Технологии передачи информации в SAN. Новые технологии передачи информации Технологии передачи данных и информации

Локальные и глобальные компьютерные сети и технологии их использования в обучении школьников

Современная система общего среднего образования, все входящие в нее учебные направления, так или иначе, нацелены на формирование у школьников умений работать с информацией. Неслучайно в большинстве государственных программ, определяющих приоритетные направления развития образования в Российской Федерации, особое внимание уделяется формированию общеучебных и общекультурных навыков работы учащихся с информацией и средствами ее обработки, что становится основным стержнем профессиональной деятельности выпускников учебных заведений в условиях информационного общества, необходимым компонентом информационной культуры. В свою очередь, стремление к формированию информационной культуры у будущих выпускников приводит к ориентации общего образования на приобретение учащимися знаний о телекоммуникациях и средствах массовой информации, использование средств телекоммуникаций для приобретения различных знаний и творческого самовыражения, оценку достоверности информации, развитие критического мышления, соотнесение информации и знания, умение правильно организовать информационный процесс, оценить и обеспечить информационную безопасность.
Телекоммуникационные системы имеют первостепенное значение не только в системе общего среднего образования, а играют основополагающую роль практически во всех сферах жизни общества. На уровне развития телекоммуникационного информационного пространства наиболее существенный отпечаток накладывают уровень развития первичных сетей связи и уровень развития сетевых информационных технологий, которые по праву можно рассматривать в качестве технологий передачи информации .
Под сетью связи понимают совокупность проводных, радио-, оптических и иных каналов связи, специализированной каналообразующей аппаратуры, а также центров и узлов связи, обеспечивающих функционирование данной сети. Практически во всех современных сетях связи, используемых при создании информационных телекоммуникационных систем, одновременно присутствуют и работают совместно несколько различных по своим характеристикам участков сети. Эти обстоятельства в значительной степени определяют стратегию и тактику создания и использования сетевых информационных технологий.
Сетевые информационные технологии развивались одновременно с развитием каналов связи. В начале прошлого века основу телеграфных и телефонных сетей связи составляли аналоговые проводные и радиоканалы электросвязи, которые затем с развитием микроэлектроники стали все больше заменяться цифровыми волоконно-оптическими линиями связи, обладающими существенно более высокими характеристиками по качеству и скорости передачи информации. Возникло понятие телекоммуникационные технологии, которое объединяет способы рациональной организации работы телекоммуникационных систем.
Телекоммуникационные системы, используемые сегодня в системе общего среднего образования, как правило, основаны на различных соединениях компьютеров между собой. Связанные между собой компьютеры можно рассматривать с разных точек зрения. С одной стороны, объединение компьютеров - это компьютерная сеть . С другой стороны, - это средство передачи информации в пространстве, средство организации общения людей. Именно благодаря этому свойству компьютерные сети все чаще называют телекоммуникационными сетями, подчеркивая, тем самым, их предназначение, а не особенности их устройства.
Различают

· локальные и глобальные телекоммуникационные сети. Как правило, локальной называют сеть, связывающую компьютеры, находящиеся в одном здании, одной организации, в пределах района, города, страны. Иными словами чаще всего локальной является сеть, ограниченная в пространстве. Локальные сети распространены в сфере образования. Большинство школ и других учебных заведений имеет компьютеры, связанные в локальную сеть. В тоже время современные технологии позволяют связывать отдельные компьютеры, находящиеся не только в разных помещениях или зданиях, но находящиеся на разных континентах. Неслучайно можно встретить учебные заведения, имеющие филиалы в разных странах, компьютеры которых объединены в локальные сети. Более того, локальные сети могут объединять и компьютеры разных учебных заведений, что позволяет говорить о существовании локальных сетей сферы образования.
В отличие от локальных, глобальные сети не имеют пространственных ограничений. К глобальной сети может быть подключен любой компьютер. Любой человек может получить доступ к информации, размещенной в этой сети. Наиболее известным примером глобальной телекоммуникационной сети является сеть Интернет (INTERNET), доступ к которой появляется у всё большего числа средних школ. Интернет не является единственной глобальной телекоммуникационной сетью. Существуют и другие, такие как сеть FIDO или сеть SPRINT.
Таким образом, большинство школ и других учебных заведений системы общего среднего образования обладают как локальными сетями, так и возможностью использования глобальных сетей.
При всем многообразии информационных и телекоммуникационных технологий, а также способов организации данных при их пересылке по каналам связи всемирная информационная компьютерная сеть Интернет занимает центральное место. Более того, на сегодняшний день, это практически единственная глобальная телекоммуникационная сеть, повсеместно используемая в системе общего среднего образования. Этому во многом способствуют высокая скорость и надежность передачи через Интернет данных различных форматов (текст, графические изображения, звук, видео и пр.). Сеть Интернет предоставляет возможность коллективного доступа к учебным материалам, которые могут быть представлены как в виде простейших учебников (электронных текстов), так и в виде сложных интерактивных систем, компьютерных моделей, виртуальных учебных сред и т.д.
Количество пользователей и источников информации сети Интернет непрерывно увеличивается. Кроме того, происходит постоянное улучшение качества предоставляемых телекоммуникационных услуг. Благодаря этому, высококачественный доступ к Интернет получают не только предприятия и организации, работающие в экономической и других сферах, но и учреждения общего среднего образования.
Современный Интернет характеризуется наличием серьезной проблемы организации глобального поиска информации. Разработаны, так называемые, поисковые системы, которые по нужному слову или сочетанию слов находят ссылки на те страницы в сети, в которых представлено это слово или сочетание. Вместе с тем, несмотря на наличие существующих поисковых систем, пользователю приходится тратить большое количество времени как на процесс поиска информации, так и на обработку и систематизацию полученных данных.
В образовании данная проблема ощущается особенно остро: образовательные информационные ресурсы если и представлены в сети, то, как правило, представлены несистемно. Отсутствие системного подхода к размещению подобных ресурсов, а также отсутствие единообразия в решении психолого-педагогических, технологических, эстетических, эргономических и ряда других проблем при разработке и эксплуатации образовательных ресурсов сети Интернет приводит к практическому неиспользованию преимуществ телекоммуникационных средств в целях повышения качества образовательного процесса.
Наиболее распространенной коммуникационной технологией и соответствующим сервисом в компьютерных сетях стала технология компьютерного способа пересылки и обработки информационных сообщений, обеспечивающая оперативную связь между людьми. Электронная почта (E-mail) - система для хранения и пересылки сообщений между людьми, имеющими доступ к компьютерной сети. Посредством электронной почты можно передавать по компьютерным сетям любую информацию (текстовые документов, изображения, цифровые данные, звукозаписи и т.д.). Такая сервисная служба реализует:

редактирование документов перед передачей,
хранение документов и сообщений,
пересылку корреспонденции,
проверку и исправление ошибок, возникающих при передаче,
выдачу подтверждения о получении корреспонденции адресатом,
получение и хранение информации,
просмотр полученной корреспонденции.

Электронная почта может быть использована для общения участников учебного процесса и пересылки учебно-методических материалов. Важным свойством электронной почты, привлекательным для общего среднего образования, является возможность реализации асинхронного обмена информацией. Чтобы использовать электронную почту, достаточно освоить несколько команд почтового клиента для отправки, приема и обработки информации. Заметим, что при коммуникации посредством электронной почты возникает больше психолого-педагогических проблем, чем технических. Дело в том, что при непосредственном человеческом общении информация передается не только с помощью речи, здесь включаются иные формы коммуникации: мимика, жесты и т.д. Конечно, для передачи эмоций при переписке можно использовать "смайлики", но это не решает проблему обезличивания общения. Тем не менее, переход к письменной речи воспитывает такие положительные черты, как точность, краткость выражения мысли и аккуратность.

Электронная почта может использоваться педагогами для консультации, отправки контрольных работ и профессионального общения с коллегами. Целесообразно также ее использование для проведения электронного занятия в асинхронном режиме, когда обучающимся предварительно пересылается текст занятия в электронном виде, выдержки из рекомендованной литературы и другие учебные материалы, а затем проводятся консультации по электронной почте.
Отличительной особенностью и удобством электронной почты является возможность рассылать одно и то же сообщение сразу большому числу адресатов.
Подобный принцип рассылки используется другой службой сети Интернет под названием списки рассылки . Данный сервис работает в режиме подписки. Подписавшись на список рассылки, абонент с определенной периодичностью получает на свой почтовый ящик подборку электронных сообщений по выбранной теме. Списки рассылки выполняют в сети Интернет функции периодических изданий.
В системе общего образования с помощью списков рассылки можно организовать так называемые "виртуальные учебные классы" . В созданной учебной группе школьников объясняются правила и способы подписки, и она приступает к работе. Каждое сообщение, адресованное группе любым ее участником, автоматически рассылается всем членом группы. Одним из участников такой группы может быть учитель.
Основными дидактическими возможностями использования списков рассылки являются автоматическая рассылка учебно-методических материалов и организация виртуальных учебных классов.
Другим популярным сервисом, предоставляемым современными телекоммуникационными сетями и реализующим обмен информацией между людьми, объединенными общими интересами, являются телеконференции.
Телеконференция представляет собой сетевой форум, организованный для ведения дискуссии и обмена новостями по определенной тематике.
Телеконференция позволяют публиковать сообщения по интересам на специальных компьютерах в сети. Сообщения можно читать, подключившись к компьютеру и выбрав тему для дискуссии. Далее, по желанию, возможен ответ автору статьи или отправка собственного сообщения. Таким образом, организовывается сетевая дискуссия, носящая новостной характер, поскольку сообщения хранятся небольшой период времени.
Наличие аудио- и видеооборудования (микрофон, цифровая видеокамера и др.), подключенного к компьютеру, позволяет организовать компьютерные аудио и видеоконференции, все более широко распространяемые в системе общего среднего образования.
В отличие от списков рассылки, основанных на применении электронной почты, некоторые телеконференции и группы новостей работают в режиме реального времени. Разница заключается в том, что в случае со списком рассылки обмен информацией осуществляется в режиме off-line путем автоматической рассылки электронных писем. Сервер новостей публикует все сообщения на общей доске немедленно, и сохраняет их в течение некоторого времени. Таким образом, телеконференции позволяют организовать дискуссию как в режиме on-line, так и в отложенном режиме. При организации учебных занятий целесообразно использование групп новостей, модерируемых учителем.
С развитием технических средств компьютерных сетей увеличивается скорость передачи данных. Это позволяет пользователям, подключенным к сети, не только обмениваться текстовыми сообщениями, но и передавать на значительное расстояние звук и видеоизображение. Одним из представителей программ, реализующих общение через сеть, является программа NetMeeting, входящая в состав комплекта Internet Explorer. MS NetMeeting является средством информатизации, реализующим возможности прямой связи через Интернет.
Следует отметить, что для реализации звуковой связи необходимо соответствующее техническое оборудование: звуковая карта, микрофон и акустические системы. Для передачи видеоизображения нужно видеоплата и камера, или только камера, поддерживающая стандарт Video for Windows.
Основными направления использования MS NetMeeting в учебном процессе являются:

организация виртуальных учебных занятий и консультаций в реальном режиме времени, включая голосовое общение и передачу видеоизображений участников;
обмен информацией в текстовом и графическом режиме;
организация совместной работы с учебной информацией в режиме on-line;
пересылка учебно-методической информации в виде файлов в реальном режиме времени.

Одной из важнейших телекоммуникационных технологий является распределенная обработка данных . В этом случае персональные компьютеры используются на местах возникновения и применения информации. Если они соединены каналами связи, то это дает возможность распределить их ресурсы по отдельным функциональным сферам деятельности и изменить технологию обработки данных в направлении децентрализации.
В наиболее сложных системах распределенной обработки данных осуществляется подключение к различным информационным службам и системам общего назначения (службам новостей, национальным и глобальным информационно-поисковым системам, базам данных и банкам знаний и т.д.).
Чрезвычайно важным для общего среднего образования сервисом, реализованным в компьютерных сетях, является автоматизированный поиск информации . Используя специализированные средства - информационно-поисковые системы, можно в кратчайшие сроки найти интересующие сведения в мировых информационных источниках.
Основными дидактическими целями использования подобных ресурсов, получаемых по телекоммуникационным каналам, в обучении школьников являются сообщение сведений, формирование и закрепление знаний, формирование и совершенствование умений и навыков, контроль усвоения и обобщение.
Использование имеющихся на сегодняшний день образовательных информационных ресурсов, большинство из которых опубликовано в сети Интернет, позволяет:

организовать разнообразные формы деятельности школьников по самостоятельному извлечению и представлению знаний;
" применять весь спектр возможностей современных информационных и телекоммуникационных технологий в процессе выполнения разнообразных видов учебной деятельности, в том числе, таких как регистрация, сбор, хранение, обработка информации, интерактивный диалог, моделирование объектов, явлений, процессов, функционирование лабораторий (виртуальных, с удаленным доступом к реальному оборудованию) и др.;
использовать в учебном процессе возможности технологий мультимедиа, гипертекстовых и гипермедиа систем;
диагностировать интеллектуальные возможности школьников, а также уровень их знаний, умений, навыков, уровень подготовки к конкретному занятию;
управлять обучением, автоматизировать процессы контроля результатов учебной деятельности, тренировки, тестирования, генерировать задания в зависимости от интеллектуального уровня конкретного обучаемого, уровня его знаний, умений, навыков, особенностей его мотивации;
создавать условия для осуществления самостоятельной учебной деятельности школьников, для самообучения, саморазвития, самосовершенствования, самообразования, самореализации;
работать в современных телекоммуникационных средах, обеспечить управление информационными потоками.

Таким образом, компьютерные телекоммуникации - это не только мощное средство обучения, позволяющее обучать работе с информацией, но, с другой стороны, компьютерные телекоммуникации - это особая среда общения людей друг с другом, среда интерактивного взаимодействия представителей различных национальных, возрастных, профессиональных и других групп пользователей независимо от их места нахождения.
К сожалению, многие существующие методики эффективного использования телекоммуникационных технологий в процессе обучения школьников до сих пор не в полной мере используются учителями. Современный учитель должен помимо умения работать с новейшими компьютерными технологиями иметь представление о возможных способах их использования в учебном процессе. Опыт теоретического и практического освоения учителями различных методик использования телекоммуникационных технологий в процессе обучения мог бы стать основой для повышения эффективности и качества обучения, формирования и дальнейшего совершенствования своего профессионального мастерства.

Мы рассматривали историю развития компьютерных сетей. Рассмотрели все важные этапы становления сети Интернет и общие принципы ее работы.

Сегодняшняя наша тема будет называться: технологии передачи данных в сетях . Естественно, прежде всего, - компьютерных. В рамках данной статьи мы также рассмотрим основные средства передачи данных (понятия физических и логических интерфейсов), разберем основные технологии кодирования сигнала при его передаче, характеристики линий связи, а также - механизмы защиты от потерь.

Итак! Для чего существует сеть? Правильно, - для передачи по ней данных (информации). А как передается (распространяется) эта самая информация? Правильно, - через определенную среду передачи (кабельную инфраструктуру или - в диапазоне беспроводной связи).

Технологии передачи данных в своей работе используют (в зависимости от конкретной их реализации) различные физические интерфейсы.

Примечание: интерфейс это - физическая (или логическая) граница при взаимодействии нескольких независимых объектов - своеобразная прослойка между ними.

