Введение. Предмет дисциплины «сети ЭВМ и телекоммуникации – сэит»

Предмет дисциплины «Сети ЭВМ и телекоммуникации – СЭиТ»

В СЭиТ под информацией понимают совокупность сведений о каких – либо событиях, процессах, объектах, явлениях и т.п., рассматриваемых в аспекте их передачи в пространстве и во времени.

В более общем смысле «информация» — это содержание связи между материальными объектами, проявляющаяся в изменении состояния объектов.

Нас в большей степени будут интересовать процессы передачи информации, и системы передачи информации, обеспечивающие этот процесс. В общем смысле система определяется следующим образом: система – совокупность элементов, понятий и т.д. с отношениями и связями между ними, образующих некоторую целостность и подчиненных определенному руководящему принципу.

Система передачи информации (СПИ) – комплекс устройств и программных средств, обеспечивающий передачу от источника сообщений (отправителя) к получателю.

В общем виде структурная схема СПИ может быть представлена следующим образом.

Отправитель вырабатывает сообщение, под которым понимается форма представления информации (например, речь, текст, изображение, цифровые данные). Множество возможных сообщений с их вероятностными характеристиками называются ансамблями сообщений. Если это множество x – конечно и задано распределение вероятностей Р(х) – говорят о дискретном ансамбле сообщений, обозначают .

С позиций теории информации каждый источник сообщений должен иметь вероятностное описание процесса появления сообщений на выходе, при котором можно вычислить вероятность любого слова, предложения и т.д. (для чего нужно знать корреляционные связи).

Дискретный ансамбль, элементами которого являются действительные числа, задает дискретную случайную величину Х.

Мат. ожидание дискретной случайной величины Х:

М(Х) =

Если Х – центрирована, Мх = 0

Мх² – второй начальный момент

М[Х - М(Х)]² – второй центральный момент или дисперсия

= М(Х - Мх)² = = Мх² - (Мх)²

Мера информации, передаваемой источником основана на понятии энтропии.

Н(х) = –

Величина Н(х) характеризует производительность источника, генерирующего значения случайной величины Х

Информация, получаемая от источника, в теории информации представляет собой неопределенность, снимаемую при получении сообщений.

Количество информации J = k*H(x) равняется произведению общего числа полученных сообщений k на среднюю информацию, приходящую на 1 сообщение то есть Н(х)

Часто на практике мы имеем дело с непрерывными источниками сообщений.

Пара , где х числовая ось возможных значений сообщений, а w(x) – функция плотности вероятностей на х, задающая вероятность на всей числовой оси по формуле P(a,b) = называется непрерывным ансамблем, задаваемым функцией плотности w(x).

Отличие этого определения от определения дискретного ансамбля состоит в том, что здесь вероятностная мера задается не на элементах ансамбля, а на интервалах. Это связано с тем, что каждый отдельный элемент ансамбля может иметь вероятность 0.

Производительность источника, генерирующего непрерывную случайную величину х –энтропию источника

H(x) = H₁(x) - log( x),

где H₁(x) = - -- дифференциальная энтропия источника,

x – точность задания величины х.

Источник (отправитель) и получатель – это абоненты, ими могут быть как люди так и технические устройства, которые накапливают, хранят, регистрируют, преобразуют, принимают информацию.

Управляемый источник передает информацию в разрешенные моменты времени, неуправляемый – в случайные.

При передаче сообщений от известного источника, речь идет чаще о стационарных сообщениях, более того сообщениях эргодических, т.е. таких стационарных сообщениях, у которых моменты различных порядков, характеризующие случайный процесс передачи сообщения, могут быть определены не по ансамблю реализаций процесса, а лишь по одной временной реализации.

Блок обработки передаваемых данных преобразует передаваемое сообщение в сигнал. Сигнал – это изменяющаяся физическая величина, отображающая сообщение. Для преобразования сообщения в сигнал используются физические процессы, обладающие свойствами перемещения в пространстве, так называемые переносчики информации.

Функции блока обработки передаваемых данных:

– преобразование сообщения в сигнал.

– преобразование непрерывных сообщений в дискретные и обратно.

– импульсно – кодовое преобразование – цифровое кодирование информации.

– кодирование информации с целью устранения избыточности – повышение скорости передачи.

