Конспект лекций по дисциплине «информационные технологии» для студентов направления 230700 «прикладная информатика»

Вид материала

Конспект

Содержание Передача информации Модуляция и демодуляция сигнала 3.2.2. Уплотнение сигнала и выделение уплотненного сигнала 3.2.3. Компьютерные сети 3.2.3.1. Топология сетей 3.2.3.2. Методы передачи данных в сетях Метод коммутации сообщений Метод коммутации пакетов 3.2.3.3. Организация обмена информацией в сети

Подобный материал:

• Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов очной формы обучения, 745.04kb.
• Тематика курсовых работ по дисциплине «Базы данных» для студентов направления 230700., 29.21kb.
• Рабочая программа дисциплины для студентов магистратуры, обучающихся по направлению, 120.54kb.
• Основная образовательная программа высшего профессионального образования 230700., 513.26kb.
• Учебно-методический комплекс по дисциплине "информационные технологии финансового анализа, 108.22kb.
• Учебно-методическое пособие по курсу «Информационные технологии» для студентов Института, 1419.29kb.
• Конспект лекций по дисциплине «сетевые технологии» (дополненная версия) для студентов, 2520.9kb.
• Л. В. Тен «26» января 2011 г. Номер внутривузовской регистрации эф 12. 01 Основная, 357.93kb.
• Направление 230700 Прикладная информатика профиль: «Экономика», 18.34kb.
• Рабочая программа по дисциплине "алгоритмизация и программирование" для специальности, 140.41kb.

Передача информации

Схема передачи информации представлена на рисунке:




ИС КИ КК У М ЛС ДМ В ДК ДИ ПС

КС

Здесь сокращения означают следующее:

ИС – источник сообщения. Он регистрирует (фиксирует) информацию на каком-либо носителе, в результате чего образуется сигнал. Может выполнять в целом первую фазу обращения информации, а также криптографическое кодирование. В роли ИС могут выступать сканеры, факсимильные аппараты, клавиатуры, компьютеры и т.д.

КИ – кодер² источника. Выполняет эффективное кодирование информации в сигнале в случае необходимости. Данный элемент может отсутствовать в схеме.

КК – кодер канала. На него возложены функции помехозащитного кодирования, если передаваемый сигнал подвержен помехам.

У – уплотнитель сигнала. Способствует передаче нескольких сигналов по одной линии связи ЛС. Может отсутствовать в схеме.

М – модулятор сигнала. Изменяет информационные характеристики сигналов-носителей, накладывая на него дискретный сигнал.

ЛС – линия связи – физическая среда (например, воздух, электрическое или магнитное поле) и технические средства в ней, который используются для передачи сигнала на расстояние.

ДМ – демодулятор. Выполняет выделение дискретного сигнала из сигнала-носителя. Имеет место в схеме только при наличии модулятора М.

В – устройство выделения уплотненного сигнала. Имеет место в схеме только при наличии уплотнителя У.

ДК – декодер канала. Выявляет и/или исправляет ошибки, допущенные при передаче сигнала по линии связи ЛС. Присутствует в схеме только при наличии кодера канала КК.

ДИ – декодер источника. Декодирует эффективные коды. Присутствует в схеме только при наличии кодера источника КИ.

ПС – получатель сообщения. В его роли может выступать компьютер, принтер, дисплей и т.д.

КС – канал связи.

Технически блоки модулятор (М) и демодулятор (ДМ) реализованы в одном устройстве, которое называется модем (МОдулятор-ДЕМодулятор).

Аналогично блоки кодеров (КИ и КК) и декодеров (ДИ и ДК) реализованы технически в одном устройстве, называемом кодек (КОдер-ДЕКодер).

Блоки уплотнитель У и блок выделения сигнала В образуют мультиплексор.

1. Модуляция и демодуляция сигнала

Модуляция - изменение информативных параметров некоторых первичных физических процессов (сигналов), рассматриваемых как носители информации, в соответствии с передаваемой (включаемой и сигнал) информацией.

Виды модуляции связаны с типом сигнала-носителя:

1. сигнал-носитель – фиксированный уровень, например, значение напряжения:
   

U(t)

U_н


t

В этом случае возможна только прямая модуляция, при которой изменение уровня напряжения означает передачу того или иного сигнала.

