П/з №1. Основы работы сетей связи. Устройства и функции.

1.1 Понятие системы и сети связи

Основу теории и техники электросвязи составляет передача на расстояние различного рода сообщений (информации). Под информацией понимают совокупность сведений о каких-либо предметах, событиях, процессах чьей-либо деятельности и т.д. Форма представления информации называется сообщением. Это может быть речь или музыка, рукописный или машинописный текст, чертежи, рисунки, телевизионное изображение.

Для передачи по каналам связи каждое сообщение преобразуется в электрический сигнал. Сигнал - физический процесс, отображающий передаваемое сообщение (физический носитель сообщения). Физическая величина изменением, которой обеспечивается отображение сообщений, называется информационным или представляющим параметром сигнала.

Перенос сообщений из одной точки пространства в другую осуществляет система электросвязи. Система электросвязи (телекоммуникационная система) - комплекс технических средств, обеспечивающий передачу сообщений от источника к получателю на расстояние (рисунок 1).

Система электросвязи в целом решает две задачи: 1) доставка сообщений - функции системы электросвязи; 2) формирование и распознавание сообщений - функции оконечного оборудования.

Трактом передачи называют совокупность приборов и линий, обеспечивающих передачу сообщений между пользователями.

Канал передачи (связи) - часть тракта передачи между двумя любыми точками. В канал передачи не входят оконечные устройства.

**Рисунок 1** - Структурная схема системы электросвязи (телекоммуникационной системы)

Принцип передачи сигналов электросвязи показан на рисунке 2.

**Рисунок 2** - Принцип передачи сигналов электросвязи

На входе и на выходе тракта передачи сообщений включаются оконечные устройства, обеспечивающие преобразование сообщений в электрические сигналы и обратное преобразование. Данные устройства называются первичными преобразователями и сформированные ими сигналы также называются первичными. Например, при передаче речи первичным преобразователем является микрофон, при передаче изображения - электронно-лучевая трубка, при передаче телеграммы - передающая часть телеграфного аппарата. Источник сообщения формирует сообщение \(a(t)\), которое преобразуется в электрический сигнал \(s(t)\). В системе электросвязи происходят вторичные преобразования сигналов и они транспортируются в форме, отличной от первоначальной.

Сеть электросвязи (телекоммуникационная сеть) - совокупность линий (каналов) связи коммутационных станций, оконечных устройств, на определенной территории, обеспечивающая передачу и распределение сообщений (рисунок 3).

**Рисунок 3** - Обобщенная структурная схема сети электросвязи (телекоммуникационной сети)

На входе и на выходе сети связи включаются оконечные устройства, обеспечивающие преобразование сообщений в электрические сигналы и обратное преобразование. Оконечные устройства соединяются с коммутационной станцией абонентскими линиями. Коммутационные станции между собой связаны соединительными линиями. Коммутационные станции осуществляют соединение входящих линий с исходящими линиями по соответствующему адресу.

В общем виде, сообщение, передаваемое от источника к получателю состоит из двух частей: адресной и информационной. По содержимому адресной части коммутационная станция определяет направление связи и осуществляет выбор конкретного получателя сообщения. Информационная часть содержит само сообщение.

Совокупность процедур и процессов, в результате выполнения которых обеспечивается передача сообщений, называется сеансом связи, а набор правил в соответствии, с которыми организуется сеанс связи, называется протоколом.

1.2 Этапы развития сетей

Различные виды электросвязи длительный период времени развивались независимо друг от друга. Каждый вид электросвязи ориентировался на создание своих каналов, систем передачи (СП) и сетей. Структура сети выбиралась в соответствии с особенностями распределения потоков сообщений, характерных для конкретного виды электросвязи. Некоторые отрасли промышленности и транспорта стали создавать свои сети, предназначенные для удовлетворения потребностей отрасли в передаче сообщений. Разобщенность технических средств не только не позволяла повысить эффективность совокупности сетей в масштабах страны, но и тормозила развитие обособленных сетей. Поэтому уже в начале 1960-х гг. стало ясно, что перспективным направлением развития сетей должно было стать объединение сетей. Было принято решение о создании ЕАСС (Единая автоматизированная сеть связи). ЕАСС базировалась на объединении разрозненных и многочисленных мелких сетей в общегосударственные сети каждого вида электросвязи, а затем в единую сеть с целью совместного использования определенных технических средств, и, в первую очередь, систем передачи и систем коммутации.

