью WEBсервера Apache и протокола HTTP на одном IP-адресе можно
размещать доступ к нескольким Интернет–сайтам. При обмене
по HTTP клиент шлет серверу запрос, указывая единый указатель ресурсов URL, например http:\\psuti.ru которому должен
80
4. Протоколы верхних уровней IP–сетей
находиться нужный документ или сайт. Далее, к примеру,
WEB-сервер ПГУТИ принимает запрос, запускает Java–скрипт
(для сайта ПГУТИ www.psuti.ru), после чего отправляет ответное сообщение клиенту. Клиент на ПЭВМ/смартфоне/планшете
получает возможность загрузить и запустить главную страницу
сайта ПГУТИ.
Протокол передачи файлов, FTP используется для передачи
файлов по сетям с поддержкой TCP/IP, для загрузки Интернет
страниц или документов на устройство пользователя. Протокол
FTP поддерживает архитектуру «клиент–сервер», процедуру
аутентификации пользователей с поддержкой передачи пароля и
логина (условного имени, под которым пользователь зарегистрирован) как в открытой, так и в зашифрованной форме.
Простой протокол передачи электронной почты, SMTP –
протокол для обмена сообщениями электронной почты, когда
программа – почтовый клиент связывается с сервером электронной почты посредством выдачи командных строк для получения необходимых данных на основе TCP-соединения. Командные строки представляют собой текстовые сообщения.
Протокол SMTP предназначен только для доставки/переноса
сообщений. С его помощью нельзя «скачать» сообщения с удаленного сервера. Для «скачивания» почты и управления электронным почтовым ящиком разработаны протоколы POP и
IMAP, которые применяются, если почтовый клиент пользователя не включен постоянно для приема–отправки почты. В качестве имен в протоколе SMTP используются адреса электронной
почты, сформированные с помощью протокола DNS.
Протокол сервера доменных имен, DNS – протокол, который используется для прямого и обратного преобразования
символьных имён в IP-адреса, для получения информации о
маршрутизации почты, обслуживающих узлах протоколов в домене, поддерживает архитектуру «клиент-сервер». Доменом
здесь называется узел в дереве имен со всеми подчиненными
ему узлами. В данном случае узел – условное обозначение, фо-
81
4. Протоколы верхних уровней IP–сетей
кус, отправная точка, указывающая на наличие подчиненных
узлов и вышестоящих доменных имен. Доменное имя – это
символьное обозначение для идентификации областей — единиц административной автономии в сети Интернет. Доменные
имена дают возможность адресации узлов в сети Интернет и
расположенных на них сетевых ресурсов (WEB–сайтов, серверов электронной почты, других служб) в удобной для человека
текстовой форме. Доменная зона – совокупность доменных
имен определенного уровня, входящих в конкретный домен (см.
рис. 4.5).
Рис. 4.5 – Иерархия доменных имен
Домены имеют определенную смысловую нагрузку и удобны для восприятия пользователем. Например, домен «.com» –
используется для коммерческих компаний и организаций; домен
«.edu» – для учебных заведений, преимущественно США; домен
«.int» – для международных организаций, домен «.gov» – для
правительственных учреждений, преимущественно США; домен
«.org» – для некоммерческих организаций; домен «.ru» – национальный домен Российской Федерации; домен «.рф» – кириллический национальный домен России. Полное доменное имя состоит из непосредственного имени домена и далее имён всех
доменов, в которые он входит, разделённых точками. По аналогии с доменным именем формируется адрес электронной почты,
82
4. Протоколы верхних уровней IP–сетей
где указывается условное символьное имя отправителя, потом
ставится знак @ и после дается доменное имя сервера почтовой
службы, например info@psuti.ru. Сервер DNS поддерживает некоторые доменные зоны, а также может перенаправлять запросы
DNS вышестоящим серверам. Клиент DNS – специализированная или программа для работы с DNS, обычно в составе операционной системы или системного программного обеспечения.
Регистрацией доменных имен занимается международная
некоммерческая организация ICAAN (Internet Corporation for
Assigned Names and Numbers), www.icaan.org, чьи основные
офисы находятся в США и соответственно, могут подпадать под
юрисдикцию по месту нахождения. Эта организация поддерживает распределённую систему регистрации доменов, которая
основана на принципе свободного доступа аккредитованных
регистраторов к реестрам доменных имен. Доменное имя и IPадрес не одно и тоже. Один IP-адрес может поддерживать доступ к множеству имён DNS, что позволяет организовывать на
одном IP–адресе множество WEB-сайтов. Верно и обратное –
одному доменному имени может быть сопоставлено множество
IP-адресов, что позволяет динамически распределять трафик на
сайт между различными серверами, особенно в случае повышенной нагрузки или т.н. «атаки на доступность».
Протокол динамической конфигурации узла/хоста, DHCP –
позволяет всем устройствам, подключенным к IP–сети, автоматически получать IP–адрес и другие параметры настройки сетевого подключения, необходимые для поддержки стека TCP/IP в
конкретной сети в режиме «клиент–сервер». Протокол DHCP
поддерживает систему сообщений, позволяющую обнаружить
DHCP сервер, предложить клиенту– узлу использовать конкретный IP-адрес; далее идет широковещательная рассылка клиентом своего соглаcия на использование предложенной конфигурации, потом идет подтверждение DHCP сервера об окончательном назначении клиенту IP-адреса. Также IP–адрес может
83
4. Протоколы верхних уровней IP–сетей
назначаться вручную администратором сети или назначаться
автоматически на каждый сеанс.
Протокол передачи в реальном масштабе времени RTP –
протокол для передачи по сетям с пакетной коммутацией аудио–
, видео– и иной мультимедийной информации с гарантированными задержками по времени. Протокол не управляет скоростью передачи по сети, а регистрирует порядковый номер пакета информации и временную метку (квантование по времени).
Это позволяет управлять воспроизведением сообщения на узле/компьютере получателя. Заголовок пакет RTP имеет фиксированный формат, а соответствующие поля в заголовке определяют, как обрабатывать полезную информацию, т.е. «тело пакета». Протокол RTP позволяет транслировать поток мультимедиа–информации с изменением его кодирования при переприеме а также объединять потоки данных от максимум 15 отправителей (источников) и перенаправлять объединенный поток получателю (микширование). Микширование может быть совмещено с т.н. многоадресной передачей, например в процессе телеконференции.
Для контроля работы сети связи на протяжении сеанса связи, обеспечения обратной связи (как в протоколе ОКС№7) и
адаптации передачи к условиям сети (например, изменением
схемы кодирования при перегрузке на сети) используется протокол управления в реальном масштабе времени, RTCP. Этот
протокол поддерживает режим «клиент–сервер». В данном протоколе используются пять видов сообщений, которые носят в
основном информационный характер:
• сообщения о завершении сеансов связи;
• сообщения с отчетами об условиях передачи (как от отправителя, так и от получателя);
• сообщения с абсолютной временной меткой для синхронизации нескольких потоков на стороне получателя;
84
4. Протоколы верхних уровней IP–сетей
• сообщения с описанием источника передаваемых данных, включая доменное имя компьютера (средства связи) или
IP-адрес по схеме имя–пользователя@имя–узла.
Выводы по разделу
Cтек протоколов TCP/IP является ключевым для формирования современной архитектуры предоставления услуг с помощью IP–сети. Для организации информационного взаимодействия между программными приложениями пользователя используются протоколы верхнего уровня, такие как http, DNS, FTP,
SMTP, DHCP и RTP.
Теоретические вопросы
1. Что понимается под «стеком протоколов TCP/IP»?
2. Какие функции исполняет протокол HTTP?
3. Можно ли назначить узлу IP-адрес вручную с помощью
DHCP?
4. Что такое доменное имя?
5. Чем домен первого уровня отличается от домена второго
уровня?
6. Каким образом протокол RTP обеспечивает передачу
пакетов в реальном времени?
4.2 Транспортный уровень сетевых протоколов IP–
сетей
Цель изучения раздела
Целью изучения раздела является ознакомление с назначением, возможностями и основными принципами применения
протоколов транспортного уровня IP–сетей.
Содержательная часть
Протокол управления передачей TCP – протокол, ориентированный на соединение, предназначен для организации га-
85
4. Протоколы верхних уровней IP–сетей
рантированной доставки информации от источника к получателю с помощью создания виртуальных каналов для передачи
сегментов.
Сегмент – это непрерывная часть данных, поступающих на
уровень TCP от протоколов верхних уровней. Максимальный
размер сегмента не должен превосходить размера поля данных
IP–пакета. В случае, если размер сегмента больше размера поля
данных IP-пакета, то сегмент разбивается на части (фрагментируется). Виртуальный канал идентифицируется с помощью двух
конечных точек, соответствующих узлу и порту, где узел определяется IP–адресом, порт – обозначает точку доступа к услугам протокола TCP.
Один и тот же TCP–порт может использоваться несколькими соединениями на одном и том же узле. Номера TCP–портов
контролируются
международной
организацией
IANA,
www.iana.org. К примеру, порт 80 используется протоколом
HTTP, а порт 20/21 используется протоколом FTP.
Протокол TCP поддерживает дуплексный/двухсторонний
режим передачи и для надежности доставки информации поддерживается механизм подтверждения приема с повторной передачей пакета в случае, если пакет не был доставлен (см. рис.
4.6).
Здесь передача пакета 2 начинается только после получения
подтверждения ACK1 приема пакета 1 (ACKnowledgement,
ACK). Узел–отправитель при передаче пакета 1 запускает программный таймер выдержки времени, чтобы фиксировать время
до начала повторной передачи если не будет получен сигнал
ACK1. Если таймер истек – начинается повторная передача пакета 1. Причем, как и в случае ОКС№7, порядковые номера пакетов, которые переданы повторно и успешно, сообщаются в
сообщении ACK отправителю, чтобы исключить дублирование
передачи одних и тех же пакетов.
Более совершенным методом обеспечения надежности является метод «движущихся окон» (sliding window). В этом слу-
86
4. Протоколы верхних уровней IP–сетей
чае отправка следующего пакета, например пакета 2, начинается
еще до получения подтверждения на пакет 1.
Рис. 4.6 – Механизм подтверждения с повторной передачей в
протоколе TCP
Все пакеты находятся в специальной очереди. «Окно», то
есть определенный участок очереди, указывает те номера пакетов, которые передаются в данный интервал времени. Пакеты
слева от «окна» уже успешно переданы, а справа – жду передачи.
Как только самый левый пакет в окне успешно передан, окно сдвигается вправо на одну позицию. Кроме того, если на пакет в «окне» нет положительного подтверждения о приеме, а
таймер времени истек, то пакет передается повторно. Установление TCP–соединения выполняется в следующей последовательности:
1. На своей стороне инициатор соединения посылает запрос на открытие TCP–порта для передачи (active open).
2. После открытия TCP–порта инициатор посылает запрос
в сторону получателя (сервер), с которым требуется установить
виртуальное соединение.
3. На приемной стороне открывает TCP–порт для приема
данных (passive open), о чем инициатор уведомляется сообщением ACK.
87
4. Протоколы верхних уровней IP–сетей
4. Для передачи в режиме дуплекс, TCP–протокол на приемной стороне также открывает active port и передает запрос к
противоположной стороне как в п.2.
5. Сторона–инициатор открывает passive open TCP–порт, о
чем сообщает противоположной стороне через ACK.
6. Виртуальное TCP–cоединение установлено, происходит
обмен данными согласно схеме на рис 4.6.
Протокол передачи пользовательских дейтаграмм, UDP
– не ориентирован на соединение, предназначен для передачи
дейтаграмм между двумя прикладными программами, например
между клиентами электронной почты.
Протокол UDP не использует механизм с подтверждением
доставки пакетов, но позволяет разделять потоки данных между
различными источниками информации и приложениями. Для
этого в заголовке сообщения протокола UDP существует два
целых числа, соответствующих виртуальным портам источника
и получателя сообщения.
Порт в данном случае – адрес для получения сообщения
конкретным приложением. Часть портов UDP стандартны, например порт «11» соответствует списку активных пользователей, порт «37» принимает информацию о текущем времени,
порт «43» содержит информацию об имени пользователя, порт
«53» предназначен для протокола DNS, порты «67» и «68» используются для протокола DHCP, порт «69» используются для
протокола FTP.
Существуют свободные порты UDP, локально используемые данной системой. Разделение потоков дейтаграмм между
несколькими портами UDP называется процедурой демультиплексирования.
В заголовке UDP сообщения также есть поля, указывающие
на длину UDP сообщения и значение контрольной суммы. Наличие контрольной суммы позволяет определить произошли ли
изменения в процессе передачи; вычисление контрольной суммы не является обязательным.
88
4. Протоколы верхних уровней IP–сетей
Выводы по разделу
Для обеспечения надежной доставки сообщений применяется протокол TCP. Здесь используется механизм подтверждения с
повторной передачей пакетов или метод движущихся окон.
Для разделения потоков данных между различными источниками информации и приложениями используется протокол
UDP.
Теоретические вопросы
Приведите определение понятия «сегмент».
1.
2.
Что такое «порт» протокола TCP?
3.
Для чего используется сигнал ACK?
В чем преимущество метода «скользящего окна»?
4.
5.
Для каких целей используется протокол UDP?
89
5. Сетевой протокол IP
5. СЕТЕВОЙ ПРОТОКОЛ IP
В главе 5 рассматривается сетевой протокол IP [5]. В разделе 5.1 рассматривается структура и состав заголовков дейтаграммы сетевого протокола IP версия 4. В разделе 5.2 рассматривается структура IP–адреса а также вспомогательные протоколы. В разделе 5.3 рассматриваются особенности сетевого протокола IP версии 6.
5.1 Заголовок дейтаграммы сетевого протокола
IP версии 4
Цель изучения раздела
Целью изучения раздела является ознакомление с архитектурой, возможностями и основными принципами применения
протокола IPv4.
Содержательная часть
Протокол межсетевого взаимодействия IP – это протокол, работающий без установления соединения с негарантированной доставкой пакетов. Дейтаграмма – это общее название
PDU для протоколов без установления соединений. Сейчас вместо «дейтаграмма» используется термин «IP– пакет». Протокол
IP разрабатывался для сложных сетей, он независим от телекоммуникационных технологий. Поэтому если при передаче
IP–пакет теряется, то его повторно не передают; возможна посылка уведомления о потере пакета отправителю. Для подтверждения и повторной передачи пакета следует использовать TCP.
Общая длина заголовка пакета протокола IP версии 4 (IPv4)
составляет 20 байт (пять 32-х битных слов данных) и включает
IP–адреса узла–источника сообщения и узла назначения (см.
рис. 5.1). Поле «версия» (Version) указывает версию протокола
IP, 4 или 6. Поле «Длина заголовка» (IP Header Length, IHL) указывает значение длины заголовка в 32-битовых словах, напри-
90
5. Сетевой протокол IP
мер 5; длина может быть больше 5 за счет использования байт в
поле «Опции и выравнивание» (IP Options and padding). Наибольший заголовок занимает 60 байт, то есть IHL=15.
Рис. 5.1 – Заголовок пакета (дейтаграммы) протокола IPv4
Поле «Тип сервиса» (Type of Service) задает приоритетность
пакета и вид критерия выбора маршрута. Первые три бита этого
поля образуют подполе приоритета пакета (Precedence), Приоритет может иметь значения от самого низкого «0» (нормальный пакет) до самого высокого «7» (пакет управляющей информации). Промежуточные узлы связи учитывают эту информацию. Ещё три бита определяют критерий выбора маршрута: с
малой задержкой, с высокой достоверностью или с высокой
пропускной способностью.
Поле «Общий размер» (Total Length) содержит значение
общей длины пакета, где максимум составляет 65 535 байт. На
практике длина выбирается с учетом максимальной длины сегмента канального уровня; например для Ethernet IP–пакеты
имеют максимальную длину 1500 байт.
Поле «Идентификатор пакета» (Identification) используется для распознавания пакетов, образовавшихся путем фрагментации исходного пакета. Все фрагменты должны иметь одинаковое значение этого поля. Поле «Флаги» (Flags) тоже содержит
признаки, связанные с фрагментацией. Установленный бит
91
5. Сетевой протокол IP
DF=«1»(Do not Fragment) запрещает узлу фрагментировать данный пакет, а бит MF=«1»(More Fragments) указывает, что данный пакет является промежуточным (т.е. не последним) фрагментом. Поле «Смещение фрагмента» (Fragment Offset), задает
кратное 8 смещение в байтах поля данных данного пакета от
начала общего поля данных исходного пакета, подвергнутого
фрагментации. Поле используется при сборке/разборке фрагментов пакетов при передачах их между различными сетями.
Поле «Время жизни» (Time to Live, TTL) равно предельному времени передачи пакета по сети в секундах и задается источником передачи. На транзитных узлах по истечении каждой
секунды из текущего значения времени жизни вычитается единица. Если «время жизни» равно 0 еще до достижения узла назначения, то пакет уничтожается (стирается из буфера).
Идентификатор «Протокол» верхнего уровня (Protocol) указывает, какому протоколу верхнего уровня принадлежит информация, размещенная в поле данных (например, протоколу
TCP, UDP). Значение поля «Контрольная сумма заголовка»
(Header Checksum) рассчитывается только для заголовка при
каждой обработке IP–заголовка. Если контрольная сумма неверна, то пакет будет уничтожен, как только ошибка будет обнаружена. Поля «IP-адрес источника» (Source IP Address) и «IPадрес назначения» (Destination IP Address) имеют одинаковую
структуру, рассматриваемую ниже в разделе 5.2. Поле «Опции»
(IP Options) является необязательным и используется обычно
только при отладке сети, в том числе для функции управления.
В этом поле можно регистрировать узлы, проходимые пакетом,
помещать данные системы безопасности. Поле «Выравнивание»
содержит несколько байт для выравнивания заголовка пакета до
кратности 32. Протокол IPv4 имеет следующие недостатки:
• недостаточность объема 32-битового адресного пространства;
• сложность маршрутизации, связанная с созданием оптимальных маршрутов;
• сложность массового изменения IP-адресов;
92
5. Сетевой протокол IP
• относительная сложность обработки заголовков пакетов
IPv4.
Указанные проблемы обусловили развитие «классической»
версии протокола Ipv4 до версии IPv6.
Выводы по разделу
Дейтаграммный протокол IPv4 используются для направления данных пользователя от источника к получателю сообщения
по IP–адресу. Протокол IP независим от используемых телекоммуникационных технологий. Основной недостаток IPv4 –
недостаточность объема 32-битового адресного пространства.
Теоретические вопросы
1. Что такое дейтаграмма?
2. Для чего необходимо поле «Время жизни»?
3. Для чего используется контрольная сумма заголовка?
4. На что указывает идентификатор «Протокол»?
5. В чем преимущества и недостатки протокола IPv4?
5.2 Структура IP–адреса, протоколы ICMP и IGMP
Цель изучения раздела
Целью изучения раздела является ознакомление с IP–
адресацией, вспомогательными протоколами ICMP и IGMP.
Содержательная часть
IP–адрес является универсальным идентификатором оборудования инфокоммуникаций или узлов (hosts), относится к сетевому уровню ВОС. IP–адрес назначается автоматически или
вручную при конфигурировании оборудования, причем адрес
может быть выбран администратором произвольно либо назначен по правилам для адресации сетей. IP–адрес разделен на четыре блока по 8 бит, которые для удобства можно записать в
десятичном виде, и включает в себя:
• адрес сети (netid);
93
5. Сетевой протокол IP
• адрес узла в подсети (hostid).
Существует пять классов IP-адресов, которые представлены
на рис.5.2.
Рис. 5.2 – Форматы и области значений классов IP–адресов
Класс А используется для сетей с количеством узлов больше 216 (65536); класс B используется для сетей с количеством
адресов между 28 и 216; класс С используется, если узлов менее
28. Оборудование связи может организовывать соединение сразу
нескольких IP–сетей, поэтому каждый физический порт подключения узла связи к IP–сети может иметь собственный IP–
адрес. Оборудование пользователя также может работать в нескольких IP–сетях, для чего имеет несколько IP–адресов, по
числу сетевых подключений. Таким образом, IP–адрес присваивается не отдельному узлу (средству) связи, а сетевому подключению такого узла (средства) связи.
Если все биты поля hostid равны нулю, то этот IP–адрес
присваивается не узлу, а сети в целом, например сети в квартире/в доме пользователя. Если все биты поля netid равны нулю,
то этот IP–адрес тоже относится к внутренней сети, например
при обмене между двумя компьютерами и принтером в домашней сети. Если все биты поля hostid равны единице, то этот IP–
94
5. Сетевой протокол IP
адрес используется для направленной широковещательной
(broadcasting) передачи сообщений все узлам сети netid.
Чтобы остаться в пределах 32-х битной адресации в IPv4
был разработан метод подсетей, где один сетевой IP–адрес применялся бы к нескольким физическим сетям. Например, один
IP–адрес класса B 128.11.0.0 может быть назначен двум физическим сетям, IP–адреса которых выглядят соответственно как
128.11.1.0 и 128.11.2.0. В результате IP–адрес разбивается уже
на сетевую часть и локальную часть. Сетевая часть обозначает
объединение нескольких физических сетей, а локальная часть
определяет конкретную физическую подсеть и узел в этой подсети. IP–адрес класса B для подсетей показан на рис. 5.3.
Рис. 5.3 – Форматы и области значений IP–адресов класса B
для подсетей
Локальная часть может разбиваться по–разному. Если для
физической сети выделен 1 бит, то в ней можно адресовать
65534 узлов, для 8 бит получается 254 подсети и 254 узла в каждой подсети, для 14 бит получается 16382 подсети и 2 узла в каждой подсети.
Для того, чтобы разделить стандартную длину IP–адреса и
выделить подсеть применяют 32-х разрядную маску подсети.
Если бит IP–адреса относится к физической подсети, то бит
маски равен «1», если бит IP–адреса относится к идентификатору узла сети, то бит маски будет равен «0». В настройках оборудования маска записывается в точечной десятичной форме. Например, маска вида 255.255.255.0 (1111111 1111111 111111
000000002) определяет, что первые три байта IP–адреса используются для идентификации физической подсети, а четвертый
95
5. Сетевой протокол IP
байт используется для идентификации узла в физической сети
(см. рис 5.4).
Рис. 5.4 – Маска вида 255.255.255.0 для IP–адресов
Другим способом преодолеть ограничения, накладываемые
32-х битной длиной IP–адреса, является применение метода гиперсетей или бесклассовой адресации. Здесь вместо, например,
адресов класса B, можно выделить провайдеру услуг Интернет
подряд 256 блоков адресов класса C. В дальнейшем блоки адресов класса C можно распределить между отдельными клиентами
провайдера, где для указания размера блока можно использовать битовую маску. Например, запись 128.211.168.0/21 обозначает, что выделен блок адресов, начиная с 128.211.168.0 и заканчивая 128.211.175.255, всего 2048 адресов. Здесь 21 означает
количество бит из 32-х, установленных в «1», что соответствует
netid, оставшиеся 11 бит соответствует hostid. Соответственно,
211=2048, а сама маска в точечной десятичной форме имеют вид
255.255.248.0 или 11111111 11111111 11111000 000000002. Значения /8 (255.0.0.0), /16(255.255.0.0), /24 (255.255.255.0) являются стандартными и соответствуют классам A, B, C. Значение /32
является минимальным, значение /1 является максимальным. К
примеру, если провайдер получил блок адресов 128.211.0.0/16
(255.255.0.0) то есть 216=65536 адресов, то из этого множества
может быть выделен блок 128.211.168.0/21 на 2048 адресов или
блок 128.211.176.212/29 на четыре адреса, начиная с
128.211.176.212 и заканчивая 128.211.176.215.