– помехоустойчивое кодирование.

– кодирование с целью повышения секретности.

– объединение или разделение на блоки, передаваемые по каналу.

– введение необходимой служебной информации.

В нашем случае для СПИ практически всегда в качестве сигналов используются электромагнитные колебания – электрические сигналы.Предметом нашего курса будет изучение процессов, которые имеют место при передаче информации на расстояние посредством электрических сигналов. По структуре как сообщения так и сигналы делятся на дискретные и непрерывные.

Непрерывные сигналы характеризуются тем, что два нетождественных сигнала могут отличаться друг от друга сколь угодно мало. К непрерывным сообщениям и сигналам относятся речь, музыка, телеметрический сигнал телеуправления, передающий сообщения о плавно изменяющихся величинах.

Дискретные сигналы представляются последовательностью из конечного числа отдельных резко отличимых элементов, между которыми нет промежуточных значений. К ним относятся, например, буквенный или цифровой текст, телеграфные или телекодовые сигналы.

В некоторых источниках различают:

а) непрерывные сигналы непрерывного времени – аналоговые

б) непрерывные сигналы дискретного времени

в) дискретные сигналы непрерывного времени

г) дискретные сигналы дискретного времени – дискретные

Сигналы групп а), б), в) – в соответствии с определением будем считать непрерывными.

При определенных ограничениях непрерывные сигналы можно преобразовать в дискретные и наоборот. По ряду причин наибольшее распространение нашли СПИ, где сообщения на выходе источника передаются в дискретной форме, которая путем кодирования преобразуется в цифровую, удобную для обработке с помощью вычислительных средств – такая форма представления информации называется данными.

УПС – устройство преобразования сигнала осуществляет его преобразование в другой сигнал, наиболее согласованный с характеристиками канала. Это преобразование осуществляется как правило посредством модуляции – изменения параметров переносчика сигнала в соответствии с некоторой функцией, отображающей передаваемое сообщение.

В канале связи сигнал подвергается различным воздействиям внешней по отношению к СПИ среды – помехам .Демодуляция приемника обеспечивает преобразование непрерывного сигнала из канала связи в исходный, передаваемый на модулятор (как правило, дискретный сигнал). По каналу информация передается как правило с помощью аналоговых (непрерывных) сигналов переносчиков. Поэтому и канал называется непрерывным. Его характеристики – остаточное затухание, АЧХ, ФЧХ, уровень помех, перерывы и т.д.

Совокупность непрерывного канала с включенными на входе и выходе УПС называют дискретным незащищенным (НК) каналом передачи данных, а объединение НК с УЗО (устройствами защиты от ошибок)—защищенным каналом передачи данных (ЗК).

Характеристики достоверности передачи данных НК – коэффициент ошибок по элементам, ЗК – коэффициент ошибок по кодовым комбинациям.

Совокупность канала связи, источника и получателя информации, характеризующаяся данными способами преобразования передаваемого сообщения и его восстановления по принятому сигналу образует систему связи.

Системы связи находят в настоящее время широкое применение в различных сферах жизнедеятельности человека. Система связи, обеспечивающая независимую передачу сообщений между несколькими абонентами (источниками и получателями), подключенными к общей линии связи, называется многоканальной. Из определения становится понятным разница понятий – канал связи и линия связи. В системах связи стоимость линий связи часто является определяющей по отношению к общей стоимости системы.

По режиму использования линии связи различают симплексные, дуплексные и полудуплексные системы связи. Система связи называется симплексной, если сигналы передаются по каналу связи в каждый момент времени только в одном направлении. При полудуплексном режиме использования канала связи возможны встречные, но разнесенные по времени потоки информации между абонентами, а при дуплексном режиме возможны встречные, совмещенные по времени потоки информации. В дуплексной системе связи всегда имеется два канала прямой и обратный. (например, рассматриваемая выше структурная схема СПИ).

Система связи является необходимой, а по стоимости часто преобладающей компонентой системы телеобработки данных (СТД).

Система обработки данных (СОД) – совокупность технических средств и программного обеспечения, предназначенных для информационного обслуживания пользователя или (и) технических средств.

В свою очередь системы телеобработки данных – это СОД, предназначенные для обработки данных, передаваемых по каналам связи.

Структура СТД представлена ниже.