При создании ЕАСС было учтено, что определенные технические средства участвуют в процессе передачи независимо от вида сообщений, т. е. являются общими. В связи с этим вся сеть страны стала подразделяться на две взаимосвязанные составляющие:

первичная сеть - совокупность сетевых станций, сетевых узлов и соединяющих их линий передачи, которая позволяет организовывать сеть каналов передачи и групповых трактов;
вторичная сеть - совокупность технических средств, обеспечивающих передачу сообщений определенного вида, в состав которой входят: оконечные устройства, абонентские и соединительные линии, коммутационные станции, а также каналы, выделенные из первичной сети для образования вторичной.

Структура первичной сети учитывает административное разделение территории страны. Вся территория России поделена на зоны, совпадающие, как правило, с территорией областей, краев. В соответствии с этим первичная сеть также состоит из следующих частей:

местные первичные сети - часть сети, ограниченная территорией города или сельского района;
зоновые первичные сети - часть сети, охватывающая территорию зоны (область, край, республика), обеспечивающая соединение между собой каналов разных местных сетей внутри одной зоны;
магистральная первичная сеть - часть сети, соединяющая между собой каналы разных зоновых сетей на всей территории страны.

Структура первичной сети показана на рисунке 4.

**Рисунок 4** - Структура первичной сети

Вторичные сети подразделяются на следующие виды:

телефонные;
телеграфные;
передачи данных;
факсимильные;
телевизионного вещания;
звукового вещания.

В конце ХХ века ход развития технического прогресса, а также исторические изменения политической и экономической структуры России, предопределили формирование новой концепции построения сети связи (1992 г.) - ВСС РФ (Взаимоувязанная сеть связи РФ). ВСС РФ - это комплекс технологически сопряженных сетей электросвязи на территории РФ, объединенных общим централизованным управлением. При формировании концепции учитывалось, что ВСС РФ является составной частью Всемирной сети связи WCN (Worldwide communication network), а также общемировая практика построения национальных сетей с использованием современных телекоммуникационных технологий, цифровая сеть связи страны стала подразделяться на две взаимоувязанных составляющих:

транспортная сеть - часть сети связи, охватывающая магистральные узлы (МУ), междугородные станции (МС), а также соединяющие их каналы и узлы (междугородные, международные);
сеть доступа- совокупность абонентских линий и станций местной сети (СМС), обеспечивающая доступ абонентских терминалов к транспортной сети, а также местную связь без выхода на транспортную сеть.

18 июня 2003 года принят новый Федеральный закон «О связи», в соответствии с которым с 1 января 2004 года начался новый этап развития телекоммуникаций в России. Новый этап в развитии российских телекоммуникаций - это этап превращения российского общества на базе конвергентного объединения информатизации и телекоммуникации в электронно-информационное общество.

Сетевой основой российских телекоммуникаций определена Единая сеть электросвязи (ЕСЭ). ЕСЭ является составляющей частью Федеральной связи РФ (рисунок 5) и объединяет все сети электросвязи, расположенные на территории России. ЕСЭ предназначена для удовлетворения потребностей населения, органов государственной власти и управления, обороны, безопасности, а также хозяйствующих субъектов.

**Рисунок 5** - Федеральная связь РФ и состав ЕСЭ РФ

ЕСЭ РФ состоит из сетей следующих категорий:

1) сеть общего пользования (СОП) - предназначена для предоставления услуг электросвязи любому пользователю на территории Российской Федерации, которая представляет собой комплекс взаимодействующих сетей связи, включая сети связи для распространения программ телевизионного и радиовещания. СОП имеет присоединение к сетям общего пользования иностранных государств:

телефонные;
телеграфные;
сети передачи данных;
сети звукового вещания;
сети телевизионного вещания.