Если протокол IP идентифицирует адрес узла назначения
как адрес «своей» сети, то IP–пакет передается этому узлу напрямую. Если же IP–адрес идентифицирован как относящийся к
«чужой» сети, то оборудование IP–сети начинает искать мар-
96
5. Сетевой протокол IP
шрут (путь) к удаленному узлу с помощью специальной таблицы маршрутизации, в которой указаны связи с узлами при межсетевом взаимодействии. Для составления и модификацией таблиц маршрутизации используются протокол сбора маршрутной
информации RIP (Routing Internet Protocol) и протокол выбора
первого кратчайшего пути OSPF (Open Shortest Path First), которые также относятся к сетевому уровню.
Совместно с протоколом IP работает протокол межсетевых
управляющих сообщений ICMP (Internet Control Message
Protocol), предназначенный для уведомления об ошибках между
оборудованием маршрутизации IP–сетей и узлом – источником
пакета. Адресатом сообщения является специальная программа
поддержки протокола ICMP на узле–источнике. Сообщение
ICMP инкапсулируется (вставляется) в дейтаграмму протокола
IP и далее передается с использование протоколов канального
уровня.
Примером запроса ICMP является сообщение ping (запрос
эха) в сторону определенного узла. Получив запрос ping, каждый промежуточный узел формирует ответ с указанием своего
DNS–имени и времени прохождения дейтаграммы.
В случае отсутствия эха т.е. ответа от узла, формируется сообщение с кодом ошибок, например код «3» означает «Порт недоступен», код «6» означает, что сеть адресата неизвестна, код
«10» означает «Связь с узлом получателя запрещена на административном уровне». Также протокол ICMP позволяет отправлять сообщения об истечении времени жизни дейтаграмм, синхронизировать часы узлов и давать оценку времени передачи.
Протокол управления группами в Интернете IGMP (Internet
Group Management Protocol) используется для передачи IPпакетов, относящихся к видеоконференциям, передаче речи и
звука, а также для группового исполнения команд различными
устройствами инфокоммуникаций.
Этот протокол использует групповую адресацию (мультикастинг) и использует IP–дейтаграммы класса D. Это требуется
97
5. Сетевой протокол IP
для передачи сообщений нескольким получателям одновременно. IGMP–пакеты инкапсулируются в IP–дейтаграммы.
Выводы по разделу
Дейтаграммы протокола IPv4 делятся на несколько классов
в зависимости от количества адресуемых узлов, сетей и использования данного типа дейтаграммы. Ограничения по длине IP–
адреса требуют использования специальных процедур («маска»)
для эффективного использования пространства IP адресов. Для
уведомления об ошибках в процессе маршрутизации используется протокол ICMP, для управления конференциями используется протокол IGMP.
Теоретические вопросы
1. Какие основные поля существуют в структуре IP–
адреса?
2. Чем класс A IP–адреса отличается от класса C?
3. Что такое «маска» IP–адреса и для чего она используется?
4. Для чего применяется протокол ICMP?
5.3 Сетевой протокол IP версии 6
Цель изучения раздела
Целью изучения раздела является ознакомление с архитектурой, возможностями и основными принципами применения
протокола IPv6.
Содержательная часть
В версии IPv6 длина адреса составляет 128 бит, что соответствует размерности адресного пространства 3,4x1038 , что достаточно на 20-ти летнюю перспективу. Поля в заголовках пакета
IPv6 обеспечивают быструю обработку пакета узлом назначения. Для обеспечения безопасности используются аутентификация и шифрование. Аутентификация позволяет проверить, явля-
98
5. Сетевой протокол IP
ется ли отправитель действительно тем, за кого себя выдает, но
IP-пакет при этом не шифруется. Шифрование может реализовывать аутентификацию и шифрование всего IP-пакета. Новая
функция протокола IPv6 – это поддержка мобильности при выходе устройства из зоны действия домашней сети, что применяется в IMS. Всемирный запуск протокола IPv6 состоялся 6 июня
2012 года с форматом заголовка на рис. 5.5.
Рис. 5.5 – Формат заголовка пакета протокола IPv6
Поле «Версия» (Version) идентифицирует версию 6. Поле
«Класс трафика» (Traffic Class) содержит 8-битный класс трафика, который указывает приоритет дейтаграммы или его принадлежность к определённому передаваемому классу.
Поле Traffic Class позволяет осуществить приоритезацию и
предоставления услуг с требуемым уровнем качества. Приоритетные дейтаграммы обрабатываются в первую очередь. В описании протокола IPv6 есть указание, что по умолчанию в этом
поле ставится «0» – обычный приоритет.
Поле «Метка потока» (Flow Label) предназначено для описания потока т.е. множества IP-пакетов со схожими свойствами
(отправитель, адресат и т.п.). С помощью метки потока транзитный или оконечный узел определяет, что пакет – это часть определённого потока и на основании этого определяет, как этот пакет обрабатывать дальше.
99
5. Сетевой протокол IP
Поле «Длина полезной нагрузки» (Payload Length) содержит
информацию о размере пакета в виде количества байт, следующих за стандартным заголовком. Заголовок не включён в этот
объём, в то время, как расширенные заголовки в размер включены. Т.к. это поле двухбайтное, максимальная длина, которая
может быть им описана, составляет 64 Кбайт. Если требуется
создать пакет с большим размером, следует воспользоваться
дополнительным заголовком с именем «Jumbo».
Поле «Следующий заголовок» (Next Header) – определяет
следующий заголовок, который идёт после фиксированного.
Поле «Максимальное количество пересылок» (Hop Limit)
используется как альтернатива и замена поля «Время жизни» в
протоколе IPv4. Прохождение IP-пакетом одного узла считается
одной пересылкой. Отправитель указывает максимальное количество таких пересылок (переприемов) для пакета. Каждый узел
в процессе маршрутизации снижает значение поля на «1». Если
значение поля доходит до «0», то пакет будет ликвидирован, а
отправителю будет отправлено сообщение протокола ICMP об
истечении максимального количества пересылок.
Поле «IP Адрес» указывает адрес источника сообщения и
адрес получателя сообщения. Эти два поля занимают 80% размера заголовка IP-пакета.
В IPv6 дополнительная информация предоставляется с помощью механизма объединения в цепочки дополнительных заголовков, которые добавляются к схеме на рис 5.5.
Для штатной работы IPv6 необходимо, чтобы инфраструктура транспортных сетей и сетей доступа была способная передавать пакеты минимальным размером 1280 Байт, в то время как
самое массовое оборудование связи стандарта Ethernet поддерживает размер 1500 Байт; следовательно, фрагментация пакета
IPv6 не потребуется. Контрольная сумма из заголовка удалена,
т. к. её функции выполняет низший уровень, например Ethernet,
TCP/UDP, к тому же, двойная проверка вела бы к лишнему
уменьшению скорости передачи данных.
100
5. Сетевой протокол IP
Адрес
IPv6
записывается
в
виде
2001:0db8:11a3:09d7:1f34:8a2e:07a0:765d16 – это последовательность из восьми групп по четыре шестнадцатеричные цифры в
каждой
группе.
Формат
URL
имеет
вид:
http://[
2001:0db8:11a3:09d7:1f34:8a2e:07a0:765d].
Выводы по разделу
Протокол IPv6 имеет упрощенную структуру заголовка,
ориентированную на передачу потоков информации. Длина IP–
адресов позволяет идентифицировать до 3,4x1038 узлов, поддерживается аутентификация и шифрование данных.
Теоретические вопросы
1. В чем преимущества использования протокола IPv6?
2. Для чего необходимо поле «Метка потока»?
3. Почему в IPv6 не используется контрольная сумма заголовка?
4. На что указывает поле «Максимальное число пересылок»?
101
6. Архитектура и процессы функционирования вычислительных сетей
и телекоммуникаций
6. АРХИТЕКТУРА И ПРОЦЕССЫ
ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ
СЕТЕЙ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ
В главе 6 рассматриваются основы функционирования вычислительных сетей и телекоммуникаций [1,3,4]. В разделе 6.1
рассматривается архитектура сетей Ethernet. В разделе 6.2 рассматривается архитектура, процессы функционирования и технологии транспортных телекоммуникационных сетей. В разделе
6.3 рассматривается архитектура, процессы функционирования
и технологии сетей доступа.
6.1
Архитектура и процессы функционирования
вычислительных сетей
Цель изучения раздела
Целью изучения раздела является ознакомление с архитектурой, возможностями и функциями оборудования вычислительных сетей.
Содержательная часть
Под архитектурой понимается описание способа организации и взаимодействия частей (компонентов) вычислительных
сетей и телекоммуникаций, обусловленных характеристиками
этих компонент, принципами их проектирования, взаимосвязи и
развития. Под процессом функционирования понимается описание принципов и порядка обработки информации, данных,
сигналов.
Для обмена информацией с использованием стека TCP/IP
используются различные телекоммуникационные технологии и
сети связи. Типовым решением является создание локальной
вычислительной сети, ЛВС, LAN, которая охватывает небольшую территорию и использует ориентированные на эту
102
6. Архитектура и процессы функционирования вычислительных сетей
и телекоммуникаций
территорию средства и методы передачи данных. ЛВС «прозрачны» для протокола TCP/IP и чаще всего используют стандарт IEEE 802.3.x Ethernet. Архитектура ЛВС, в которой происходит преобразование PDU согласно схеме инкапсуляции, представленной на рис. 6.1.
Рис. 6.1 – Инкапсуляция пакетов в стеке протоколов TCP/IP
Кадром (фреймом) называется PDU канального уровня.
Стандарты IEEE 802.3а, 802.3i описывают кадры и процесс передачи со скоростью 10 Мбит/с; стандарт IEEE 802.3u (Fast
Ethernet) описывает процесс передачи 100 Мбит/с; стандарт
IEEE 802.3ab, 802.3z (Gigabit Ethernet) – процесс передачи 1000
Мбит/с по металлическим и оптическим проводам. Стандарт
IEEE 802.3an–2006 и IEEE 802.3.ae описывают передачу со скоростью 10 000 Мбит/с (10G Ethernet).
Каждый из стандартов Ethernet включает детальное описание передачи сигнал для коаксиального кабеля (сейчас используется редко), парного кабеля («витая» пара), одномодового и
многомодового оптического кабелей. Например, IEEE 802.3i
10BASE–T – описывает передачу со скоростью 10 Мбит/с по
103
6. Архитектура и процессы функционирования вычислительных сетей
и телекоммуникаций
кабелю с четырьмя проводами (двумя парами). Стандарт IEEE
802.3u 100BASE–T4 – описывает передачу со скоростью 100
Мбит/с по четырехпарному кабелю на рис. 6.2.
Рис. 6.2 – Общий вид витой пары кабеля для ЛВС
Стандарт 1000BASE–SX/LX – описывает передачу со скоростью
1 Гбит/с по многомодовому/одномодовому оптическому волокну. Длина кадра в вычислительной сети типа Ethernet/Fast
Ethernet может лежать в диапазоне от 64 до 1518 байт.
Сеть Ethernet использует для связи общую шину и метод
доступа к сети с контролем несущей и обнаружением конфликтов CSMA/CD. Каждый компьютер (станция) или узел в сети,
начав передачу, продолжает «прослушивать» сеть/шину для обнаружения коллизии. Конфликт или коллизия – непредсказуемая ситуация, возникающая при наличии одновременных передач со стороны нескольких станций данных на одном канале–
шине. Поиск коллизии идет с учетом интервала времени между
передаваемыми кадрами. Передача первого бита очередного
кадра начинается только по истечении этого времени. После передачи каждого бита кадра станция в сети Ethernet проверяет
наличие конфликта (коллизии). Если коллизий нет, передача
битов продолжается до окончания кадра. Если после передачи
какого-то бита обнаружена коллизия, то передача пакета прекращается.
Кадры Ethernet используют MAC–адрес (Media Access
Control) – уникальный идентификатор канального уровня, используемый для управления доступом к среде передачи. MAC–
адрес назначается каждому узлу (станции) и состоит из двух
104
6. Архитектура и процессы функционирования вычислительных сетей
и телекоммуникаций
частей по три байта каждая. Первые три байта MAC–адреса закреплены за производителем сетевого устройства. Вторые 3
байта MAC–адреса – уникальный идентификатор сетевого устройства, точнее его сетевого адаптера для подключения к ЛВС.
Для организации обмена сообщениями в вычислительной сети
используются различные устройства, которые показаны на
рис.6.3.
Рис. 6.3 – Сетевые протоколы TCP/IP и устройства
вычислительных сетей
Маршрутизатор (router) – устройство связи для передачи
IP–пакетов из одной сети в другую или для передачи пакетов в
масштабах одной, достаточно крупной вычислительной сети.
Маршрутизаторы всегда находят оптимальный маршрут между
заданными вычислительными сетями независимо от количества
промежуточных сетей. Маршрутизаторы выполняют функции
управления сетью, балансировку трафика, ведут подсчет статистики передачи пакетов, устраняют некоторые неполадки. Мар-
105
6. Архитектура и процессы функционирования вычислительных сетей
и телекоммуникаций
шрутизатор уменьшает значение поля «Время жизни» IP-пакета
на 1 сек. или больше, вплоть до 0; фрагментирует (разбивает)
пакет, если его размер слишком велики для сети дальнейшего
следования; вычисляет новую контрольную сумму (для IPv4).
Далее определяется IP–адрес маршрутизатора назначения и пакет передается на сетевой (канальный) уровень для передачи.
Схема применения маршрутизатора для организации доступа в
сеть Интернет двух различных ЛВС представлена на рис. 6.4.
Рис. 6.4 – Организация двух ЛВС на одном IP–
маршрутизаторе
Для доставки IP–пакета нужному узлу требуется соотнести
IP–адрес с MAC–адресом узла назначения, для чего иногда
применяется протокол преобразования адреса ARP. Этот протокол позволяет преобразовать IP–адрес в MAC–адрес. Узел –
источник сообщения анализирует ARP–таблицу, где каждому
IP–адресу узла данной сети сопоставлен тип физического порта,
MAC–адрес узла, IP–адрес, соответствующий MAC–адресу. Далее в процессе функционирования ARP посылается запрос станциям в данной сети (см. рис. 6.5). Если IP–адрес узла совпадает
106
6. Архитектура и процессы функционирования вычислительных сетей
и телекоммуникаций
с запрашиваемым, то на MAC–адрес отправителя посылается
искомый IP–адрес и MAC–адрес отвечающего узла.
Рис. 6.5 – Процесс функционирования протокола ARP
Мост (bridge) – это устройство, обеспечивающее взаимосвязь нескольких ЛВС посредством трансляции кадров из одной
ЛВС в другую с возможным преобразованием протоколов
управления доступом к среде. В случае высокой межсетевой нагрузки допускается применения коммутатора (switch) – устройства, соединяющего несколько одинаковых или похожих
вычисительных сетей для ретрансляции и передачи кадров между ними. Концентратор (hub) – это многопортовый повторитель (репитер) сигнала, который получив битовый сигнал на
один из физических портов в процессе передачи сигнала на другие порты может его восстанавливать и усиливать. Концентратор применяется для физического подключения к ЛВС нескольких устройств.
Выводы по разделу
Для построения вычислительных сетей чаще всего используется стандартизированная технология с организацией общей
шины Ethernet со скоростью от 10 Мбит/с до 10 000 Мбит/с.
107
6. Архитектура и процессы функционирования вычислительных сетей
и телекоммуникаций
Технология Ethernet имеет встроенные механизмы зашиты
от коллизий. Организация связи в ЛВС предполагает применение маршрутизаторов, коммутаторов, хабов/концентраторов соответственно для сетевого, канального и физического уровня
ВОС.
Теоретические вопросы
1. Какой диапазон скоростей передачи обеспечивает
Ethernet?
2. Что такое «коллизия»?
3. На каком уровне модели ВОС работает маршрутизатор?
4. Что такое MAC–адрес, для чего он используется?
5. Для чего применяется протокол ARP?
6.2 Архитектура и процессы функционирования
телекоммуникационных сетей доступа
Цель изучения раздела
Целью изучения раздела является ознакомление с возможностями и основными протоколами передачи сетей доступа.
Содержательная часть
Современная сеть доступа поддерживает одновременную
передачу речи, данных и видео (мультимедиа), совокупно именуемые услугами «triple play». Использование беспроводных
сетей дополнительно обеспечивает мобильность пользователя.
Отечественные проводные сети доступа в среднем более
короткие, чем в большинстве стран. Рассмотрим технологии
проводного доступа.
Технология цифровой абонентской линии DSL, позволяет
расширить полосу пропускания существующих абонентских
телефонных линий на ТФОП. Если для передачи речи используется частотный диапазон 0,3 ….4 КГц, то в DSL используется
108
6. Архитектура и процессы функционирования вычислительных сетей
и телекоммуникаций
диапазон свыше 26 кГц. За счет разделения высоко– и низкочастотных сигналов с помощью сплиттера, появляется возможность
организации ШПД со скоростью до 8 Мбит/с на расстоянии до 3
км при диаметре жилы кабеля 0,5 мм (см рис.6.6).
Рис. 6.6 – Схема построения сети доступа xDSL
В DSL применяется модем, который позволяет модулировать аналоговый сигнал и передавать с его помощью нули и
единицы цифровой информации. Для DSL характерна разница в
скоростях передачи «нисходящего», downstream потока (от сети
к абоненту) и «восходящего», upstream (от абонента к сети) потока данных. Это объясняется разницей в объеме запроса от
клиента к серверу (восходящий поток) и ответа сервера (нисходящий поток). Для обеспечения качества передачи необходимо
проводить измерения параметров абонентских кабелей для определения минимального затухания и максимального соотношения сигнал/шум.
Технология «оптический кабель до точки x», FTTx (Fiber To
The x) предусматривает использование оптического кабеля связи
от узла связи до точки «х», после которой информация может
передаваться с использованием другой технологии. Существует
вариант с прокладкой оптоволокна вплоть до узла в вынесенном
строения для облуживания группы домов FTTC (C, curb); до
109
6. Архитектура и процессы функционирования вычислительных сетей
и телекоммуникаций
производственного помещения или жилого дома, FTTB (B–
building) или до жилого дома/квартиры FTTH (H – home).
Оптический кабель связи
Узел
связи
Кросс
Станционный
участок
Магистральный
участок
xDSL(
xDSL(Ethernet)
Ethernet)
DSLDSL-модем,
модем,
коммутатор
Распределительный
участок
Рис. 6.7 – Схема построения сети доступа FTTH
На рис.6.7 показано построение ШПД на базе FTTB на участке от узла связи до распределительного узла в доме – маршрутизатора/коммутатора сети Ethernet (оборудование DSL). Технология FTTx конкурентоспособна на рынке услуг телевидения с
высоким разрешением (высокой чёткости) HDTV и на рынке
triple–play, обеспечивая скорость до 100 Мбит/с.
Пассивные оптические сети PON, согласно Рек. МСЭ–Т
G.983.1, предназначены для передачи оптического сигнала без
усиления с помощью мультиплексирования по длине волны.
Сеть PON включает оптический терминал OLT, пользовательское оптическое сетевое устройство, ONU и телевизионную
приставку STB (Set Top Box) с функциями телевизионного ресивера/декодера, см. рис. 6.8. Название «Set Top Box» связано с
тем, что телевизионные декодеры, например для кабельных ТВ–
каналов, часто устанавливались наверху (on top) телеприемника. В направлении от OLT к ONU на длине волны 1490 нм идет
широковещательная передача данных, для телевидения передача
сигнала идет на длине волны 1550 нм. В направлении от ONU к
OLT кадры передаются точно к OLT на длине волны 1310 нм.
Сплиттер здесь – пассивный оптический многополюсник с n
входами и m выходами (в простейшем случае 2x2 или 1x2), в
110
6. Архитектура и процессы функционирования вычислительных сетей
и телекоммуникаций
котором энергия оптического излучения, поступающего на входы, делится на выходах симметрично (равномерно) или несимметрично (направленно) между всеми портами согласно рекомендациям IEC 60875-1, IEC 61753-2-3, ITU-T G.671.
Рис. 6.8 – Схема построения сети доступа PON
Сеть PON используется для предоставления услуг tripleplay. Здесь данные пользователя могут инкапсулироваться в
Ethernet-кадры и формировать сеть EPON (Ethernet PON), которая оптимизирована для протокола IP. В EPON практически
отсутствует фрагментация кадра Ethernet, что ведет к увеличению пропускной способности канала до 1,2 Гбит/с. Технология
GPON (Gigabit PON), согласно Рек. МСЭ-Т G.984.3, реализует
масштабируемую структуру кадров при асимметрии скорости
передачи с поддержкой инкапсуляции в кадры GPON длительностью 125 мкс. Технология GPON более дорогое решение, чем
EPON, но обеспечивает более эффективное, чем EPON, использование полосы пропускания – до 90%.
111
6. Архитектура и процессы функционирования вычислительных сетей
и телекоммуникаций
Технология «беспроводной свободы» WiFi относится к технологиям беспроводных ЛВС WLAN по стандарту IEEE
802.11x. На физическом уровне существует несколько диапазоном частот и скоростей передачи WiFi. Стандарт IEEE 802.11a
определяет диапазон частот 5 ГГц, скорость передачи от 6 до 54
Мбит/с. Стандарт IEEE 802.11b использует диапазон частот 2,4
ГГц, скорость передачи до 11 Мбит/с, стандарт IEEE 802.11g –
диапазон частот 2,4 ГГц, скорость передачи до 54 Мбит/с. В
2009 г. утвержден стандарт IEEE 802.11n со скоростью передачи
данных до 600 Мбит/с в диапазонах частот 2,4…2,5 или 5,0 ГГц.
Существенной частью стандарта 802.11n является приемо–
передача MIMO (Multiple Input, Multiple Output, много входов,
много выходов), что предполагает пространственное мультиплексирование каналов с целью одновременной передачи нескольких информационных потоков по одному каналу, а также
многолучевое отражение, которое обеспечивает доставку каждого бита информации соответствующему получателю с небольшой вероятностью влияния помех и потерь данных. На начало 2013 года большинство предлагаемых производителями
точек доступа IEEE 802.11n поддерживает MIMO 2×2 или 1×1,
т.е. однопотоковая передача, которую чаще всего поддерживают
встроенные в мобильные устройства WiFi адаптеры.
Технология WiMax наиболее часто использует диапазон от
3,4 до 3,8 ГГц со сложной системой модуляции. Это требует
применения более качественных радиоприемников и передатчиков. Пользователь может получить скорость передачи до 75
Мбит/с и приемлемое качество мультимедийного трафика.
Выводы по разделу
Сети доступа в настоящее время повсеместно строятся как
широполосные и высокоскоростные со скоростью передачи не
менее 2 Мбит/с в направлении от сети к пользователю. Наиболее распространенными протоколами являются Ethernet, xDSL,
112
6. Архитектура и процессы функционирования вычислительных сетей
и телекоммуникаций
PON, FTTX, WiFi, WiMax. С точки зрения архитектуры сети
доступа являются одноуровневыми. Для построения сетей доступа используются волоконно–оптические линии связи или радиотехнологии.