Здесь КТС ОП – коммутирующая телеграфная сеть общего пользования,

Т- терминалы, МПД- мультиплексор передачи данных, М- модемы,

ПТД- процессор телеобработки данных.

Развитие СТД привело к появлению сетей ЭВМ, представляющих собой системы включающие ЭВМ, объединенные с помощью сети связи (сети передачи данных).

Здесь КСД ОП – коммутационная сеть данных общего пользования,

ЛВС- локальные вычислительные сети, РС- персональные компьютеры,

WS- рабочая станция.

Тема 1: Системотехнический метод проектирования СПИ.

Цель: Ознакомление с основными характеристиками и методологией проектирования СПИ.Обоснование плана изложения материала курса.

В настоящее время разработчиками при проектировании любой сложной системы применяется так называемый системотехнический подход. Знание принципов проектирования на основе системного подхода тем более актуально для будущих инженеров - системотехников специальностей 2201, 2202.

Основной принцип системотехнического подхода - представление системы как совокупности всех её частей в тесной связи с окружающей средой и взаимообусловленности всех свойств системы, таких как производительность, надёжность и стоимость.

Системотехнический (короче-системный) подход исходит прежде всего из тех целей и задач, которые должна решать система, как составная часть более сложной системы. Системный подход возможен только при определении цели поведения системы, критериев эффективности, определения стратегии управления, построения модели системы и наконец разработки системы в целом с учётом различных подсистем, входящих в её состав.

Структурная схема системного подхода при проектировании СПИ.

I Этап макропроектирования отвечает на вопрос: для чего и зачем строится данная система. Он предполагает выбор целей, критериев оценки, моделей и стратегии управлении. Элементы этапа складываются из анализа системы и окружающей среды. Мы в нашем курсе большее внимание уделим именно этому этапу.

II Этап микропроектирования отвечает на вопрос: как и какими средствами строится данная система. На этом этапе производится разработка ситемы.

Рассмотрим последовательность этапов для системного подхода при проектированииСПИ.

1. Построение системы начинается с определения цели. Очевидно, что основной целью СПИ является передача заданных объёмов информации по выбранным адресам с заданной вероятностью и требуемым быстродействием. Эта в общем достаточно чёткая постановка задачи однако допускает множество путей решения.

2. Поэтому существенной частью при системном подходе к проектированию является выбор критериев для сравнения способов реализации и путей решения. Итак на втором этапе определяются критерии качества функционирования системы.

Как правило основными характеристиками СПИ являются:

Эффективность - способность той или иной системы к выполнению поставленных задач в заданных условиях. Как правило вводится несколько критериев эффективности, например скорость.

Помехоустойчивость - способность системы противостоять вредному влиянию помех. Количественная мера помехоустойчивости - точность воспроизведения сообщений в месте приёма.

3. Определяются исходные данные, которые получают на основе анализа источника сообщений, анализа имеющихся возможностей по передаче информации в отношении линий связи (каналообразующей аппаратуры), анализа возможностей приобретения и размещения технических средств на определённой территории. На основании анализа мы получаем некоторые количественные, либо качественные данные, которые позволяют перейти к построению модели системы.

4. Построение модели СПИ включает в себя построение модели внешней среды, куда входят построение моделей:

n источника сообщений;

n источников ошибок в каналах связей;

n модель отказов аппаратуры.

5. Строится модель системы передачи информации в канале.

6. Определяется стратегия управления информационными потоками.

7. Формируются основные принципы построения системы.

На этом заканчивается этап макропроектирования.

8. Определение состава математического обеспечения. Сюда входит использование известного математического обеспечения, а также разработка специального математического обеспечения.

9. Определяется состав технического обеспечения, то есть определяется перечень технических средств, из которых комплектуется система.

10. Оценивается размещение технических средств по отдельным подсистемам, определяются такие подсистемы, определяются структура каждой. Существенным здесь является выбор структуры линии связи.

11. Выбор технических и программных средств обеспечения верности передачи информации в канале.

12. Расчёт технических средств по вероятностно-временным показателям качества.

13. Используемое математическое обеспечение должно быть доведено до программы. Программы отлажены.

При выборе решения на каждом этапе необходимо производить их сравнение на основе выбранных критериев эффективности.

Некоторые из них рассматриваются далее.