Например, выполнить прямую модуляцию дискретного сигнала 0110₂. Зададимся следующими модификациями напряжения U_н для передачи двоичной цифры: при уменьшении нормального уровня напряжения на U_м передается двоичный 0, при увеличении нормального уровня на ту же величину передается двоичная 1. Для кодирования повторений цифр зададимся дискретой времени t, в течение которой передается одна цифра. Тогда получим результат, показанный на рисунке:


U(t)

U_м

U_н

U_м

t t t t t

2. сигнал-носитель – колебания:
   

U(t)

U_н

t t t t t


Этот вид сигнала характеризуется тремя информационными параметрами – амплитудой, частотой и фазой, поэтому возможны три вида модуляции:

• амплитудная. Изменение амплитуды означает передачу того или иного сигнала.
  

Например, выполнить амплитудную модуляцию для дискретного сигнала 0110₂, если сигналом-носителем являются колебания. Зададимся модификациями амплитуды базового сигнала-носителя: пусть уменьшение амплитуды на величину U_м означает передачу двоичного 0, а увеличение на ту же величину – передачу двоичной 1. Тогда получим результат, показанный на рисунке:




U(t)

U_м U_н

U_м

t

• частотная. Изменение частоты колебаний передает дискретный сигнал.
  

Например, выполнить частотную модуляцию для дискретного сигнала 0110₂. Пусть увеличение колебаний в период времени T = 2t в 2 раза означает передачу двоичного 0, а увеличение в 3 раза – двоичной 1. Тогда результат модуляции представлен на рисунке:


U(t)

U_н


t


T T T T

• фазовая. Смена фазы передает дискретный сигнал.
  

Например, выполнить фазовую модуляцию для дискретного сигнала 0110₂. Пусть сдвиг по фазе на 90 означает передачу двоичной 1, отсутствие сдвига – двоичного 0. Тогда результат модуляции представлен на рисунке:

U(t)

U_н


t

3. сигнал-носитель – импульсы:
   

U(t)

U_н

   t

T T T


Аналогично колебаниям этот вид сигнала позволяет выполнять три вида модуляции:

• амплитудно-импульсная. Передача дискретного сигнала связана с изменением амплитуды импульсов.
  

Например, выполнить амплитудно-импульсную модуляцию для дискретного сигнала 0110₂. Зададимся модификациями амплитуды базового сигнала-носителя: пусть уменьшение амплитуды импульса на величину U_м означает передачу двоичного 0, а увеличение на ту же величину – передачу двоичной 1. Тогда результат модуляции представлен на рисунке:


U(t)


U_м U_н

U_м

t

T T T T

• частотно-импульсная. Передача дискретного сигнала связана с изменением частоты импульсов.
  

Например, выполнить частотно-импульсную модуляцию для сигнала 0110₂. Пусть увеличение частоты импульсов в период времени T в 2 раза означает передачу двоичного 0, а увеличение в 3 раза – двоичной 1. Тогда результат модуляции представлен на рисунке:

U(t)

U_н


t

T T T T

• время-импульсная. Передача дискретного сигнала связана с изменением продолжительности импульса .
  

Например, выполнить время-импульсную модуляцию для сигнала 0110₂. Пусть увеличение продолжительности импульса на время  означает передачу двоичной 1, а уменьшение на ту же величину – передачу двоичного 0. Тогда результат модуляции представлен на рисунке:

U(t)

U_н


- + + -


Демодуляция – восстановление величин, вызвавших изменение параметров носителей при модуляции. Выполняется на принимающей стороне при известных условиях модуляции на передающей стороне.

3.2.2. Уплотнение сигнала и выделение уплотненного сигнала

Современные средства передачи информации часто бывают многоканальными, т.е. предназначенными для передачи нескольких сигналов: все сигналы передаются по общей линии связи путем уплотнения, или мультиплексирования, сигналов на передающей стороне и их последующего разделения на принимающей стороне.

Рассмотрим основные методы уплотнения и выделения сигнала:

1. частотный. Для уплотнения различным сигналам назначаются непересекающиеся участки частотной шкалы. Например, для передачи двух сигналов используются сигналы-носители с разными частотами (показаны на рисунке жирной и обыкновенной линией):
   

U(t)


t


Тогда в простейшем случае возможны амплитудный и фазовый методы модуляции для собственно передачи дискретного сигнала. Для выделения нужного сигнала на приемной стороне полученный уплотненный сигнал разделяется частотными фильтрами, что позволяет «направить» разночастотные сигналы-носители разным получателям.