Теоретические вопросы
1. В чем преимущество технологии DSL?
2. Чем отличается технология FTTC от технологии FTTH?
3. Какой диапазон скоростей обеспечивает технология
PON?
4. Чем отличаются друг от друга стандарты WiFi?
6.3
Архитектура и процессы функционирования
транспортных сетей
Цель изучения раздела
Целью изучения раздела является ознакомление с архитектурой, возможностями и основными протоколами современных
транспортных сетей.
Содержательная часть
Современные транспортные сети используют метод временного мультиплексирования ТDМ (см. главу 7), где процесс
передачи разбивается на ряд временных циклов, а каждый из
циклов, в свою очередь, разбивается на N субциклов; N – число
уплотняемых потоков (или каналов). За субцикл передается
часть информации одного из потоков; некоторое число субциклов отводится для синхронизации и служебной связи. Существует несколько видов временного мультиплексирования – синхронное мультиплексирование, асинхронное мультиплексирование, плезиохронное мультиплексирование.
Синхронная цифровая иерархия, СЦИ (SDH) представляет
собой транспортную сеть на волоконно-оптических линиях свя-
113
6. Архитектура и процессы функционирования вычислительных сетей
и телекоммуникаций
зи, ВОЛС и обеспечивает синхронное побайтовое временное
мультиплексирование. SDH передает мультмедийный трафик с
помощью инкапсуляции в виртуальные контейнеры – синхронные транспортные модули, STM. Использование кольцевых топологий в архитектуре сети SDH обеспечивает высокую доступность, надежность и самовосстанавливаемость сетей, позволяет
использовать альтернативные пути распространения сигнала с
почти мгновенным переключением на резервное направление
пропуска трафика.
Модули STМ–1 представляют собой кадр со сложной
структурой заголовков, который передается за 125 мкс. Кадр
STM можно представить в виде матрицы из 270 столбцов и 9
строк, пересечение строки и столбца соответствует байту. Первые 72 разряда (9 байт) каждой строки отведены под заголовок,
следующие 260 байт включают полезную нагрузку пользователя
и 1 байт содержит специальный заголовок тракта SDH. Цикл
передачи матрицы см. рис. 6.9:
Рис. 6.9 – Процесс циклической синхронной передачи STM–1
с временным мультиплексированием
Заголовки позволяют передавать кадр от одного узла связи
SDH до другого, осуществлять восстановление искаженных данных и на нужном узле, выводить низкоскоростной тракт E1, E2,
E3 из STM ( см. Рек. МСЭ–Т G.708). Матрица кадра STM–4 уже
имеет размер 9 строк на 1080 колонок (из них 36 колонок на за-
114
6. Архитектура и процессы функционирования вычислительных сетей
и телекоммуникаций
головок), матрица кадра STM–16 имеет размер 9 строк на 4320
колонок (из них 144 колонки на заголовок), поскольку это кадры
более высокого уровня и передаются с большей скоростью. Модуль STM–1 передается со скоростью 155,520 Мбит/с; STM–4 –
со скоростью 622,080 Мбит/с; STM–16 – со скоростью 2448,320
Мбит/с; STM–64 – со скоростью 9953,280 Mбит/с; STM–256 –
со скоростью 39813,12 Мбит/с. В SDH формирование STM осуществляется в два этапа:
1. Согласование скоростей передачи входящих потоков
E1(2,048 Мбит/с), E2 (8,448 Мбит/с), E3 (34,368 Мбит/с) и образование STM-1.
2. Cинхронное мультиплексирование STM–1 в STM–4
(STM–16, STM–64, STM–256) при наличии последних.
Общая схема тракта передачи ВОЛС СЦИ имеет вид:
Рис. 6.10 – Тракт передачи транспортной сети SDH
Тракт передачи работает в диапазоне оптических длин волн
1260…1360 нм (2-е окно прозрачности) с длиной трассы до 40
км или 1500…1580 нм (3-е окно прозрачности) с длиной трассы
80 км без регенераторов сигнала. На основании схемы на
рис.6.10 можно создавать сети с различной топологией «кольцо», «цепочка», «точка–точка». Оборудование доступа пользователей состоит из оборудования сети доступа с поддержкой
трактов E1, E2, E3. Это оборудование включается в оборудование STM–1, чтобы инкапсулировать тракты E1, E2, E3 в модуль
115
6. Архитектура и процессы функционирования вычислительных сетей
и телекоммуникаций
STM–1. Здесь же производится обратная процедура – выделение
трактов E1, E2, E3 из высокоскоростного модуля STM–1.
Достоинствами технологии SDH является сравнительно
простая технология мультиплексирования и демультиплексирования, доступ к низкоскоростным трактам, наличие механизмов
резервирования при отказе каналов связи. Недостатком является
неэффективное использование пропускной способности каналов
связи за счет заголовков кадров, неспособность динамически
выделять полосу пропускания под различные приложения, отсутствие механизмов приоретизации трафика.
Для увеличения скорости передачи сейчас применяется оптическое мультиплексирование с разделением по длинам волн
WDM. Здесь m потоков данных, переносимых на своей оптической несущей с длиной волны λm и разнесенных в пространстве,
с помощью оптических мультиплексоров ОМ, объединяются в
один оптический поток λ1….λm, после чего этот поток вводится
для передачи в одно оптическое волокно. На приемной стороне
производится обратная операция демультиплексирования с помощью оптического демультиплексора, ОД. Примерный тракт
передачи WDM представлен на рис. 6.11.
Рис. 6.11 – Тракт передачи транспортной сети WDM
Многоволновые системы передачи работают в диапазоне
длин волн 1530…1565 нм (3-е окно прозрачности), стандарт со-
116
6. Архитектура и процессы функционирования вычислительных сетей
и телекоммуникаций
стоит из 41 длины волны, хотя на практике используется 39. В
последнее время установилась тенденция уменьшения частотного интервала между спектральными каналами до 100…12,5 ГГц
в – это технология плотного мультиплексирования с разделением по длинам волн, DWDM. Оборудование DWDM, рассчитано
на передачу до 32-х каналов и требует жесткой температурной
стабилизации элементов с точностью не хуже ± 1°С для поддержки стабильности несущих частот, что повышает их стоимость.
Основой асинхронного режима переноса ATM является быстрая коммутация пакетов с минимальным количеством функций, выполняемых узлами ATM. Информация всех типов разбивается на пакеты малой фиксированной длины (53 байта, из них
– 5 байт заголовок), названные ячейками (cell) и асинхронно
мультиплексируется в едином цифровом тракте. Поскольку
ячейки имеет малую длину, по одному тракту одновременно
может передаваться несколько потоков данных, их ячейки будут
вставляться друг за другом, обеспечивая каждому потоку необходимую скорость. Ячейки, в зависимости от принадлежности к
различным видам служб, в ATM имеют разный приоритет с точки зрения времени доставки. Как правило, ячейки с высшим
приоритетом передаются в канал в первую очередь, обеспечивая
постоянное время доставки.
В сети ATM поддерживаются виртуальные пути и тракты.
Определено 5 служб передачи, в том числе служба передачи с
постоянной битовой скоростью CBR (Constant Bit Rate; служба
передачи с переменной скоростью в реальном времени rtVBR
(RealTime Variable Bit Rate) для трафика с переменной битовой
скоростью, требующего соблюдения средней скорости и синхронизации источника и приемника; передача со средней скоростью ABR (Average Bitrate) – услуги для трафика с переменной битовой скоростью с некоторой минимальной скорости пе-
117
6. Архитектура и процессы функционирования вычислительных сетей
и телекоммуникаций
редачи данных и не требующего синхронизации источника и
приемника.
Технология ATM эффективна в случае, когда основной задачей сети оператора является передача мультимедийного трафика реального времени с обеспечением качества. Недостатками
технологии АТМ являются сложность настройки и обслуживания оборудования; довольно высокий процент служебной информации, загружающие канал связи в случае частой передачи
небольших объемов трафика.
Технология многопротокольной коммутации на основе меток MPLS использует принцип установок меток для IP–пакетов.
Метка – короткий идентификатор фиксированной длины, который определяет класс сетевого уровня FEC (Forwarding
Equivalence Class). Метка передается в составе любого пакета,
причем способ ее привязки к пакету зависит от используемой
технологии канального уровня. По значению метки IP–пакета
определяется его принадлежность к определенному классу на
каждом из участков маршрута передачи. Значение метки уникально лишь для участка пути между соседними узлами сети
MPLS, которые называются также маршрутизаторами, коммутирующими по меткам LSR (Label Switching Router). Маршрутизатор LSR получает топологическую информацию о сети и
поддерживает алгоритма маршрутизации. LSR взаимодействует
с соседними маршрутизаторами, распределяя метки, которые в
дальнейшем будут применяться для коммутации. Обмен метками может производиться с помощью специального протокола
распределения меток LDP (Label Distribution Protocol). Распределение меток между LSR приводит к установлению внутри домена MPLS путей с коммутацией по меткам (Label Switching
Path, LSP). Маршруты по меткам можно построить таким образом, чтобы, например, минимизировать число транзитных узлов,
обеспечить определенную полосу пропускания или обойти потенциальные точки перегрузки. Главная особенность MPLS —
118
6. Архитектура и процессы функционирования вычислительных сетей
и телекоммуникаций
отделение процесса коммутации пакета от анализа IP-адресов в
его заголовке, что открывает ряд привлекательных возможностей для обеспечения QoS и приоретизации IP–трафика.
Выводы по разделу
Транспортные сети телекоммуникаций в настоящее время
повсеместно строятся с использованием волоконно–оптических
линий связи, поскольку требуемая скорость передачи составляет
десятки гигабит в секунду. Особенностью современных транспортных сетей также является наличие встроенных механизмов
обеспечения качества передачи кадров (пакетов), что особенно
выражено в сетях ATM и в сетях MPLS.
Теоретические вопросы
1. В чем преимущество технологии SDH?
2. Чем отличается технология SDH от технологии WDM?
3. Что такое ячейка ATM?
4. Для чего в технологии MPLS применяются метки?
5. В чем разница между IP–маршрутизатором и маршрутизатором LSR?
119
7. Физические основы вычислительной техники и средств передачи
информации
7. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ
ТЕХНИКИ И СРЕДСТВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ
В главе 7 рассматриваются физические основы функционирования компьютерных средств [12]. В разделе 7.1 рассматриваются физические основы компьютерной техники, процессы
функционирования вентилей и элементов памяти. В разделе 7.2
рассматриваются способы кодирования информации при передаче.
7.1 Физические основы вычислительной техники
Цель изучения раздела
Целью изучения раздела является ознакомление с физическими основами элементов, на основании которых строятся вычислительные и логические компоненты, запоминающие устройства компьютерной техники.
Содержательная часть
Для выполнения вычислительных и логических операций
компьютерная техника использует логические элементы (вентили) – это схемы, которые реализует элементарную функцию
алгебры логики. Обычно у вентилей бывает от двух до восьми
входов, один или два выхода. Чтобы представить в вентилях два
логических состояния – «1» и «0», соответствующие им входные и выходные сигналы имеют один из двух уровней напряжения, к примеру +5В «истина» (true) и 0В «ложь» (false). Логические элементы можно описать как функцию электрической схемы F(R), функцию таблицы истинности F(T), функцию формулы
F(Ф) и функцию диаграммы F(ε), как это предложено М.Е.и Е.И.
Глинкиными на рис. 7.1.
Как показано на рис. 7.1., логические функции ИЛИ, И, НЕ
можно реализовать с помощью параллельного, последовательного или смешанного соединения электрических проводников.
120
7. Физические основы вычислительной техники и средств передачи
информации
Рис. 7.1 – Способы описания основных логических
элементов (вентилей)
Для функций F двух переменных { a , b} физическим состояниям «включено» и «выключено» сопоставляют логическую
121
7. Физические основы вычислительной техники и средств передачи
информации
«1» и «0» соответственно. При выключенных ключах { a , b } =
{уровень 0, уровень 0} через резистор ток от единичного источника Е не течет, на выходах схем ИЛИ и И в исходном состоянии присутствует нулевой потенциал «земли», что соответствует логическому нулю: F1 = 0 и F& = 0.
На выходе F1 = 1, если включить ИЛИa, ИЛИb ключи, что
обусловлено параллельным электрическим соединением, организующим элемент ИЛИ (дизъюнктор). Инверсно логическому
сложению на выходе F& конъюнктора (элемента И) появится
потенциал Е тогда и только тогда, если замкнуть ключи И a , Иb
за счет их последовательного соединения, формирующего элемент И.
Дизъюнктор и конъюнктор реализуются в микроэлектронике на диодах и транзисторах при параллельном и последовательном соединении повторителей тока или напряжения. В отличие от них, инвертор «3 НЕ» можно синтезировать с помощью транзистора по схеме с общим эмиттером (истоком), преобразующей входной сигнал a на выходе F со сдвигом по фазе
на 180° или изменением входного потенциала инверсно на противоположный.
При низком потенциале на базе транзистор переход n-p-n
закрыт, имеет бесконечно высокое сопротивление, а на коллекторе присутствует потенциал.
Каждый логический элемент имеет свое условное обозначение, которое выражает его логическую функцию, но не указывает на то, какая именно электронная схема в нем реализована.
По стандартам схемотехники вентилям соответствуют
структурные схемы (см. таблицу 7.1).
Обозначения условных графических элементов для элементов цифровой техники можно найти в ГОСТ 2.743–91.
122
7. Физические основы вычислительной техники и средств передачи
информации
Таблица 7.1. – Типы логических функций, обозначения вентилей и таблицы истинности
Тип
функции
Символ логического
элемента (вентиля)
Таблица истинности
a
0
0
1
1
AND,
«И»
a
0
0
1
1
OR,
«ИЛИ»
b
0
1
0
1
b
0
1
0
1
a AND b
0
0
0
1
a OR b
0
1
1
1
NOT a
1
0
b
0
1
0
1
b
0
1
0
1
a NAND b
1
1
1
0
a NOR b
1
0
0
0
a
0
1
NOT,
«НЕТ»
a
NAND,
«НЕ–И»
(И–НЕ)
0
0
1
1
NOR,
«НЕ–
ИЛИ»
(ИЛИНЕ)
a
0
0
1
1
123
7. Физические основы вычислительной техники и средств передачи
информации
Регистр или триггер — это электронная схема, широко
применяемая в регистрах компьютера для запоминания одного
разряда двоичного кода. Триггер имеет два устойчивых состояния, одно из которых соответствует «1», а другое – «0». Для
обозначения этой схемы в английском языке чаще употребляется термин flip-flop.
Запоминающие устройства (ЗУ) ЭВМ – это совокупность
аппаратных средств, предназначенных для хранения информации с возможностью записи или считывания. Основой любого
типа ЗУ является запоминающий элемент (ЗЭ), который имеет
два устойчивых состояния, соответствующих «0» или «1».
Запоминающие устройства делятся на статические, динамические и постоянные. «Статический» означает, что содержимое ЗЭ сохраняется при снижении напряжения электропитания
МПр до малых значений, обычно около 1В, что позволяет сохранить в этом режиме данные. В статических ЗУ, SRAM (Static
Random Access Memory) в качестве элемента памяти используется триггер, что сложнее, чем конденсатор с транзисторным
ключом, используемый в динамическом ЗУ, т.к. применяется
6...8 транзисторных элементов. Статическая память имеет наибольшее быстродействие 0,8 … 2 нс, но ячейка памяти занимает
достаточно большую площадь на кристалле микропроцессора;
используется в кэш-памяти.
Статическая память на комплементарной логике на транзисторах металл–окисел–полупроводник, КМОП (CMOS) применяется для хранения конфигурационной информации компьютера и программы начального запуска при выключенном напряжении сети (в этой же микросхеме размещают и часы, отсчитывающие реальное время), но с подпиткой от маломощной батарейки. Время доступа к информации на КМОП составляет 100
нс.
В динамической памяти при записи логической «1» в ячейку
ЗУ конденсатор заряжается, при записи «0» условный конденсатор разряжается. При считывании конденсатор разряжается че-
124
7. Физические основы вычислительной техники и средств передачи
информации
рез соответствующую схему считывания и, если заряд был ненулевым, на выходе ЗУ появляется значение, соответствующее
единичному. При отсутствии обращения к ЗУ за счет высоких
токов утечки, конденсатор разряжается и информация теряется
за нескольких десятков миллисекунд. Потому периодически
происходит восстановления зарядов емкостей конденсаторов c
помощью сигнала ложной записи с помощью процедуры регенерации (refresh) динамической памяти. Для реализации ячейки
памяти используется только один транзистор, время доступа к
данным составляет 6…12 нс. Благодаря простоте такие ячейки
ЗУ получается самую дешевую полупроводниковую память достаточно высокого быстродействия, используемая в оперативной
памяти компьютера.
В ЭВМ также применяют электрически стираемые постоянные
перепрограммируемые
запоминающие
устройства,
ЭСППЗУ, в том числе в виде т.н. флэш (flash)–памяти (см. рис.
7.2).
Рис. 7.2 – Общая схема ячейки флэш-памяти ЭСППЗУ
Ячейка ЗУ флэш-памяти состоит из одного униполярного
(полевого) транзистора. В электрически изолированной области
находятся два затвора — управляющий, осуществляющий выбор строки матрицы ЗУ (выбор затвора), и плавающий затвор.
125
7. Физические основы вычислительной техники и средств передачи
информации
На подложке расположены исток и сток. Слой диоксида, отделяющий сток от плавающего затвора, имеет толщину около 10
нм. Наличие или отсутствие заряда на плавающем затворе определяет характер информации, хранящейся в ячейке ЗУ. Распознавание состояния плавающего затвора происходит с помощью
измерения порогового напряжения транзистора и интерпретируется как логический «0» или логическая «1».
При записи ЭСППЗУ на узел «Выбор затвора» подают положительное напряжения, превышающего критическое значение
(от 3 до 30 В). Если на плавающий затвор надо ввести заряд (логическая «1»), то на стоке устанавливается нулевое напряжение.
Происходит туннелирование электронов на плавающий затвор.
При записи «0» на стоке устанавливают такое же напряжение,
как и на ««Выборе затвора». Для стирания требуется удалить
заряд на плавающем затворе. Для этого на «Выбор затвора» подают нулевое напряжение, а на сток – высокое напряжение. В
результате электроны совершают переход из плавающего затвора на сток. Время чтения информации из ЭСППЗУ составляет до
30 нс, потребляемая мощность – до 100 мВт, емкость – свыше 1
Мбит. Количество циклов записи–чтения составляет не менее 1
миллиона или 7…8 лет интенсивного использования.
Выводы по разделу
Вычислительные и логические компоненты ЭВМ строятся
на элементарных схемах (вентилях), имеющих, как правило, два
состояния, соответствующие результатам вычислений в виде
логической единицы и логического нуля. Элементы запоминающих устройств также имеют два состояния и могут их сохранять ограниченное или продолжительное время.
Теоретические вопросы
1. Что такое «вентиль»?
2. С помощью какой электронной схемы можно синтезировать инвертор?
126
7. Физические основы вычислительной техники и средств передачи
информации
3. Что такое ячейка запоминающего устройства?
4. Для чего в составе ЭСППЗУ применяется плавающий
затвор?
7.2
Физические основы средств передачи
информации
Цель изучения раздела
Целью изучения раздела является ознакомление с физическими основами передачи информации по сетям связи с использованием процедур дискретизации, квантования и кодирования/декодирования. Рассматриваются примеры кодеров, способы мультиплексирования сигналов.
Содержательная часть
Для передачи по каналам связи требуется преобразовать
информацию из непрерывного или дискретного сигнала в линейные физические сигналы c помощью модуляции и кодирования. При использовании для модуляции аналогового сигнала в
качестве изменяемых параметров рассматривается изменение
амплитуды, частоты или фазы синусоидального сигнала несущей частоты (см. рис 7.3).
Рис. 7.3 – Аналоговая модуляция дискретного сигнала
127
7. Физические основы вычислительной техники и средств передачи
информации
Исходным дискретным сигналам сопоставляются характеристики несущей так, чтобы можно было различать логический
«0» и «1». При частотной модуляции значения «0» и «1» исходных данных передаются синусоидами с различной частотой – f0
и f1. При фазовой модуляции значениям данных «0» и «1» соответствуют сигналы одинаковой частоты, но с различной фазой,
например 0 и 180 градусов или 0, 90, 180 и 270 градусов.
В случае использования дискретного сигнала для модуляции
самой распространенной является импульсно–кодовая модуляция, ИКМ или РСМ. Исходный аналоговый сигнал кодируется
сериями импульсов, представляющими собой цифровые коды
амплитуд в точках отсчета аналогового сигнала. На рис. 7.4 показано, как исходный сигнал подвергается процессу дискретизации по времени в соответствии с теоремой Котельникова (Найквиста–Шеннона).
Рис. 7.4 – Дискретизация и квантование аналогового
сигнала в ИКМ
128
7. Физические основы вычислительной техники и средств передачи
информации
Если исходный аналоговый сигнал x(t) имеет ограниченный
спектр, то этот сигнал может быть восстановлен по своим дискретным отсчетам, взятым с частотой, более удвоенной максимальной частоты спектра Fmax, где Fmax – верхняя частота спектра исходного аналогового сигнала:
f ДИСКР ≥ 2 × Fmax .
Из этого следует, что период дискретизации T ДИСКР аналогового сигнала, т.е. периоды времени, через которые формируются дискретные отсчеты, рассчитывается по формуле:
TДИСКР ≤
1
.
2 Fmax
Поскольку ИКМ первоначально разрабатывалась для передачи речи с диапазоном частот от 0,3 до 3,4 КГц по цифровым
телефонным каналам, то частота дискретизации должна быть
больше, чем 6,8 КГц и окончательно принята в 8 КГц. Таким
образом, амплитуда сигнала фиксируется 8000 раз в секунду, то
есть каждые 125 мкс. В результате получаются т.н. единичные
отсчеты сигнала – отсчеты сигнал для квантования.
Квантование по уровню следует за дискретизацией и предусматривает разбиение диапазона значений амплитуд отсчетов
сигналов на конечное число интервалов равной или неравной
длины по оси ординат (по вертикали). Длина такого интервала
называется шагом квантования ∆, соответственно, через шаг ∆
следуют уровни квантования. Каждому уровню квантования сопоставляется двоичный код, с помощью которого значение амплитуды квантованного сигнала выражается в битах. Чем длиннее код в битах, тем больше уровней квантования. Например,
для 8 бит в ИКМ количество возможных уровней квантования
соответствует 256. Тогда шаг квантования ∆ можно рассчитать
по формуле:
∆=
U max − U min
, где
2n
129
7. Физические основы вычислительной техники и средств передачи
информации
Umax – максимальный уровень напряжения сигнала;
Umin – минимальный уровень напряжения сигнала;
n – число разрядов для кодирования уровней сигнала.
Под кодированием в широком смысле подразумевается
представление сообщений в форме, удобной для передачи по
каналу связи. Обратная операция – операция восстановления
сообщения по принятому сигналу называется декодированием.
При кодировании исходному сообщению пользователя (букве,
звуку) сопоставляется некий условный символ/сигнал. Классический пример – азбука Морзе. Это сопоставление производит
кодер источника информации. Кодер источника имеет целью
обеспечить такое кодирование, при котором путем устранения
избыточности существенно снижается среднее число символов,
требующихся для представления одного элемента исходного
сообщения.