Интерфейсы делятся на две категории:

физические интерфейсы
интерфейсы логические

Физический интерфейс это - конечный порт подключения (разъем с группой электрических контактов). Например - интерфейс . А пара портов , соединенная с помощью разъемов и кабеля называется линией (каналом) передачи данных.

Логический интерфейс - это набор правил (протокол), который определяет саму логику обмена данными между связанными линией (сетью) устройствами.

Организация передачи данных в компьютерной сети происходит в тесном взаимодействии этих двух интерфейсов: физический компонент (сетевая карта) и логический (ее драйвер).

Обязательным условием для успешной реализации любой из технологий передачи данных является присутствие в потоке данных дополнительного компонента - протокола передачи .

Протокол передачи на логическом уровне представляет собой набор правил, которые определяют обмен данными между различными приложениями или устройствами. Эти правила задают единый способ передачи сообщений и обработки ошибок передачи. На физическом уровне протокол это - набор служебных данных, прикрепляющихся к основным пакетам (кадрам) информации, без которых просто невозможно эффективное взаимодействие в сети.

Протокол должен абстрагироваться (игнорировать) конкретную среду передачи, его задача - обеспечивать надежную связь между узлами в коммутационном облаке .

Давайте рассмотрим сам процесс организации передачи данных более подробно!

Сначала происходит вот что: приложение (программа) обращается к ОС за разрешением для сетевого взаимодействия с другим устройством (принтером, удаленным компьютером, камерой наблюдения и т.д.) Операционная система дает команду драйверу сетевой карты, который загружает в буфер карты первую порцию данных и инициирует работу интерфейса на передачу

На другом конце линии (сети) удаленное устройство принимает в буфер своей сетевой карты поступающие данные. После окончания передачи протокол проверяет нет ли в передаваемых частях (пакетах) данных ошибок (если надо запрашивает их повторную передачу) и загружает принятые данные из буфера карты в заранее зарезервированное пространство оперативной памяти. Оттуда уже конечное приложение (программа) извлекает информацию и работает с ней.

Вот - схемка, для наглядности (кликабельно):

На основании всего сказано выше, можно сделать такой вывод: технологии построения сети сводятся к тому, чтобы связать между собой удаленные устройства электрически и информационно! Т.е. - создать физическую среду передачи (кабель, беспроводная связь) и обеспечить общий протокол передачи данных по сети.

Клиент это - модуль (программа, служба, отдельный компьютер), служащий для формирования и передачи сообщений (запросов) к ресурсам удаленного устройства (серверу), с последующим приемом результатов от него и передачей их соответствующим приложениям на клиенте.

Сервер это - модуль (программа, служба...), который постоянно ожидает прихода из сети запросов от клиентов и обслуживающий (с участием локальной ОС) эти запросы.

Один сервер может обслуживать сразу множество клиентов.. Вот - еще пример: база данных, с которой работают клиенты. На них установлены клиентские модули программ, которые подключаются к базе и поддерживают только графический интерфейс работы с ней. Все вычисления и обработка, при этом, происходят на сервере и с использованием его ресурсов.

Познакомимся еще с одним определением! Клиент-серверная составляющая, которая предоставляет доступ к какому-то ресурсу компьютера через сеть называется сетевой службой . Причем, каждая служба связана с определенным типом сетевых ресурсов.

Например: служба печати позволяет нам распечатывать документы на сетевом принтере, а файловая служба - получать доступ к данным, находящимся на удаленных компьютерах. Для серфинга по Интернету есть своя веб-служба, которая состоит из серверной части (веб-сервера) и клиентской (веб-браузера) пользователя (IE, Opera, Firefox и т.д.)

В свете всего сказанного выше, технологии передачи данных должны опираться не просто на операционные системы, а на сетевые ОС, которые предоставляют пользователю доступ к информационным и аппаратным ресурсам других компьютеров. Причем эти операционные системы, согласно изложенным выше определениям, также делятся на два больших класса: серверные и клиентские ОС.

Клиентские системы обращаются, в основном, с запросами к серверным компонентам других компьютеров а серверные компоненты серверной ОС предоставляют эти услуги. Конечно, на данный момент, практически любая современная ОС способна выполнять как роль клиента, так и сервера. Серверные системы просто изначально созданы из расчета обслуживания ими максимального количества обращений и обладают лучшей отказоустойчивостью (надежностью).

Вот, к примеру, какая "игрушка" стоит у нас в серверной:

Но о ней - в другой раз:)

Давайте теперь с Вами поговорим вот о чем: современные (цифровые) технологии передачи сигнала связаны с его преобразованием (кодированием). Зачем нам это нужно? На то есть несколько причин:

Предотвращение ошибок передачи данных (за счет уверенного распознавания сигнала принимающей стороной)
Данные передаются быстрее (за счет более высокой плотности полезной информации в потоке)

Как видите, это - уже две весьма веские причины для того, чтобы уделить методам кодирования должное внимание:)

На фото ниже представлено два сигнала: аналоговый (красная линия) и цифровой (черные "ступеньки")

В данном случае аналоговая последовательность была оцифрована (дискретизирована) с определенной частотой. Чем выше будет частота дискритизации, тем меньший шаг будут иметь наши "ступеньки" и тем более похож будет оцифрованный сигнал на исходный (красный).

Похожие процессы происходят и при дискретизации (оцифровке) нашего голоса, снимаемого со входа микрофона .

В вычислительной технике используется двоичный код . Внутри компьютера это эквивалентно двум состояниям: наличию и отсутствию электрического напряжения (логический «ноль» или «единица»). Здесь - все просто: есть ток - "единица", нету - "ноль".

Современные технологии передачи данных позволяют производить кодирование сигнала и другими (более эффективными) способами. Но прежде, - еще одна небольшая классификация. По способу реализации процедура делится на:

Физическое кодирование сигнала
и - логическое (на более высоком уровне - поверх физического)

Давайте сначала обзорно рассмотрим первый пункт. Есть, к примеру, потенциальный способ кодирования , при котором единице соответствует один уровень напряжения (один потенциал), а нулю - другой. А при импульсном способе , для представления цифр используются импульсы разной полярности.

Для технологии кодирования определенная проблема при передаче данных состоит в том, что внешние (по отношению к самому компьютеру) линии передачи данных могут быть растянуты на большие расстояния и подвержены воздействию различных помех и наводок. Это приводит к искажению эталонных прямоугольных импульсов передачи сигнала и нужны новые (надежные) алгоритмы его кодирования и передачи.

В вычислительных сетях применяется как потенциальное , так и импульсное кодирование. Также применяется и такой способ передачи данных, как модуляция .

При модуляции дискретные данные передаются с помощью синусоидального сигнала той частоты, которую хорошо передает имеющаяся в распоряжении линия связи.

Первые два варианта преобразования применяются для линий высокого качества, а модуляция используется в каналах с сильными искажениями сигнала. Модуляция, к примеру, используется в глобальных сетях при передаче трафика через аналоговые телефонные каналы связи, которые были разработаны специально для передачи голоса (аналоговой составляющей) и поэтому плохо подходят для передачи цифровых импульсов.

На сам способ передачи оказывает влияние и такая вещь, как количество проводников (жил) в линиях связи. Для снижения их стоимости количество проводов, зачастую, снижается. При такой технологии передача данных осуществляется последовательно, а не параллельно (как это принято для линий связи внутри компьютера).

К способам кодирования на физическом уровне относятся такие алгоритмы, как NRZ (Non Return Zero), Манчестерский код (Manchester ), MLT-3 (Multi Level Transmission) и ряд других. Не вижу особого смысла останавливаться на них подробно, если будет интересно - Вы всегда сможете почитать о них в Интернете. Короче, я - отмазался! :)

Давайте пару слов скажем и о логическом кодировании. Как можно понять из названия, оно осуществляется по верху физического (накладываясь на него) и служит для обеспечения дополнительной надежности при передаче данных. Каким же образом?

Например: если характер передаваемого сигнала долгое время не изменяется (при передаче длинных последовательностей логических нулей или единиц) приемник может ошибиться при считывании очередного бита информации. Он просто не сможет разложить общий поток данных на отдельные составляющие и, как следствие, - правильно собрать в своем буфере из них исходную структуру.

Логическое кодирование (которому подвергается исходная последовательность данных) внедряет в длинные последовательности бит свои биты с противоположным значением, или - вообще заменяет их другими последовательностями. Кроме того, оно позволяет улучшить спектральные характеристики сигнала, в целом - упростить его расшифровку, а кроме того - передавать в общем потоке дополнительные служебные сигналы управления.

В основном, для логического преобразования применяются три технологии:

вставка бит (bit stuffing)
избыточное кодирование
скремблирование

Также - не останавливаюсь отдельно (чтобы не занудить) :) основную идею Вы, надеюсь, уловили!

Коротко отчитаюсь следующим скриншотом:

На нем Вы можете видеть, как выглядит один и тот же сигнал, при наложении на него различных алгоритмов:

Технологии передачи данных имеют еще ряд проблем, с которыми приходится бороться. И одна из них - проблема взаимной синхронизации передатчика одного компьютера и приемника другого. Согласитесь, что сложно будет разобраться в потоке данных, если два устройства начнут генерировать его одновременно "навстречу" друг другу. Начнется бардак! :)

Проблема же синхронизации удаленных компьютеров может решаться разными способами: путем обмена специальными тактовыми синхроимпульсами или же - передачей служебных данных, не имеющих отношения к основному потоку информации. Один из стандартных приемов, служащий для повышения надежности передачи это - подсчет контрольной суммы каждого байта (блока байтов) и передача этого значения принимающей стороне.

Примечание: контрольная сумма это - некоторое значение, рассчитанное путем "наложения" на данные определённого алгоритма и используемое для проверки их целостности при передаче. Контрольные суммы могут использоваться для быстрого сравнения двух наборов данных на их идентичность. Отличающиеся данные будут иметь разные контрольные суммы..

Еще одна технология подтверждения целостности данных это - обмен между взаимодействующими устройствами служебными сигналами-квитанциями , подтверждающими правильность приема. Зачастую эта функция по умолчанию включается в сам протокол сетевого взаимодействия.

Технологии передачи данных подразумевают передачу информации от одного компьютера к другому - в обеих направлениях. Даже в том случае, когда нам кажется, что мы только принимаем данные (например - скачиваем музыку), то на самом деле - обмен идет в двух направлениях. Просто есть основной поток данных (который интересует нас - музыка) и вспомогательный (служебный), идущий в обратном направлении, образуемый квитанциями об успешной (или не успешной) передаче.

В зависимости от того, могут ли они передавать данные в обоих направлениях или нет, физические каналы делятся на несколько видов:

Дуплексный канал - обеспечивает одновременную передачу информации в обоих направлениях Дуплекс может состоять из двух независимых физических сред (один проводник на прием, второй - на передачу). Возможен и вариант, при котором одна среда используется для обеспечения дуплексного режима работы. В этом случае на клиентах применяются дополнительные алгоритмы выделения каждого потока данных из общего массива информации.
Полудуплексный канал - также обеспечивает передачу в обоих направлениях, но не одновременно, а - по очереди. Т.е. в течение определенного времени данные передаются в одном направлении, а затем - в обратном.
Симплексный канал - позволяет передавать информацию только в одном направлении. Дуплексный может состоять из двух симплексных каналов.

Ой, что-то много букв получилось:) Думаю, на сегодня - достаточно, будем продвигаться постепенно. В следующих статьях обязательно продолжим наше знакомство с , а пока что - до свидания, и - до следующих статей!

В завершение, посмотрите тематическое видео:

Практически у любой современной компании существует потребность в улучшении эффективности сетей и технологий компьютерных систем. Одно из необходимых условий для этого - беспрепятственная передача информации между серверами, хранилищами данных, приложениями и пользователями. Именно способ передачи данных в информационных системах часто становится "бутылочным горлышком" по производительности, сводя на нет все преимущества современных серверов и систем хранения. Разработчики и системные администраторы пытаются устранить наиболее очевидные узкие места, хотя и знают, что после устранения узкого места в одной части системы оно возникает в другой.

На протяжении многих лет узкие места возникали преимущественно на серверах, но по мере функционального и технологического развития серверов они стали перемещаться в сети и системы сетевого хранения данных. В последнее время созданы очень крупные массивы хранения, что переносит узкие места обратно в сеть. Рост объемов данных и их централизация, а также требования приложений нового поколения к пропускной способности часто поглощают всю имеющуюся полосу пропускания.

Когда перед менеджером информационной службы встает задача создания новой или расширения имеющейся системы обработки информации, одним из важнейших вопросов для него будет выбор технологии передачи данных. Эта проблема включает в себя выбор не только сетевой технологии, но и протокола соединения различных периферийных устройств. Наиболее популярные решения, широко применяемые для построения сетей хранения SAN (Storage Area Network), - это Fibre Channel, Ethernet и InfiniBand.

Технология Ethernet

Сегодня технология Ethernet занимает лидирующее положение в секторе высокопроизводительных локальных сетей. Во всем мире предприятия вкладывают средства в кабельные системы и оборудование для Ethernet, в обучение персонала. Широкое распространение этой технологии позволяет удерживать низкие цены на рынке, а стоимость внедрения каждого нового поколения сетей имеет тенденцию к снижению. Постоянный рост объема трафика в современных сетях заставляет операторов, администраторов и архитекторов корпоративных сетей присматриваться к более быстрым сетевым технологиям, чтобы решить проблему дефицита пропускной способности. Добавление в семейство Ethernet стандарта 10-Gigabit Ethernet позволяет поддерживать в локальных сетях новые ресурсоемкие приложения.

Появившись более четверти века назад, технология Ethernet вскоре стала доминирующей в построении локальных сетей. Благодаря простоте инсталляции и сопровождения, надежности и низкой стоимости реализации ее популярность выросла настолько, что сегодня можно смело утверждать - почти весь трафик в Интернете начинается и заканчивается в Ethernet-сетях. Стандарт IEEE 802.3ae 10-Gigabit Ethernet, одобренный в июне 2002 г., стал поворотным пунктом в развитии этой технологии. С его появлением область использования Ethernet расширяется до масштабов городских (MAN) и глобальных (WAN) сетей.

Существует целый ряд рыночных факторов, которые, по утверждению отраслевых аналитиков, способствуют выходу технологии 10-Gigabit Ethernet на первый план. В развитии сетевых технологий уже стало традиционным появление альянса компаний-разработчиков, основная задача которого состоит в продвижении новых сетей. Не стала исключением и 10-Gigabit Ethernet. У истоков этой технологии стояла организация 10-Gigabit Ethernet Alliance (10 GEA), в которую входили такие гиганты индустрии, как 3Com, Cisco, Nortel, Intel, Sun и множество других (всего более ста) компаний. Если в предшествующих версиях Fast Ethernet или Gigabit Ethernet разработчики позаимствовали отдельные элементы других технологий, то спецификации нового стандарта создавались практически с нуля. Кроме того, проект 10-Gigabit Ethernet был ориентирован на крупные транспортные и магистральные сети, например, масштаба города, в то время как даже Gigabit Ethernet разрабатывался исключительно для применения в локальных сетях.