2) сеть ограниченного пользования (СОгП) - сеть, контингент которой ограничен корпоративными клиентами. СОгП делится на три вида:

технологические сети связи предназначены для обеспечения производственной деятельности организаций и управления технологическими процессами (при наличии свободных ресурсов могут быть присоединены к СОП с переводом в категорию сетей общего пользования и использованы для предоставления возмездных услуг пользователям);
выделенные сети связи предназначены для предоставления услуг ограниченному числу пользователей (такие сети могут взаимодействовать между собой, могут быть присоединены к СОП с переводом в категорию сети общего пользования, если она соответствует ее требованиям);
сети связи специального назначения предназначены для обеспечения государственного управления, обороны, безопасности и охраны правопорядка).

В целях упорядочения управления сетями, мониторинга их состояния и обеспечения их взаимодействия необходима классификация сетей по разным существенным признакам, которая позволит определить место каждой сети в системе электросвязи, выявить свойства сетей с разных точек зрения на основе системного подхода. В таблице 1 приведена классификация сетей ЕСЭ РФ.

Таблица 1 - Классификация сетей ЕСЭ РФ

Классификационный признак	Название сети
Категория	- сети общего пользования - выделенные сети - технологические сети - сети специального назначения
Функциональное назначение	- сети доступа - транспортные сети
Тип присоединяемых абонентских терминалов	- сети фиксированной связи - сети подвижной связи
Способ организации каналов	- первичные сети - вторичные сети
Территориальное деление	- международные - междугородные - зоновые - местные
Коды нумерации	- сети кода АВС (географическая система нумерации) - сети кода DEF (негеографическая система нумерации)
Устойчивость и безопасность	- магистральные сети I класса - магистральные сети II класса
Количество служб электросвязи	- моносервисные - мультисервисные
Вид коммутации	- коммутируемые - некоммутируемые
Метод коммутации	- с коммутацией каналов - с коммутацией пакетов - с коммутацией сообщений

1.3 Классы компьютерных сетей

Классификация компьютерных сетей по масштабу В зависимости от количества вовлеченных в сети устройств и пользователей, их делят на: - персональные (Personal area network, PAN); - локальные (Local area network, LAN); - городские (Metropolitan area network, MAN); - глобальные сети.

Персональные предназначены для индивидуального использования, поскольку в настоящее время у каждого человека может быть несколько личных устройств: смартфон, настольный компьютер, "умные часы", голосовой помощник и т.п. Как правило, PAN представляют собой сети с малым радиусом действия и средней или малой пропускной способностью. Назначение таких сетей - синхронизация данных между устройствами, хранение персональных и защищенных данных и т.п.

Локальные сети организуются в рамках домохозяйств, малых и средних предприятий. С их помощью пользователи получают доступ к совместным ресурсам: базам данных, распределенным файловым системам, веб-серверам и т.п. Локальные сети могут быть построены по одноранговому или иерархическому принципу (например, по технологии Active Directory от Microsoft).

Городские сети связи представлены набором технологий, позволяющих обеспечить связность телекоммуникационных устройств в рамках города. Наиболее известными реализациями таких сетей являются сети на основе технологий WiMax или сотовой сети (сети мобильной связи). Как правило сети типа MAN - беспроводные.

Сети широкого охвата (глобальные) применяются в рамках крупных сообществ: корпораций, городов, регионов, государств. Глобальные компьютерные сети, такие как Интернет, охватывают все страны Земли. Ввиду этого глобальные сети связи могут сочетать в себе проводной и беспроводной тип связи, различные среды передачи данных и включать в себя существующие сети связи.

Замечание 1

Сети, организованные на основе протокола TCP/IP, делятся на классы A, B. C, D, E в зависимости от количества машин, которые можно с их помощью объединить. IP-адрес состоит из адреса сети и адреса хоста (компьютера) в ней. Чем больше бит отведено под адреса хостов - тем крупнее сеть можно построить.