В цифровых средствах обработки и информации для передачи данных используется двоичный код, когда логическим «1» и
«0» соответствуют дискретные электрические сигналы. При выборе способа кодирования нужно одновременно:
• фиксировать/минимизировать ширину спектра сигнала
(ширина полосы пропускания), полученного в результате
кодирования;
• обеспечить синхронизацию между передатчиком и приемником;
• обеспечить устойчивость к шумам;
• обнаруживать и, по возможности, исправлять битовые
ошибки;
• минимизировать мощность передатчика.
При данной ширине полосы сигнала и количестве уровней
сигнала можно добиваться различных скоростей передачи данных. Для двухуровневого (дискретного сигнала) при ширине
полосы 4 МГц скорость передачи может быть равна 2 Мбит/с,
при частоте передатчика 1 МГц или 4 Мбит/с при частоте передатчика 2 МГц.
130
7. Физические основы вычислительной техники и средств передачи
информации
Синхронизация передатчика и приемника нужна для того,
чтобы приемник считывал информацию из канала связи в требуемый момент времени, не раньше и не позже. Иногда в сетях
связи на больших расстояниях тактовый импульс может поступить позже или раньше соответствующего сигнала данных; в
результате бит данных будет пропущен или считан повторно.
Поэтому разработаны самосинхронизирующиеся коды, сигналы
которых несут для приемника сообщение о том, в какой момент
времени нужно осуществлять распознавание очередного бита.
Любой резкий перепад сигнала – так называемый фронт – может
служить указанием для синхронизации приемника с передатчиком.
Метод потенциального кодирования, называемый также
кодированием без возвращения к нулю NRZ (Non Return to Zero)
– при передаче последовательности единиц сигнал не возвращается к нулю в течение такта. Достоинства метода NRZ – это простота реализации и хорошая распознаваемость ошибок поскольку есть два существенно отличающихся потенциала. Недостаток
в том, что код не обладает свойством самосинхронизации (см.
рис. 7.5).
Рис. 7.5 – Кодирование NRZ и манчестерский код
В манчестерском коде для кодирования «1» и «0» используется фронт импульса. Каждый такт делится на две части. Информация кодируется фронтом (перепадами потенциала), происходящими в середине каждого такта. «1» кодируется перепадом от низкого уровня сигнала к высокому, а «0» кодируется
131
7. Физические основы вычислительной техники и средств передачи
информации
обратным перепадом. В начале каждого такта может происходить служебный перепад сигнала, если нужно представить несколько единиц или нулей подряд. Так как сигнал изменяется,
по крайней мере, один раз за такт передачи одного бита данных,
то манчестерский код обладает хорошими свойствами самосинхронизации. Недостаток в том, что полоса пропускания манчестерского кода меньше, чем у биполярного импульсного кода.
Метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией AMI (Alternate Mark Inversion) или HDB3 на рис. 7.6. использует три уровня потенциала – отрицательный, нулевой и
положительный. Для кодирования логического «0» используется
нулевой потенциал, а логическая «1» кодируется либо положительным потенциалом, либо отрицательным, при этом потенциал каждой новой «1» противоположен потенциалу предыдущей.
Рис. 7.6 – Кодирование AMI (HDB3)
Достоинство – код лучше чем NRZ, но опасны длинные последовательности «0» – сигнал вырождается в постоянный потенциал нулевой амплитуды. Недостаток кода – дополнительный уровень требует увеличения мощности передатчика. Биполярный импульсный код отличается от AMI(HDB3) тем, что «1»
представляется импульсом одной полярности, а «0» – другой
Каждый импульс длится половину такта. Подобный код обладает свойством самосинхронизации, но при передаче длинной последовательности единиц или нулей появляется постоянная составляющая.
Потенциальный код с четырьмя уровнями сигнала для кодирования данных, 2B1Q отличается тем, что каждые два бита
132
7. Физические основы вычислительной техники и средств передачи
информации
(2В) передаются за один такт (1) сигналом, имеющим четыре
состояния (Q, Quadra). Паре битов «00» соответствует потенциал -2,5В, паре «01» — потенциал –0,833 В, паре «11» – потенциал +0,833В, а паре «10» — потенциал +2,5В.
Рис. 7.7 – Общая схема кодирования 2B1Q
Здесь требуются дополнительные меры по борьбе с длинными последовательностями одинаковых пар бит, так как при
этом сигнал превращается в постоянную составляющую. При
случайном чередовании битов спектр сигнала в два раза уже,
чем у кода NRZ, так как при той же битовой скорости длительность такта увеличивается в два раза. Таким образом, с помощью кода 2B1Q можно по одному и тому же каналу связи передавать данные в два раза быстрее, чем с помощью кода AMI или
NRZI. Преобразование на рис. 7.7 может осуществляться с помощью шифратора, CD (coder) – устройства, которое преобразует сигнал на одном из своих входов в n–разрядное двоичное
число на выходе.
Для снижения вероятности формирования длинных последовательностей из «0» или «1» применяют скремблирование –
процесс, состоящий из преобразования исходного двоичного
кода по заданному алгоритму, позволяющему исключить длинные последовательности «1» или «0». Технические или программные средства, реализующие заданный алгоритм, называ-
133
7. Физические основы вычислительной техники и средств передачи
информации
ются скремблерами. На приёмной стороне дескремблер восстанавливает исходный двоичный код.
Кодированные дискретные и сигналы передаются в каналы
передачи, где требуется использовать одну и ту же физическую
среду (кабель связи, радиоэфир) для одновременной передачи
сигналов из различных источников. я использования такой среды применяется мультиплексирование и демультиплексирование.
При мультиплексировании из нескольких низкоскоростных
трактов (каналов) образуется высокоскоростной агрегированный тракт (канал). Демультиплексирование представляет собой
обратный процесс, то есть разделения суммарного агрегированного тракта (канала) на несколько низкоскоростных трактов (каналогв). Мультиплексирование со вставкой–удалением (AddDrop Multiplexing) – cпособ преобразования высокоскоростного
канала на его более низкоскоростные компоненты таким образом, чтобы была возможность добавить/удалить дополнительные низкоскоростные каналы. Одним из основных способов
мультиплексирования потоков является мультиплексированием
с временным разделением каналов, ВРК или TDM – см. рис.7.8
Рис. 7.8– Принцип действия мультиплексора с временным
разделением каналов (TDM)
Каналы c1…с8 в определенные периоды времени с заданной
наперед длительностью использует единую физическую среду
134
7. Физические основы вычислительной техники и средств передачи
информации
передачи для обмена информацией. Эти периоды времени циклически повторяются.
Существует также частотное разделение канала (см. рис.
7.9, который используется в процессе мультиплексирования с
частотным разделением каналов ЧРК или FDM (Frequency
Division Multiplexing).
Рис. 7.9 – Принцип действия мультиплексора с частотным
разделением каналов (FDM)
Здесь каждый тракт c1…с4 передает данные на определенной несущей частоте. Этот способ мультиплексирования чаще
всего используется при передаче информации в аналоговом виде.
Выводы по разделу
В телекоммуникациях и компьютерной технике для передачи сигналов через физическую среду распространения используют различные способы модуляции и кодирования сигналов.
Теоретической основой этих процессов является терема Котельникова.
Для формирования нескольких каналов через одну и ту же
среду распространения используют методы временного (TDM) и
частотного (FDM) мультиплексирования.
135
7. Физические основы вычислительной техники и средств передачи
информации
Теоретические вопросы
1. Чем отличается частотная модуляция от амплитудной
модуляции?
2. В чем заключается содержание процедуры квантования
по уровню?
3. Дайте определение понятию «кодирование».
4. В чем достоинства и недостатки манчестерского кода?
5. Что такое «мультиплексирование с временным разделением каналов»?
136
8. Архитектура и процессы функционирования микропроцессоров
8. АРХИТЕКТУРА И ПРОЦЕССЫ
ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРОВ
В главе 8 рассматриваются процессы функционирования и
архитектура современных микропроцессоров [2]. В разделе 8.1
рассматриваются процессы исполнения компьютерных программ. В разделе 8.2 изучаются основные аппаратные средства
на примере персональной ЭВМ и далее – системы команд RISC
и CISC. В разделе 8.4 рассматривается архитектура «процессор–
память». Наконец, в разделе 8.5 изучаются процессы ввода–
вывода и обмена с кэш-памятью современного микропроцессора.
8.1
Процессы выполнения программ с помощью
микропроцессора
Цель изучения раздела
Целью изучения раздела является изучение основных вычислительных операций, исполнение компьютерных программ
микропроцессором, МПр.
Содержательная часть раздела
Архитектура включает описание логических (программных), функциональных и физических компонент организации
МПр. Микропроцессор исполняет различные арифметические,
логические и иные операции по заданному алгоритму и строится
на основе логических схем. Арифметические операции – это
сложение, вычитание, умножение, деление, выполняемые в соответствии с правилами арифметики. Логические поразрядные
операции – это логические сложение, умножение, равнозначность, отрицание равнозначности — сравнение, выполняемые в
соответствии с правилами алгебры логики. Операции управления – передача управления, организация циклов, обращение к
внешним устройствам, пересылка данных, прерывание основной
137
8. Архитектура и процессы функционирования микропроцессоров
программы, изменение режима работы устройств (пуск, останов,
чтение, запись).
Программа для ЭВМ, которую выполняет МПр, для удобства разработчика–программиста сначала пишется на языке программирования высокого уровня, а затем преобразуется в машинный язык.
Языки программирования высокого уровня (BASIC, Pascal,
ADA) – машинно-независимые языки, которые используют понятия и структуры, удобные для восприятия человеком. «Высокий уровень» означает, что используются интуитивно понятные
операторы IF(ЕСЛИ), THEN(ТОГДА), GO TO (ПЕРЕХОД К).
Языки программирования низкого уровня, машиноориентированные языки – это языки программирования, предназначенные для представления программ в форме, позволяющей выполнять ее непосредственно аппаратными средствами
МПр (см. рис. 8.1).
Рис. 8.1– Общая структура исполнения программ МПр
Для облегчения формы записи команд вместо бинарного
кода используют символьные обозначения команд, что характерно, например, для языка ассемблера. Примером удачного
138
8. Архитектура и процессы функционирования микропроцессоров
компромисса между языками высокого и низкого уровня является универсальный язык Си.
МПр способен непосредственно исполнять машинные команды. Машинная команда – оператор языка программирования, выполняемый непосредственно аппаратными средствами
микропроцессора (машинный код) в виде двоичного (бинарного) кода. Этот код в виде физических сигналов высокого и низкого уровня поступает на физические компоненты МПр и приводит к срабатыванию МПр и исполнению им требуемой операции. Машинная команда, в свою очередь, исполняется в составе
микропрограммы – последовательности микрокоманд, соответствующая исполнению машинной команды для осуществления
требуемой операции обработки данных.
Микрокоманда (инструкция МПр) – это команда управления логическими схемами МПр для обеспечения выполнение
микрооперации: выборка команды из памяти или регистра, расшифровка полей команды, выборка (чтение) необходимых операндов, выполнение команды, сохранение результатов в регистр
или в память. Микрокоманда может содержать три части: оперативную, в которой указываются управляющие входы всех исполнительных устройств или логических схем; адресную, определяющую адрес следующей микрокоманды с учётом условий
логических переходов (передач управления); временную, определяющую время выполнения микрокоманды. Исполнение операции, предписанной машинной командой обеспечивается исполнением микрооперации.
Микрооперация – это элементарное действие по обработке
или передаче данных. например считывание содержимого регистра, сдвиг содержимого регистра на один разряд влево или
вправо, запись суммы данных в регистр результата, установка
регистра или счетчика в требуемое исходное состояние, прибавление или вычитание единицы к содержимому регистра.
При выполнении микрооперации для организации срабатывания
логических схем МПр формируется набор управляющих сигна-
139
8. Архитектура и процессы функционирования микропроцессоров
лов; код набора таких сигналов как уже отмечалось, соответствует микрокоманде.
После поступления сигналов логические схемы МПр изменяют своё состояние и выполняют требуемые операции. Каждый микропроцессор поддерживает встроенную систему машинных команд, которые хранятся в постоянном запоминающем устройстве.
Выполнение машинной команды предусматривает исполнение совокупности (набора) доступных микроопераций над данными, выполняемых аппаратными средствами МПр. Описанная
схема соответствует микропрограммному управлению, также
именуемому управлением с хранимой/гибкой логикой управления.
Если последовательность исполнения операций задаётся набором микросхем, вырабатывающих определенные функциональнее сигналы для выполнения микроопераций, то это управление с жёсткой логикой.
Выводы по разделу
Современные МПр выполняют арифметические, логические
операции и операции управления внешними устройствами. Для
обработки данных используется микропрограммы, микрокоманды. Программы для ЭВМ, которые написаны на языках программирования высокого или низкого уровня для исполнения на
микропроцессоре должны быть транслированы в машине коды.
Теоретические вопросы
1. Какие операции исполняет современный микропроцессор?
2. Какие операции относятся к логическим?
3. Для чего нужны операции управления?
4. В чем разница между микропрограммой и микрокомандой?
140
8. Архитектура и процессы функционирования микропроцессоров
8.2
Основные аппаратные средства
микропроцессоров
Цель изучения раздела
Целью изучения раздела является изучение состава и архитектуры основных аппаратных средств микропроцессоров.
Содержательная часть раздела
Микропроцессор изготавливается из полупроводниковых
материалов, прежде всего из поликристаллического кремния в
виде одной или нескольких интегральных микросхем (integrated
circuit). Конструкция микросхемы, помимо полупроводникового
кристалла, с нанесенной на него схемой (в англоязычной терминологии – чип, chip), включает в себя корпус для размещения
кристалла с контактными выводами для монтажа и соединений.
Микропроцессор имеет высокое отношение суммы элементов интегральной микросхемы (транзисторов) к объему интегральной микросхемы. В сверхбольшой интегральной микросхеме, СБИС существует свыше 100 000 элементов на 1 см2
площади микросхемы. В состав аппаратных (физических) компонентов средства вычислительной техники кроме МПр могут
входить интегральные схемы запоминающих устройств, схемы,
реализующие функции обмена данными (ввод/вывод), схемы
генераторов тактовой частоты, сопроцессоры, контроллеры.
Микропроцессор состоит из различных функциональных
компонент, которые объединены в центральное процессорное
устройство, ЦПУ(CPU). Центральное процессорное устройство
выполняет вычислительные операции, которые непосредственно
выполняются арифметико-логическим устройством, АЛУ, входящим в состав ЦПУ. Операции управления компонентами ЦПУ
выполняются устройством управления. Общая схема вычислительного устройства соответствует схеме вычислительной машины, предложенной американским ученым фон Нейманом (см.
рис. 8.2.
141
8. Архитектура и процессы функционирования микропроцессоров
Условные обозначения:
– сигналы передачи данных и команд
– сигналы управления
Рис. 8.2– Общая схема вычислительной машины
Для генерации команд управления в состав ЦПУ входит
блок декодирования команд или устройство управления, которое преобразует машинные команды, загруженные в процессор
из физической памяти, в микрокоманды и далее – в функциональные/физические сигналы управления отдельными схемами.
Также ЦПУ поддерживает встроенную систему прерываний выполнения последовательности операций (инструкций), что позволяет изменять порядок выполнения машинных команд. При
создании вычислительной машины ЦПУ конструктивно дополняется физической оперативной памятью, устройствами ввода–вывода данных. Под вводом здесь понимается передача данных от внешнего, по отношению к ЦПУ, источника в физическую оперативную память. Под выводом понимается процесс
передачи данных от ЦПУ в физическую оперативную память и
далее к внешним устройствам–получателям. Рассмотрим подробнее обработку данных ЦПУ в процессе исполнения загружаемых программ.
Устройство управления ЦПУ считывает команды из физической оперативной памяти (оперативное запоминающее устройство, ОЗУ) и организует их исполнение в соответствии с алгоритмом компьютерной программы. Для этого устройство
142
8. Архитектура и процессы функционирования микропроцессоров
управления с учетом тактовых и цикловых временных интервалов работы микропроцессора осуществляет:
• выборку микрокоманды;
• интерпретацию команды с целью анализа формата, служебных признаков и вычисления адреса места нахождения данных для обработки;
• установление номенклатуры и временной последовательности всех функциональных управляющих сигналов;
• генерацию управляющих импульсов/сигналов и передачу их на управляющие шины, соединяющие компоненты МПр
для срабатывания вентилей;
• анализ результата операции и изменение своего состояния так, чтобы определить месторасположение (адрес) следующей команды.
Арифметико-логическое устройство выполняет операции
обработки данных на уровне схемной логики, для чего имеет в
своем составе сумматор, схемы базовых логических операций, а
также схемную логику, обеспечивающую перестройку с одной
операции на другую. В случае создания МПр в виде сборки из
нескольких интегральных схем, в едином корпусе можно размещать не только несколько АЛУ, но и устройства управления
(контроллеры) физической памятью, а также буферную память
небольшой ёмкости, автоматически используемую МПр для ускорения операций обмена информацией, служебные регистры
различного назначения.
Регистры процессора физически представляют собой совокупность последовательно расположенных ячеек ЗУ с возможностью одновременного чтения/записи/хранения данных во все
ячейки. Количество ячеек определяет длину (разрядность) регистра, зависит от типа микропроцессора и составляет 8, 16, 32,
64, 128 бит. В результате регистр может хранить данные определенной разрядности и типа. Данные регистра могут быть обработаны за 1…2 такта работы процессора, что относит регистры к устройствам хранения данных МПр с максимальным быстродействием.
143
8. Архитектура и процессы функционирования микропроцессоров
Общий вид современного микропроцессора в корпусе с
контактными выводами в виде штырьков или площадок представлен на рисунке 8.3.
Рис. 8.3 – Внешний вид современного микропроцессора
Каждый контактный вывод/площадка предназначены для
передачи данных или управления в виде электрического сигнала. Простейший прямоугольный корпус типа DIP (Dual Inline
Package) имеет два ряда контактов на длинных сторонах. Плоский корпус типа QFP (Quad Flat Package) имеет четыре ряда
контактов; корпус типа SPGA (Staggered Pin Grid Array) имеет
матрицу штырьковых выводов. В самом современном корпусе
типа LGA (Land Grid Array) штырьковые контакты заменены на
контактные площадки. МПр могут монтироваться в процессорных картриджах – корпус, включающий печатную плату с установленным на ней МПр и вспомогательными элементами, например SECC (Single Edge Contact Cartridge) – полностью закрытый картридж с теплоотводной пластиной, обеспечивающей
тепловой контакт между корпусом картриджа и процессором.
Корпуса МПр могут изготавливаться из пластика, керамики.
Физическая оперативная память – динамическое ЗУ, в
котором размещаются данные команды в ходе выполнения программ. Ячейкам физической памяти МПр присваивается уникальный адрес. Пространство памяти МПр может охватывать
несколько разнотипных запоминающих устройств. В процессе
работы с ЗУ выполняются операции записи, хранения, считыва-
144
8. Архитектура и процессы функционирования микропроцессоров
ния данных. Запись данных – процесс занесения информации в
ЗУ для хранения. Хранение информации – процесс поддержания данных в неизменном состоянии после их записи, обеспечивающий возможность последующего считывания данных в произвольный момент времени. Считывание (или чтение) – процесс преобразования физического состояния запоминающей
среды, отображающей хранимую информацию, в информационные сигналы стандартной формы. Физическая оперативная память конструктивно исполняется в виде модулей различной емкости и форм-факторов, отличающихся размерами и расположением контактов (см. рис 8.4).
Рис. 8.4 – Внешний вид
модуля оперативной памяти стандарта DDR
Физически считывание микрокоманды из
ячейки
запоминающего
устройства означает появление на выходах ЗУ определенного уровня сигнала (высокий или низкий
уровень). Соответственно,
формируется
двоичный
код команды, который поступает на входы МПр, где
рассматривается как функциональный сигнал управления. Некоторые типы современных МПр могут конструктивно объединять
на одном кристалле не только устройства управления внешней
физической памятью, но и саму физическую память, а также
устройства ввода/вывода. В результате появляется однокристальная микро–ЭВМ. Выделяют также микроконтроллер –
управляющее устройство, построенное на одной или нескольких
больших интегральных схемах, содержащее ЦПУ, запоминаю-
145
8. Архитектура и процессы функционирования микропроцессоров
щее устройство/память, устройства сопряжения с датчиками и
исполнительными механизмами и выполняющее функции контроля и управления периферийным оборудование. Программируемый контроллер содержит запоминающее устройство для
хранения ориентированных на пользователя инструкций. В частности, контроллер используется для выполнения логических
операций, операций упорядочивания, отсчёта времени, математических действий, управления через аналоговые или цифровые
входы и выходы различными устройствами или процессами.
Выводы по разделу
Современные микропроцессоры реализуются с помощью
многофункционального центрального процессорного устройства
ЦПУ, оперативной памяти и устройств ввода–вывода. ЦПУ состоит из регистров, устройства управления и арифметикологического устройства для непосредственного исполнения вычислительных операций. Упрощение архитектуры микропроцессора позволяет создавать микроконтроллеры и иные вычислительные устройства.
Теоретические вопросы
1. Из каких аппаратных компонент состоит микропроцессор?
2. Какие операции выполняет арифметико–логическое устройство АЛУ?
3. Для чего нужно устройство управления?
4. Чем процесс хранения данных отличается от процесса
считывания данных?
8.3 Системы команд RISC и CISC
Цель изучения раздела
Целью изучения раздела является изучение основных систем команд современных микропроцессоров для обработки
данных.
146
8. Архитектура и процессы функционирования микропроцессоров
Содержательная часть раздела
Набор команд машинного языка, которые может выполнять
МПр, точно соответствует тем операциям, которые выполняет
аппаратное обеспечение МПр с помощью микропрограмм. Загружаемая для исполнения в микропроцессор программа, использует микрокоманды для выполнения машинных команд,
заданных программным обеспечением. Значение каждой микрокоманды (инструкции) имеет для данного типа процессора
строго определенное значение. Микрокоманды процессора не
могут быть изменены загружаемым программным обеспечением. Структура любой машинной команды (на примере языка
программирования низкого уровня ассемблера), как правило,
делится на две части (два поля); длина поля в битах или разрядах, а также назначение поля определяет формат команды.
Формат машинной команды имеет вид на рис 8.5.
КОП
П
Операционная
часть
Операнды или адреса
операндов
Адресная часть
Рис. 8.5 – Общая
структура машинной
команды
Операционная часть
указывает, что надо
делать; для этого в ней содержится код операции. Адресная
часть указывает, над каким операндами следует проводить операцию. На рис.8.5 код операции, КОП – задает тип операции,
которая должна быть выполнена, признак модификации операции, П – указывает на модификацию операции. Например, в поле «П» может указываться размер и тип ожидаемого операнда.
Адрес в команде – часть машинной команды, которая указывает
на устройство или элемент данных, являющийся операндом. В
адресной части могут указываться следующие значения:
• А1, А2, А3 − абсолютные адреса ячеек физической памяти, причём А1 и А2 − адреса ячеек операндов, А3 −
адрес ячейки для записи результата.
147
8. Архитектура и процессы функционирования микропроцессоров
•
А4 − абсолютный адрес ячейки физической памяти с
машинным кодом следующей команды
• R1,R2 − номера регистров общего назначения, где находятся данные для обработки.