Стандарт 10-Gigabit Ethernet предусматривает передачу информационного потока на скорости до 10 Гбит/с по одно- и многомодовому оптическому кабелю. В зависимости от среды передачи расстояние может составлять от 65 м до 40 км. Новый стандарт должен был обеспечить выполнение следующих основных технических требований:

двунаправленный обмен данными в дуплексном режиме в сетях топологии точка-точка;
поддержка скорости передачи данных 10 Гбит/с на МАС-уровне;
спецификация физического уровня LAN PHY для соединения с локальными сетями, оперирующего на МАС-уровне со скоростью передачи данных 10 Гбит/с;
спецификация физического уровня WAN PHY для соединения с сетями SONET/SDH, оперирующего на МАС-уровне со скоростью передачи данных, совместимой со стандартом OC-192;
определение механизма приспособления скорости передачи данных уровня МАС к скорости передачи данных WAN PHY;
поддержка двух типов оптоволоконного кабеля - одномодового (SMF) и многомодового (MMF);
спецификация независимого от среды передачи интерфейса XGMII*;
обратная совместимость с предыдущими версиями Ethernet (сохранение формата пакета, размера и т. п.).

* XG здесь означает 10 Gigabit, а MII - Media Independent Interface.

Напомним, что стандарт 10/100 Ethernet определяет два режима: полудуплексный и дуплексный. Полудуплексный в классической версии предусматривает использование разделяемой среды передачи и протокола CSMA/CD (Carrier-Sense Multiple Access/Collision Detection). Основные недостатки этого режима - потеря эффективности при возрастании числа одновременно работающих станций и дистанционные ограничения, связанные с минимальной длиной пакета (составляющей 64 байта). В технологии Gigabit Ethernet для сохранения минимальной длины пакета применяется техника расширения несущей, которая дополняет его до 512 байт. Поскольку стандарт 10-Gigabit Ethernet ориентирован на магистральные соединения типа точка-точка, полудуплексный режим не входит в его спецификацию. Следовательно, в данном случае длина канала ограничивается только характеристиками физической среды, используемыми устройствами приема/передачи, мощностью сигнала и методами модуляции. Необходимую же топологию можно обеспечить, например, с помощью коммутаторов. Дуплексный режим передачи дает также возможность сохранить минимальный размер пакета 64 байта без применения техники расширения несущей.

В соответствии с эталонной моделью взаимодействия открытых систем (OSI) сетевая технология определяется двумя нижними уровнями: физическим (Layer 1, Physical) и канальным (Layer 2, Data Link). В этой схеме уровень физических устройств Ethernet (PHY) соответствует Layer 1, а уровень управления доступом к среде (МАС) - Layer 2. В свою очередь, каждый из этих уровней в зависимости от реализуемой технологии может содержать несколько подуровней.

Уровень МАС (Media Access Control - уровень управления доступом к среде) обеспечивает логическое соединение между МАС-клиентами одноранговых (равноправных) рабочих станций. Его основные функции -инициализация, управление и поддержание соединения с одноранговым узлом сети. Очевидно, что нормальная скорость передачи данных от МАС-уровня к физическому уровню PHY для стандарта 10 Gigabit Ethernet составляет 10 Гбит/с. Однако уровень WAN PHY для согласования с сетями SONET OC-192 должен передавать данные с несколько меньшей скоростью. Это достигается с помощью механизма динамической адаптации межкадрового интервала, предусматривающего его увеличение на предопределенный отрезок времени.

Подуровень согласования Reconciliation Sublayer (рис. 1) представляет собой интерфейс между последовательным потоком данных МАС-уровня и параллельным потоком подуровня XGMII. Он отображает октеты данных МАС-уровня на параллельные тракты XGMII. XGMII - это независимый от среды интерфейс 10 Gigabit. Основная его функция заключается в том, чтобы обеспечить простой и легко реализуемый интерфейс между канальным и физическим уровнями. Он изолирует канальный уровень от специфики физического и тем самым позволяет первому работать на едином логическом уровне с различными реализациями второго. XGMII состоит из двух независимых каналов приема и передачи, по каждому из которых передаются 32 бита данных по четырем 8-разрядным трактам.

Рис. 1. Уровни 10-Gigabit Ethernet.

Следующая часть стека протоколов относится к физическому уровню 10 Gigabit Ethernet. Архитектура Ethernet разбивает физический уровень на три подуровня. Подуровень физического кодирования PCS (Physical Coding Sublayer) выполняет кодирование/декодирование потока данных, поступающих от канального уровня и к нему. Подуровень подключения к физической среде PMA (Physical Media Attachment) - это параллельно-последовательный (прямой и обратный) преобразователь. Он выполняет преобразование группы кодов в поток битов для последовательной бит-ориентированной передачи и обратное преобразование. Этот же подуровень обеспечивает синхронизацию приема/передачи. Зависимый от среды передачи данных подуровень PMD (Physical Media Dependent) отвечает за передачу сигналов в данной физической среде. Типичные функции этого подуровня - формирование и усиление сигнала, модуляция. Разные PMD-устройства поддерживают различные физические среды передачи. В свою очередь, зависимый от среды интерфейс MDI (Media Dependent Interface) задает типы коннекторов для разных физических сред и PMD-устройств.

Технология 10-Gigabit Ethernet обеспечивает низкую по сравнению с альтернативными стоимость владения, включая как стоимость приобретения, так и поддержки, поскольку имеющаяся у заказчиков инфраструктура сетей Ethernet легко взаимодействует с ней. Кроме того, 10 Gigabit Ethernet привлекает администраторов уже знакомой организацией управления и возможностью применить накопленный опыт, так как она использует процессы, протоколы и средства управления, уже развернутые в существующей инфраструктуре. Стоит напомнить, что этот стандарт предоставляет гибкость при проектировании соединений между серверами, коммутаторами и маршрутизаторами. Таким образом, технология Ethernet предлагает три основных преимущества:

простоту эксплуатации,
высокую пропускную способность,
низкую стоимость.

Кроме того, она проще некоторых других технологий, потому что позволяет связывать сети, расположенные в разных местах, как части единой сети. Пропускная способность Ethernet наращивается шагами от 1 до 10 Гбит/с, что позволяет эффективнее использовать емкость сети. Наконец, оборудование Ethernet, как правило, более экономически эффективно по сравнению с традиционным телекоммуникационным оборудованием.

Для иллюстрации возможностей технологии приведем один пример. С помощью сети 10-Gigabit Ethernet группа ученых, работающих над проектом Japanese Data Reservoir (http://data-reservoir.adm.s.u-tokyo.ac.jp), передавала данные из Токио в расположенный в Женеве научно-исследовательский центр физики элементарных частиц CERN. Линия передачи данных пересекла 17 часовых поясов, а ее протяженность составила 11 495 миль (18 495 км). Линия 10-Gigabit Ethernet соединила компьютеры в Токио и Женеве как часть одной и той же локальной сети. В сети применялось оптическое оборудование и коммутаторы Ethernet от Cisco Systems, Foundry Networks и Nortel Networks.

В последние годы Ethernet стали широко применять и операторы связи - для соединения объектов в пределах города. Но сеть Ethernet может протянуться еще дальше, охватив целые континенты.

Fibre Channel

Технология Fibre Channel дает возможность принципиально изменить архитектуру компьютерной сети любой крупной организации. Дело в том, что она хорошо подходит для реализации централизованной системы хранения данных SAN, где дисковые и ленточные накопители находятся в своей отдельной сети, в том числе территориально довольно сильно удаленной от основных корпоративных серверов. Fibre Channel - это стандарт последовательных соединений, предназначенных для высокоскоростных коммуникаций между серверами, накопителями, рабочими станциями и концентраторами и коммутаторами. Отметим, что этот интерфейс практически универсален, он используется не только для подключения отдельных накопителей и хранилищ данных.

Когда появились первые сети, призванные объединить компьютеры для совместной работы, удобным и эффективным оказалось приблизить ресурсы к рабочим группам. Таким образом, в попытке минимизировать сетевую нагрузку накопители информации были равномерно разделены между множеством серверов и настольных компьютеров. В сети одновременно существуют два канала передачи данных: собственно сеть, по которой идет обмен между клиентами и серверами, и канал, по которому происходит обмен данными между системной шиной компьютера и устройством хранения. Это может быть канал между контроллером и жестким диском или между RAID-контроллером и внешним дисковым массивом.

Такое разделение каналов во многом объясняется различными требованиями к пересылке данных. В сети на первом месте стоит доставка нужной информации одному клиенту из множества возможных, для чего необходимо создать определенные и весьма сложные механизмы адресации. Кроме того, сетевой канал предполагает значительные расстояния, поэтому здесь для передачи данных предпочтительно последовательное соединение. А вот канал хранения выполняет крайне простую задачу, предоставляя возможность обмена с заранее известным накопителем данных. Единственное, что от него требуется, - делать это максимально быстро. Расстояния здесь, как правило, небольшие.

Однако современные сети сталкиваются с задачами обработки все больших и больших объемов данных. Высокоскоростные мультимедиа-приложения, обработка изображений требуют гораздо большей скорости ввода-вывода, чем когда-либо ранее. Организации вынуждены хранить все большие объемы данных в режиме online, что требует увеличения емкости внешней памяти. Необходимость страхового копирования огромных объемов данных требует разнесения устройств вторичной памяти на все большие расстояния от серверов обработки. В ряде случаев оказывается, что объединить ресурсы серверов и накопителей в единый пул для центра обработки информации с помощью Fibre Channel гораздо эффективнее, чем при использовании стандартного набора сеть Ethernet плюс интерфейс SCSI.

Институт ANSI зарегистрировал рабочую группу по разработке метода для высокоскоростного обмена данными между суперкомпьютерами, рабочими станциями, ПК, накопителями и устройствами отображения еще в 1988 г. А в 1992 г. три крупнейших компьютерных компании - IBM (http://www.ibm.com), Sun Microsystems (http://www.sun.com) и HP (http://www.hp.com) создали инициативную группу FSCI (Fiber Channel Systems Initiative), перед которой была поставлена задача разработать метод быстрой передачи цифровых данных. Группа выработала ряд предварительных спецификаций - профилей. Поскольку физической средой для обмена информацией должны были стать волоконно-оптические кабели, то и в названии технологии фигурировало слово fiber. Однако несколько лет спустя в соответствующие рекомендации была добавлена возможность использовать и медные провода. Тогда комитет ISO (International Standard Organization) предложил заменить английское написание fiber французским fibre, чтобы как-то уменьшить ассоциации с волоконно-оптической средой, сохранив при этом практически первоначальное написание. Когда предварительная работа по профилям была завершена, дальнейшую работу по поддержке и развитию новой технологии взяла на себя Ассоциация разработчиков волоконно-оптического канала FCA (Fibre Channel Association), которая организационно вошла в комитет ANSI. Помимо FCA была также создана независимая рабочая группа FCLC (Fibre Channel Loop Community), которая начала заниматься продвижением одного из вариантов технологии Fibre Channel - FC-AL (Fibre Channel Arbitrated Loop). В настоящее время всю координационную работу по продвижению технологии Fibre Channel взяла на себя ассоциация FCIA (Fibre Channel Industry Association, http://www.fibrechannel.org). В 1994 г. стандарт FC-PH (физическое соединение и протокол передачи данных) был одобрен комитетом Т11 ANSI и получил обозначение X3.203-1994.

Технология Fibre Channel обладает рядом преимуществ, которые делают этот стандарт удобным при организации обмена данными в группах компьютеров, а также при использовании в качестве интерфейса устройств массовой памяти, в локальных сетях и при выборе средств доступа к глобальным сетям. Одно из основных достоинств этой технологии - высокая скорость передачи данных.

FC-AL - лишь одна из трех возможных топологий Fibre Channel, которая, в частности, используется для систем хранения данных. Кроме нее, возможны топология точка-точка и звездообразная топология, построенная на основе коммутаторов и концентраторов. Сеть, которая построена на основе коммутаторов, соединяющих множество узлов (рис. 2), в терминологии Fibre Channel называется фабрикой (fabric).

Рис. 2. Фабрика на базе Fibre Channel.

В "петлю" FC-AL можно включить до 126 устройств с возможностью горячей замены. При использовании коаксиального кабеля расстояние между ними может достигать 30 м, в случае же волоконно-оптического кабеля оно увеличивается до 10 км. В основу технологии положена методика простого перемещения данных из буфера передатчика в буфер приемника с полным контролем этой и только этой операции. Для FC-AL совершенно неважно, как обрабатываются данные индивидуальными протоколами до и после помещения в буфер, вследствие чего тип передаваемых данных (команды, пакеты или кадры) не играет никакой роли.

Архитектурная модель Fibre Channel в деталях описывает параметры соединений и протоколы обмена между отдельными узлами. Эта модель может быть представлена в виде пяти функциональных уровней, которые определяют физический интерфейс, протокол передачи, сигнальный протокол, общие процедуры и протокол отображения. Нумерация идет от самого низкого аппаратного уровня FC-0, отвечающего за параметры физического соединения, до верхнего программного FC-4, взаимодействующего с приложениями более высокого уровня. Протокол отображения обеспечивает связь с интерфейсами ввода-вывода (SCSI, IPI, HIPPI, ESCON) и сетевыми протоколами (802.2, IP). В данном случае все поддерживаемые протоколы могут использоваться одновременно. Например, интерфейс FC-AL, работающий с IP- и SCSI-протоколами, пригоден как для обмена система-система, так и система-периферия. Это исключает потребность в дополнительных контроллерах ввода-вывода, существенно уменьшает сложность кабельной системы и, разумеется, общую стоимость.

Поскольку Fibre Channel - это низкоуровневый протокол, не содержащий команд ввода-вывода, то связь с внешними устройствами и компьютерами обеспечивается протоколами более высокого уровня, такими, как SCSI и IP, для которых FC-PH служит транспортом. Сетевые протоколы и протоколы ввода-вывода (например, команды SCSI) преобразуются в кадры протокола FC-PH и доставляются до адресата. Любое устройство (компьютер, сервер, принтер, накопитель), имеющее возможность обмениваться данными с использованием технологии Fibre Channel, называется N_порт (Node port), или просто узел. Таким образом, основное назначение Fibre Channel - возможность манипулировать протоколами высокого уровня, используя различную среду передачи и уже существующие кабельные системы.

Высокая надежность обмена при использовании Fibre Channel обусловлена двухпортовой архитектурой дисковых устройств, циклическим контролем передаваемой информации и заменой устройств в горячем режиме. Протокол поддерживает практически любые применяемые сегодня кабельные системы. Однако наибольшее распространение получили два носителя - оптика и витая пара. Оптические каналы используются для соединения между устройствами сети Fibre Channel, а витая пара - для соединения отдельных компонентов в устройстве (например, дисков в дисковой подсистеме).

Стандарт предусматривает несколько полос пропускания и обеспечивает скорость обмена 1, 2 или 4 Гбит/с. C учетом того, что для соединения устройств применяются два оптических кабеля, каждый из которых работает в одном направлении, при сбалансированном наборе операций "запись-чтение" скорость обмена данными удваивается. Иными словами, Fibre Channel работает в полнодуплексном режиме. В пересчете на мегабайты паспортная скорость Fibre Channel составляет соответственно 100, 200 и 400 Мбайт/с. Реально при 50%-ном соотношении операций "запись-чтение" скорость интерфейса достигает 200, 400 и 800 Мбайт/с. В настоящее время наиболее популярны решения Fibre Channel 2 Гбит/с, поскольку они имеют лучшее соотношение цена/качество.