Классификация компьютерных сетей по технологии передачи информации По технологии передачи информации компьютерные сети делятся на:

кабельные: в них информация передается по металлическим проводам; в зависимости от типа кабеля могут применяться модемы, ADSL (сигнал передается по обычным проводам городской телефонной сети), коаксиальный кабель с центральной жилой и наружной оплеткой (применяется для передачи высокочастотных сигналов, например телевизионных), технология Etherhet (известна также как "витая пара" - 4-8 жил, скрученных особым образом для уменьшения помех); каждая из этих технологий характеризуется дальностью передачи сигнала: ADSL - до нескольких километров, Ethernet - до 200 метров, коаксиальный - несколько десятков метров;
оптоволоконные: сигнал передается с помощью лазерного луча по сверхтонкому стеклянному волокну, которое, благодаря особым свойствам материала, может изгибаться; свет, отражаясь многократно от внутренних стенок волокна, может преодолевать до нескольких километров, после чего его можно усилить и передать на следующий участок; оптоволокно характеризуется высокой пропускной способностью и скоростью передачи; волокна собирают в толстые кабели, по которым можно передавать сверхбольшие объемы информации между городами, странами, континентами;
WiFi, Bluetooth - передача сигналов с помощью радиопередатчиков малой мощности в разрешенных правительствами на международном уровне диапазонах волн (2,4 гигагерц); применяется в локальных сетях при дальности связи в несколько десятков метров;
спутниковые технологии: сигнал передается провайдером на спутник, откуда распространяется на приемники потребителей; от потребителей до провайдера запросы поступают по традиционным сетям: ADSL, оптоволокно и т.п.

**Рисунок 7** - Схема оптического кабеля

Замечание 2

Современные компьютерные сети являются гетерогенными с точки зрения физической среды прохождения сигнала: информация от источника к приемнику может идти по сложным маршрутам, включающим участки, построенные с применением кабельных, оптоволоконных, радиоволновых и др. технологий.

Классификация по скорости прохождения сигнала Наименьшей скоростью передачи характеризуются каналы, организованные на основе традиционных телефонных линий (модемы, ADSL). Из-за большого количества помех они способны пропускать от нескольких килобит до сотен килобит в секунду. Ethernet, WiFi, коаксиальный кабель пропускают до десятков мегабит в секунду.

Особенностью спутниковых каналов является малая скорость приема данных провайдером и высокая (десятки мегабит) скорость передачи. Наиболее скоростным и энергоэффективным способом передачи данных на сегодня является оптоволокно, позволяющее передавать информацию со скоростью, измеряющейся гигабитами в секунду.

Классификация сетей по назначению В зависимости от назначения, среди компьютерных сетей можно выделить:

сети для хранения информации (Storage area network, SAN);
сети предприятий (Enterprise private network, EPN);
виртуальные частные сети (Virtual private network, VPN).

Сети для хранения информации в настоящее время называют "облачными хранилищами". Они состоят из множества разнесенных в пространстве хостов, оснащенных емкими устройствами хранения и технологиями, позволяющими оптимизировать процесс хранения информации. Примерами могут служить такие сервисы, как Яндекс.Диск, Google Drive, Dropbox и т.п.

Сети предприятий могут частично использовать общедоступную инфраструктуру (Интернет), частично быть построены на собственных коммуникациях. В них, как правило, особое внимание уделяется иерархическому доступу к информации и ее защите. Виртуальные приватные сети строятся "поверх" обычных сетей. Передаваемая информация дополнительно шифруется и обрабатывается таким образом, что компьютер, помимо подключения к обычной сети, становится еще и участником дополнительной сети, доступ к которой получают только определенные участники, например, с помощью паролей или файлов-ключей.

Замечание 3

Следует иметь в виду, что понятие "социальные сети" не относится к классификации компьютерных сетей, поскольку такие сообщества обслуживаются обычными клиент-серверными технологиями. Слово "сеть" здесь относится к связям между людьми, а не между компьютерами

1.4 Топология сетей

Теперь поговорим о такой важной вещи, как топология. Она делится на две большие категории: физическую и логическую. Важно понимать их разницу. Физическая топология - это как сеть представлена в реальном мире. Где находятся узлы, какие сетевые промежуточные устройства используются и где они стоят, какие сетевые кабели используются, как они протянуты и в какой порт воткнуты. Логическая топология - это каким путем будут идти пакеты в нашей физической топологии. То есть физическая - это как мы расположили устройства, а логическая -- это через какие устройства будут проходить пакеты.