• B − значение базового адреса.
• D − смещение или сдвиг – число, на которое уменьшается или увеличивается B.
В некоторых случаях в адресную часть записываются сами
данные. Этот приём позволяет увеличить быстродействие системы, но снижает гибкость программы. Кроме того, поле имеет
ограниченную размерность, поэтому в «тело» команды могут
быть записаны данные ограниченной размерности и, следовательно, величины.
Исторически наибольшее распространение получил МПр со
сложной системой команд CISC с достаточно большим перечнем команд. Для этой системы команд основным являлся формат на рис. 8.6.
Адресная часть
КОП
R1
B2 (D2)
Рис. 8.6 – Общий формат
команды в системе CISC
На рис. 8.7 поле КОП содержит код арифметико-логической
операции осуществляемой процессором, первое поле адресной
части содержит номер регистра R1, где размещается первый
операнд, а второе поле адресной части содержит обращение в
память с базовым (начальным) адресом B2 и смещением (сдвигом) D2. Такой команде для выполнения требуется несколько
тактов, что вызвано в первую очередь необходимостью работы с
ОЗУ или кэш–памятью. Для системы CISC характерны, прежде
всего, большое количество способов адресации, включая специализированные способы индексации с помощью массивов;
достаточно существенно число команд обмена типа <память–
регистр>, <регистр–регистр>, <регистр–память>. Здесь используется рассмотренная выше микропрограммная реализация выполнения команд.
148
8. Архитектура и процессы функционирования микропроцессоров
Сокращенная система команд RISC определяет такой набор
микрокоманд, которые могли быть выполнены за один такт работы МПр. Число команд в такой системе меньше и, вследствие
их простоты, упрощается реализация ЦПУ. Сокращение числа
команд в RISC-системе достигается путем использования простых способов адресации и применением специальных команд
загрузки и запоминания при обмене между регистрами и физической памятью. В системе RISC в общем существует два формата одинаковой длины (32 бита), как это показано на рис. 8.7.
КОП
Чтение,
Чтение,
запись
Адресная часть
Ri
B 2(D 2 )
Рис. 8.7 а,б – Общие
форматы команд
в системе RISC
а) команда работы с памятью
Операции обработки данных проводятся только в реКод
R1
Ri
жиме пересылки данных «рекоманды
гистр–регистра», обращения к
б) команда работы с регистрами
ОЗУ для таких команд не
предусматривается (см. рис 8.7, а. Для работы с памятью используется другой формат (см. рис. 8.7 б). Формат на рис. 8.7 а
предназначен только для работы с АЛУ, регистр общего назначения Ri – является источником данных для обработки, результат вычислений можно поместить в поле Ri. Обработка данных
в RISC, в отличие от CISC, никогда по времени не совмещается
с операциями чтения–записи в память.
Если предположить, что имеется k инструкций (команд) для
работы с памятью и l инструкций (команд) для работы с АЛУ,
то система команд типа CISC должна содержать всего k × l команд с форматом, приведённым на рис. 8.6. При тех же условиях
система RISC с форматом на рис. 8.7 будет содержать k+l команд. Следовательно, отказ от системы команд CISC значительно сокращает список системы команд, хотя при выполнении
сложных операций выигрыш может быть незначительным. В
КОП
Адресная часть
149
8. Архитектура и процессы функционирования микропроцессоров
целом современные МПр стремятся гибко сочетать как CISCтак и RISC-решения.
С 2001 года для явно–параллельного выполнения программ
используется архитектура EPIC. С помощью специального
встроенного микропрограммного обеспечения МПр выполняется анализ программы на предмет команд, которые могут исполняться параллельно. Такие команды далее объединяются в пакеты команд – длинные командные слова, VLIW – длиной до 128
бит.
Выводы по разделу
Современные микропроцессоры реализуются с использованием двух основных систем команд RISC и CISC. Каждая из
этих систем имеет достоинства и недостатки, обусловленные
форматом команд и необходимым аппаратным обеспечением
для их исполнения.
Теоретические вопросы
1. Из каких полей состоит команда?
2. Есть ли функциональное различие полей КОП в системе
RISC и CISC?
3. Какая информация находится в адресной части команды?
4. В какой системе, RISC или CISC используется больше
команд для выполнения одинаковой вычислительной операции?
8.4
Виды архитектур и шины микропроцессоров
Цель изучения раздела
Целью изучения раздела является изучение видов архитектуры «процессор–память», ознакомление с достоинствами и
недостатками каждой архитектуры, составом и назначением
шин микропроцессоров, расположением компонентов на печатной плате вычислительной машины.
150
8. Архитектура и процессы функционирования микропроцессоров
Содержательная часть раздела
В 1946 году американский учёный фон Нейман (von
Neumann) предложил повсеместно использовать архитектуру
вычислительной машины и, в более узком смысле – архитектуру
процессора, в которых присутствовала общая память для хранения программ и данных. Архитектура фон Неймана была разработана на основе нескольких базовых принципов.
Принцип программного управления означал, что программа
для ЭВМ, которую обрабатывает ЦПУ, состоит из последовательности машинных команд, выбираемых из памяти с помощью счётчика команд. Счётчик (счетчик команд) – регистр,
значение которого либо автоматически увеличивается на единицу, либо его состояние меняется принудительно при выполнении команд условного или безусловного перехода.
Принцип однородности памяти означал, что программы и
данные хранятся в одной и той же памяти. Над кодами команд
можно выполнять те же действия, что и над кодами данных. В
процессе выполнения можно изменять последовательность выполнения отдельных частей программы, например организовывать циклы, переход к подпрограммам, возврат из подпрограмм.
Ещё одним принципом фон Неймана являлся принцип адресности, суть которого в том, что основная физическая память процессора должна состоять из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.
Каждая команда загружаемой в микропроцессор программы для
ЭВМ хранится в ячейке физической памяти с уникальным адресом. Архитектура фон Неймана с общей памятью представлена
на рис. 8.8.
Физическая
память
Данные и команды
Шина адреса
Шина данных
Центральное
процессорное
устройство
Рис. 8.8 – Архитектура процессора с общей памятью
151
8. Архитектура и процессы функционирования микропроцессоров
В архитектуре фон Неймана используются шины различного назначения. В общем шиной называется часть линий, сгруппированных по функциональному назначению. Шина данных
(data bus) — двунаправленная (дуплексная) шина, предназначена для передачи данных, закодированных двоичным кодом, между компонентами МПр, оперативной памятью и внешними
устройствами. Разрядность т.е. количество линий шины (8, 16,
20, 32 или 64 ) определяет скорость и эффективность информационного обмена возможное количество команд. Например, за
один цикл обмена по 64-разрядной шине может передаваться 8
байт информации, а по 8-разрядной — только один байт. Под
машинным циклом здесь и далее понимается время, в течении
которого производится выборка двух операндов из регистров,
выполнение операции в АЛУ и запоминание результатов в регистре. Машинный цикл выполняется в течении нескольких тактовых импульсов (тактов), поступающих от генератора тактовой
частоты МПр.
Шина адреса (address bus) предназначена для передачи кода адреса ячейки физической памяти. Разрядность шины адреса
(8, 16, 32, 64) определяет максимально возможное количество
адресов физических ячеек и, следовательно, максимально возможный размер хранимой программы и объем запоминаемых
данных. Количество адресов, обеспечиваемых шиной адреса,
определяется как 2N, где N — количество разрядов шины. Например, 16-ти разрядная шина адреса обеспечивает адресацию
(обращение) к 65 536 уникальным адресам ячеек физической
памяти. Шина адреса может быть однонаправленной или двунаправленной.
Шина управления обменом включает в себя линии синхронизации передачи информации.
Шина прерывания применяется для идентификации устройства, запрашивающего сеанс обмена информацией и необходимую для этого приостановку других процессов.
Архитектура фон Неймана является наиболее универсальной по способу применения и отличается гибкостью при ис-
152
8. Архитектура и процессы функционирования микропроцессоров
пользовании различных программных средств. Недостатком
можно считать некоторое снижение быстродействия для поиска
нужной ячейки в общей памяти данных и команд. Это обусловлено тем, что быстродействие ЦПУ в несколько раз больше быстродействия физической памяти. Кроме того, пропускная способность шин ограничена.
В качестве логического развития архитектуры фон Неймана
была предложена Гарвардская архитектура с разделяемой физической оперативной памятью, представленная на рис. 8.9.
Рис. 8.9– Гарвардская архитектура процессора с
разделяемой памятью
Основной особенностью гарвардской архитектуры является
использование раздельных физических областей памяти для
хранения команд и хранения данных. Память данных предназначена для приема, хранения и выдачи данных. Память команд
предназначена для приема, хранения и выдачи команд, объединенных в программу для ЭВМ.
Гарвардская архитектура применяется в специализированных ЭВМ и в ПЦОС для цифровой обработки сигналов. В этих
системах объем памяти данных, как правило, на порядок меньше требуемого объема памяти программ, потому что при цифровой обработке сигналов в данный момент времени требуется
рассмотреть только выборку т.е. группу цифровых отсчетов;
после обработки выборка обновляется.
С точки зрения управления вводом–выводом различают
внутренние шины и внешние шины. К внутренним шинам относится локальная шина/локальная шина памяти (QPI, FSB,
HyperTransport, VL-bus, первичная PCI-шина), которая подклю-
153
8. Архитектура и процессы функционирования микропроцессоров
чена к контактам МПр для соединения МПр с ОЗУ или с контроллером общей системной шины (мостом).
Другой пример – общая системная шина (вторичная PCIшина, PCI-Express) для соединения МПр с ограниченным числом высокоскоростных внешних устройств через мост/шлюз,
где в случае шины PCI-Express соединение осуществляется через коммутатор. Существуют внешние шины расширения, например ISA и EISA, которые соединяет общую системную шину
с относительно низкоскоростными внешними устройствами. К
внешним шинам относятся шины ввода/вывода для подключения внешних устройств с различными интерфейсами, такие как
SCSI, Serial ATA, Serial Attached SCSI (SAS), USB,
FireWire/IEEE 1394 (см. рис. 8.10).
Рис. 8.10 – Шины современной вычислительной машины
154
8. Архитектура и процессы функционирования микропроцессоров
В свою очередь шины ввода-вывода через специальное объединяющее устройство – мост – соединяются с общей системной шиной. Допускается, что при наличии, например, специальных адаптеров PCI, устройства могут подключаться к общей
системной шине непосредственно.
В современных МПр общая системная шина заменяется на
участке между контроллерами внутренним локальным соединением, например высокоскоростным соединение DMI между «северным» и «южным» мостом.
Одновременно «мосты» приобретают функции концентраторов (hub) для высокоскоростных подключений, что позволяет
осуществлять высокоскоростную передачу информации между
компонентами вычислительной машины без промежуточных
преобразований и переприемов.
Контроллер оперативной памяти (а также и контроллер видеоядра) в настоящее время непосредственно располагается на
кристалле МПр начиная с МПр типа Athlon 64 и далее для архитектуры Intel Nehalem Core i7.
Материнская или системная плата (system board) – печатная плата, которая осуществляет обмен данными и командами от одного устройства к другому. Является основой для
функционирования микропроцессора. Самая распространенная
плата формата PC–AT для настольных ПЭВМ показана на рис.
8.11.
На материнской (системной) плате осуществляется физическая установка (монтаж) аппаратного обеспечения сервера –
микропроцессор, микросхемы оперативной памяти, контроллеры дисков и других внешних устройств, видеоадаптеры.
Материнская плата содержит постоянное запоминающее
устройство (ПЗУ). Эта микросхема хранит базовую систему
ввода-вывода BIOS (Basic Input Output System) т.е. набор программ, обеспечивающий основные операции взаимодействия
всех подсистем компьютера – видеокарты, процессора, памяти,
диска и т.д.
155
8. Архитектура и процессы функционирования микропроцессоров
Рис. 8.11 – Расположение компонентов ПЭВМ на плате
формата PC-AT
Также BIOS проводит определение наличия компонент
ЭВМ, тестирует их работоспособность до запуска операционной
системы, а затем обеспечивает загрузку операционной системы.
По коннекторами/разъемами на плате понимаются физические
разъемы (стандартные интерфейсы) для кабельного подключения соответствующих внешних устройств к шинам вычислительной машины.
В целом все типы МПр характеризуются тремя основными
техническими характеристиками. Первой характеристикой явля-
156
8. Архитектура и процессы функционирования микропроцессоров
ется тактовая частота (clock rate) – частота синхронизирующих работу МПр «тактовых» импульсов, которые задаются генератором тактовой частоты. Эти импульсы регулируют выполнение циклов выборки и исполнения команд. Измеряется
тактовая частота в герцах, Гц и производных от этой единицы
кило–(103), мега–(106) и гигагерцах(109).
Производительность МПр (performance) – характеристика
МПр, которая выражается в количестве элементарных операций,
выполняемых в одну секунду и обозначаемая операций/секунду,
оп/с. Различают производительность для обработки данных с
фиксированной точкой (целые числа) и производительность для
обработки данных с плавающей точкой (повышенная точность
вычислений).
Третья базовая характеристика микропроцессора – разрядность т.е. количество бит информации, которое ЦПУ может
обработать с помощью одной команды за 1 такт. Разрядность
микропроцессора определяется разрядностью арифметикологического устройства, внутренних регистров данных и шины
данных. На сегодняшний день существуют 8-, 16-, 24-, 32- и 64разрядные микропроцессоры.
Выводы по разделу
Современные микропроцессоры поддерживают систему локальных и внешних шин для организации взаимодействия с
компонентами на материнской плате и с внешними устройствами ввода-вывода. Шины могут быть как последовательными,
так и параллельными, синхронными и асинхронными, имеют
различную разрядность и скорость передачи.
Теоретические вопросы
1. В чем достоинства гарвардской архитектуры микропроцессора?
2. В чем недостатки архитектуры процессора по фон Нейману?
3. Дайте определение понятию «шина».
4. Для чего нужны локальные шины?
157
8. Архитектура и процессы функционирования микропроцессоров
5. Какую функцию выполняет мост в составе микросхемного набора?
8.5
Процессы ввода–вывода и кэш–память
микропроцессора
При использовании МПр важно обеспечить высокую скорость обмена данными с внешними устройствами. Для этого
имеются программы–драйверы, которые управляют операциями ввода-вывода МПр для внешних устройств. Благодаря драйверам пользователь может не знать особенностей конструкции
внешних устройств, а просто использовать имеющиеся возможности взаимодействия. В ЭВМ можно применять 3 основных
режима ввода/вывода:
• программно-управляемый ввод–вывод, ВВ;
• ввод–вывод по прерываниям;
• режим прямого доступа к памяти DMA.
Программно-управляемый ВВ характеризуется тем, что инициирование и управление ВВ осуществляется программой, выполняемой микропроцессором. Внешние устройства играют
сравнительно пассивную роль и сигнализируют только о своем
состоянии, в частности, о готовности к операциям ввода/вывода.
Ввод–вывод по прерываниям инициируется по специальному сигналу прерывания, который генерируется аппаратной частью МПр, внешним устройством. Реагируя на этот сигнал,
МПр передает управление вводом–выводом драйверу устройства, сгенерировавшего прерывание. Режим прямого доступа к
памяти, DMA – метод обращения внешнего устройства к оперативной памяти компьютера без участия микропроцессора.
Метод DMA используется, когда мощности процессора для обработки запросов на прерывания недостаточно, в результате чего скорость обработки данных существенно замедляется. В результате применения DMA операция чтения – записи в память
производится самим внешним устройством (которое должно
158
8. Архитектура и процессы функционирования микропроцессоров
быть достаточно «интеллектуальным») или специальным контроллером DMA, как это показано на рис. 8.12.
Рис. 8.12 – Взаимодействие ЦПУ и контроллера DMA
Для выполнения прямого доступа к ОЗУ для чтения или записи данных, устройство ввода-вывода посылает сигналы запроса прерывания для DMA, DRQ (DMA Request), в сторону
контроллера DMA. Контроллер DMA формирует сигнал запроса
шины для DMA, называемый HRQ (Hold DMA Request) в сторону ЦПУ.
ЦПУ, получив сигнал HRQ, завершает текущий обмен и
временно отключается от общей системной шины, при этом
генерируется сигнал подтверждения занятия общей системной
шины, HDLA (Hold Acknowledge) в сторону контроллера DMA
и управление обменом передаётся этому контроллеру. Контроллер DMA выставляет сигнал подтверждения прямого доступа к
памяти DACK1…DACKN (DMA Acknowledge) в сторону внешнего устройства, что может рассматриваться как разрешение
начала обмена данными. Управление доступом к общей системной шине для операции ВВ передаётся внешнему устройству;
контроллер DMA формируют сигнал AEN (address enable), который получают по общей системной шине все остальные уст-
159
8. Архитектура и процессы функционирования микропроцессоров
ройства, которые тем самым извещаются о начале операции
прямого доступа к памяти.
Контроллер DMA с этого момента управляет обменом на
участке внешнее устройство – оперативная память. Как только
обмен заканчивается, контроллер DMA снимает запрос DRQ и
AEN; управление доступом к шине возвращается к ЦПУ. За
время DMA ЦПУ может выполнять другие задачи, что безусловно повышает производительность системы в целом.
Для увеличения скорости обмена между внешним устройством и оперативной памятью ЭВМ иногда используют специализированные процессоры (сопроцессоры) ввода/вывода. Процессор ввода-вывода берет на себя функции обработки прерываний
и контроля четности данных. Это позволяет ускорить выполнение программ на процессоре, более эффективно использовать
такие ресурсы как общую системную шину и оперативную память.
Другим способом увеличить производительность МПр является использование кэш–памяти. Кэш (cache) память является
буферной памятью МПр, расположена непосредственно на кристалле МПр и предназначенной для временного хранения данных, необходимых для текущих операций процессора.
Уровень кэш–памяти определяется конструктивно с помощью физического расстояния до центрального процессорного
устройства. Кэш 1-го уровня конструктивно ближе всех расположен к ЦПУ и имеет физическую ширину (разрядность), равную разрядности шине данных. Кэш 1-го уровня находится на
кристалле процессора и может рассматриваться как регистр
большой ёмкости. Кэш 2-го уровня находится на кристалле процессора и мультиплексирует данные системной шины и кэша
первого уровня. Кэш 3-го уровня, в зависимости от типа микропроцессора, может непосредственно подключаться к процессору, или располагаться на кристалле МПр. В целом иерархия памяти МПр c кэш-памятью L1, L2, L3 и ОЗУ представлена на рис.
8.13.
160
8. Архитектура и процессы функционирования микропроцессоров
Рис. 8.13 – Организация процессора с кэш–памятью
1-го, 2-го и 3-го уровня
Обычно содержимое кэш-памяти L1 целиком находится в
кэш-памяти L2; все содержимое L2 является частью содержимого кэш-памяти L3.
Разрядность кэша т.е. длина строки кэш-памяти составляет,
как правило, от 4 до 128 байт (максимум 1024 байт), ёмкость
кэш памяти составляет от 4 Кбайт до 16 Мбайт в зависимости от
уровня кэш-памяти и типа микропроцессора. Управляет кэшпамятью контроллер кэш-памяти. При необходимости считывания в МПр операнда, контроллер кэш-памяти ищет указанный
операнд сначала в кэш-памяти. Если операнд не найден, то формируется т.н. «кэш-промах» (missing cache) при операции чтения кэш-памяти. Тогда контроллер кэш-памяти считывает в
кэш-память из оперативной памяти физический блок данных,
т.е. содержимое нескольких физических ячеек памяти с последовательными адресами и требуемыми операндами. За счёт подключения непосредственно к ЦПУ, кэш−память имеет малое
время обращения, порядка десятков наносекунд.
Размер кэш–памяти ограничивается физическими размерами кристалла и характеристиками энергопотребления МПр. На-
161
8. Архитектура и процессы функционирования микропроцессоров
личие кэш–памяти и регистров обеспечивает следующие технические характеристики памяти МПр различного уровня:
• Регистр общего назначения, РОН имеет размер 64…256
байт. Задержка/ожидание обращения со стороны АЛУ к данным
РОН (латентность доступа) регистров составляет 1 такт работы
ЦПУ или около 5 нс в зависимости от типа МПр.
• Кэш 1-го уровня L1 имеет размер 16…32 кбайт, задержка обращения к данным L1 составляет 1 такт работы ЦПУ.
• Кэш 2-го уровня L2 имеет размер от 256 кбайт до 512
Кбайт, с изменением конструкции МПр – до 6 Мбайт, задержка
обращения к данным L2 составляет 3…20 тактов работы ЦПУ.
• Кэш 3-го уровня L3 имеет ёмкость до 24 Мбайт, например для МПр типа Itanium2 Tukwila (данные 2010 г.), а задержка
обращение к данным составляет не менее 30 тактов работы ЦПУ
(более 10 нс).
• Ёмкость ОЗУ составляет до 4 Гбайт на 1 микросхему
памяти, задержка обращение к данным составляет более 40 тактов работы ЦПУ (20…60 нс).
Выделяют два типа кэш памяти. Кэш-память с запоминанием новой информации одновременно в кэше и оперативной памяти (сквозное запоминание, write through). При этом в оперативной памяти всегда есть последняя копия информации, хранящейся в кэше. Однако в этом случае продолжительный по
времени цикл доступа к данным в ОЗУ снижает общую производительность вычислительной системы. Кэш-память с вытеснением (write back), когда запоминание результатов обработки
данных МПр производится только в кэш-памяти. Результаты
копируются в оперативную память только при передаче во
внешние устройства или при вытеснении информации из кэша в
случае загрузки новых данных или команд.
Выводы по разделу
Современные микропроцессоры поддерживают систему
прерываний для управления доступом к памяти и ЦПУ. Для ус-
162
8. Архитектура и процессы функционирования микропроцессоров
корения записи и чтения данных в процессе обработки микропроцессорам используется кэш–память.
Теоретические вопросы
1. Перечислите основные режимы управления вводомвыводом.
2. Для чего используется контроллер DMA?
3. В чем основное назначение процессоров ввода–вывода?
4. Чем отличаются уровни кэш-памяти?
5. В чем преимущества и недостатки сквозного запоминания информации в кэш–памяти?
163
9. Архитектура и процессы функционирования вычислительных
систем
9. АРХИТЕКТУРА И ПРОЦЕССЫ
ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ
СИСТЕМ
В главе 9 рассматривается ИТ–архитектура вычислительных
систем, общие системные свойства вычислительных систем и их
процессы функционирования [7,8,12,13,]. В разделе 9.1 рассматривается ИТ–архитектура и средства вычислительной техники.
В разделе 9.2 рассматриваются архитектуры вычислительных
систем с точки зрения обработки данных. В разделе 9.3. описаны процессы функционирования вычислительных систем.
9.1 Вычислительные системы в информационно–
технологической архитектуре
Цель изучения раздела
Целью изучения раздела является изучение состава ИТ–
архитектуры, роли и места вычислительных систем в ИТ–
архитектуре, классификацию и свойства вычислительной системы.
Содержательная часть
Информационно-технологическая (ИТ) архитектура (архитектура информационной системы) – концепция, определяющая модель, структуру, выполняемые функции и взаимосвязь
компонентов информационной системы, которые применяются
на предприятии, в учреждении, компании. ИТ–архитектура состоит из 8 технологических доменов (компонент) (см. рис. рис.