Отметим, что оборудование для Fibre Channel можно условно разбить на четыре основные категории: адаптеры, концентраторы, коммутаторы и маршрутизаторы, причем последние широкого распространения пока не получили.

Решения на базе Fibre Channel обычно предназначены для организаций, которым необходимо поддерживать большие объемы информации в режиме online, ускорить операции обмена с первичной и вторичной внешней памятью для сетей с интенсивным обменом данных, а также при удалении внешней памяти от серверов на большие расстояния, чем это допускается в стандарте SCSI. Типичные области применения решений Fibre Channel - базы и банки данных, системы анализа и поддержки принятия решений, основанные на больших объемах данных, системы хранения и обработки мультимедийной информации для телевидения, киностудий, а также системы, где диски должны быть удалены на значительные расстояния от серверов из соображений безопасности.

Fibre Channel дает возможность отделить все потоки данных между серверами предприятия, архивирование данных и т. п. от локальной сети пользователей. В этом варианте возможности конфигурирования огромны - любой сервер может обращаться к любому разрешенному администратором системы дисковому ресурсу, возможен доступ к одному и тому же диску нескольких устройств одновременно, причем с очень высокой скоростью. В этом варианте архивирование данных тоже становится легкой и прозрачной задачей. В любой момент можно создать кластер, высвободив под него ресурсы на любой из систем хранения Fibre Channel. Масштабирование также довольно наглядно и понятно - в зависимости от того, каких возможностей не хватает, можно добавить либо сервер (который будет куплен исходя исключительно из его вычислительных возможностей), либо новую систему хранения.

Одна из весьма важных и нужных особенностей Fibre Channel - возможность сегментирования или, как еще говорят, зонирования системы. Разделение на зоны подобно разделению на виртуальные сети (Virtual LAN) в локальной сети - устройства, находящиеся в разных зонах, не могут "видеть" друг друга. Разделение на зоны возможно либо с помощью коммутируемой матрицы (Switched Fabric) или на основе указания адреса WWN (World Wide Name). Адрес WWN подобен MAC-адресу в сетях Ethernet, каждый FC-контроллер имеет свой уникальный WWN-адрес, который присваивает ему производитель, а любая правильная система хранения данных позволяет ввести адреса тех контроллеров или портов матриц, с которыми этому устройству разрешено работать. Разделение на зоны предназначено в первую очередь для повышения безопасности и производительности сетей хранения данных. В отличие от обычной сети, из внешнего мира нельзя получить доступ к закрытому для данной зоны устройству.

Технология FICON

Технология FICON (FIber CONnection) обеспечивает повышенную производительность, расширенные функциональные возможности и связь на больших расстояниях. Как протокол передачи данных она базируется на стандарте ANSI для систем Fibre Channel (FC-SB-2). Первый разработанный IBM стандарт общего назначения для связи между мэйнфреймами и внешними устройствами (такими, как диски, принтеры и ленточные накопители) основывался на параллельных подключениях, не слишком отличаясь от многожильных кабелей и многоштырьковых разъемов, которые применялись в те годы для подключения настольных принтеров к ПК. Множество параллельных проводов служило для переноса большего объема данных "за раз" (параллельно); в мэйнфреймах это называлось bus and tag.

Огромные по физическим размерам соединители и кабельная разводка были единственным способом связи до появления на рынке в 1990-х гг. технологии ESCON. Это была принципиально иная технология: в ней впервые вместо меди использовалось оптоволокно и данные передавались не параллельно, а последовательно. Все прекрасно понимали, что ESCON намного лучше и значительно быстрее, по крайней мере, на бумаге, но до всеобщего принятия технологии потребовалось множество испытаний и усилий по убеждению покупателей. Считается, что технология ESCON появилась во время застоя на рынке; к тому же поддерживающие этот стандарт устройства были представлены с заметным запозданием, поэтому технология и встретила прохладный прием, а для широкого ее распространения понадобилось почти четыре года.

С FICON история во многом повторилась. Впервые эту технологию IBM представила на серверах S/390 еще в 1997 г. Многим аналитикам было сразу понятно, что это во многом технически более продвинутое решение. Однако на протяжении нескольких лет FICON применяли практически исключительно для подсоединения ленточных накопителей (существенно улучшенное решение для целей создания резервных копий и восстановления) и принтеров. И лишь в 2001 г. IBM наконец оборудовала FICON свою систему хранения Enterprise Storage Server под кодовым названием Shark ("акула"). Это событие снова совпало с серьезным экономическим спадом, когда внедрение новых технологий на предприятиях замедлилось. Буквально через год возник ряд обстоятельств, которые способствовали ускоренному принятию FICON. На сей раз концепция оптоволокна была уже не нова, а технологии сетей хранения данных (SAN) получили широкое распространение как в мире мэйнфреймов, так и за его пределами.

Сейчас продолжается устойчивый рост рынка устройств хранения данных. Сегодняшние устройства, называемые директорами (director), с самого начала разработанные для поддержки ESCON, теперь поддерживают стандарт Fibre Channel, на основе этих же устройств развертывают FICON-решения. Как считают разработчики, FICON обеспечивает существенно большую функциональность по сравнению с Fibre Channel.

InfiniBand

Архитектура InfiniBand определяет общий стандарт для обработки операций ввода-вывода коммуникационных, сетевых подсистем и систем хранения данных. Этот новый стандарт привел к формированию торговой ассоциации InfiniBand Trade Association (IBTA, http://www.infinibandta.org). Проще говоря, InfiniBand - это стандарт архитектуры ввода-вывода нового поколения, который использует сетевой подход к соединению серверов, систем хранения и сетевых устройств информационного центра.

Технология InfiniBand разрабатывалась как открытое решение, которое могло бы заменить все остальные сетевые технологии в самых разных областях. Это касалось и общеупотребительных технологий локальных сетей (все виды Ethernet и сетей хранения, в частности, Fibre Channel), и специализированных кластерных сетей (Myrinet, SCI и т. д.), и даже подсоединения устройств ввода-вывода в ПК в качестве возможной замены шин PCI и каналов ввода-вывода, таких, как SCSI. Кроме того, инфраструктура InfiniBand могла бы служить для объединения в единую систему фрагментов, использующих разные технологии. Преимущество InfiniBand перед специализированными, ориентированными на высокопроизводительные кластеры сетевыми технологиями состоит в ее универсальности. Корпорация Oracle, например, поддерживает InfiniBand в своих кластерных решениях. Год назад HP и Oracle установили рекорд производительности в тестах TPC-H (для баз данных емкостью 1 Тбайт) в InfiniBand-кластере на базе ProLiant DL585 с использованием СУБД Oracle 10g в среде Linux. Летом 2005 г. IBM достигла рекордных показателей для TPC-H (для баз данных емкостью 3 Тбайт) в среде DB2 и SuSE Linux Enterprise Server 9 в InfiniBand-кластере на базе xSeries 346. При этом достигнутая стоимость одной транзакции оказалась почти вдвое ниже, чем у ближайших конкурентов.

Используя технику, называемую коммутируемой сетевой структурой, или коммутирующей решеткой, InfiniBand переносит трафик операций ввода-вывода с процессоров сервера на периферийные устройства и иные процессоры или серверы по всему предприятию. В качестве физического канала используется специальный кабель (линк), обеспечивающий скорость передачи данных 2,5 Гбит/с в обоих направлениях (InfiniBand 1х). Архитектура организована как многоуровневая, она включает четыре аппаратных уровня и верхние уровни, реализуемые программно. В каждом физическом канале можно организовать множество виртуальных каналов, присвоив им разные приоритеты. Для повышения скорости существуют 4-кратные и 12-кратные версии InfiniBand, в которых используется соответственно 16 и 48 проводов, а скорости передачи данных по ним равны 10 Гбит/с (InfiniBand 4х) и 30 Гбит/с (InfiniBand 12х).

Решения на основе архитектуры InfiniBand востребованы на четырех основных рынках: корпоративные центры данных (включая хранилища данных), высокопроизводительные компьютерные кластеры, встроенные приложения и коммуникации. Технология InfiniBand позволяет объединять стандартные серверы в кластерные системы, чтобы обеспечить центрам данных производительность, масштабируемость и устойчивость к сбоям - возможности, обычно предоставляемые только платформами высшего класса стоимостью в миллионы долларов. Кроме того, хранилища InfiniBand можно подключать к кластерам серверов, что позволяет связать все ресурсы хранения данных напрямую с вычислительными ресурсами. Рынок высокопроизводительных кластеров все время агрессивно ищет новые пути расширения вычислительных возможностей и потому может извлечь огромную выгоду из высокой пропускной способности, низкой латентности и прекрасной масштабируемости, предлагаемой недорогими продуктами InfiniBand. Встроенные приложения, такие, как военные системы, системы, работающие в реальном времени, обработка видеопотоков и т. д., получат огромные преимущества от надежности и гибкости соединений InfiniBand. Кроме того, рынок коммуникаций постоянно требует увеличения пропускной способности соединений, чего удается достичь благодаря 10- и 30-Гбит/с соединениям InfiniBand.

На физическом уровне протокола InfiniBand определены электрические и механические характеристики, в том числе оптоволоконные и медные кабели, разъемы, параметры, задающие свойства горячей замены. На уровне связей определены параметры передаваемых пакетов, операции, связывающие точку с точкой, особенности коммутации в локальной подсети. На сетевом уровне определяются правила маршрутизации пакетов между подсетями, внутри подсети этот уровень не требуется. Транспортный уровень обеспечивает сборку пакетов в сообщение, мультиплексирование каналов и транспортные службы.

Отметим некоторые ключевые особенности архитектуры InfiniBand. Для ввода-вывода и кластеризации используется единственная плата InfiniBand в сервере, что устраняет потребность в отдельных платах для коммуникаций и систем хранения данных (однако в случае типичного сервера рекомендуется установить две такие карты, сконфигурированные для обеспечения избыточности). Достаточно всего одного соединения с коммутатором InfiniBand на каждый сервер, IP-сеть или систему SAN (избыточность сводится к простому дублированию соединения с другим коммутатором). Наконец, архитектура InfiniBand разрешает проблемы соединений и ограничения полосы внутри сервера и при этом обеспечивает требуемую полосу и возможность коммуникаций для внешних систем хранения.

Архитектура InfiniBand состоит из следующих трех основных компонентов (рис. 3). HCA (Host Channel Adapter) устанавливается внутри сервера или рабочей станции, выполняющей функции главной (хоста). Он выступает как интерфейс между контроллером памяти и внешним миром и служит для подключения хост-машин к сетевой инфраструктуре на основе технологии InfiniBand. Адаптер HCA реализует протокол обмена сообщениями и основной механизм прямого доступа к памяти. Он подключается к одному или более коммутаторам InfiniBand и может обмениваться сообщениями с одним или несколькими TCA. Адаптер TCA (Target Channel Adapter) предназначен для подключения к сети InfiniBand таких устройств, как накопители, дисковые массивы или сетевые контроллеры. Он, в свою очередь, служит интерфейсом между коммутатором InfiniBand и контроллерами ввода-вывода периферийных устройств. Эти контроллеры не обязательно должны быть одного типа или принадлежать к одному классу, что позволяет объединять в одну систему разные устройства. Таким образом, TCA действует в качестве промежуточного физического слоя между трафиком данных структуры InfiniBand и более традиционными контроллерами ввода-вывода для иных подсистем, таких, как Ethernet, SCSI и Fibre Channel. Следует отметить, что TCA может взаимодействовать с HCA и напрямую. Коммутаторы и маршрутизаторы InfiniBand обеспечивают центральные точки стыковки, при этом к управляющему HCA может быть подключено несколько адаптеров TCA. Коммутаторы InfiniBand образуют ядро сетевой инфраструктуры. С помощью множества каналов они соединяются между собой и с TCA; при этом могут быть реализованы такие механизмы, как группировка каналов и балансировка нагрузки. Если коммутаторы функционируют в пределах одной подсети, образованной непосредственно подсоединенными устройствами, то маршрутизаторы InfiniBand объединяют эти подсети, устанавливая связь между несколькими коммутаторами.

Рис. 3. Основные компоненты SAN-сети на основе InfiniBand.

Большая часть развитых логических возможностей системы InfiniBand встроена в адаптеры, которые подключают узлы к системе ввода-вывода. Каждый тип адаптера разгружает хост от выполнения задач транспортировки, используя канальный адаптер InfiniBand, отвечающий за организацию сообщений ввода-вывода в пакеты для доставки данных по сети. В результате ОС на хосте и процессор сервера освобождаются от этой задачи. Стоит обратить внимание, что такая организация в корне отличается от того, что происходит при коммуникациях на основе протокола TCP/IP.

В InfiniBand определен весьма гибкий набор линий связи и механизмов транспортного уровня, обеспечивающий точную настройку характеристик сети SAN на базе InfiniBand в зависимости от прикладных требований, в число которых входят:

пакеты переменного размера;
максимальный размер единицы передачи: 256, 512 байт, 1, 2, 4 Кбайт;
заголовки локальной трассы уровня 2 (LRH, Local Route Header) для направления пакетов в нужный порт канального адаптера;
дополнительный заголовок уровня 3 для глобальной маршрутизации (GRH, Global Route Header);
поддержка групповой передачи;
вариантные и инвариантные контрольные суммы (VCRC и ICRC) для обеспечения целостности данных.

Максимальный размер единицы передачи определяет такие характеристики системы, как неустойчивость синхронизации пакетов, величина накладных расходов на инкапсуляцию и длительность задержки, используемые при разработке систем с несколькими протоколами. Возможность опускать сведения о глобальном маршруте при пересылке в пункт назначения локальной подсети снижает издержки локального обмена данными. Код VCRC рассчитывается заново каждый раз при прохождении очередного звена канала связи, а код ICRC - при получении пакета пунктом назначения, что гарантирует целостность передачи по звену и по всему каналу связи.

В InfiniBand определено управление потоком на основе разрешений - для предотвращения блокировок головного пакета (head of line blocking) и потерь пакетов, - а также управление потоком на канальном уровне и сквозное управление потоком. По своим возможностям управление на канальном уровне на основе разрешений превосходит широко распространенный протокол XON/XOFF, устраняя ограничения на максимальную дальность связи и обеспечивая лучшее использование линии связи. Приемный конец линии связи посылает передающему устройству разрешения с указанием объема данных, который можно получать надежно. Данные не передаются до тех пор, пока приемник не пошлет разрешение, свидетельствующее о наличии свободного пространства в приемном буфере. Механизм передачи разрешений между устройствами встроен в протоколы соединений и линий связи для гарантии надежности управления потоком. Управление потоком на канальном уровне организовано для каждого виртуального канала отдельно, что предотвращает распространение конфликтов передачи, свойственное другим технологиям.

С помощью InfiniBand связь с удаленными модулями хранения, сетевые функции и соединения между серверами будут осуществляться за счет подключения всех устройств через центральную, унифицированную структуру коммутаторов и каналов. Архитектура InfiniBand позволяет размещать устройства ввода-вывода на расстоянии до 17 м от сервера с помощью медного провода, а также до 300 м с помощью многомодового волоконно-оптического кабеля и до 10 км - с помощью одномодового волокна.