Рассмотрим и разберем виды топологии:

1) Топология с общей шиной (англ. Bus Topology)

Одна из первых физических топологий. Суть состояла в том, что к одному длинному кабелю подсоединяли все устройства и организовывали локальную сеть. На концах кабеля требовались терминаторы. Как правило - это было сопротивление на 50 Ом, которое использовалось для того, чтобы сигнал не отражался в кабеле. Преимущество ее было только в простоте установки. С точки зрения работоспособности была крайне неустойчивой. Если где-то в кабеле происходил разрыв, то вся сеть оставалась парализованной, до замены кабеля.

2) Кольцевая топология (англ. Ring Topology)

В данной топологии каждое устройство подключается к 2-ум соседним. Создавая, таким образом, кольцо. Здесь логика такова, что с одного конца компьютер только принимает, а с другого только отправляет. То есть, получается передача по кольцу и следующий компьютер играет роль ретранслятора сигнала. За счет этого нужда в терминаторах отпала. Соответственно, если где-то кабель повреждался, кольцо размыкалось и сеть становилась не работоспособной. Для повышения отказоустойчивости, применяют двойное кольцо, то есть в каждое устройство приходит два кабеля, а не один. Соответственно, при отказе одного кабеля, остается работать резервный.

3) Топология звезда (англ. Star Topology)

Все устройства подключаются к центральному узлу, который уже является ретранслятором. В наше время данная модель используется в локальных сетях, когда к одному коммутатору подключаются несколько устройств, и он является посредником в передаче. Здесь отказоустойчивость значительно выше, чем в предыдущих двух. При обрыве, какого-либо кабеля, выпадает из сети только одно устройство. Все остальные продолжают спокойно работать. Однако если откажет центральное звено, сеть станет неработоспособной.

4) Полносвязная топология (англ. Full-Mesh Topology)

Все устройства связаны напрямую друг с другом. То есть с каждого на каждый. Данная модель является, пожалуй, самой отказоустойчивой, так как не зависит от других. Но строить сети на такой модели сложно и дорого. Так как в сети, в которой минимум 1000 компьютеров, придется подключать 1000 кабелей на каждый компьютер.

5) Неполносвязная топология (англ. Partial-Mesh Topology)

**Рисунок 12** - Неполносвязная топология

Как правило, вариантов ее несколько. Она похожа по строению на полносвязную топологию. Однако соединение построено не с каждого на каждый, а через дополнительные узлы. То есть узел A, связан напрямую только с узлом B, а узел B связан и с узлом A, и с узлом C. Так вот, чтобы узлу A отправить сообщение узлу C, ему надо отправить сначала узлу B, а узел B в свою очередь отправит это сообщение узлу C. В принципе по этой топологии работают маршрутизаторы. Пример из домашней сети. Когда вы из дома выходите в Интернет, у вас нет прямого кабеля до всех узлов, и вы отправляете данные своему провайдеру, а он уже знает куда эти данные нужно отправить.

6) Смешанная топология (англ. Hybrid Topology)

Самая популярная топология, которая объединила все топологии выше в себя. Представляет собой древовидную структуру, которая объединяет все топологии. Одна из самых отказоустойчивых топологий, так как если у двух площадок произойдет обрыв, то парализована будет связь только между ними, а все остальные объединенные площадки будут работать безотказно. На сегодняшний день, данная топология используется во всех средних и крупных компаниях.

Контрольные вопросы:

Правила оформления:

Ответы на контрольные вопросы рекомендуется оформить в текстовом редакторе MS Word, указать в Титуле документа, Теме письма и Названии файла: группу, ФИО, номер П/З

Пример корректного названия файла: ШМС111_Иванов_И.И_пр1.docx
Ответы пронумеровать в соответсвии с нумерацией вопросов
Файл с ответами высылается на почту, предоставленную преподавателем не позднее начала следующего П/З

Что такое Система электросвязи?
Что не входит в канал передачи?
Какие устройства являются первичными преобразователями?
Что является совокупностью линий (каналов) связи коммутационных станций, оконечных устройств, на определенной территории, обеспечивающая передачу и распределение сообщений?
Из каких частей состоит первичная сеть?
Из каких категорий сетей состоит ЕСЭ РФ?
К какому типу классификаций относятся PAN сети?
На какие классы делятся сети, организованные на основе протокола TCP/IP?
В какой топологии все устройства связаны напрямую друг с другом?
Что такое логическая топология?