9.1). Под технологическим доменом понимается предметная
область, деятельность организации или компании, в которой
обеспечивается
функционирование
компонентов
ИТ–
архитектуры. Рассмотрим домены подробнее.
164
9. Архитектура и процессы функционирования вычислительных
систем
Рис.9.1 – Технологические домены ИТ–архитектуры
Домен «Телекоммуникационная инфраструктура» и домен
«Вычислительные системы» представляет собой совокупность
программно-аппаратных средств, являющихся техническим
обеспечением остальных доменов и составляют информационно–технологическую инфраструктуру, ИТ–инфраструктуру,
компании, предприятия, организации.
Домены «Управление», «Информационные ресурсы», «Система (системы) управления базами данных», «Программные
приложения» предназначены для поддержки бизнеса, операционной или технологической деятельности компании, предприятия, организации.
Домен «Средства интеграции» обеспечивает совместное
функционирование, «открытые» интерфейсы и стыки между
различными вычислительными системами, программными приложениями, базами данных и информационными ресурсами,
имея конечной целью поддержку распределённых вычислений,
совместное использование ресурсов, непротиворечивость и достоверность данных. которые поддерживаются ИТ–архитектуру.
Домен «Безопасность» обеспечивает сквозную поддержку информационной защищённости всех перечисленных доменов.
Вычислительные системы можно классифицировать по различным признакам:
165
9. Архитектура и процессы функционирования вычислительных
систем
• назначение вычислительной системы;
• система многомашинная, многопроцессорная, однопроцессорная;
• режим работы;
• методы управления компонентами вычислительной системы;
• способ соединения компонентов вычислительной системы;
• степень однородности вычислительной системы.
По назначению ВС делят на универсальные и специализированные. Универсальные ВС предназначены для решения различных задач, например обслуживание электронных магазинов,
интернет–банкинг, порталы в Интернете. Специализированные
системы ориентированы на решение узкого класса задач, например бортовые вычислительные системы самолетов, космических кораблей, военной техники.
Многомашинная ВС состоит из нескольких вычислительных машин (ЭВМ, серверов) взаимодействующих между собой
при обработке данных (см. раздел 9.2). Многопроцессорная ВС
состоит из нескольких микропроцессоров в рамках одной ЭВМ;
эти МПр взаимодействуют между собой при обработке данных
и зачастую используют общую оперативную память (см. раздел
9.3). Однопроцессорная ЭВМ использует единственный микропроцессор для решения всех вычислительных задач.
По режиму работы вычислительные системы разделяются
на вычислительные системы с режимом работы в реальном времени и вычислительные системы с режимом работы в отложенном времени. Примерами ВС реального времени являются ВС
управления ядреными электростанциями, самолетами, телекоммуникационным оборудованием. Режим работы в отложенном
времени предусматривает несоблюдение требований реального
времени. При этом должен сохраняться интерактивный режим
работы, когда в процессе обработки информации, человек может воздействовать на процесс в порядке, предусмотренном ме-
166
9. Архитектура и процессы функционирования вычислительных
систем
ханизмом управления конкретной ВС и вызывать (получать)
ответную реакцию процесса за разумное время.
С точки зрения методов управления компонентами ВС выделяется централизованное управление, децентрализованное
управление и смешанное управление. При централизованном
управлении вычислительные задания, ресурсы системы, запросы
могут распределяться специальной диспетчерской ЭВМ – арбитром процессов. В случае децентрализованного управления
каждая ЭВМ/сервер самостоятельно обрабатывают поступающие запросы. Смешанное управление означает, что элементы в
составе ВС могут целенаправленно изменять режим обработки
информации по определенным, заранее известным, правилам.
Элемент, изменивший свое состояние, информирует об этом
изменении центр управления – диспетчерскую ЭВМ.
По способам соединения элементов ВС можно выделить
непосредственное соединение кабелем между физическими портами по принципу «порт – порт», соединение с помощью высокоскоростной шины по стандарту Ethernet (от 100 Мбит/с) или
иного стандарта, соединение с помощью высокопроизводительного коммутатора или неблокирующей матрицы коммутации
(cross bar коммутатор), соединение по транспортной сети по высокоскоростным каналам SDH, DWDM.
По степени однородности выделяют однородные и неоднородные системы. Однородные системы предполагают использование однотипных ЭВМ (процессоров), в неоднородные ВС используются разнотипные ЭВМ или микропроцессоры.
В составе вычислительной системы должны присутствовать
избыточные компоненты (redundant components) – компоненты системы, которые способны заменять друг друга при необходимости (например, когда один из компонентов выходит из
строя) с тем, чтобы ВС могла продолжать исполнять свои функции. Подсистемы хранения данных, системы электропитания,
устройства охлаждения, устройствах управления часто создают-
167
9. Архитектура и процессы функционирования вычислительных
систем
ся с избыточностью. Cредства вычислительной техники в составе ВС включают следующие устройства:
• комплекс серверов или мейнфреймов для поддержки
функционирования информационных ресурсов и информационных систем;
• комплекс запоминающих устройств для долговременного и оперативного хранения информационных ресурсов и документированной информации с использованием накопителей на
жёстких магнитных дисках, накопителей на оптических дисках,
ленточных библиотек;
• персональные ЭВМ/терминалы пользователей для доступа к информационным ресурсам и интерактивного авторизованного доступа к данными;
• системное, прикладное программное обеспечение и выделенные ПЭВМ/рабочие станции для контроля, мониторинга,
диагностики и управления техническими средствами вычислительной техники.
Для обеспечения непрерывности процессов обмена информацией средства ВС должны поддерживать следующие режимы
функционирования :
• автоматический режим, без участия персонала, при инициализации процедур программным путем (по расписанию);
• полуавтоматический режим, с участием пользователя,
инициализирующего процедуру со своего рабочего места;
• ручной режим – техническое обслуживание и эксплуатация непосредственно персоналом.
Аппаратные типы серверов и ЭВМ в составе ВС могут зависеть от архитектуры программного обеспечения и информационных технологий, использованных при создании ВС.
Выводы по разделу
Современные вычислительные системы являются основой
ИТ–архитектуры современного предприятия. По своему назначению и классификации вычислительные системы достаточно
168
9. Архитектура и процессы функционирования вычислительных
систем
разнообразны, чтобы удовлетворить потребности всех категорий пользователей. Ключевым компонентом вычислительных
систем являются средства вычислительной техники и средства
хранения данных.
Теоретические вопросы
1. Дайте определение понятию «вычислительная система».
2. Что такое «режим работы в реальном времени»?
3. Для чего нужны серверы в составе вычислительной системы?
4. С какой целью в состав вычислительных систем вводят
избыточные / дублирующие компоненты?
9.2 Архитектура вычислительных систем
Цель изучения раздела
Целью изучения раздела является ознакомление с различными вариантами архитектуры вычислительных систем и их
эксплуатационными характеристиками.
Содержательная часть
По архитектуре вычислительные системы можно разделить
на системы с централизованной архитектурой и системы с децентрализованной архитектурой (см. рис. 9.2).
Системы с централизованной архитектурой могут быть
выполнены в вид одномашинного комплекса с супер–
высокопроизводительной ЭВМ (мейнфреймом), которая выполняет всю обработку данных. Это применяется в системах продажи авиа– и железнодорожных билетов, для некоторых банковских систем. Кратковременный выход из строя центральной
ЭВМ приводит к негативным последствиям, так как приходится
дублировать функции центральной ЭВМ. В связи с этим часто
используются многомашинные комплексы, где задачи распределены между многими ЭВМ (серверами).
169
9. Архитектура и процессы функционирования вычислительных
систем
Рис.9.2 –Архитектура вычислительных систем
Например, выделяют сервер баз данных, сервер приложений, сервер электронной почты, FTP–сервер и т.п. Серверы физически могут быть расположены локально, в специально оборудованном помещении (здании) со сложной инженерной инфраструктурой, которое называется центром обработки данных, ЦОД. Пользователь может получить доступ к ЦОД через
сети связи общего пользования (Интернет) с помощью терминала, персонального компьютера, смартфона, планшетного компьютера пройдя соответствующие процедуры регистрации, авторизации и аутентификации.
Децентрализованная или ГРИД (GRID) архитектура –
пространственно-распределенная ИТ–инфраструктура на основе
удаленных вычислительных систем, объединяющих множество
ресурсов разных типов (процессоры, долговременная и оперативная память, хранилища и базы данных, сети), доступ к которым пользователь может получить из любой точки, независимо
от места их расположения. В ГРИД архитектуре запрос пользователя может обрабатываться любой из ЭВМ (серверов), под-
170
9. Архитектура и процессы функционирования вычислительных
систем
ключенных к системе. Эта ситуация характерна для так называемых «облачных вычислений» (cloud computing).
Облачные вычисления – сервис, при котором пользователю
предоставляется возможность использования распределенных
компьютерных ресурсов посредством сети Интернет или других
сетей. При облачных вычислениях средства вычислительной
техники могут находиться в различных местах, в том числе и на
различных континентах, но их общей целью является слияние
воедино и совместное использование для предоставления услуг
пользователям. «Облачные вычисления» могут быть реализованы и на базе ЦОД. «Облако» может предоставлять программы и
функции – хранение данных, фотографий, фильмов – как «услугу» через Интернет, например сервис Dropbox, Yandex.Диск.
Архитектура вычислительных имеет следующие характеристики:
Производительность (throughput) – количество операций
в единицу времени, чаще всего в 1 секунду. Иногда оценивается
как количество обрабатываемых запросов пользователей.
Доступность (Availability) – количество времени, в течение
которого ВС была доступна пользователю, на временном промежутке, в течение которого система должны была быть доступна. Доступность обычно измеряется в процентах за год. К
примеру, доступность 0,9995 эквивалентна времени полного
простоя 4,38 часа в год (0,0005 * 365 * 24 = 4,38).
Отказоустойчивость (failure tolerance) – способность системы продолжать функционирование (возможно, с уменьшением общей производительности) при выходе из строя или поломке одного или нескольких компонент.
Отказоустойчивость может оцениваться коэффициентом готовности КГ вычислительной системы рассчитывается по формуле:
КГ=ТР/(ТР+ТО),
где:
ТР — полезное время работы системы;
171
9. Архитектура и процессы функционирования вычислительных
систем
ТО — время отказа и восстановления системы, в течение которого ВС не могла выполнять свои функции.
В целях обеспечения коэффициента готовности наиболее
критичных серверов не ниже 0,99 (48,6 часа простоя в год) при
непрерывном круглосуточном функционировании рекомендуется применять схемы резервирования.
Архитектура вычислительных систем может классифицироваться по признаку обработки потоков команд и потоков данных
с использованием классификации Флинна (Flinn).
Поток команд – это последовательность команд одной
исполняемой программы, поток данных — это последовательность данных, обрабатываемых одной программой. Архитектура
«Одиночный поток команд–одиночный поток данных», SISD
(Single Instruction Single Data) описывает ЭВМ, которая в данный момент времени выполняет единственную программу, которая обрабатывает один поток данных.
Класс «Много потоков команд, один поток данных» MISD
(Multiple Instruction Single Data) описывает ЭВМ или МПр, в
котором в данный момент времени несколько программ обрабатывает один поток данных. Это крайне редкий вариант архитектуры, применяется в случае, когда требуется отказоустойчивость или гарантированное обнаружение ошибку при обработке
одних и тех же данных.
Класс «Один поток команд, много потоков данных» SIMD
(Single Instruction Multiple Data) предусматривает, что программа обрабатывает постоянно изменяющийся поток входных данных; часто применяется для кодеров речи или видео, где по одному и тому же алгоритму обрабатывается постоянно меняющиеся звуки или изображение. В данном классе применяются
процессоры с очень длинным командным словом, VLIW (Very
Long Instructiona Word) в котором объединены несколько RISC
команд, каждая из которых независимо обрабатывает свой поток
данных, что предотвращает конфликты обращения к данным и
увеличивает производительность МПр.
172
9. Архитектура и процессы функционирования вычислительных
систем
Класс «Много потоков команд, много потоков данных»
MIMD (Multiple Instruction Multiple Data) предусматривает, что
несколько программ/команд одновременно обрабатывают несколько потоков входных данных. Эта архитектура, несмотря на
свою сложность, обеспечивает реальную многопоточность –
одновременное выполнение нескольких, как правило, связанных
между собой, алгоритмов, на одном МПр. В случае, если МПр
MIMD используют общую оперативную память, можно создавать симметричную много(мульти) процессорную архитектуру,
рассматриваемую в разделе 9.3.
В случае, если в классе MIMD используется распределенная
оперативную память, то можно создавать многомашинные
(мультикомпьютерные) системы, которые также называются
массивно–параллельными системами. Это сложная, но достаточно эффективная архитектура, которая может объединять
сотни узлов и тысячи процессоров. В некоторых случаях для
работы такой системы требуется управляющая машина. Примером архитектуры MIMD с распределенной оперативной памятью является уже рассмотренная ГРИД архитектура.
Выводы по разделу
Современные вычислительные системы имеют различные
архитектуры с точки зрения обработки данных; общее направление развития сейчас – ГРИД архитектура и «облачные» вычисления. Вычислительные системы используют МПр с архитектурой SIMD и MIMD согласно классификации Флинна.
Теоретические вопросы
1. Что такое центр обработки данных?
2. В чем недостатки централизованной архитектуры вычислительных систем?
3. Дайте определение понятию «ГРИД архитектура».
4. Что такое «облачные вычисления»?
5. Что означает виртуализация вычислительных систем?
173
9. Архитектура и процессы функционирования вычислительных
систем
6. Опишите особенности архитектуры MIMD по классификации Флинна.
9.3 Оценка производительности вычислительных
систем
Цель изучения раздела
Целью изучения раздела является ознакомление с методами
общей оценки производительности современных вычислительных систем.
Содержательная часть
Одной из основных тенденций развития вычислительных
систем является увеличение числа операций, выполняемых МПр
за 1 секунду. Значение ускорения вычислений (в разах) определяется выражением (9.1):
R=
Tn
,
T1
(9.1)
где
T1 — время решения задачи на однопроцессорной вычислительной системе,
Tn — время решения той же задачи на n- процессорной системе;
n – количество процессоров.
Пусть W = Wск + Wпр, где
W — общее число операций в задаче;
Wпр — число операций, которые можно выполнять параллельно;
Wск — число скалярных (нераспараллеливаемых, выполняемых исключительно последовательно) операций. Обозначим
через t время выполнения одной операции. Используем эмпирический закон Амдала, который определяет значение ускорения
174
9. Архитектура и процессы функционирования вычислительных
систем
вычисления R при использовании многопроцессорных систем в
форме (9.2):
R≤
1
,
1− C 

C +

N 

(9.2)
где
R – прирост производительности вычислительной системы;
N – количество процессоров;
C= Wcк /W — удельный вес скалярных операций в общем
числе операций.
Тогда с учетом введенного времени t , получаем значение R
в виде (9.3):
R=
W ×t
W

Wcк + пр
N


 × t

=
1
1

→
N →∞
1− a 
a

a +

N 

(9.3)
Здесь с= a = Wcк /W — удельный вес скалярных операций в
общем числе операций. Закон Амдала определяет принципиально важные для параллельных вычислений положения:
1. Ускорение вычислений зависит как от потенциального
параллелизма программной задачи (величина 1–a), так и от параметров средства вычислительной техники (число процессоров n).
2. Предельное ускорение вычислений определяется свойствами программной задачи.
Пусть a = 0,2 (что является реальным значением), тогда ускорение R не может превосходить 5 при любом числе процессоров. В результате максимальное ускорение вычислений зависит
от параллелизма задач, а не от количества МПр.
175
9. Архитектура и процессы функционирования вычислительных
систем
Выражение (9.3) определяет ускорение только одного уровня вычислительной системы. Реальные ЭВМ обычно используют параллелизм на нескольких уровнях и полное ускорение такой ЭВМ можно в первом приближении описать выражением
(9.4):
R =
M
∏
i =1
ri
(9.4)
где
M — число вложенных уровней вычислений, используемых
для распараллеливания;
ri — собственное ускорение уровня i, определяемое параллелизмом соответствующих данному уровню объектов: независимых задач, программ, ветвей алгоритма, итераций цикла,
групп операторов.
В целом для вычислительных систем реальное быстродействие следует определять с учетом всех факторов, сопутствующих или препятствующих выполнению прикладных программ.
Объективным способом является выполнение вычислительной
системой реальных задач и измерение времени их выполнения.
Можно приближенно считать, что быстродействие вычислительной системы Vp оценивается как:
k
V р = ( ∑ z i ) / Tк ,
(9.5)
i =1
где
k — число выполненных задач;
zi — число выполненных в i-й задаче команд;
Tk — время решения k задач.
Выводы по разделу
Современные вычислительные системы имеют сложную архитектуру, поэтому их производительность зависит от производительности каждого элемента архитектуры.
176
9. Архитектура и процессы функционирования вычислительных
систем
Теоретические вопросы
1. В чем суть закона Амдала?
2. От чего зависит ускорение вычислений при распараллеливании операций?
9.4 Процессы функционирования вычислительных
систем
Цель изучения раздела
Целью изучения раздела является ознакомление с процессами функционированием вычислительных систем на примере
симметричных мультипроцессорных систем, вычислительных
кластеров и виртуальных машин (гипервизоров).
Содержательная часть
В процессе функционирования вычислительных систем
(комплексов) несколько программных задач могут одновременно выполняться на различных физических процессорах. Мерой
эффективности здесь является максимальное число вычислений
или транзакций (запросов), успешно обработанных в единицу
времени. Под комплексированием понимается объединение нескольких ЭВМ с целью повышения производительности и надежности системы в целом. При решении задачи комплексирования важно определить способы высокоскоростной связи между процессорами или серверами в составе комплекса. Для этого
применяются различные способы связи между процессорами,
серверами или группам серверов, рассмотренные в предыдущем
разделе. Также при комплексировании ПО системы существенно усложняется за счёт применения разнообразных способов
организации совместного хранения данных, методов решения
конфликтов доступа к данным, координированного запуска программ и процессов различными МПр или серверами. Кроме того, необходимо обеспечить координацию работы ЭВМ в процессе обслуживания запросов.
177
9. Архитектура и процессы функционирования вычислительных
систем
Простейшим вариантом является двухмашинный вычислительный комплекс из двух идентичных по своим техническим
характеристикам ЭВМ класса MIMD, соединенных высокоскоростной шиной или коммутатором. Одна из них является условно «основной» и находится под рабочей нагрузкой, вторая машина считается «резервной». Резервная машина получает данные, одинаковые с основной машиной, обрабатывает эти данные. В случае, если основная машина выходит из строя, её
функции продолжает выполнять резервная машина. Существует
также вариант разделения нагрузки между основной и резервной машиной, когда 50% нагрузки обрабатывает основная машина, а 50% нагрузки резервная машина. В случае многопроцессорных систем часто применяется архитектура на рис. 9.3.
Рис. 9.3 – Симметричная микропроцессорная структура
Симметричная многопроцессорная вычислительная система, SMP (symmetrical multiprocessing) состоит из двух или более
тесно взаимодействующих МПр или ЭВМ, которым доступны
общая оперативная память, общие системные шины. В схеме
178
9. Архитектура и процессы функционирования вычислительных
систем
SMP каждый МПр (ЭВМ) может самостоятельно выполнять
многопоточную обработку данных. Достоинство SMP в том, что
нет необходимости в том, чтобы каждый процессор (ЭВМ) был
жёстко запрограммированы на выполнение одной задачи, например, только протокол TCP/IP. Здесь каждый процессор может в разные моменты времени обрабатывать разные задания.
Например, процессоры МПр2 и МПрi в следующий момент времени могут «поменяться» обрабатываемыми приложениями
Особенностью архитектуры SMP является наличие общей
оперативной памяти, разделяемой между всеми процессорами
(ЭВМ). Оперативная память также является и средой для обмена
сообщениями между процессорами (ЭВМ). Все МПр при обращении к оперативной памяти имеют равные права и одну и ту
же адресацию для всех ячеек памяти и работают под управлением единой операционной системы.
SMP-система простота и универсальна для программирования, не накладывает ограничений на модель программирования.
Использование общей памяти увеличивает скорость обмена между МПр.
Недостатком систем с SMP является ограниченная производительность, связанная в первую очередь с ограниченной (хотя
и высокой) пропускной способностью локальнйо шины доступа
у общей оператино памяти. Ещё одной проблемой SMP является
обеспечение когерентности данных. Это означает, что в данный
момент времени во всей системе SMP для любого элемента
данных, к примеру бита состояния порта ввода-вывода, существует только одно значение. Недопустимо, чтобы для одного
МПр бит состояния порт был равен «0» а для другого – равен
«1». Для решения данной проблемы используется специальная
дополнительная шина слежения, которая объединяет кэшпамять всех МПр. По шине слежения МПр отслеживают действия друг друга на предмет влияния на собственную кэш-память.
В рамках управления доступом к вычислительным ресурсам
возможно создание т.н. гипервизора или виртуальной машины
179
9. Архитектура и процессы функционирования вычислительных
систем
– организации функционирования операционной системы, при
котором прикладные программы или внешние устройства получают доступ к ресурсам вычислительной системы посредством
специальной промежуточной программы или программноаппаратного средства, которое скрывает архитектуру и ресурсы
микропроцессора. Цель создания виртуальной машины (гипервизора) – повышение эффективности функционирования системы программного управления узла коммутации. Пример структурной схемы виртуальной машины представлен на рис. 9.4.
Рис. 9.4 – Структурная схема виртуальной машины
Виртуальная машина позволяет, к примеру, представить
один мощный физический МПр как несколько независимых
«виртуальных» процессоров, доступных для каждой операционной системы и соответствующего программного приложения.
Функции «виртуальной машины» может выполнять и сама операционная система, которая по сути является посредником между аппаратными ресурсами и специальное промежуточное программное обеспечение (middleware).
Можно создавать следующие виртуальные машины:
• виртуальная машина управления периферийным оборудованием;
180
9. Архитектура и процессы функционирования вычислительных
систем
• виртуальная машина выбора маршрута и управления установлением соединения в узле коммутации;
• виртуальная машина управления базой данных;
• виртуальная машина для административных услуг.
Кластер (вычислительный) представляет собой два или
более сервера (узлов), объединенных с помощью сети на базе
шинной архитектуры или коммутатора. Кластер предоставляется пользователю как единый сервер. В качестве узлов кластера
могут выступать серверы или обычные персональные компьютеры. Кластеризация применяется для повышения надежности,
когда в случае сбоя одного узла другой узел кластера может заменить неисправный так, что пользователи не заметят отказа.
Кластеры могут быть использованы для систем высокопроизводительных вычислений, которые решают самый широкий круг
задач, например моделирование ядерных и химических реакций.
Выводы по разделу
Вычислительные системы используют различные способы
комплексирования, в частности симметричные многопроцессорные архитектуры Виртуальные машины обеспечивают повышение эффективности использования аппаратных компонентов микропроцессоров. Наличие кластеров поддерживает высокую производительность вычислительных систем при сохранении надежности и непрерывности вычислительных систем.
Теоретические вопросы
1. Что такое комплексирование вычислительных систем?
2. Каким общим требованиям должны отвечать процессы
функционирования вычислительных систем?
3. Какие недостатки имеются у SMP–систем?