Сегодня InfiniBand постепенно снова набирает популярность в качестве технологии магистрали для кластеров серверов и систем хранения, а в центрах обработки данных - в качестве основы для соединений между серверами и системами хранения. Большую работу проводит в этом направлении организация, именуемая альянсом OpenIB (Open InfiniBand Alliance, http://www.openib.org). В частности, этот альянс ставит своей целью разработку стандартного программного стека поддержки InfiniBand с открытым кодом для Linux и Windows. Год назад поддержка технологии InfiniBand была официально включена в состав ядра Linux. Кроме того, в конце 2005 г. представители OpenIB продемонстрировали возможность использования технологии InfiniBand на больших дистанциях. Лучшим достижением в ходе демонстрации стала передача данных на скорости 10 Гбит/c на расстояние в 80,5 км. В эксперименте участвовали центры обработки данных ряда компаний и научных организаций. На каждом из конечных пунктов протокол InfiniBand инкапсулировался в интерфейсы SONET OC-192c, ATM или 10 Gigabit Ethernet без снижения пропускной способности.

В наше время наибольшее распространение получили электрические каналы связи. Это совокупность технических устройств, обеспечивающих передачу сообщения любого вида от отправителя к получателю. Она осуществляется с помощью электрических сигналов, распространяющихся по проводам, или радиосигналов. Различают каналы электросвязи: телефонные, телеграфные, факсимильные, телевизионные, проводного и радиовещания, телемеханические передачи данных и т.д. Составной частью каналов связи являются линии связи - проводные и беспроводные (радиосвязь). В свою очередь проводная связь может осуществляться по электрическому кабелю и по оптоволоконной линии. А радиосвязь осуществляется по ДВ-, СВ-, КВ- и УКВ-диапазонам без применения ретрансляторов, по спутниковым каналам с применением космических ретрансляторов, по радиорелейным линиям с применение наземных ретрансляторов и по сотовой связи с использованием сети наземных базовых радиостанций.

Проводные линии связи

Проводные линии электросвязи делятся на кабельные, воздушные и оптоволоконные.

Кабельные линии связи

Кабельные линии связи - линии связи, состоящие из направленных сред передачи (кабели), предназначенные совместно с проводными системами передач, для организации связи. Кабельные линии состоят из узлов связи, необслуживаемых регенерационных (усилительных) пунктов - НРП, НУП, кабельной трассы.

Воздушные линии связи

Воздушные линии подразделяются на линии: междугородной телефонной связи (МТС), сельской телефонной связи (СТС), городской телефонной связи (ГТС) и радиотрансляционных сетей (РС).

По своей значимости воздушные линии СТС; абонентские линии СТС.

Прочтите также:

Разработка синтезатора звуковых сигналов с компрессией данных
Целью данного курсового проекта является разработка синтезатора звуковых сигналов с компрессией данных, позволяющего осуществлять воспроизведение звуковых сообщений. Команды управл...

Разработка и изготовление комплекса усиления и оцифровки сигнала на основе микроконтроллера
Развитие микроэлектроники и широкое ее применение в промышленном производстве, в устройствах и системах управления самыми разнообразными объектами и процессами является в настоящее врем...

Расчет характеристик радиолинии
Для передачи сигналов от передающей антенны (излучателя) к радиоприёмной антенне в качестве линий передачи энергии часто используют естественную среду. Линию передачи при этом называют е...

Проводя обзор технологий передачи информации нельзя не упомянуть о модели OSI, модели, описывающей структуру идеальной сетевой архитектуры. Каждый интерфейс и протокол передачи, о котором пойдет речь в данном дипломном проекте, занимает свой определенный уровень в данной модели.

Модель osi

Для того чтобы различные компоненты сети могли общаться, они должны работать с использованием одного протокола обмена информацией, то есть должны «говорить» на одном языке. Протокол определяет набор правил для организации обмена информацией на всех уровнях взаимодействия сетевых объектов. В качестве "линейки" для определения уровней используется модель OSI (Open System Interconnect), разработанная международной организацией по стандартам (International Standardization Organization - ISO). В модели OSI семь уровней взаимодействия для рассмотрения процесса обмена информацией между устройствами в сети. Каждый из уровней сети относительно автономен и рассматривается отдельно. Модель OSI используется для определения функций каждого уровня. Эта модель содержит в себе по сути 2 различных модели:

горизонтальную модель на базе протоколов, обеспечивающую механизм взаимодействия программ и процессов на различных машинах;

вертикальную модель на основе услуг, обеспечиваемых соседними уровнями друг другу на одной машине.

Рисунок 1.1.1 Модель OSI

Физический уровень (physical layer) - нижний уровень модели, который определяет метод передачи данных, представленных в двоичном виде, от одного устройства (компьютера) к другому. Передача электрических или оптических сигналов в кабель или в радиоэфир осуществляется в соответствии с методами кодирования цифровых сигналов. Спецификации физического уровня определяют уровни напряжений, синхронизацию изменения напряжений, скорость передачи физической информации, максимальные расстояния передачи информации, требования к среде передачи, физические соединители и другие аналогичные характеристики.

Функции физического уровня реализуются на всех устройствах, подключенных к сети. Со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером, обеспечивающим механический интерфейс для связи компьютера со средой передачи или последовательным портом. Физический уровень определяет такие виды сред передачи данных как оптоволокно, витая пара, коаксиальный кабель, спутниковый канал передач данных и т. п.

Стандартными типами сетевых интерфейсов, относящимися к физическому уровню, являются: USB, RS-232, RS-485, RJ-45, физические интерфейсы Ethernet (10BASE-T, 100BASE-T и 1000BASE-TX). Основные протоколы физического уровня: IEEE 802.15 (bluetooth), EIA RS-232, RS-485, DSL(цифровая абонентская линия), ISDN (цифровая сеть с интеграцией служб), 802.11 Wi-Fi, GSM, RFID, 802.15.4.

Канальный уровень (data link) обеспечивает надежный транзит данных через физический канал. Полученные с физического уровня данные, представленные в битах, он упаковывает в кадры, проверяет их на целостность и, если нужно, исправляет ошибки (формирует повторный запрос поврежденного кадра) и отправляет на сетевой уровень. Выполняя эту задачу, канальный уровень решает вопросы физической адресации, топологии сети, уведомления о неисправностях, упорядоченной доставки блоков данных и управления потоком информации. Обычно этот уровень разбивается на два подуровня: LLC (Logical Link Control) в верхней половине, осуществляющего проверку на ошибки и обслуживание сетевого уровня, и MAC (Media Access Control) в нижней половине, отвечающего за физическую адресацию и прием/передачу пакетов на физическом уровне. На этом уровне работают коммутаторы, мосты и другие устройства, они называются устройствами второго уровня.

Протоколы канального уровня: Controller Area Network (CAN), IEEE 802.3 Ethernet, Fiber Distributed Data Interface (FDDI), Frame Relay, IEEE 802.11 wireless LAN, 802.15.4, Point-to-Point Protocol (PPP), Token ring, x.25, ATM.

В программировании этот уровень представляет драйвер сетевой платы, в операционных системах имеется программный интерфейс взаимодействия канального и сетевого уровней между собой. Это не новый уровень, а просто реализация модели для конкретной ОС. Примеры таких интерфейсов: ODI, NDIS, UDI.

Сетевой уровень (session layer) обеспечивает соединение и выбор маршрута между двумя конечными системами, подключенными к разным "подсетям", которые могут находиться в разных географических пунктах. Сетевой уровень отвечает за трансляцию логических адресов и имён в физические, определение кратчайших маршрутов, коммутацию и маршрутизацию, отслеживание неполадок и «заторов» в сети. Протоколы сетевого уровня маршрутизируют данные от источника к получателю. Работающие на этом уровне устройства (маршрутизаторы) условно называют устройствами третьего уровня (по номеру уровня в модели OSI).

Протоколы сетевого уровня: IP/IPv4/IPv6 (Internet Protocol), IPX (Internetwork Packet Exchange, протокол межсетевого обмена), X.25 (частично этот протокол реализован на уровне 2), IPsec (Internet Protocol Security). Протоколы маршрутизации - RIP (Routing Information Protocol), OSPF (Open Shortest Path First).

Транспортный уровень (transport layer) - самый высокий из уровней, отвечающих за транспортировку данных, предназначен для обеспечения надёжной передачи данных от отправителя к получателю. При этом уровень надёжности может варьироваться в широких пределах. Существует множество классов протоколов транспортного уровня, начиная от протоколов, предоставляющих только основные транспортные функции (например, функции передачи данных без подтверждения приема), и заканчивая протоколами, которые гарантируют доставку в пункт назначения нескольких пакетов данных в надлежащей последовательности, мультиплексируют несколько потоков данных, обеспечивают механизм управления потоками данных и гарантируют достоверность принятых данных.

Например, UDP ограничивается контролем целостности данных в рамках одной дейтаграммы и не исключает возможности потери пакета целиком, или дублирования пакетов, нарушения порядка получения пакетов данных. К заголовку IP-пакета он добавляет два поля, одно из которых, поле "порт", обеспечивает мультиплексирование информации между разными прикладными процессами, а другое поле - "контрольная сумма" - позволяет поддерживать целостность данных.

Примерами сетевых приложений, использующих UDP, являются NFS и SNMP.

TCP обеспечивает надёжную непрерывную передачу данных, исключающую потерю данных или нарушение порядка их поступления или дублирования, может перераспределять данные, разбивая большие порции данных на фрагменты и наоборот склеивая фрагменты в один пакет.

Основные протоколы транспортного уровня: SPX (Sequenced Packet Exchange – упорядоченный обмен пакетами), TCP (Transmission Control Protocol), UDP (User Datagram Protocol).

Сеансовый уровень синхронизирует диалог между объектами уровня представления и управляет созданием/завершением сеанса, обменом информацией, определением права на передачу данных и поддержанием сеанса в периоды неактивности приложений. Сеансы состоят из диалога между двумя или более объектами представления. В качестве примера программных средств, обеспечивающих работу сеансового уровня, могут служить интерфейсы NetBIOS сетей Windows и Sockets - сокеты сетей TCP/IP.

Уровень представления (presentation layer) отвечает за то, чтобы информация, посылаемая из прикладного уровня одной системы, была читаемой для прикладного уровня другой системы. При необходимости представительный уровень осуществляет трансляцию между множеством форматов представления информации путем использования общего формата представления информации. При необходимости трансформации подвергаются не только фактические данные, но и структуры данных, используемые программами. Уровень представления отвечает за возможность диалога между приложениями на разных машинах. Этот уровень обеспечивает преобразование данных (кодирование, компрессия и т.п.) прикладного уровня в поток информации для транспортного уровня. Протоколы уровня представления обычно являются составной частью функций трех верхних уровней модели.

Прикладной уровень (application layer) - верхний уровень модели OSI, обеспечивающий взаимодействие пользовательских приложений с сетью:

позволяет приложениям использовать сетевые службы:

удалённый доступ к файлам и базам данных,
пересылка электронной почты;

отвечает за передачу служебной информации;

предоставляет приложениям информацию об ошибках;

формирует запросы к уровню представления.

Протоколы прикладного уровня: HTTP, SMTP, SNMP, POP3, FTP, TELNET и другие ,.

Изучение структуры данной модели позволяет создать более четкую картину расположения каждой сетевой технологии в сложной системе построения сетей.

Системы идентификации объектов

Сама по себе идея автоматизированного распознавания объектов не нова. Известны как минимум, пять разновидностей идентификации:

оптическая: системы, основанные на штрих-кодах, распознавании символов;

магнитная: магнитная полоса, распознавание меток, нанесенных магнитными носителями;

радиочастотная идентификация (RFID) и передача данных: пластиковые смарт-карты с встроенной микросхемой, радиометки;

биометрическая: распознавание отпечатков пальцев, сканирование рисунка радужной оболочки глаза;

акустическая: идентификация по звуковым параметрам (голосу).

Оптическая идентификация

Оптическая идентификация - принцип выделения отдельных компонентов системы среди множества аналогичных с помощью точечного источника оптического излучения видимого диапазона длин волн.

Оптическая идентификация часто используется на железных дорогах. Видеоаналитическое оборудование обеспечивает автоматизированный контроль железнодорожного полотна, прилегающей территории (полосы отвода) и других инфраструктурных объектов с помощью технических средств видеонаблюдения.

Оборудование решает следующие задачи:

регистрация, передача и аналитическая обработка видеоинформации об обстановке на охраняемых объектах;

автоматическое формирование оперативного сигнала тревоги при возникновении нештатной (тревожной) ситуации;

непрерывный контроль работоспособности всех компонентов комплекса и автоматическое обнаружение несанкционированных изменений его настроек.

Алгоритмы аналитической обработки видео, встроенные в оборудование, должны обеспечить:

автоматическое детектирование, сопровождение и классификацию целей на подступах к железнодорожному полотну и к другим инфраструктурным объектам;

классификацию целей по типам поведения, в том числе: появление в заданной зоне;

контроль качества изображения и автоматическое формирование тревожного сообщения в случае значительной деградации качества.

Помимо этого оптическая идентификация используется для контроля передвижения объектов подвижного состава железнодорожного транспорта (ЖДТ) путем автоматического обнаружения и идентификации вагонов, цистерн и платформ по их регистрационному номеру.

Камера устанавливается на стойке, на высоте до 6 метров и направляется вдоль железнодорожного полотна. Объектами видеоанализа являются люди и транспортные средства, перемещающиеся в поле зрения камеры произвольным образом. Оборудование поддерживает различные профили стандарта ONVIF (Open Network Video Interface Forum) . ONVIF - отраслевой стандарт, определяющий протоколы взаимодействия таких устройств как IP-камеры, видеорегистраторы и системы управления видео.

Недостатком оптической идентификации является потенциальная возможность загрязнения камер, расположенных на сложных участках, влияние помех на качество изображения и, следовательно, идентификации, достаточно большая стоимость таких систем (совокупности камер и анализаторов изображения).

Радиочастотная идентификация

RFID (Radio Frequency IDentification) - радиочастотная идентификация, способ автоматической идентификации объектов, в котором посредством радиосигналов считываются или записываются данные, хранящиеся в так называемых транспондерах, или RFID-метках. Любая RFID-система включает в себя следующие составляющие:

считывающее устройство (считыватель, ридер или интеррогатор);

транспондер (RFID-метка).

Большинство RFID-меток состоит из двух частей. Первая - интегральная схема (ИС) для хранения и обработки информации, модулирования и демодулирования радиочастотного (RF) сигнала и некоторых других функций. Вторая - антенна для приёма и передачи сигнала.

Рисунок 1.2.2.1 RFID-антенна

Существует несколько способов систематизации RFID-меток и систем:

По рабочей частоте

Метки диапазона LF (125-134 кГц). Пассивные системы данного диапазона имеют низкие цены, и в связи с физическими характеристиками, используются для подкожных меток при чипировании животных, людей и рыб. Однако, в связи с длиной волны, существуют проблемы со считыванием на большие расстояния, а также проблемы, связанные с появлением коллизий при считывании.
Метки диапазона HF (13,56 МГц). Преимущества данных систем в том, что они дешевы, не имеют экологических и лицензионных проблем, хорошо стандартизованы, имеют широкую линейку решений. Применяются в платежных системах, логистике, идентификации личности. Для частоты 13,56 МГц разработан стандарт ISO 14443 (виды A/B). Однако существуют проблемы со считыванием на большие расстояния, в условиях высокой влажности, наличия металла, а также проблемы, связанные с появлением коллизий при считывании.
Метки диапазона UHF (УВЧ, 860-960 МГц). Метки данного диапазона обладают наибольшей дальностью регистрации, во многих стандартах данного диапазона присутствуют антиколлизионные механизмы. В UHF RFID-системах по сравнению с LF и HF ниже стоимость меток, при этом выше стоимость прочего оборудования. В настоящее время частотный диапазон УВЧ открыт для свободного использования в Российской Федерации в так называемом «европейском» диапазоне - 863-868 МГЦ и в «американском» диапазоне ____.