2. временной. Для уплотнения разные сигналы передаются только в определенные отрезки времени, например, для одного получателя сигнал передается от 6 часов утра до полудня, для другого – с полудня до 18 часов и т.д. Для синхронизации сигналов на передающей и принимающей стороне устанавливаются распределители, отсчитывающие время, отведенное под каждый сигнал, – это и есть выделение сигнала при данном методе.
   
3. кодовый. Для уплотнения каждому сигналу присваивается адрес получателя, указываемый специальным кодом. При выделении сигнала на принимающей стороне декодирующее устройство направляет сигналы согласно их адресам.
   

3.2.3. Компьютерные сети

Если источником и получателем сообщения являются компьютеры, то такая система передачи информации формирует компьютерную сеть.

Компьютерные сети обладают следующими возможностями, что делает их привлекательными для пользователей:

1. обеспечивают параллельную обработку данных несколькими ЭВМ;
   
2. поддерживают распределенные базы информации, когда данные, требуемые для решения прикладных задач, а также программы обработки этих данных распределяются по сети, разгружая ресурсы отдельных компьютеров и приближаясь к тем точкам сети, где они наиболее актуальны;
   
3. обеспечивают возможность специализации отдельных ЭВМ для решения определенных задач;
   
4. автоматизируют обмен информацией и программами между компьютерами сети;
   
5. вычислительные мощности и средства передачи информации резервируются на случай выхода из строя отдельных из них;
   
6. обеспечивают перераспределение вычислительных мощностей между пользователями сети в зависимости от изменения их потребностей и сложности решаемых задач;
   
7. повышают уровень загрузки отдельных компьютеров и дорогостоящего оборудования.
   

Выполним классификацию компьютерных сетей:

1. по функциональному назначению:
   
   1. информационные сети - обеспечивают лишь обмен информацией любого рода;
      
   2. вычислительные сети решают задачи обработки данных, сопровождаемые обменом данными и программами между компьютерами сети;
      
   3. информационно-вычислительные совмещают обе функции.
      
2. по способам размещения информации в сети:
   
   1. централизованное хранение данных и программ предполагает использование одного, наиболее мощного компьютера для хранения информации. Этот компьютер называется сервером – server (англ.) - в отличие от остальных ЭВМ сети, называемых рабочими станциями – workstations (англ.).
      
   2. при распределенном хранении информация распределяется по компьютерам сети.
      
3. по степени территориальной рассредоточенности:
   
   1. глобальные (WAN – Wide Area Network) сети охватывают территорию одной или нескольких стран, а также континентов. Расстояние между узлами сети достигает тысяч километров.
      
   2. региональные (MAN – Metropolian Area Network) соответствуют городу, району. Узлы сети отдалены на десятки и сотни километров.
      
   3. локальные (LAN – Local Area Network) распространяются в рамках одного здания, их элементы удалены максимально на несколько километров.
      
4. по типу используемых ЭВМ:
   
   1. в состав однородных сетей входят компьютеры одного типа,
      
   2. неоднородные сети такого ограничения не имеют.
      
5. по методам передачи данных:
   
   1. с коммутацией каналов
      
   2. с коммутацией сообщений,
      
   3. с коммутацией пакетов.
      
6. по топологии:
   
   1. радиальная
      
   2. кольцевая
      
   3. многосвязная
      
   4. иерархическая
      
   5. общая шина
      

3.2.3.1. Топология сетей

Этот классификационный признак определяет схемы соединения компьютеров в сети.

Радиальная топология представлена на рисунке (УК – устройство коммутации – техническое устройство, возможно, компьютер, для сопряжения каналов связи):


ЭВМ ЭВМ


УК




ЭВМ ЭВМ

Используется в учрежденческих системах управления с централизованным хранением информации, которое выполняет УК (в этом случае в его роли выступает ЭВМ). Эта топология не надежна, так как выход из строя УК разрушает всю сеть. Кроме того, она характеризуется значительным потреблением кабеля, что повышает ее стоимость.

Кольцевая топология:

ЭВМ ЭВМ


ЭВМ ЭВМ

Обеспечивает передачу информации по кольцу только в одном направлении, что уменьшает надежность сети. Для повышения надежности при неисправности кабеля вводят дополнительное кольцо, что приводит к удорожанию сети.

Многосвязная топология:

ЭВМ ЭВМ


ЭВМ ЭВМ

Она наиболее сложная и дорогая, применяется очень редко для обеспечения высокой скорости и надежности.

Топология типа общая шина:




ЭВМ ЭВМ ЭВМ


Использует в качестве обслуживающего устройства одну из ЭВМ, которая обеспечивает централизованный доступ к общей информации и ресурсам. Эта топология характеризуется низкой стоимостью, высокой гибкостью и скоростью передачи данных.

Иерархическая топология:

ЭВМ


УК






УК




ЭВМ ЭВМ ЭВМ ЭВМ ЭВМ ЭВМ

Она образуется с помощью нескольких топологий типа «общая шина»: они объединяются в дерево с корнем в виде ЭВМ, где размещаются самые важные компоненты сети. Эта топология используется в сложных системах с десятками и сотнями пользователей.

3.2.3.2. Методы передачи данных в сетях

Метод коммутации каналов требует предварительного установления прямого физического соединения между источником и получателем сообщения на все время передачи сообщения, что является недостатком данного метода. Схема передачи данных представлена на рисунке:

А В С Д

t₀

t₁

t₂

t₃

t₄

t₅


t₆

t₇

t₈


t t t t

На этом рисунке представлены четыре узла сети (ЭВМ), между которыми передается сообщение. Его источник – узел А, получатель – узел Д. Между А и Д сообщение проходит узлы В и С.

В отрезки времени (t₀ – t₁), (t₂ – t₃), (t₄ – t₅) служебный сигнал перемещается между соответствующими узлами. Назначение этого сигнала – занять пройденный канал, т.е. заблокировать его от других сигналов. В общем случае последующие каналы оказываются занятыми в моменты прихода в узел служебного сигнала, поэтому в отрезки времени (t₁ – t₂), (t₃ – t₄) сигнал ожидает освобождения канала.

В момент времени t₅ служебный сигнал достигает получателя, а все пройденные каналы являются заблокированными. В этот момент сигнал возвращается к источнику сообщения за отрезок времени (t₅ – t₆).

В момент времени t₆ начинается передача нужного сообщения (передача сообщения показана жирными линиями). В соответствии с объемом сообщения и пропускной способностью канала связи это занимает в источнике отрезок времени (t₆ – t₇). В момент времени t₈ получатель сообщения принял его целиком. Передача закончена, и заблокированные каналы высвобождаются для последующего использования.

Метод коммутации сообщений (рисунок) требует последовательное физическое соединение лишь между двумя соседними узлами. Таким образом, часть каналов может использоваться для передачи других сообщений.


А В С Д

t₀


t₁

t₂

t₃


t₄

t₅

t₆

t₇

t₈


t t t t

Метод коммутации пакетов предполагает разбиение сообщения на части – пакеты – фиксированной длины, снабжаемые адресом получателя. После прихода на место назначения из пакетов формируется сообщение. Достоинством этого метода является то, что разные пакеты могут передаваться между узлами разными каналами связи (если это позволяет топология сети). Это приводит к сокращению общего времени передачи всего сообщения.

Пусть, например, есть многосвязная топология, ЭВМ в которой обозначены символами А, В, С, Д:


УК

УК
А В





С Д

Жирными линиями показаны направления передачи сообщения. Пусть требуется передать сообщение из узла А в узел Д методом коммутации пакетов. При этом исходное сообщение разбивается на три пакета, которые параллельно передаются по следующим направлениям:

а) А – Д,

б) А – С – Д,

в) А – В – Д.

Следует отметить, что выбор направлений – самостоятельная задача в компьютерных сетях, которая получила название маршрутизации. Ее решение рассмотрено далее.

Тогда имеем схему передачи пакетов между узлами А и Д, представленную на рисунке:

А Д А С Д А В Д

t₀

t₁

t₂

t₃




t₄


а) б) в)

Чтобы показать параллельную передачу пакетов, исходная схема декомпозирована на три схемы, показывающие передачу пакетов по направлениям, перечисленным выше.

В моменты времени t₀ из пункта А одновременно начинается передача пакетов в направлениях Д, С, В. В моменты времени t₂ пакеты получены в указанных пунктах назначения (для простоты время передачи во все три пункта одинаково). Если в пунктах С и В последующие каналы заняты (на схеме они заняты одинаковое время), пакет ожидает освобождения канала (отрезок времени от t₂ до t₃). В течение времени (t₄ – t₃) пакет передается в пункт назначения, где из полученных пакетов собирается цельное сообщение.

Рассмотренные методы передачи данных в сетях, как уже отмечалось, сталкиваются с проблемой маршрутизации, которая возникает из-за разветвленности связей узлов сети. В этом случае передаваемые данные должны «знать», как добраться до получателя сообщения. При этом в реальных сетях ставятся две дополнительные задачи: маршрут должен быть минимальным, а загруженность сети должна быть равномерной, т.е. никакие каналы связи не должны простаивать или нагружаться недостаточно интенсивно. Выделяются следующие методы маршрутизации:

1. централизованная. Выбор пути осуществляется центром управления сети – одним из компьютеров, специально выделенным в сети для решения, в частности, задачи маршрутизации (такие компьютеры называют роутерами³ или маршрутизаторами). При этом роутер поддерживает таблицы маршрутов, в которых для каждого компьютера сети отражаются возможные направления передачи данных в порядке убывания их предпочтительности;
   
2. распределенная. Решение принимается каждым узлом сети независимо на основании аналогичных таблиц, которые касаются только маршрутов, исходящих из данного узла.
   

3.2.3.3. Организация обмена информацией в сети

Вследствие сложности процесса передачи данных в сети и из-за широкого развития сетей по инициативе Международной организации по стандартизации - ISO (International Standard Organization) - приняты международные соглашения, регламентирующие различные вопросы взаимодействия узлов в сети. При этом определены следующие уровни взаимодействия в сети:

1. физический. Обеспечивает электрические, механические и функциональные характеристики подключения к каналам связи. В 1994 году в Европе утвержден стандарт V.32 для работы на любых каналах. В нем определены десять процедур, по которым модем после тестирования линии выбирает соответствующие несущие частоты и полосу пропускания. На этом уровне обеспечивается также преобразование сигналов из аналоговых в дискретные и обратно;
   
2. канальный. Генерирует стартовый сигнал и организует начало передачи данных, проверяет полученную информация и исправляет ошибки, отключает канал при его неисправности и восстанавливает передачу после ремонта, генерирует сигнал окончания передачи и переводит канал в пассивное состояние. При обнаружении ошибки запрашивается ее перепередача. Для повышения скорости обмена данные сжимаются (эффективно кодируются);
   
3. сетевой. Выполняет маршрутизацию и адресацию информации, управляет потоками данных. По одному каналу могут передаваться данные от нескольких источников;
   
4. транспортный. Управляет в целом передачей данных от источника сообщения к получателю. Отвечает за стандартизацию обмена данными между программами, находящимися на разных компьютерах сети;
   
5. сеансовый. Организует и проводит сеанс связи между прикладными процессами, выполняемыми на компьютерах сети. Определяет правила диалога прикладных программ, рестарта, проверки прав доступа к сетевым ресурсам;
   
6. представительный. Интерпретирует и преобразует передаваемые между прикладными процессами данные к виду, удобному для прикладных процессов. Определяет форматы данных, алфавиты, коды представления специальных и графических символов;
   
7. прикладной. Выполняет прикладные программы и административное управление сетью.
   

Уровни 1 и 2 составляют нижнюю группу, непосредственно связанную с каналами связи. Уровни 3 и 4 прокладывают путь данным между отправителем и получателем сообщения и управляют передачей по этому пути. Уровни 5 – 7 связаны с организацией взаимодействия прикладных программ, с вводом, хранением, обработкой данных и выдачей результатов.

Каждый из уровней выполняет «указания» уровня с большим порядковым номером, т.е. более высокого уровня. Каждый из уровней, помимо выполнения собственных функций, «подстраховывает» работу более низких уровней. Так, если канальный уровень пропустит ошибку, ее исправит транспортный.

Организация взаимодействия между различными компьютерами сети определяется соответствующим протоколом, название которого соответствует уровню.