4. Для чего применяются вычислительные кластеры?
181
10. Процессы организации вычислений и энергосбережения в
современной вычислительной технике
10. ПРОЦЕССЫ ОРГАНИЗАЦИИ ВЫЧИСЛЕНИЙ И
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ В СОВРЕМЕННОЙ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКЕ
В главе 10 рассматриваются процессы организации вычислений и энергосбережения в современной вычислительной технике. В разделе 10.1 рассматриваются процессы обработки данных с помощью конвейерных вычислений. В разделе 10.2 рассматриваются технологии переупорядочивания вычислений. В
разделе 10.3. описаны процессы организации вычислений и
функциональная блок–схема многоядерных процессоров.
10.1
Процессы организации вычислений с помощью
конвейерной обработки данных
Конвейерная организация вычисления предусматривает, что
цикл выполнения машинной команды разбивается на несколько
элементарных ступеней, стадий или блоков. Команда передвигается по конвейеру, освобождая стадию для следующей команды. Продолжительность каждой стадии в идеале составляет 1
такт работы МПр (см. рис. 10.1).
Рис. 10.1 – Пример разбиения команды «Считывание
данных из ОЗУ в регистр» при конвейерной обработке
Организация конвейера позволяет совмещать во времени
выполнения разных стадий, например, в один и тот же момент ti:
182
10. Процессы организации вычислений и энергосбережения в
современной вычислительной технике
Команда №1 – находится на стадии 3;
Команда №2 – находится на стадии 1.
В итоге, время выполнения команд можно существенно сократить. Это позволяет увеличить производительность процессора при одной и той же тактовой частоте. Конвейеры можно
разделить на две группы: векторные и скалярные конвейеры.
Векторные конвейеры выполняют одну операцию над группами разных данных, называемых векторами. Под вектором
понимается одномерный массив, который образуется из многомерного массива, если зафиксирован только один из номеров
строки или столбца. Такие конвейеры, как правило, являются
арифметическими; области применения – цифровая обработка
сигналов (цифровые фильтры). МПр с поддержкой векторных
конвейеров относятся к классу SIMD (см. раздел 9).
В скалярных конвейерах на разных ступенях обработки находятся команды с разными кодами операций, но обрабатывают
эти команды одни и те же данные.
Скалярные конвейеры могут содержать только конвейер
команд, но в процессорах для обработки чисел с плавающей запятой скалярный конвейер часто включает и арифметические
ступени. Наличие скалярных конвейеров позволяет реализовать
ЭВМ, в которых выполняется несколько программ, причём каждая команда обрабатывает одни и те же данные (единое пространство данных). Такие процессоры относятся к классу MISD
(см. раздел 9).
Возникает ситуация, при которой стадии может быть не
нужна и называется ненагруженной. Для снижения ненагруженных стадий в современных МПр используются два и более конвейера.
Возникает
суперскалярная
архитектура
–
параллельной обработки данных с помощью двух или более
конвейеров, как правило скалярных. Это позволяет оптимизировать загрузку АЛУ, уменьшить потерю производительности, в
результате появления пустых/ненагруженных стадий, когда ка-
183
10. Процессы организации вычислений и энергосбережения в
современной вычислительной технике
ждый конвейер ориентирован на свой тип операций, наприме с
обычной и повышенной точностью. В современных МПр данные каждого конвейера могут обрабатываться собственным
АЛУ.
К достоинствам суперскалярной архитектуры можно отнести планирование микропроцессором исполнения потока команд, что повышает быстродействие вычислительной системы.
В результате за один такт может исполняться от 2 до 5 команд.
Недостатком суперскалярной архитектуры является наличие
сложного многостадийного конвейера на кристалле современного МПр, что приводит к уменьшению физического пространства для размещения АЛУ, регистров, кэш-памяти.
Выводы по разделу
В современных вычислительных системах для повышения
производительности применяют конвейерную организацию вычислений.
Конвейеры бывают векторные и скалярные, причем скалярные являются наиболее универсальными.
В современных микропроцессорах бывает более одного
конвейера и, соответственно, более одного арифметикологического устройства. Такие микропроцессоры называются
суперскалярными.
Теоретические вопросы
1. Что такое вычислительный конвейер?
2. Что такое скалярные операции?
3. Как можно оценить рост производительности вычислительной системы в зависимости от доли скалярных операций в
компьютерной программе?
4. Что представляет из себя стадия конвейера?
5. Как образуется ненагруженная стадия конвейера?
184
10. Процессы организации вычислений и энергосбережения в
современной вычислительной технике
10.2
Технологии оптимизации вычислений
Цель изучения раздела
Целью изучения раздела является изучение современных
процессов организации вычислений с помощью изменения последовательности вычислительных операций и предсказания
переходов.
Содержательная часть раздела
В современном МПр с помощью управлением вычислениями в зависимости от последовательности команд или по мере
готовности данных для вычислений можно повысить производительность. Можно привести следующий пример повышения
эффективности с помощью переупорядочивая команд внутри
процессора. Пусть в программе для ЭВМ встретилась некоторая
последовательность команд:
A = B x 6, C = E x 12, A = A x D, C = C + 1,
где значение переменных А и С хранится в ячейках оперативной памяти, значение переменных В, D и Е – хранится в регистрах процессора. Рассмотрим два варианта организации вычислений. В первом варианте вычисления производятся в порядке следования команд. Во втором варианте порядок следования команд внутри процессора изменяется следующим образом:
A = B x 6, A = A x D, C = E x 12, С = С + 1.
Пусть для хранения промежуточных результатов вычислений А и С используется регистр–аккумулятор, Акк. Значение
переменной B пусть хранится в регистре микропроцессора B,
значение переменной D пусть хранится в регистре микропроцессора D, значение переменной E пусть хранится в регистре
микропроцессора E. Тогда результаты обработки данных по
обоим вариантам можно объединить в следующей таблице 10.1.
185
10. Процессы организации вычислений и энергосбережения в
современной вычислительной технике
Таблица 10.1 – Пример организации вычисления с
переупорядочиванием данных
№
шага
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Всего:
Без переупорядочивания
Операция
<Регистр B> x 6 →
<Регистр Акк>
<Регистр Акк cо
значением переменной А > →
<Ячейка ОЗУ>
<Регистр Е> x 12
→ <Регистр Акк>
<Регистр Акк> →
<Ячейка ОЗУ>
<Ячейка ОЗУ со
значением переменной А> → <Регистр Акк>
<Регистр Акк> x
<Регистр D> →
<Регистр Акк>
<Регистр Акк> →
<ячейка ОЗУ>
<Ячейка ОЗУ со
значением переменной С > →
<Регистр Акк>
<Регистр Акк> =
<Регистр Aкк> + 1
<Регистр Акк> →
<Ячейка ОЗУ>
С переупорядочиванием
Кол-во
тактов
Операция
Кол-во
тактов
3
<Регистр B> x 6
→ <Регистр Акк>
3
10
<Регистр Акк> x
<Регистр D> →
<Регистр Акк>
3
<Регистр Акк> →
<Ячейка ОЗУ>
<Регистр Е> x 12
→ <Регистр Акк>
3
10
10
3
10
<Регистр Акк> =
<Регистр Акк+1>
1
3
<Регистр Акк> →
<Ячейка ОЗУ>
10
10
10
Не используется
1
10
70
30
Итак, если в варианте вычислений без переупорядочивания
требуется 70 тактов и 10 шагов, то в варианте с переупорядочи-
186
10. Процессы организации вычислений и энергосбережения в
современной вычислительной технике
ванием требуется 30 тактов и 6 шагов программы. Как видно из
примера, имеется возможность практически двукратного увеличения производительности МПр за счёт снижения числа тактов
и количества шагов обработки данных. Для дальнейшего повышения производительности МПР применяются методы предсказания переходов в программе.
В процедурах предсказания переходов применяется т.н.
«спекулятивное» исполнение команд, суть которого состоит в
том, что после сделанного предположения об адресе перехода
МПр выполняет операции загрузки данных для реализации команды по предсказанному направлению. МПр выполняет действия, не предписанные в данный момент загружаемой программой. Если вычисления на самом деле пойдут в предсказанном
направлении, то к моменту начала исполнения предсказанной
команды данные уже загружены. Если управление будет передано другой, не предсказанной команде, то загруженные ранее
данные уничтожаются. Вероятность правильного предсказания
достигает 95%. При статическом предсказании направление
перехода задаётся разработчиком МПр, например все условные
переходы «вперед» будут выполняться, а переходы «назад» – не
будут. При динамическом предсказании направление ветвления
обусловлено результатами предшествующего выполнения команд и может меняться в процессе исполнения программы. Динамическое предсказание более точно и эффективно, хотя и достаточно сложно для реализации.
Выводы по разделу
В современных вычислительных системах для повышения
производительности применяют технологии анализа исполняемых программ и предсказания переходов в исполняемых программах. Для этого применяются соответствующие микропрограммы. В процессе предсказания переходов применяется спекулятивное исполнение команд и спекулятивное исполнение.
187
10. Процессы организации вычислений и энергосбережения в
современной вычислительной технике
Теоретические вопросы
1. Что такое изменение порядка вычислений в процессоре?
2. Может ли разработчик внешней программы распознать
наличие переупорядочивания вычислений в процессоре?
3. В чем состоит суть спекулятивного управления команд?
4. Что представляет из себя динамическое предсказание
ветвления в программе?
10.3
Технологии оптимизации энергопотребления
Цель изучения раздела
Целью изучения раздела является изучение современных
методов технологии энергосбережения в вычислительных системах.
Содержательная часть раздела
Долгое время производительность МПр наращивалась за
счёт постоянного увеличения тактовой частоты (см. рис. 10.2).
Рис. 10.2 – Изменение тактовой частоты микропроцессоров
188
10. Процессы организации вычислений и энергосбережения в
современной вычислительной технике
На переключение транзисторных компонентов МПр затрачивается определённая мощность. При увеличении тактовой
частоты в полупроводниковых и металлических компонентах
МПр возникает избыточное тепловыделение, которое можно
измерять в пикоджоулях на переключение одного бита, 1
ПкДж/бит = 10–12 Дж/бит). При современных тактовых частотах
и плотностях интеграции элементов на кристалле МПр суммарное тепловыделение достигает величины в несколько ватт на
1см2. В связи с этим возникает проблема отвода тепла от МПр,
т.к. перегрев МПр приводит к его отказу. Эту характеристику
МПр можно обозначить как «мощность системы теплооотвода
МПр», TDP. Ситуация усложняется тем, что при уменьшении
физических размеров транзисторов, неизбежно возникают сильные токи утечки; причём чем выше тактовая частота и энергопотребление, тем больше токи утечки. Теоретическим пределом
роста тактовой частоты современных кремниевых МПр считается величина 10 ГГц. Одновременно актуальным является вопрос
увеличения продолжительности работы средства инфокоммуникаций от аккумулятора.
В целях оптимизации энергопотребления и энергосбережения применяются различные методы:
• динамическое изменение напряжения электропитания на
микропроцессоре и его частоты;
• оптимизация доступа к памяти, в том числе отключение
неактивных банков памяти;
• оптимизация энергопотребления на стадии разработки
новых микропроцессоров.
Например, технология Speed Step (впервые предложена Intel
в МПр типа Pentium M) предусматривает использование нескольких возможных точек напряжения электропитания и соответствующих им тактовых частот МПр (рабочих точек). Крайний рабочие точки задаются аппаратно МПр а промежуточные
рабочие точки устанавливаются программно системной функ-
189
10. Процессы организации вычислений и энергосбережения в
современной вычислительной технике
цией операционной системе. В случае необходимости, например
при запуске приложения IPTV, для увеличения тактовой частоты и, соответственно, повышения вычислительной мощности
МПр, сначала увеличивается напряжение электропитания. Период изменения напряжения длится около 100 мкс. После изменения напряжения электропитания скачкообразно увеличивается частота за время 10 мкс. При уменьшении тактовой частоты
сначала уменьшается тактовая частота, и только потом снижается напряжение электропитания. Указанная технология дополняется возможностями, связанными с декодированием инструкций
и предсказанием переходов
Выводы по разделу
В современных вычислительных системах для повышения
автономного времени работы устройства от портативного аккумулятора (батареи), а также для снижения тепловыделения применяются энергосберегающие технологии. Здесь применяются
особые конструктивные решения, используются изменяющиеся
по времени тактовые частоты и напряжения электропитания с
учетом исполняемого микропроцессором программного приложения.
Теоретические вопросы
1. С чем связано повышенное выделение тепловой энергии
в процессоре?
2. Почему повышение тактовой частоты микропроцессоров
более не является магистральным путем повышения производительности?
3. Какие существуют методы оптимизации энергопотребления?
4. Что представляет из себя технология SpeedStep и для чего она применяется?
190
10. Процессы организации вычислений и энергосбережения в
современной вычислительной технике
10.4
Многоядерные процессоры
Цель изучения раздела
Целью изучения раздела является изучение общей архитектуры и принципов построения многоядерных микропроцессоров в вычислительных системах.
Содержательная часть раздела
Повысить производительность современных микропроцессоров и микропроцессорных систем можно за счёт выполнения в
параллельном режиме нескольких потоков вычислительных задач. Наиболее эффективен физический параллелизм, при котором каждый из потоков команд и/или данных обрабатывается
собственным ядром (core), где ядро (core) – это самостоятельное
ЦПУ с АЛУ, регистрами и кэш-памятью L1. Каждое ядро поддерживает конвейерные вычисления. Многоядерные процессоры имеют архитектуру MIMD. Параллелизм обеспечивается на
физическом уровне, причем каждый поток команд и/или данных
может обрабатываться отдельным ядром. Это обеспечивает архитектура CMP (Chip MultiProcessors) – несколько процессоров
на одном кристалле МПр на рис. 10.3.
В зависимости от решения производителя, МПр могут использовать как отдельную кэш–память L.2 для каждого ядра, так
и объединенную кэш-память L.2 всех ядер. В настоящее время в
одном МПр реализуется от 2 до 6 процессорных ядер, а в перспективе на кристалле МПр будет реализовано до 16…32 ядер.
К примеру, восьмиядерный МПр может одновременно обрабатывать 8 потоков. Каждому потоку назначается собственный набор регистров и нет необходимости тратить время на обращение к ОЗУ. Ресурсы МПр выделяются потокам динамически. Если МПр работает на частоте 1,2 ГГц, то в случае обработки 4 потоков каждое ядро может работать на частоте 300
МГц.
191
10. Процессы организации вычислений и энергосбережения в
современной вычислительной технике
Рис. 10.3 а, б, в, г – Эволюция архитектур многоядерных
CMP–процессоров
По закону Амдала прирост производительности R вычислительной системы зависит от количества процессоров/ядер (N) и
доли С последовательных операций в программе (см. рис. 10.4).
Граничные значения С соответствуют полностью параллельным (С=0) и полностью последовательным (С=1) программам. Рост производительности в N раз при увеличении количества ядер в N раз практически недостижим, потому что написать компьютерную программу с полным отсутствием последовательных операций практически невозможно.
Недостатком многоядерных МПр является усложнение проектирования и изготовления, что повышает затраты на производство МПр.
192
10. Процессы организации вычислений и энергосбережения в
современной вычислительной технике
Рис. 10.4 – Изменение производительности
многоядерных процессоров по закону Амдала
Однако, если есть технологически отработанное ядро, то
оно может тиражироваться в нужных количествах, а проектирование ограничивается созданием внутренней инфраструктуры
кристалла.
Выводы по разделу
В современных ВС широко применяются многоядерные
процессоры. Применение многоядерных процессоров обеспечивает рост производительности вычислительных средств.
Теоретические вопросы
1. Что представляет собой ядро многоядерного процессора?
2. Могут ли регистры многоядерного процессора использоваться только для определенного потока вычислений?
3. В чем состоят определенные недостатки многоядерных
процессоров?
193
11. Принципы работы технических средств инфокоммуникационных
технологий
11. ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ТЕХНИЧЕСКИХ
УСТРОЙСТВ ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫХ
ТЕХНОЛОГИЙ
В главе №11 рассматриваются структура и принципы работы технических устройств инфокоммуникационных технологий
на примере различных устройств. В разделе 11.1 рассматриваются устройства транспортных сетей с оптоэлектронным и оптическим преобразованием. В разделе 11.2 рассматриваются
принципы работы цифрового телефонного аппарата для сетей с
коммутацией каналов. В разделе 11.3 рассматриваются абонентские устройства для передачи речи по IP–сетям и сотовым сетям
связи.
11.1
Принципы работы технических устройств электрических и оптических узлов связи
Цель изучения раздела
Целью изучения раздела является ознакомление с принципами работы мультиплексора SDH и оптического коммутатора
для высокоскоростных транспортных сетей.
Содержательная часть
Рассмотрим принцип работы мультиплексора добавлениявыделения SDH, подключенного к волоконно-оптическим сетям. Это устройство добавляет и исключает из тракта STM–1
(155 Мбит/с) до 42 трактов E1 (2,048 Мбит/с). Общая структурная схема этого мультиплексора добавления-выделения представлена на рис. 11.1. Мультиплексор имеет два двухволоконных оптических интерфейса с условным наименованием «Запад» – «Восток».
194
11. Принципы работы технических средств инфокоммуникационных
технологий
Рис. 11.1 – Структурная схема мультиплексора SDH
Для построения рассматриваемого мультиплексора применяются два базовых типа СБИС–микросхем:
195
11. Принципы работы технических средств инфокоммуникационных
технологий
• микросхема LXT 6051 – терминатор секций STM – 1;
• микросхема LXT6251 – SDH-мэппера.
Микросхема LXT 6051 выполняет промежуточное преобразование для добавления трактов E1 в тракт STM-1 на уровне заголовков. Микросхема LXT 6251 выполняет размещение трактов E1 в STM–1, извлечение E1 (мэппинг, mapping), мультиплексирование и демультиплексирование. Эта микросхема также
формирует маршруты передачи добавляемых (вводимых) и выводимых трактов E1, а также трактов E1 пропускаемых транзитом через данный мультиплексор SDH.
Кроме перечисленных микросхем, используются следующие:
• трансивер оптической линии LXT6155, который сопрягает параллельный интерфейс STM-1 с последовательным интерфейсом оптического приёмопередатчика;
• интерфейсные устройства E1 LXT6282 и трансиверы линий E1 LXT344 для сопряжения LXT6251 с трактами E1.
Четырехканальные трансиверы
LXT344 поддерживают
электрические параметры интерфейсов E1 в соответствии с рек.
МСЭ-Т G.703. Для этой же цели используются восьмиканальные
трансиверы LXT6282. Интерфейсные устройства здесь осуществляют выравнивание джиттера, мониторинг состояний трактов
E1.
В итоге с выходов приёмной части оптических приёмопередатчиков NRZ–кодированные сигналы поступают через последовательный интерфейс на входы LXT 6155 «восточного» и «западного» направления. С выходов трансиверов сигналы SDH
подаются на входы терминаторов секции LXT6051 «западного»
и «восточного» направлений. Терминаторы последовательно
анализируют заголовки STM–1 и определяют окончание маршрутов E1, а также обнаруживают аварийные состояния. Терминаторы секций далее соединяются с платами мэпперов с помощью двунаправленных высокоскоростных шин по стандарту
196
11. Принципы работы технических средств инфокоммуникационных
технологий
IEEE P1396. В обратном направлении, с выходов передающей
части мэпперов, сигналы через телекоммуникационные шины
«восточного» и «западного» направлений поступают в передающие части терминаторов секций и далее через параллельные
8-ми разрядные интерфейсы – в трансиверы. От трансиверов
сигналы передаются по последовательным интерфейсам со скоростью 155 Мбит/с на передающие части оптических приёмопередатчиков. После электронно–оптического преобразования
сигналы передаются в волоконно-оптическую линию связи через оптические порты T и R.
Существуют оптические коммутаторы – технические
средства инфокоммуникаций, применяемые для обработки оптических сигналов в процессе переноса сигнала по волоконнооптическим линиям связи. В данном устройстве применяются
микрозеркала, которые являются коммутационным элементом и
изготовляются с помощью технологии микроэлектромеханических систем, МЭМС (MEMS). МЭМС – микросхемные устройства, содержащие как электронные, так и механические компоненты размерами от 1 мкм до 100 мкм. МЭМС демонстрируют
повышенную чувствительность к статическому (поверхностному) электричеству. Момент для вращения создаётся электростатическим напряжением (сигнал управления) на основном электроде. Такое зеркало в проекции «вид сбоку» показано на рис.
11.2 а). Микрозеркала размером 2 мкм, под управлением процессора могут качаться на «пружине» размером в 400 нм в двух
плоскостях. Отклонение микрозеркала до 12 градусов, обеспечивая тем самым разные углы падения и отражения. В результате происходит оптическая коммутация, т.е. переключение (переброс) когерентного светового луча с входного порта на выходной порт как это показано на рисунке 11.2 б). Потери на таком полностью оптическом коммутаторе составляют не более 2
дБ. На рис. 11.2 б) приведена схема двумерного (2D) оптического коммутатора на 32 порта.
197
11. Принципы работы технических средств инфокоммуникационных
технологий
Рис. 11.2 – Применение оптических зеркал и МЭМС для
коммутации
Главное достоинство рассматриваемых устройств – коммутация оптические сигналов без электрического преобразования,
в результате чего увеличивается производительность коммутаторов, увеличивается скорость передачи. Недостатками решения, аналогичного рис. 11.2 б), являются высокие оптические
потери, малая емкость оптического коммутатора – всего 32 порта. Кроме того, для работы в реальном времени требуется
уменьшение времени срабатывания микрозеркал. Для этого необходимо в кратной степени увеличивать ток срабатывания
схемы для отклонения микрозеркала и увеличивать производительность устройства управления МЭМС.
Для создания устройств оптической связи с многими сотнями и даже тысячами входных и выходных портов применяются
трехмерные (3D) узлы оптической связи с МЭМС. Здесь на пути
198
11. Принципы работы технических средств инфокоммуникационных
технологий
каждого светового луча встречаются уже два независимых зеркала, положение которых меняется в широких пределах путем
вращения относительно двух разных осей. При сохранении уже
известных достоинств недостатками данного решения является
дальнейшее усложнение системы микропроцессорного управления зеркалами, а также необходимость стабилизации положения микрозеркал в условиях внешних механических возмущений, в первую очередь, вибраций.
Выводы по разделу
Современные технические средства инфокоммуникаций для
транспортных сетей поддерживают опто–электронную и полностью оптическую коммутацию. Это связано с высокими скоростями передачи на транспортных сетях – до 40 Гбит/с и более.
Для оптической коммутации применяются микроэлектромеханические системы, МЭМС.
Теоретические вопросы
1. Что представляет собой терминатор секций STM–1, какие функции он выполняет?
2. Что такое мэппинг?
3. Для чего используются оптические коммутаторы?
4. В чем достоинства оптической коммутации?
11.2
Принципы работы цифрового телефона
Цель изучения раздела
Целью изучения раздела является ознакомление с принципами работы и устройством цифрового телефонного аппарата,
который подключается к стационарным телефонным сетям общего пользования.