По источнику питания

Пассивные
Активные
Полупассивные

По типу памяти

RO (Read Only) - содержат только идентификатор. Данные записываются только один раз при изготовлении
WORM (Write Once Read Many) - содержат идентификатор и блок однократно записываемой памяти
RW (Read and Write) - содержат идентификатор и блок памяти для многократной записи информации. Данные в них могут быть перезаписаны многократно

По дальности считывания

Ближней идентификации (считывание на расстоянии до 20 см)

Идентификации средней дальности (от 20 см до 10 м)

Дальней идентификации (от 5 м до 300 м)

По исполнению

Пассивные RFID-метки не имеют встроенного источника энергии. Электрический ток, индуцированный в антенне электромагнитным сигналом от считывателя, обеспечивает достаточную мощность для функционирования кремниевого чипа, размещённого в метке, и передачи ответного сигнала. На практике максимальная дистанция считывания пассивных меток варьируется от 10 см (4 дюймов) (согласно стандарту ISO 14443) до нескольких метров (стандарты EPC и ISO 18000-6), в зависимости от выбранной частоты и размеров антенны. Пассивные метки (860-960 МГц) передают сигнал методом модуляции отражённого сигнала несущей частоты (модуляция обратного рассеяния). Антенна считывателя излучает сигнал несущей частоты и принимает отражённый от метки модулированный сигнал.

Активные RFID-метки обладают собственным источником питания и не зависят от энергии считывателя, вследствие чего они читаются на дальнем расстоянии (до 300 метров), имеют бо́льшие размеры и могут быть оснащены дополнительной электроникой. Однако, такие метки наиболее дороги, а у батарей ограничено время работы. Активные метки в большинстве случаев более надёжны и обеспечивают самую высокую точность считывания на максимальном расстоянии. Активные метки, обладая собственным источником питания, также могут генерировать выходной сигнал большего уровня, чем пассивные, позволяя применять их в более агрессивных для радиочастотного сигнала средах: воде, на воздухе.

Полупассивные RFID-метки, также называемые полуактивными, очень похожи на пассивные метки, но оснащены батареей, которая обеспечивает чип энергопитанием. При этом дальность действия этих меток зависит только от чувствительности приёмника считывателя и они могут функционировать на большем расстоянии и с лучшими характеристиками.

Считыватели информации – это приборы, которые читают информацию с меток и записывают в них данные. Эти устройства могут быть постоянно подключенными к учётной системе, или работать автономно. Считыватели делятся на стационарные и мобильные .

Рисунок 1.2.2.2 RFID-считыватель

Международные стандарты RFID, как составной части технологии автоматической идентификации, разрабатываются и принимаются международной организацией ISO совместно с IEC.

Деление меток на классы было принято задолго до появления инициативы EPCglobal упорядочить большое количество RFID-протоколов, однако не существовало общепринятого протокола обмена между считывателями и метками. Это приводило к несовместимости считывателей и меток различных производителей. В 2004 г. ISO/IEC приняла единый международный стандарт ISO 18000, описывающий протоколы обмена (радиоинтерфейсы) во всех частотных диапазонах RFID от 135 кГц до 2,45 ГГц. Диапазону УВЧ (860-960) МГц соответствует стандарт ISO 18000-6А/В. В 2004 г. специалисты EPCglobal создали новый протокол обмена между считывателем и меткой УВЧ диапазона - Class 1 Generation 2. В 2006 г. предложение EPC Gen2 с незначительными изменениями было принято ISO/IEC в качестве дополнения С к существующим вариантам А и В стандарта ISO 18000-6, и на данный момент стандарт ISO/IEC 18000-6C является наиболее распространённым стандартом технологии RFID в УВЧ диапазоне.

Недостатками радиочастотной идентификации являются:

работоспособность метки утрачивается при частичном механическом повреждении;

подверженность помехам в виде электромагнитных полей;

недостаточная открытость выработанных стандартов.

В данном разделе были рассмотрены основные технологии идентификации объектов. Среди них особое внимание было уделено радиочастотной и оптической идентификации, которые можно использовать для инициирования соединения стационарного пункта управления с регистратором параметров движения поезда (РПДР).

Технологии беспроводной передачи данных

Для осуществления процесса обмена информацией между ПЭВМ и РПДП было решено изучить существующие технологии беспроводной передачи данных с целью последующего выбора наиболее подходящей.

BlueTooth

Технология BlueTooth (стандарт IEEE 802.15) стала первой технологией, позволяющей организовать беспроводную персональную сеть передачи данных (WPAN - Wireless Personal Network). Она позволяет осуществлять передачу данных и голоса по радиоканалу на небольшие расстояния (10–100 м) в нелицензируемом диапазоне частот 2,4 ГГц и соединять ПК, мобильные телефоны и другие устройства при отсутствии прямой видимости. При создании основной целью являлась разработка радиоинтерфейса с низким уровнем энергопотребления и невысокой стоимостью, который позволял бы устанавливать связь между сотовыми телефонами и беспроводными гарнитурами.

Стек протоколов беспроводной передачи данных BlueTooth:

Рисунок 1.3.1.1 Стек протоколов Bluetooth

Технология BlueTooth поддерживает как соединения типа «точка–точка», так и «точка–многоточка». Два или более использующих один и тот же канал устройства образуют пикосеть (piconet). Одно из устройств работает как основное (master), а остальные - как подчиненные (slave). В одной пикосети может быть до семи активных подчиненных устройств, при этом остальные подчиненные устройства находятся в состоянии «парковки», оставаясь синхронизированными с основным устройством. Взаимодействующие пикосети образуют «распределенную сеть» (scatternet). В каждой пикосети действует только одно основное устройство, однако подчиненные устройства могут входить в различные пикосети. Кроме того, основное устройство одной пикосети может являться подчиненным в другой.

В большинстве случаев технология BlueTooth используется разработчиками для замены проводного последовательного соединения между двумя устройствами на беспроводное. Для упрощения задачи организации соединения и выполнения передачи данных был разработан вариант прошивки BlueTooth-модулей, представляющий законченную программную реализацию всего стека протокола BlueTooth (рис. 1), а также профилей SPP (Serial Port Profile) и SDP (Service Discovery Profile). Это решение дает возможность разработчику осуществлять управление модулем, устанавливать беспроводное последовательное соединение и выполнять передачу данных с помощью специальных символьных команд. Однако оно накладывает определенные ограничения на использование возможностей технологии BlueTooth. В основном это сказывается на уменьшении максимальной пропускной способности и количестве одновременных асинхронных соединений, поддерживаемых BlueTooth-модулем.

В середине 2004 года на смену спецификации BlueTooth версии 1.1, которая была опубликована в 2001 году, принята спецификация BlueTooth версии 1.2. К основным отличиям спецификации 1.2 от 1.1 относят:

Реализация технологии адаптивной перестройки частоты канала для избегания коллизий (Adaptive Friquency hopping, AFH).

Сокращение времени, затрачиваемого на установление соединения между двумя модулями BlueTooth.

Известно, что BlueTooth и Wi-Fi используют один и тот же нелицензирумый диапазон 2,4 ГГц. Следовательно, в тех случаях, когда BlueTooth-устройства находятся в зоне действия устройств Wi-Fi и осуществляют обмен данными между собой, это может привести к коллизиям и повлиять на работоспособность устройств. Технология AFH позволяет избежать появления коллизий: во время обмена информацией для борьбы с интерференцией технология BlueTooth использует скачкообразную перестройку частоты канала, при выборе которого не учитываются частотные каналы, на которых осуществляют обмен данными устройства Wi-Fi.

Схема развития технологии BlueTooth, разработанная консорциумом SIG разработана:

Рисунок 1.3.1.2 Этапы развития технологии Bluetooth

В настоящее время на рынке работает большое количество фирм, предлагающих модули BlueTooth, а также компоненты для самостоятельной реализации аппаратной части BlueTooth-устройства. Практически все производители предлагают модули, поддерживающие спецификации BlueTooth версии 1.1 и 1.2 и соответствующие классу 2 (диапазон действия 10 м) и классу 1 (диапазон действия 100 м). Однако, несмотря на то, что версия 1.1 полностью совместима с 1.2, все рассмотренные выше усовершенствования, реализованные в версии 1.2, могут быть получены, только если оба устройства соответствуют версии 1.2.

В ноябре 2004 года была принята спецификация BlueTooth версии 2.0, поддерживающая технологию расширенной передачи данных (Enhanced Data Rate, EDR). Спецификация 2.0 с поддержкой EDR позволяет осуществлять обмен данными на скорости до 3 Мбит/с. Первые серийно изготавливаемые образцы модулей, соответствующие версии 2.0 и поддерживающие технологию расширенной передачи данных EDR, были предложены производителями в конце 2005 года. Радиус действия таких модулей составляет 10 м при отсутствии прямой видимости, что соответствует классу 2, а при наличии прямой видимости он может достигать 30 м.

Как уже отмечалось ранее, основное назначение технологии BlueTooth - замена проводного последовательного соединения. Технологией BlueTooth определены следующие профили: профиль локальной сети (Lan Access Profile), профиль обмена данными (Generic Object Exchange), профиль передачи данных (Profile Object Push Profile), профиль обмена файлами (File Transfer Profile), профиль синхронизации (Synchronization Profile).

Для функционирования беспроводной сети WiFi используются радиоволны, как и для работы сотовых телефонов, телевизоров и радиоприемников. Обмен информацией по беспроводной сети во многом похож на переговоры с использованием радиосвязи.

Большинство Wi-Fi оборудования можно разделить на две большие группы:

WiFi роутеры (маршрутизаторы) и точки доступа

оконечное оборудование пользователей, оснащенное Wi-Fi адаптерами.

Адаптер беспроводной связи компьютера превращает данные в радиосигнал и передает их в эфир с применением антенны. Беспроводной маршрутизатор принимает и декодирует этот сигнал. Информация с маршрутизатора направляется в Интернет по кабелю проводной сети Ethernet.

По сути, и WiFi роутеры и точки доступа WiFi выполняют одни и те же функции - создают радиопокрытие (режим AP), находясь в котором, любое устройство, оснащенное адаптером, может подключиться к сети в режиме AP-Client. На этом сходства устройств заканчиваются. Данные устройства различаются как визуально, так и структурно. У классической точки доступа WiFi имеется только один Ethernet-порт. У классических WiFi роутеров их 5. При этом отдельно выделен WAN-порт, который служит для подключения кабеля провайдера. Остальные Ethernet-порты маркируются как LAN - они служат для подключения по витой паре клиентов локальной сети, которую создает роутер.

В заводских настройках у точки доступа отключен DHCP-сервер и для подключения к ней по Ethernet или по WiFi, сетевому адаптеру необходимо присвоить статический IP-адрес. У роутеров DHCP-сервер в заводских настройках включен, и любой клиент роутера может получить от данного сервера IP-адрес автоматически. Для этого необходимо настроить службу DHCP-клиент адаптера, с помощью которого производится подключение к роутеру, на автоматическое получение IP-адресов. Кроме включенного в заводских настройках DHCP-сервера, роутеры оснащены программно-аппаратным файерволом, который минимизирует вероятность хакерских атак и хищения конфиденциальной информации у клиентов локальной сети, которую он создает, но не гарантирует 100% защиты.

Обычно схема Wi-Fi сети содержит не менее одной точки доступа и не менее одного клиента. Точка доступа передаёт свой идентификатор сети (SSID) с помощью специальных сигнальных пакетов на скорости 0,1 Мбит/с каждые 100 мс. Зная SSID сети, клиент может выяснить, возможно ли подключение к данной точке доступа. При попадании в зону действия двух точек доступа с идентичными SSID приёмник может выбирать между ними на основании данных об уровне сигнала.

При использовании Wi-Fi оборудования можно выделить несколько основных режимов его работы: точка-точка, инфраструктурный режим, работа в режиме моста и режим повторителя. Рассмотрим подробнее каждый из этих режимов работы.

При режиме работы точка-точка беспроводные клиенты соединяются напрямую между собой, точки доступа в данном случае не используются. Данный режим может использоваться, например, для соединения двух компьютеров, оснащенных Wi-Fi адаптерами, между собой, без каких либо дополнительных устройств.

Рисунок 1.3.2.1 Соединение точка-точка

В инфраструктурном режиме (точка-многоточка) работы, все устройства, подключаемые к беспроводной сети, связываются между собой через промежуточное устройство, называемое точкой доступа (AP, Access Point).

Рисунок 1.3.2.2 Инфраструктурный режим работы

Режим беспроводного моста используется в том случае если необходимо соединить две проводные локальные сети, удаленные друг от друга на небольшое расстояние (20-250 м), но нет возможности проложить кабели. В данном случае беспроводные клиенты не могут подключиться к точкам доступа, а сами точки используется только для транзита трафика из одной локальной проводной сети в другую.

Используемые для работы WiFi адаптеры (приемопередатчики, трансиверы) очень похожи на устройства, применяемые в дуплексных портативных радиостанциях, сотовых телефонах и других подобных устройствах. Они могут передавать и принимать радиоволны, а также преобразовывать единицы и нули цифрового сигнала в радиоволны и наоборот. В то же время есть некоторые заметные отличия приемников и передатчиков WiFi от других похожих устройств. Наиболее существенное отличие в том, что они работают на других частотных диапазонах. Большинство современных ноутбуков и многие настольные компьютеры продают со встроенными беспроводными приемопередатчиками. Если в ноутбуке такого устройства нет, существуют адаптеры, которые подключается к слоту расширения для плат стандарта PC card или к порту USB. После установки адаптера беспроводной связи и соответствующих драйверов, обеспечивающих адаптеру возможность нормальной работы, компьютер может начать автоматический поиск имеющихся сетей.

Приемопередатчики WiFi могут работать в одном из трех частотных диапазонов. Возможен также вариант, когда осуществляется быстрое «перескакивание» из одного диапазона в другой. Такой прием позволяет уменьшить влияние помех и одновременно использовать возможности беспроводной связи многими устройствами. Большинство актуальных стандартов технологии WiFi используют частотный диапазон 2,4ГГц, а если точнее - полосу частот 2400МГц-2483,5МГц. Кроме частотного диапазона 2,4ГГц современные актуальные стандарты WiFi используют диапазон 5ГГц в полосах частот 5,180-5,240ГГц и 5,745-5,825ГГц. Эти частоты намного выше, чем используемые в сотовых телефонах, в дуплексных портативных радиостанциях и для трансляции эфирного телевидения. На более высокой частоте можно передавать больше данных.

В WiFi используются сетевые стандарты 802.11 в нескольких разновидностях:

По стандарту 802.11a данные передаются в диапазоне 5 ГГц со скоростью до 54 мегабит в секунду. Он предусматривает также мультиплексирование с ортогональным делением частот (orthogonal frequency-division multiplexing OFDM), более эффективную технику кодирования, предусматривающую разделение исходного сигнала на передающей стороне на несколько подсигналов. Такой подход позволяет уменьшить воздействие помех.

802.11b является самым медленным и наименее дорогим стандартом. На некоторое время, благодаря своей стоимости, он получил широкое распространение, но сейчас вытесняется более быстрыми стандартами по мере их удешевления. Стандарт 802.11b предназначен для работы в диапазоне 2,4 ГГц. Скорость передачи данных составляет до 11 мегабит в секунду при использовании для повышения скорости манипуляции с дополняющим кодом (complementary code keying, CCK).

Стандарт 802.11g, как и 802.11b, предусматривает работу в диапазоне 2,4 ГГц, однако обеспечивает значительно большую скорость передачи данных – до 54 мегабит в секунду. Стандарт 802.11g быстрее, поскольку в нем используется такое же кодирование OFDM, как и в 802.11a.

Самый новый стандарт – 802.11n. В нем существенно увеличена скорость передачи данных и расширен частотный диапазон. В то же время, хотя стандарт 802.11g теоретически способен обеспечить скорость передачи данных 54 мегабит в секунду, реальная скорость составляет приблизительно 24 мегабит в секунду, в связи с перегрузками сети. Стандарт 802.11n может обеспечить скорость передачи данных 140 мегабит в секунду. Стандарт был утверждён 11 сентября 2009 года Институтом инженеров по электротехнике и электронике (Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE), мировым лидером в сфере разработки и внедрения новых стандартов.

Наиболее распространенными стандартами беспроводных сетей сегодня являются IEEE 802.11 b и 802.11 g. Оборудование таких сетей, согласно IEEE, работает в диапазоне 2400-2483,5 МГц и способно передавать данные с максимальной скоростью 11 и 54 Мбит/с соответственно.

Распределение волн в рассматриваемом диапазоне имеет ряд оригинальных качеств. Несмотря на функциональное сходство беспроводного и проводного оборудования, разница в их установке, монтаже и настройке немалая. Причина - в свойствах физических сред, используемых для передачи информации. В случае с беспроводным оборудованием нужно учитывать законы распространения радиоволн. Радиоэфир более чувствителен к различного рода помехам. Поэтому наличие перегородок, стен и железобетонных перекрытий может сказаться на скорости передачи данных. Условия приема и передачи радиосигнала ухудшают не только физические препятствия, также помехи создают и различные радиоизлучающие приборы.

В свое время стандартом для безопасности в региональных сетях связи была технология Wired Equivalency Privacy (WEP). Однако хакеры обнаружили уязвимости WEP и теперь достаточно просто найти приложения и программы, предназначенные для взлома сетей с такой защитой. В основе WEP лежит поточный шифр RC4, выбранный из-за своей высокой скорости работы и возможности использования переменной длины ключа. Для подсчета контрольных сумм используется CRC32.

На замену технологии защиты беспроводных сетей WEP пришла технология WPA. Плюсами WPA являются усиленная безопасность данных и ужесточённый контроль доступа к беспроводным сетям. Сегодня беспроводную сеть считают защищенной, если в ней функционируют три основных составляющих системы безопасности: аутентификация пользователя, конфиденциальность и целостность передачи данных. Протокол защищенного доступа WiFi (WiFi Protected Access, WPA) в настоящее время входит в протокол безопасности беспроводных сетей стандарта 802.11i. Данная технология поддерживает базовые средства аутентификации протоколов 802.1x, например протокол аутентификации Extensible Authentication Protocol (EAP), который предполагает участие в аутентификации трех сторон - вызывающей (клиента), вызываемой (точки доступа) и сервера аутентификации, что существенно повышает безопасность соединения. Помимо этого WPA обеспечивает конфиденциальность передачи данных посредством шифрования трафика с использованием временных ключей с помощью TKIP и целостность информации - путем сверки контрольной суммы MIC (Message Integrity Check). Как и в случае WEP, WPA предусматривает вход в систему с использованием пароля. Большинство общественных точек доступа либо открыты, либо используют WPA или 128-битную технологию WEP, хотя в некоторых все еще используется старая уязвимая система WEP. На данный момент WPA и WPA2 разрабатываются и продвигаются организацией Wi-Fi Alliance.

Для обеспечения еще большей безопасности иногда используют фильтрацию адресов управления доступом к среде (Media Access Control, MAC). В ней для идентификации пользователей не используется пароль, для этого применяются физические аппаратные средства компьютера. Каждый компьютер обладает собственным уникальным MAC-адресом. Фильтрация MAC-адресов обеспечивает доступ к сети только машинам с определенными MAC-адресами. При настройке маршрутизатора нужно указать, каким адресам разрешается доступ в сеть. Система не обладает стопроцентной надежностью. Хакер с соответствующим уровнем знаний может подделать MAC-адрес, то есть скопировать известный разрешенный MAC-адрес и ввести систему в заблуждение, имитируя этот адрес своим компьютером, что позволит ему войти в сеть.

Преимущества Wi-Fi

Позволяет развернуть сеть без прокладки кабеля, что может уменьшить стоимость развёртывания и/или расширения сети. Места, где нельзя проложить кабель, например, вне помещений и в зданиях, имеющих историческую ценность, могут обслуживаться беспроводными сетями.

Позволяет иметь доступ к сети мобильным устройствам.

Wi-Fi устройства широко распространены на рынке. Гарантируется совместимость оборудования благодаря обязательной сертификации оборудования с логотипом Wi-Fi.

В пределах Wi-Fi зоны в сеть Интернет могут выходить несколько пользователей с компьютеров, ноутбуков, телефонов и т. д.

Излучение от Wi-Fi устройств в момент передачи данных на порядок (в 10 раз) меньше, чем у сотового телефона.

Технология беспроводной передачи данных ZigBee была представлена на рынке уже после появления технологий беспроводной передачи данных BlueTooth и Wi-Fi. Появление технологии ZigBee обусловлено, прежде всего, тем, что для некоторых приложений (например, для удаленного управления освещением или гаражными воротами, либо считывания информации с датчиков) основными критериями при выборе технологии беспроводной передачи является малое энергопотребление аппаратной части и ее низкая стоимость. Из этого следует малая пропускная способность, так как в большинстве случаев электропитание датчиков осуществляется от встроенной батареи, время работы от которой должно превышать несколько месяцев и даже лет. Существующие на тот момент времени технологии беспроводной передачи данных BlueTooth и Wi-Fi не соответствовали этим критериям, обеспечивая передачу данных на высоких скоростях, с высоким уровнем энергопотребления и стоимости аппаратной части. В 2001 году рабочей группой № 4 IEEE 802.15 были начаты работы по созданию нового стандарта, который бы соответствовал следующим требованиям:

очень малое энергопотребление аппаратной части, реализующей технологию беспроводной передачи данных (время работы от батареи должно составлять от нескольких месяцев до нескольких лет);

передача информации должна осуществляться на не высокой скорости;

низкая стоимость аппаратной части.

Результатом стала разработка стандарта IEEE 802.15.4. На рис. 5 приведена модель взаимодействия стандарта IEEE 802.15.4, технологии беспроводной передачи данных ZigBee и конечного пользователя.

Рисунок 1.3.3.1 Модель взаимодействия стандарта IEEE 802.15.4, технологии беспроводной передачи данных ZigBee и конечного пользователя

Стандарт IEEE 802.15.4 определяет взаимодействие только двух низших уровней модели взаимодействия: физического уровня (PHY) и уровня управления доступом к радиоканалу для трех нелицензируемых диапазонов частот: 2,4 ГГц, 868 МГц и 915 МГц.

Уровень MAC отвечает за управление доступом к радиоканалу с использованием метода множественного доступа с опознаванием несущей и устранением коллизий (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA-CA), а также за управление подключением и отключением от сети передачи данных и обеспечение защиты передаваемой информации симметричным ключом (AES-128).

В свою очередь, технология беспроводной передачи данных ZigBee, предложенная альянсом ZigBee, определяет остальные уровни модели взаимодействия, к которым относят сетевой уровень, уровень безопасности, уровень структуры приложения и уровень профиля приложения. Сетевой уровень, технологии беспроводной передачи данных ZigBee, отвечает за обнаружение устройств и конфигурацию сети и поддерживает три варианта топологии сети.

Для обеспечения низкой стоимости интеграции технологии беспроводной передачи ZigBee в различные приложения физическая реализация аппаратной части стандарта IEEE 802.15.4 выполняется в двух исполнениях: устройства с ограниченным набором функции (RFD) и полностью функциональные устройства (FFD).

Кроме деления устройств на RFD и FFD, альянсом ZigBee определены три типа логических устройств: ZigBee-координатор (согласующее устройство), ZigBee-маршрутизатор и оконечное устройство ZigBee. Координатор осуществляет инициализацию сети, управление узлами, а также хранит информацию о настройках каждого узла, подсоединенного к сети. ZigBee-маршрутизатор отвечает за маршрутизацию сообщений, передаваемых по сети от одного узла к другому. Под оконечным устройством понимают любое оконечное устройство, подсоединенное к сети. Рассмотренные выше устройства RFD и FFD как раз и являются оконечными устройствами. Тип логического устройства при построении сети определяет конечный пользователь посредством выбора определенного профиля, предложенного альянсом ZigBee. При построении сети с топологией «каждый с каждым» передача сообщений от одного узла сети к другому может осуществляться по разным маршрутам, что позволяет строить распределенные сети (объединяющие несколько небольших сетей в одну большую - кластерное дерево) с установкой одного узла от другого на достаточно большом расстоянии и обеспечить надежную доставку сообщений.

Трафик, передаваемый по сети ZigBee, как правило, разделяют на периодический, прерывистый и повторяющийся (характеризующийся небольшим временным интервалом между посылками информационных сообщений).

Периодический трафик характерен для приложений, в которых необходимо дистанционно получать информацию, например от беспроводных сенсорных датчиков или счетчиков. В таких приложениях получение информации от датчиков или счетчиков осуществляется следующим образом. Как уже упоминалось ранее, любое оконечное устройство, в качестве которого в данном примере выступает беспроводной датчик, подавляющую часть времени работы должно находится в режиме «засыпания», обеспечивая тем самым очень низкое энергопотребление. Для передачи информации оконечное устройство в определенные моменты времени выходит из режима «засыпания» и выполняет поиск в радиоэфире специального сигнала (маяка), передаваемого устройством управления сетью (ZigBee-координатором или ZigBee-маршрутизатором), к которой подсоединен беспроводной счетчик. При наличии в радиоэфире специального сигнала (маяка) оконечное устройство осуществляет передачу информации устройству управления сетью и сразу же переходит в режим «засыпания» до следующего сеанса связи.

Прерывистый трафик свойственен, например, для устройств дистанционного управления освещением. Представим ситуацию, когда необходимо при срабатывании датчика движения, установленного у входной двери, передать команду на включение освещения в прихожей. Передача команды в данном случае осуществляется следующим образом. При получении устройством управления сетью сигнала о срабатывании датчика движения оно выдает команду оконечному устройству (беспроводному выключателю) подключиться к беспроводной сети ZigBee. Затем устанавливается соединение с оконечным устройством (беспроводным выключателем) и выполняется передача информационного сообщения, содержащего команду на включение освещения. После приема команды соединение разрывается и выполняется отключение беспроводного выключателя от сети ZigBee. Подключение и отключение оконечного устройства к сети ZigBee только в необходимые для этого моменты позволяет существенно увеличить время пребывания оконечного устройства в режиме «засыпания», обеспечивая тем самым минимальное энергопотребление. Метод использования специального сигнала (маяка) является гораздо более энергоемким.

В некоторых приложениях, например охранных системах, передача информации о срабатывании датчиков должна осуществляться практически мгновенно и без задержек. Но надо учитывать тот факт, что в определенный момент времени могут «сработать» сразу несколько датчиков, генерируя в сети так называемый повторяющийся трафик. Вероятность данного события невелика, но не учитывать его в охранных системах недопустимо. В беспроводной сети ZigBee для сообщений, передаваемых в беспроводную сеть при срабатывании сразу нескольких охранных датчиков (оконечных устройств), предусмотрена передача данных от каждого датчика в специально выделенном временном слоте. В технологии ZigBee специально выделяемый временной слот называют гарантированным временным слотом (Guaranteed Time Slot, GTS). Наличие в технологии ZigBee возможности предоставлять гарантированный временной слот для передачи неотложных сообщений позволяет говорить о реализации в ZigBee метода QoS (качество обслуживания). Выделение гарантированного временного слота для передачи неотложных сообщений осуществляется сетевым координатором (рис. 6, PAN Coordinator).

Для построения беспроводной сети (например, сеть с топологией «звезда») на основе технологии ZigBee разработчику необходимо приобрести по крайней мере один сетевой координатор и необходимое количество оконечных устройств. При планировании сети следует учитывать, что максимальное количество активных оконечных устройств, подсоединенных к сетевому координатору, не должно превышать 240. Кроме того, необходимо приобрести у производителя ZigBee-чипов программные средства для разработки, конфигурирования сети и создания пользовательских приложений и профилей.

Высокая стоимость отладочного комплекта, в состав которого входит набор программных и аппаратных средств для построения беспроводных сетей ZigBee любой сложности, является одним из сдерживающих факторов массового распространения технологии ZigBee на рынке России.

Приведенный в разделе краткий обзор технологий беспроводной передачи данных BlueTooth, Wi-Fi и ZigBee показывает, что каждая технология имеет свои отличительные качества, заключающиеся в достижении одной и той же цели разными способами (с разными потерями). Сравнительные характеристики технологий BlueTooth, Wi-Fi и ZigBee приведены в таблице.

Таблица 1.3.3.1

Сравнительные характеристики технологий BlueTooth, Wi-Fi и ZigBee

Из данной таблицы видно, что самая быстрая и дальняя передача возможно при использовании технологии Wi-Fi. Технология Wi-Fi используется для передачи почты, видео и других данных через Интернет. Технология ZigBee прекрасно подходит для низкоскоростного обмена информацией небольшого размера между большим количеством узлов, для удаленного мониторинга и управления. Технология BlueTooth нашла наибольшее применение при обмене данными между мобильными устройствами.

Сетевая технология - это согласованный набор стандартных протоколов и реализующих их программно-аппаратных средств (например, сетевых адаптеров, драйверов, кабелей и разъемов), достаточный для построения вычислительной сети. Эпитет «достаточный» подчеркивает то обстоятельство, что этот набор представляет собой минимальный набор средств, с помощью которых можно построить работоспособную сеть.

Протоколы, на основе которых строится сеть определенной технологии (в узком смысле) специально разрабатывались для совместной работы, поэтому от разработчика сети не требуется дополнительных усилий по организации их взаимодействия. Иногда сетевые технологии называют базовыми технологиями, имеется в виду то, что на их основе строится базис любой сети. Примерами базовых сетевых технологий могут служить такие известные технологии локальных сетей, как Ethernet, Token Ring и FDDI, или же технологии территориальных сетей Х.25 и frame relay. Для получения работоспособной сети в этом случае достаточно приобрести программные и аппаратные средства, относящиеся к одной базовой технологии - сетевые адаптеры с драйверами, концентраторы, коммутаторы, кабельную систему и т. п., - и соединить их в соответствии с требованиями стандарта на данную технологию.

На сегодняшний день самым распространенным стандартом локальных сетей является пакетная технология передачи данных Ethernet. Стандарты Ethernet определяют проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат кадров и протоколы управления доступом к среде - на канальном уровне модели OSI. Ethernet, в основном, описывается стандартами IEEE группы 802.3. В качестве передающей среды используется коаксиальный кабель, витая пара или оптический кабель. Компьютеры подключаются к разделяемой среде в соответствии с типовой структурой «общая шина». С помощью разделяемой во времени шины любые два компьютера могут обмениваться данными.

Все виды стандартов Ethernet (в том числе Fast Ethernet и Gigabit Ethernet) используют один и тот же метод разделения среды передачи данных - метод CSMA/CD (множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий) Суть случайного метода доступа состоит в следующем. Компьютер в сети Ethernet может передавать данные по сети, только если сеть свободна, то есть если никакой другой компьютер в данный момент не занимается обменом. Поэтому важной частью технологии Ethernet является процедура определения доступности среды. После того как компьютер убеждается, что сеть свободна, он начинает передачу, при этом «захватывает» среду. Время монопольного использования разделяемой среды одним узлом ограничивается временем передачи одного кадра. Кадр - это единица данных, которыми обмениваются компьютеры в сети Ethernet. Кадр имеет фиксированный формат и наряду с полем данных содержит различную служебную информацию, например адрес получателя и адрес отправителя. Сеть Ethernet устроена так, что при попадании кадра в разделяемую среду передачи данных все сетевые адаптеры одновременно начинают принимать этот кадр. Все они анализируют адрес назначения, располагающийся в одном из начальных полей кадра, и, если этот адрес совпадает с их собственным адресом, кадр помещается во внутренний буфер сетевого адаптера. Таким образом, компьютер-адресат получает предназначенные ему данные. Иногда может возникать ситуация, когда одновременно два или более компьютера решают, что сеть свободна, и начинают передавать информацию. Такая ситуация, называемая коллизией, препятствует правильной передаче данных по сети. В стандарте Ethernet предусмотрен алгоритм обнаружения и корректной обработки коллизий. Вероятность возникновения коллизии зависит от интенсивности сетевого трафика. После обнаружения коллизии сетевые адаптеры, которые пытались передать свои кадры, прекращают передачу и после паузы случайной длительности пытаются снова получить доступ к среде и передать тот кадр, который вызвал коллизию.

Главным достоинством сетей Ethernet, благодаря которому они стали такими популярными, является их экономичность. Для построения сети достаточно иметь по одному сетевому адаптеру для каждого компьютера плюс один физический сегмент кабеля нужной длины. Другие базовые технологии, например Token Ring, для создания даже небольшой сети требуют наличия дополнительного устройства - концентратора. Кроме того, в сетях Ethernet реализованы достаточно простые алгоритмы доступа к среде, адресации и передачи данных. Простая логика работы сети ведет к упрощению и, соответственно, удешевлению сетевых адаптеров и их драйверов. По той же причине адаптеры сети Ethernet обладают высокой надежностью. И, наконец, еще одним замечательным свойством сетей Ethernet является их хорошая расширяемость, то есть легкость подключения новых узлов. Другие базовые сетевые технологии - Token Ring, FDDI, - хотя и обладают многими индивидуальными чертами, в то же время имеют много общих свойств с Ethernet. Существенные отличия одной технологии от другой связаны с особенностями используемого метода доступа к разделяемой среде. Так, отличия технологии Ethernet от технологии Token Ring во многом определяются спецификой заложенных в них методов разделения среды - случайного алгоритма доступа в Ethernet и метода доступа путем передачи маркера в Token Ring.

Для объединения всех блоков системы управления безопасностью поезда «Витязь» используется CAN-шина. Рассмотрим этот интерфейс более подробно .

CAN (Control Area Network) - последовательная магистраль, обеспечивающая объединение в локальную сеть "интеллектуальных" устройств ввода/вывода, датчиков и исполнительных устройств некоторого механизма или даже предприятия. Характеризуется протоколом, обеспечивающим возможность нахождения на магистрали нескольких ведущих устройств, обеспечивающим передачу данных в реальном масштабе времени и коррекцию ошибок, высокой помехоустойчивостью. Система CAN состоит из большого количества микросхем, обеспечивающих работу подключенных к магистрали устройств, разработку которых начинала фирма BOSH для использования в автомобилях, и в настоящее время широко используемых в автоматизации промышленности. Скорость передачи задается программно и может быть до 1 Мбит/с.

Но на практике под CAN-сетью обычно подразумевается сеть топологии «шина» с физическим уровнем в виде дифференциальной пары, определённым в стандарте ISO 11898. Передача ведётся кадрами, которые принимаются всеми узлами сети. Для доступа к шине, выпускаются специализированные микросхемы - драйверы CAN шины.

Система CAN работает очень надежно. Если возникают какие-либо неисправности, они обязательно фиксируются в соответствующих регистраторах неисправностей и могут быть затем считаны с помощью диагностического прибора.

Рисунок 1.5.1 Система CAN

Сеть объединяет несколько блоков управления. Блоки управления подключаются к ней через трансиверы (приемопередатчики). Таким образом, все отдельные станции сети находятся в одинаковых условиях. То есть все блоки управления равнозначны и ни один из них не имеет приоритета. При этом говорят о так называемой многоабонентской архитектуре. Обмен информацией производится путем передачи последовательных сигналов.

Процесс обмена информацией заключается в обмене отдельными посланиями, кадрами. Эти послания могут быть отправлены и получены каждым из блоков управления. Каждое из посланий содержит данные о каком-либо физическом параметре системы. При этом величина представляется в двоичной форме, т. е. как последовательность нулей и единиц или бит. Например, значение частоты вращения двигателя 1800 об/мин может быть представлено как двоичное число 00010101. При передаче сигналов каждое число в двоичном представлении преобразуется в поток последовательных импульсов (бит). Эти импульсы поступают через провод TX (передающий провод) на вход трансивера (усилителя). Трансивер преобразует последовательности импульсов тока в соответствующие сигналы напряжения, которые затем последовательно передаются на провод шины. При приеме сигналов трансивер преобразует импульсы напряжения в последовательности бит и передает их через провод RX (приемный провод) на блок управления. В блоке управления последовательности двоичных сигналов вновь преобразуются в данные посланий. Например, двоичное число 00010101 преобразуется в частоту вращения 1800 об/мин.

Передаваемое послание может быть принято каждым из блоков управления. Этот принцип передачи данных называют широковещательным, так как он подобен принципу работы широковещательной радиостанции, сигналы которой принимаются каждым пользователем радиосети. Этот принцип передачи данных обеспечивает получение в каждый момент времени одинаковой информации всеми блоками управления, подключенными к сети. Каждое сообщение снабжается идентификатором, который определяет назначение передаваемых данных, но не адрес приемника. Любой приемник может реагировать как на один идентификатор, так и на несколько. На один идентификатор могут реагировать несколько приемников.

Рисунок 1.5.2 Принцип обмена сообщениями по CAN

Блок управления принимает сигналы датчиков, обрабатывает их и передает соответствующие управляющие сигналы на исполнительные устройства. Наиболее существенными компонентами блока управления являются микроконтроллер с входными и выходными запоминающими устройствами и запоминающее устройство для хранения программного обеспечения. Получаемые блоком управления сигналы датчиков, например, датчика температуры или датчика частоты вращения коленчатого вала регулярно вызываются и записываются последовательно во входном запоминающем устройстве. В микроконтроллере входные сигналы обрабатываются в соответствии с заложенными в нем программами. Выработанные в результате этой обработки сигналы направляются в ячейки выходного запоминающего устройства, откуда они поступают на соответствующие исполнительные устройства. Для обработки посланий, поступающих с шины CAN и направляемых на нее, каждый блок управления снабжен дополнительным запоминающим устройством, в котором хранятся как поступающие, так и отправляемые послания.

Для обмена данными посредством шины CAN служит модуль системы CAN. Он разделен на две зоны: зону приема и зону передачи. Модуль системы CAN связан с блоком управления через почтовые ящики для входящих и исходящих посланий. Обычно он встроен в чип микроконтроллера блока управления.

Трансивер представляет собою приемопередающее устройство, одновременно выполняющее функции усилителя. Он преобразует последовательность поступающих с модуля системы CAN двоичных сигналов (на логическом уровне) в электрические импульсы напряжения и наоборот. Таким образом, посредством электрических импульсов можно передавать данные по медным проводам. Связь трансивера с модулем системы CAN осуществляется посредством проводов TX (передающий провод) и RX (принимающий провод). Провод RX соединен с шиной CAN через усилитель. Он позволяет постоянно "прослушивать" цифровые сигналы, передаваемые через шину.

При свободной шине любой узел может начинать передачу в любой момент. В случае одновременной передачи кадров двумя и более узлами проходит арбитраж доступа : передавая адрес источника, узел одновременно проверяет состояние шины. Если при передаче рецессивного бита принимается доминантный - считается, что другой узел передаёт сообщение с большим приоритетом и передача откладывается до освобождения шины. Таким образом, в отличие, например, от Ethernet в CAN не происходит непроизводительной потери пропускной способности канала при коллизиях. Цена этого решения - вероятность того, что сообщения с низким приоритетом никогда не будут переданы.

Все подключенные к шине станции получают послание, отправленное блоком управления. Это послание поступает в зоны приема соответствующих модулей системы CAN через провода RX. После этого они могут определить на контрольном уровне по сумме CRC (Cycling Redundancy Check), нет ли в послании ошибок передачи.

Преимущества

Возможность работы в режиме жёсткого реального времени.

Простота реализации и минимальные затраты на использование.

Высокая устойчивость к помехам.

Арбитраж доступа к сети без потерь пропускной способности.

Надёжный контроль ошибок передачи и приёма.

Большое распространение технологии, наличие широкого ассортимента продуктов от различных поставщиков.

Упрощается подключение дополнительного оборудования.

Недостатки

Небольшое количество данных, которое можно передать в одном пакете (до 8 байт).

Большой размер служебных данных в пакете (по отношению к полезным данным).

Отсутствие единого общепринятого стандарта на протокол высокого уровня, однако же, это и достоинство. Стандарт сети предоставляет широкие возможности для практически безошибочной передачи данных между узлами, оставляя разработчику возможность вложить в этот стандарт всё, что туда сможет поместиться.

USB-интерфейс

В четвертой главе данного дипломного проекта будет производиться написание ППП для стенда тестирования РПДП. На этом стенде будет осуществляться подключение к CAN по USB, поэтому было решено изучить USB-интерфейс.

USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина) является промышленным стандартом расширения архитектуры РС-компьютера.

Архитектура USB определяется следующими критериями:

Легко реализуемое расширение периферии РС-компьютера;

Скорость передачи до 12 Мбит/с (версия 1.1), до 480 Мбит/с (версия 2.0), до 4,8 Гбит/с (версия 3.0);

Возможность интеграции в РС-компьютерах любых размеров и конфигураций;

Легкое создание устройств-расширений РС-компьютеров.

С точки зрения пользователя важными параметрами USB являются следующие:

Простота подключения к РС-компьютеру, т.е. невозможно неправильно подключить устройство;

Не требуется выключать питание перед подключением из-за особенностей конструкции разъемов;

Скрытие подробностей электрического подключения от конечного пользователя;

Самоидентифицирующиеся периферийные устройства (Plug & Play);

Возможность динамического подключения периферийных устройств;

Малопотребляющие устройства (до 500 ма) могут получать питание прямо от USB-шины.

Физическое соединение устройств осуществляется по топологии многоярусной звезды. Центром каждой звезды является хаб (обеспечивает дополнительные точки подключения). Каждый кабельный сегмент соединяет две точки – хаб с другим хабом или функцией (представляет собой конечное периферийное устройство). В системе имеется, причем только один, хост-контроллер, расположенный в вершине пирамиды функций и хабов и управляющий работой всей системой. Хост-контроллер интегрируется с корневым хабом (Root Hub), обеспечивающим одну или несколько точек подключения – портов. Контроллер USB, входящий в состав чипсетов, обычно имеет встроенный двухпортовый корневой хаб.

Логически устройство, подключенное к любому порту хаба USB может рассматриваться как непосредственно подключенное к хост-контроллеру. Таким образом, точка подключения устройства не важна.

Хост-контроллер производит распределение пропускной способности шины между устройствами. USB-шина позволяет подключать, конфигурировать, использовать и отключать устройства во время работы хоста и самих устройств.

Функции представляют собой устройства, способные передавать или принимать данные или управляющую информацию по шине. Типично функции представляют собой отдельные периферийные устройства, подключенные к порту хаба USB кабелем. Каждая функция предоставляет конфигурационную информацию, описывающую возможности устройства и требования к ресурсам. Перед использованием функция должна быть сконфигурирована хостом – ей должна быть выделена полоса в канале и выбраны опции конфигурации.

Хаб представляет собой кабельный концентратор. Точки подключения называются портами хаба. Каждый хаб преобразует одну точку подключения в их множество. Архитектура допускает соединение нескольких хабов. У каждого хаба имеется один восходящий порт (Upstream Port), предназначенный для подключения к хабу верхнего уровня и один или несколько нисходящих портов (Downstream Port), предназначенных для подключения функций или хабов нижнего уровня. Хаб распознает подключение и отключение устройств и управляет подачей питания на нисходящие сегменты.

Для избавления программиста от рутинной работы по написанию драйвера, в некоторые операционные системы заведомо входят низкоуровневые драйвера. В систему Windows входят:

драйвер хост-контроллера (USB Bus Driver) отвечает за управление транзакциями, питанием и распознаванием устройств;

драйвер шины (USB Bus Driver) отвечает за управление транзакциями, питанием и распознаванием устройств;

драйвер класса (Class driver).

С точки зрения программиста наибольший интерес представляют драйвер класса и интерфейс обращения к этому драйверу. Здесь операционная система делает шаг на пути к унификации интерфейсов. Все USB-устройства делятся на группы (хабы, HID-устройства, аудио, устройства хранения данных, принтеры, устройства коммуникации), согласно общим свойствам, выполняемым функциям и требованиям к ресурсам. Для каждой группы устройств Windows предоставляет отдельный драйвер, который автоматически устанавливается при обнаружении принадлежности устройства к одной из групп. Таким образом, в большинстве случаев никаких драйверов не требуется.

USB HID (human interface device) class - класс устройств USB для взаимодействия с человеком. Этот класс включает в себя такие устройства как клавиатура, мышь, игровой контроллер. Это один из первых USB классов, поддерживаемых операционной системой Windows. HID устройство кроме ввода данных в компьютер может и получать их от него. При необходимости отправки данных на HID устройство необходимо инициировать соединение с этим устройством и далее работать с ним как с обычным файлом .

В данной главе был произведен обзор основных технологий передачи данных. Для осуществления процесса обмена информацией между компьютером и поездом было решено изучить существующие технологии беспроводной передачи данных с целью последующего выбора наиболее подходящей (2 глава). Помимо беспроводных технологий физического уровня, были рассмотрены технологии канального уровня (Ethernet, Frame Relay, ATM).

В данном разделе были также рассмотрены основные технологии идентификации объектов. Среди них особое внимание было уделено радиочастотной и оптической идентификации, которые можно использовать для инициирования соединения стационарного пункта управления с регистратором параметров движения поезда (РПДР).