199
11. Принципы работы технических средств инфокоммуникационных
технологий
Содержательная часть
В составе цифрового телефона, как правило, входит специализированная микросхема, которая
выполняет следующие
функции:
• многочастотный набор номера и генерация многочастотных импульсов набора номера DTMF с помощью керамического
резонатора;
• обработка зуммера «Ответ станции» (приём вызывного
тока), регулирование напряжения в линии и в разговорных цепях;
• интерфейс (порт) к микропроцессору для обеспечения
функций автоматического набора номера и других сервисов.
Элементы и часть принципиальной схемы цифрового телефона приведены на рис. 11.3.
Рис. 11.3 – Схема цифрового телефонного аппарата
Стабилизатор напряжения абонентской линии связи, включая интерфейс абонентского шлейфа, обеспечивает все внутрен-
200
11. Принципы работы технических средств инфокоммуникационных
технологий
ние электронные цепи телефонного аппарата неизменными по
уровню напряжением и током. Стабилизация тока по величине
обычно выполняется с использованием проходного транзистора.
Когда телефонная трубка лежит на рычагах, контакты S1 и
S2 находятся в положении, указанном на рис. 11.2. Когда телефонная трубка поднята, контакты S2 замыкают резистор и конденсатор, чтобы уменьшить входное сопротивление аппарата.
По абонентской линии от узла связи поступает ток питания
микрофона и передается сигнал «Ответ станции».
При обработке входящего вызова сигнал по проводам a и b
поступает на вход мостовой схемы, уровень сигнала ограничивается стабилитронами. Когда напряжение сигнала вызова превышает пороговое значение, запускается делитель частоты,
обеспечивающий отношение частот 8/10, что обеспечивает попеременный двухтональный либо мелодичный (в виде трелей)
сигнал, получаемый с помощью пьезоэлектрического акустического элемента.
При нажатии кнопки номеронабирателя «Схема многочастотного набора номер»» определяет 3-х разрядные адреса строки и колонки матрицы номеронабирателя; эти адреса используются для формирования тональных сигналов с определенными
частотами. Для их генерации применяется сравнительно дешевый керамический резонатор с рабочей частотой 500 кГц. Специальный сигнал, поступающий от номеронабирателя, отключает микрофон и телефон, чтобы подавить громкие звуки, возникающие при двухтональном многочастотном наборе.
Схема периферийного интерфейсного адаптера записывает
код кнопок в двунаправленный 4-х разрядный регистр сдвига
для передачи кода кнопки в микропроцессор, с использованием
шины данных. МПр также управляет направлением перемещения данных, используя для этого шину управления. В результате
МПр может записать в память набранный телефонный номер
для повторного набора. Введение в схему микропроцессора и
201
11. Принципы работы технических средств инфокоммуникационных
технологий
блока «Периферийный интерфейсный адаптер» обеспечивает
расширенные возможности цифрового телефонного аппарата:
• увеличение объема памяти для телефонных номеров и
повторного вызова;
• использование цифрового дисплея;
• возможность отображения на дисплее календаря и часов;
• индикация длительности разговора и обратного вызова;
• автоматический повторный вызов;
• автоответчик.
Ток абонентской линии ab, проходящий по цепи проходного
транзистора, используется для питания электретного микрофона. Блок «Цепи прохождения разговорных сигналов» задает необходимое смещение между микрофоном и передающим усилителем. Изменения тока в этой цепи являются кодированной информацией речевого сигнала, которая поступает в телефонную
линию ab. Часть передаваемого сигнала поступает обратно в
телефонный капсюль, создавая эффект самопрослушивания.
Выводы по разделу
Современные абонентские терминалы используют микропроцессор при наборе цифр телефонного номера, при хранении
и отображении цифр номера, отображения даты и времени и т.п.
Наличие стабилитрона во входном контуре обеспечивает защиту
от входных перепадов напряжения, с учетом того, что питание
телефона и микрофона поступает от узла связи.
Теоретические вопросы
1. Для чего в составе цифрового телефонного аппарата
применяется микропроцессор?
2. Как формируется цепь электропитания телефона и микрофона?
3. Какие дополнительные возможности обеспечивает наличие микропроцессора в составе телефона?
202
11. Принципы работы технических средств инфокоммуникационных
технологий
11.3
Принципы работы абонентских устройств IPтелефонии и сотовой подвижной связи
Цель изучения раздела
Целью изучения раздела является ознакомление с принципами работы и устройством абонентского терминала для IP–
телефонии и терминала GSM сотовой сети связи.
Содержательная часть
В связи с развитием сетей с коммутацией пакетов на основе
стека протоколов TCP/IP, широкое распространение, начиная с
конца 1990-х годов, получила IP–телефония т.н. передача речи
по IP–cетям.
Функциональная схема цифрового средства связи, являющегося абонентским устройством для предоставления услуг IPтелефонии приведена на рис. 11.4.
Рис. 11.4 – Абонентское устройство IP-телефонии
203
11. Принципы работы технических средств инфокоммуникационных
технологий
По сравнению с устройством на рис. 11.3, в устройстве на
рис. 11.4 применяется процессор AC 495 Orchid класса «система
на кристалле», с двумя ЦПУ в одном корпусе. Первое ЦПУ c
RISC–архитектурой 54REc, предназначено для поддержки приложений пользователя IP–телефонии, протоколов SIP и RTP.
ЦПУ процессора AC49c реализует различные кодеки:
• G.722.2 WB–AMR (скорость передачи от 5,8 до 24
Кбит/сек);
• кодек G.726 (скорость передачи 16, 24, 32 и 40 Кбит/сек);
• кодек G.711 (скорость передачи 64 Кбит/сек);
• кодек G.723.1 (скорость передачи 5,3 и 6,3 Кбит/сек);
• кодек G.729A/B (скорость передачи 8 Кбит/сек).
Имеется поддержка трехсторонней конференцсвязи, прием
факсов Рек. МСЭ–Т T.38.
Абонентское устройство для IP–телефонии включает клавиатуру для набора номера, подключенную к графическому дисплею. В устройстве используется кодек на два канала с частотой
8 и 16 кГц, что позволяет организовать качественную передачу
речи с расширенным диапазоном частот 50….7000 Гц вместо
стандартных 300…3400 Гц. Устройство может подключаться к
ЛВС Ethernet, к ПЭВМ, к УПАТС.
Программы управления, хранящиеся в ЭСППЗУ, обеспечивают поддержку SIP–протокола.
Схемы GigabitEthernet осуществляется формирование
фреймов (кадров), которые передаются или принимаются ЛВС.
Когда сеанс связи установлен, ПЦОС начинает осуществлять
цифровое кодирование речи.
Передача и прием речевых сигналов по IP–сети осуществляется с помощью протокола RTP.
Рассмотрим принципы работы абонентского устройства
подвижной радиосвязи связи стандарта GSM (см. рис. 11.5).
204
11. Принципы работы технических средств инфокоммуникационных
технологий
Рис. 11.5 – Абонентское устройство подвижной радиосвязи
стандарта GSM
В системе на рис. 11.5 речь человека подвергается аналогово–цифровому преобразованию и кодированию (на передаче) и
декодированию (на приеме). Речевой кодер GSM основан на
усовершенствованном алгоритме линейного прогнозирующего
кодирования (LPC). Этот LPC-алгоритм моделирует гортань человека в виде ряда концентрических полостей-цилиндров различного диаметра и с различной резонансной частотой. Модель
может быть представлена в виде систем уравнений, описывающих свойства каждой полости–цилиндра. В системе GSM используются восемь цилиндров и генерируются восемь моделирующих коэффициентов для описания речи.
Применяются дополнительные методы для повышения качества речи. Кодер оперирует с фрагментами речи (речевыми
блоками) продолжительностью 20 мс. Эти блоки на выходе
представлены 76 коэффициентами модели (в сумме 260 бит), за
счет чего скорость передачи в канал GSM и уменьшается до 13
Кбит/с. Детектор голоса позволяет выделять речь из шумового
205
11. Принципы работы технических средств инфокоммуникационных
технологий
фона и игнорировать шум без речи. Используемый кодером режим прерывистой передачи позволяет отключать передачу во
время пауз между словами. Это позволяет уменьшить мощность,
потребляемую устройством GSM.
Генератор «комфортного» шума встраивается в тракт приема для выработки низкочастотного сигнала во время паузы в
разговоре, когда детектор речи выключает передатчик. Наличие
«комфортного шума» сглаживает неприятный эффект между
речью на фоне шума и полной тишиной в канале. Когда задействован генератор комфортного шума, каждый передаваемый
голосовой блок перед отключением передатчика сопровождается блоком данных, описывающих параметры шумового фона.
Этот блок данных служит маркером окончания передачи речи
для приемной стороны. Он содержит характерные параметры
фонового шума в передатчике.
Выводы по разделу
Абонентские терминалы для IP–сетей и сотовых сетей связи
включают в свой состав микропроцессор для обеспечения пользователю разнообразных сервисов и процессор цифровой обработки сигналов для кодирования, компрессии и передачи речи
по сетям связи с коммутацией пакетов или с переменной скоростью существенно меньше 64 Кбит/с.
Теоретические вопросы
1. Для чего в составе абонентские терминалы для IP–сетей
применяются микросхемы Gigabit Ethernet?
2. С какой целью в схеме абонентского устройства подвижной радиосвязи GSM применяется детектор голоса (речи)?
3. Для чего используется генератор комфортного шума?
4. Опишите особенности построения модели человеческой
речи в сетях GSM.
206
Учебная литература
УЧЕБНАЯ ЛИТЕРАТУРА
Основная литература
Учебные пособия:
1. Бройдо В.Л. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: учеб. пособие для вузов.– 4-е изд. – СПб.: Питер,
2010.– 510 с.
2. Небаев И.А. Компьютерные сети передачи данных: учеб.
пособие к лабораторным работам.– СПб.: Изд. СПбГУТ, 2012.–
44с.
URL:
http://opds.sut.ru/wpcontent/uploads/mu/book_kspd_cns.pdf
(Режим
доступа
26.08.2013).
Конспекты лекций:
3. Лихтциндер Б.Я. Компьютерные сети: конспект лекций/Б.Я. Лихтциндер: сост. Н.В. Киреева, М.А. Буранова;
ПГУТИ.– Самара: ИНУЛ ПГУТИ, 2012 – 232 с.
Дополнительная литература
1. Глинкин Е.И., Глинкин М.Е. Схемотехника микропроцессорных систем.– Тамбов, ИПЦ Тамбовского гос. тех. унив.,
2005.– 98 с. URL:
http://www.tstu.ru/education/elib/pdf/2005/glinkin.pdf (Режим доступа 26.12.2013).
2. Гребешков А.Ю. Техника микропроцессорных систем в
коммутации: учебник. Гриф МГУП. – Самара: ПГУТИ, 2011. –
392 с.: илл.
3. Иртегов Д.В, Введение в сетевые технологии: учеб. пособие для вузов.– СПб. : БХВ–Петербург, 2004.– 560 с.
4. Камышников В.В. Основы архитектуры Internet: учеб.
пособие для вузов/ Камышников В.В., Казаченко Ю.М., Крикунов Н.М.– Самара, ПГАТИ, 2004. – 101 с.
207
Учебная литература
5. Камер Дуглас Э. Сети TCP/IP. Том 1. Принципы, протоколы и структура, 4-е изд. : Пер. с англ. - М.: Издательский дом
«Вильямс», 2003.– 851 с.
6. Олифер В.Г. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: учеб. пособие для вузов./ Олифер В.Г., Олифер,
В.А.: – 4-е изд. СПб.: Питер, 2011. – 958 с.
7. Пятибратов А.П. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: учеб. пособие для вузов / Пятибратов А.П., Гудыно Л.П., Кириченок А.А.; – 4-е изд. перераб. и доп. – М.: Финансы и статистка, 2008.– 736 с
8. Танненбаум Э. Компьютерные сети: –4-е изд. СПб.: Питер, 2008. – 992 с.
9. Росляков А.В. Мультисервисные платформы сетей следующего поколения NGN: – Самара: ПГУТИ; ООО «Издательство Ас Гард», 2012, Т.1: Отечественные системы. – 324с.
10. Мультисервисные платформы сетей следующего поколения NGN//А.В. Росляков, А.Ю. Гребешков, С.В. Ваняшин,
А.А. Хаёров; под. ред. А.В. Рослякова. Самара: ПГУТИ; ООО
«Издательство Ас Гард», 2012, Т.2: Зарубежные системы. –
344с.
11. Цифровые системы коммутации для ГТС: учебное пособие/под ред. В.Г Карташевского и А.В. Рослякова. – М.: ЭкоТрендз, 2008. – 352с.
12. Cowley, J. Communications and networking. An introduction: Second edition. – London, Springer–Verlag.– 2012.–251 pages.
13. Iniewski, K., McCrosky C., Minoli D. Network infrastructure and architecture: designing high-availability networks.– Hoboken(USA), John Wiley & Sons. – 2008.– 564 pages.
208
Глоссарий
ГЛОССАРИЙ
Абонентский номер, однозначно определяющий аботелефонный нентскую линию или подключенную к сеномер ти подвижной связи абонентскую станцию
с установленной в ней идентификационной
картой (SIM-карта).
Абонентский стык физических цепей, соединяющих
порт средства связи с оконечным абонентским
оборудованием с нормализованной скоростью.
Архитектура описание способа организации и взаимомикропроцес- действия частей (компонентов) МПр, обусора словленный характеристиками этих компонент, принципами их проектирования,
связи и развития.
Виртуальный концепция, используемая для описания
(логический) однонаправленной передачи пакетов инканал формации, имеющих общее одинаковое
значение заголовков или иных идентификаторов пакетов.
Вычислитель- совокупность технических средств, созная машина дающая возможность проведения обработки информации и получения результата в
необходимой форме
Вычислитель- совокупность нескольких взаимосвязанных
ная система и взаимодействующих процессоров или
(ВС) вычислительных машин, организованных
для совместного выполнения процессов
обработки информации и использующих
для обработки определенную информационную технологию.
Глобальная совокупность сетей связи, оконечного обоинформаци- рудования пользователей, информации,
209
Глоссарий
онная инфра- которая может быть использована для
структура коммуникации пользователей и передается
по доступным ценам с заданным качеством
Данные информация, представленная в формализованном виде, пригодном для процесса обмена, интерпретации и обработки автоматическими средствами при возможном
участии человека
Закрытая система нумерации, при которой для устасистема новления местного, зонового, междугонумерации родного телефонного соединения всегда
набирается национальный номер.
Зона ресурс нумерации ЕСЭ РФ, идентифицинумерации руемый кодом географически определяемой или кодом географически не определяемой зоны нумерации
Интегральная микроэлектронное изделие окончательной
(микро)схема или промежуточной формы, предназначенное для выполнения функций электронной схемы, элементы и связи которой нераздельно сформированы в объеме и
(или) на поверхности материала, на основе которого изготовлено изделие
Интернет глобальная информационная сеть, которая
логически объединена посредством единого адресного пространства на основе протокола IP версии 4 или 6; способна поддерживать передачу данных посредством
протокола ТСР или заменяющих его протоколов; обеспечивает, использует или делает доступными услуги по передаче данных и мультимедиа с помощью соответствующей инфраструктуры.
Интерфейс граница и способ адаптации между двумя
210
Глоссарий
Информация
Информационная
система
Инфокоммуникационная
услуга
Информационная
технология
Канал
передачи
Код DEF географически не
определяемой
зоны
нумерации
взаимодействующими системами (устройствами), определенный общими функциональными, конструктивными характеристиками, требованиями к протоколу обмена данными.
сведения, сообщения и данные независимо
от формы их представления.
организационно упорядоченная совокупность документов (массивов документов) и
информационных технологий, в том числе
с использованием средств вычислительной
техники и связи, реализующих информационные процессы.
услуга информационного общества – услуга связи, предполагающая автоматизированную обработку, хранение или предоставление по запросу информации с использованием средств вычислительной техники, как на входящем, так и на исходящем
конце соединения.
процессы, методы поиска, сбора, хранения,
обработки, предоставления, распространения информации и способы осуществления
таких процессов и методов.
комплекс технических средств и среды
распространения, который обеспечивает
передачу сигнала электросвязи в нормированной полосе частот или с нормированной скоростью передачи
часть символов цифровой структуры номера, определяющая вид услуги электросвязи
или сеть электросвязи, функционирующую
в пределах всей территории Российской
Федерации или ее части
211
Глоссарий
Код ABC географически
определяемой
зоны нумерации
Линии связи
Международный
телефонный
номер
Микропроцессорная
система
Микропроцессор
Модуляция
Мультимедийная IPподсистема
Нумерация
часть символов цифровой структуры номера, определяющая местоположение пользовательского оборудования в пределах
территории субъекта Российской Федерации
линии передачи, физические цепи и линейно-кабельные сооружения связи
телефонный номер, однозначно определяющий оконечное оборудование в пределах мировых сетей телефонной связи и состоящий из последовательного обозначения кода страны, кода зоны нумерации и
зонового телефонного номера.
функционально-законченное изделие, состоящее из микропроцессора и набора интегральных схем, применяемых в совокупности для обработки данных с использованием соответствующей информационной
технологии и алгоритмов.
цифровое вычислительное устройство обработки данных, функционирующее на
основе загружаемой программы для электронно-вычислительных машин, ЭВМ
процесс изменения параметра (параметров)
сигнала, переносящего информацию, в зависимости от параметров первичного сигнала, поступающего от источника сообщения.
комплекс функциональных элементов базовой сети подвижной связи, предназначенный для предоставления услуг на базе
протокола SIP
цифровое, буквенное, символьное обозначение или комбинации таких обозначений,
212
Глоссарий
Оператор
связи
Операционная
система
Открытый
интерфейс
Платформа
поддержки
приложений
Порт
физический
Программа
для ЭВМ,
компьютерная
программа
в том числе коды, предназначенные для
однозначного определения (идентификации) сети связи и (или) ее узловых или
оконечных элементов.
юридическое лицо или индивидуальный
предприниматель, оказывающие услуги
связи на основании соответствующей лицензии
совокупность системных программ, предназначенная для обеспечения определенного уровня эффективности системы обработки информации за счёт автоматизированного управления её работой и предоставления пользователю определенного набора услуг
общедоступный интерфейс, описание которого формируется в ходе открытого,
гласного согласительного процесса, направленного на постоянную адаптацию
новой технологии к изменяющимся условиям применения
аппаратно–программное средство, которое
преображает информацию в форму удобную для передачи по сетям связи.
аппаратное средство для реализации интерфейса (стыка), в том числе с внешней
средой, на физическом уровне. Физический порт также реализует интерфейс со
средой распространение сигнала электросвязи.
данные и команды, предназначенные для
управления конкретными компонентами
средства вычислительной техники в целях
реализации определенного алгоритма.
213
Глоссарий
Процесс
Режим реального времени
(real time
processing)
Ресурс
нумерации
Ресурс
Режим
переноса
Сервер
Сеть связи
Программа существует как объективная
форма представления совокупности данных и команд с целью получения определенного результата.
последовательность действий или процедур, необходимых для реализации той или
иной функции узла коммутации и предписанных к исполнению соответствующим
алгоритмом
режим обработки информации, при котором обеспечивается взаимодействие ВС с
внешними по отношению к нему процессами в темпе, соизмеримом со скоростью
протекания этих внешних процессов.
совокупность или часть вариантов нумерации, которые возможно использовать в сетях связи
логический (программный) или физический компонент управляющего комплекса
в совокупности с режимом обработки
данных, используемых данным ресурсом
метод транспортировки (доставки), мультиплексирования, коммутации пакетов
данных.
процессор, обеспечивающий функционирование программного продукта для предоставления услуг (сервисов) с помощью
операций одному или более клиентам
(процессорам) через сеть связи и/или сеть
Интернет
технологическая система, включающая в
себя средства и линии связи и предназначенная для электросвязи или почтовой связи
214
Глоссарий
Сеть сеть на базе пакетов, которая способна
следующего предоставлять службы (услуги) электропоколения связи и предоставлять возможность использовать несколько широкополосных
услуг, обеспечивающих качество обслуживания транспортных технологий и в которой функции, относящиеся к службам, независимы от нижележащих технологий,
относящихся к транспортировке сигнала
электросвязи.
Система интегрированный комплекс, состоящий из
управления одного или более процессов, аппаратных
устройств, программ, средств и людей,
предоставляющий возможность удовлетворить определенную потребность или
условие (стандарт IEEE 12207)
Средства технические и программные средства, иссвязи пользуемые для формирования, приема,
обработки, хранения, передачи, доставки
сообщений электросвязи или почтовых
отправлений, используемые при оказании
услуг связи или обеспечении функционирования сетей связи.
Терминал оконечное устройство сети IP-телефонии,
Н.323 обеспечивающее двухстороннюю речевую
или мультимедийную связь с другим терминалом, шлюзом или устройством управления конференциями.
Транслятор программа для перевода программ одного
языка программирования на другой.
Трафик нагрузка, создаваемая потоком вызовов,
сообщений и сигналов поступающих на
средства связи
Узел совокупность технических средств, пред-
215
Глоссарий
коммутации назначенных для обработки вызовов, по(узле связи ступающих по абонентским и соединителефонный) тельным линиям сети, для предоставления
инициаторам этих вызовов основных и дополнительных услуг связи, а также для
учета и начисления платы за услуги.
Универсаль- услуги связи, оказание которых любому
ные пользователю услугами связи на территоуслуги связи рии Российской Федерации, в заданный
срок, с установленным качеством и по доступной цене является обязательным для
операторов универсального обслуживания.
К универсальным услугам связи относятся
услуги телефонной связи и услуги по передаче данных и предоставлению доступа
к сети Интернет.
Управляющее функционально и конструктивно законустройство ченное изделие, вырабатывающее на основе поступающей информации последовательность
функциональных
сигналов
управления или программных команд
управления для целенаправленного воздействия на оборудование узла коммутации.
Услуга связи деятельность по приему, обработке, хранению, передаче, доставке сообщений электросвязи или почтовых отправлений.
Файл идентифицированная совокупность экземпляров полностью описанного в конкретной программе типа данных, находящихся
вне программы во внешней памяти и доступных программе посредством специальных операций. Расширение файла предназначено для однозначной и исчерпываю-
216
Глоссарий
Физическая
память
API
HTML
HTTP
HTTPS
SSL
Softswitch
(программный
щей идентификации типа файлового объекта с целью его обработки соответствующим программным продуктом.
аппаратная часть микропроцессорной системы, в которую могут записываться и
храниться, а при необходимости – из которой считываются данные и команды.
интерфейс программных приложений –
набор готовых классов, процедур, функций, структур и констант, предоставляемых приложением (библиотекой, сервисом) для использования во внешних программных продуктах.
стандартный язык разметки документов в
WWW (всемирной распределенной WEBсети). Все веб-страницы создаются при
помощи языка HTML. Язык HTML интерпретируется браузером и отображается в
виде документа, удобном для человека
протокол передачи данных сети Интернет,
в первую очередь в виде текстовых сообщений. Основой HTTP является технология «клиент-сервер».
расширение протокола HTTP, поддерживающее шифрование. Данные, передаваемые по протоколу HTTP, «упаковываются»
в криптографический протокол SSL, что
обеспечивает защиту данных
криптографический протокол, обеспечивающий защищённое соединение между
клиентом и сервером, безопасную передачу данных по сети Интернет.
носитель интеллектуальных возможностей
сети, который координирует управление
217
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
3 653 Кб
Теги
grebeshkov, posobie, tehnika, utshebnoe, seti, telekommunikacii, vytshislitelnaya
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа