Конспект. Конспект ВС ГА 1 семестр (1). Конспект лекций по мдк. 03. 01. Технологии программирования, инсталляции и ввода в действие транспортного радиоэлектронного оборудования по теме
 Скачать 1.22 Mb.
|
|
Рыльский авиационный технический колледж – филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Московский государственный технический университет гражданской авиации» (МГТУ ГА) Конспект лекций по МДК.03.01. «Технологии программирования, инсталляции и ввода в действие транспортного радиоэлектронного оборудования » по теме «Вычислительные сети гражданской авиации» ПМ.03. «Использование программного обеспечения в процессе эксплуатации микропроцессорных устройств» для специальности 11.02.06 «Техническая эксплуатация транспортного радиоэлектронного оборудования» (по видам транспорта) Рыльск, 2020 г. 2 Конспект лекций по теме МДК.03.01 «Вычислительные сети гражданской авиации»./ Велюханов С.В./ Рыльск, Рыльский АТК – филиал МГТУ ГА, 2020 г. Конспект лекций составлен в соответствии с рабочей программой по профессиональному модулю ПМ.03. В конспекте лекций по МДК.03.01 тема «Вычислительные сети гражданской авиации» рассмотрены вопросы построения программных и аппаратных средств передачи информации, сети передачи данных, топологии построения сетей передачи данных, характеристики линий и каналов связи, методы защиты информации. Конспект лекций предназначен для курсантов очной и заочной формы обучения специальности 11.02.06 «Техническая эксплуатация транспортного радиоэлектронного оборудования» (по видам транспорта) Автор: Велюханов С.В. – преподаватель Рыльского АТК ГА – филиал МГТУ ГА Рецензенты: Каплин С.В. – преподаватель Рыльского АТК ГА – филиал МГТУ ГА Обсуждено и одобрено на заседании цикловой комиссии «средств РТОП». Протокол № ____________ от «____» __________ 2020 г. Председатель цикловой комиссии «средств РТОП» _________С.В. Велюханов Рассмотрено и рекомендовано методическим советом колледжа. Протокол № ____________ от «____» __________ 2020 г. Методист __________________________Л. В. Ковынёва © «Рыльский АТК – филиал МГТУ ГА», 2020 3 Содержание Построение систем обработки данных. Типы систем обработки данных. Функционирование СОД. Характеристики и параметры. Режимы обработки данных. Многомашинные и многопроцессорные комплексы. ................................................................ 4 Общие принципы построения сетей. Сетевые службы и приложения. Типы сетей. Особенности локальных, глобальных и городских сетей. Топология физических связей. Физическая структуризация сети. Логическая структуризация сети. ...................................... 9 Архитектура и стандартизация сетей. Стек протоколов. Модель взаимодействия открытых систем (OSI). Уровни модели. Стандартные стеки коммуникационных протоколов. ......... 16 Линии связи. Классификация, характеристики линий и каналов связи. Конструктивные особенности. Экранированная витая пара. Неэкранированная витая пара. Коаксиальный кабель. Волоконно-оптический кабель. .................................................................................... 22 Беспроводная передача данных. Особенности построения мобильных сетей. Технология bluetooth. Архитектура bluetooth. Оборудование для локальных сетей с разделяемой средой. Сети wi-fi. Архитектура, принцип построения сетей. ................................................ 33 Типы спутниковых систем. Геостационарные, среднеорбитальные, низкоорбитальные спутники. Группировки спутников. Сотовые системы связи. Характеристики сотовых систем связи. Аппаратура спутниковых и сотовых систем связи. ......................................... 38 Методы коммутации. Коммутация каналов. Частотное мультиплексирование каналов. Коммутация каналов на основе разделения времени. Принципы коммутации пакетов. Виртуальные каналы в сетях с коммутацией пакетов. Коммутация сообщений. ................. 44 Литература ................................................................................................................................... 49 4 Построение систем обработки данных. Типы систем обработки данных. Функционирование СОД. Характеристики и параметры. Режимы обработки данных. Многомашинные и многопроцессорные комплексы. Система обработки данных (СОД) – совокупность технических средств и программного обеспечения, предназначенная для информационного обслуживания пользователей и технических объектов. В состав технических средств входит оборудование для ввода, хранения, преобразования и вывода данных, в том числе ЭВМ, устройства сопряжения ЭВМ с объектами, аппаратура передачи данных, и линии связи. Программное обеспечение (программные средства) – совокупность программ, реализующих возложенные на систему функции. Функции СОД состоят в выполнении требуемых актов обработки данных, т.е. ввода, хранения, преобразования и вывода. Примерами СОД являются вычислительные системы для решения научных, инженерно- технических, планово-экономических и учетно-статистических задач, автоматизированные системы управления предприятиями и отраслями народного хозяйства, системы автоматизированного и автоматического управления технологическим оборудованием и техническими объектами, информационно-измерительные системы и др. Основа СОД – это технические средства, так как их производительностью и надежностью в наибольшей степени определяется эффективность СОД. СОД, настроенная на решение задач, конкретной области применения, называется – вычислительной системой. Вычислительная система включает в себя технические средства и программное обеспечение, ориентированные на решение определенной совокупности задач. Классифицируются СОД в зависимости от способа построения (Рисунок 1). Рисунок 1 - Классификация СОД 5 СОД, построенные на основе отдельных ЭВМ, вычислительных комплексов и систем, образуют класс сосредоточенных (централизованных) систем, в которых вся обработка реализуется ЭВМ, вычислительным комплексом или специализированной системой. В сосредоточенных системах применяются в основном параллельные интерфейсы, используемые для сопряжения устройств и построения многомашинных и многопроцессорных комплексов, и только в отдельных случаях, чаще для подключения периферийных устройств, применяются последовательные интерфейсы. Параллельные интерфейсы обеспечивают передачу сигналов прерывания, отдельных слов и блоков данных между сопрягаемыми ЭВМ и устройствами. В распределенных системах из-за значительности расстояний между компонентами применяются последовательные и связные интерфейсы, которые исключают возможность передачи сигналов прерывания между сопрягаемыми устройствами и требуют представления данных в виде сообщений, передаваемых с помощью операций ввода – вывода. Различие способов предъявления данных в параллельных, последовательных и связных интерфейсах и в пропускной способности интерфейсов существенно влияет на организацию обработки данных и, следовательно, программного обеспечения СОД. СОД принято рассматривать как совокупность двух составляющих: технических средств и программного обеспечения. Функционирование СОД определяется взаимодействием программных и технических средств, в результате чего свойства системы проявляются как совокупные свойства технических и программных средств. Основу СОД составляют технические средства – оборудование, предназначенное для ввода, хранения, преобразования и вывода данных. Состав технических средств определяется структурой (конфигурацией) СОД, т. е. тем, из каких частей (элементов) состоит система и каким образом эти части связаны между собой. Основными элементами структуры СОД являются: процессоры, устройства ввода – вывода, запоминающие устройства, сопряжения с объектами и др. Устройства, связываются с помощью интерфейсов, включающих в себя совокупность линий или каналов передачи данных (линий связи). Структура СОД дает общее представление о составе технических средств и связей между ними. Дополнительные сведения о технических средствах даются в форме спецификации, где для каждого элемента структуры и каждого типа связей между элементами указывается: наименование элемента, приведенное на структурной схеме; тип устройства, соответствующего элементу структурной схемы; технические характеристики 6 устройства или средства связи (производительность, емкость памяти, пропускная способность). Технические средства СОД реализуют элементарные операции ввода – вывода и обработки данных. Требуемый набор функций, определяемых назначением СОД, обеспечивается совокупностью программ – программным обеспечением СОД. Программное обеспечение СОД строится по многоуровневому, иерархическому, принципу. Основные процессы обработки данных описываются в терминах операций над математическими и логическими элементами данных, вводимых языками программирования. Операционная система (ОС) – совокупность программ, предназначенных для управления работой СОД и реализации наиболее массовых процедур взаимодействия с пользователями, ввода – вывода, хранения и преобразования данных. Управление работой СОД сводится к управлению процессами и ресурсами, обеспечивающими эффективное использование оборудования СОД и требуемое качество обслуживания пользователей. Функции управления работой СОД реализуются управляющими программами ОС. Функции ОС расширяются за счёт средств системного программного обеспечения – программных средств телеобработки, управления базами данных, сетевой обработки и др. Функционирование СОД представляется в виде процессов. Процесс – это динамический объект, реализующий целенаправленный акт обработки данных. Процессы разделяются на прикладные и системные. Прикладные процессы реализуют основные функции СОД, заданные прикладными программами или обрабатывающими программами ОС, а инициируются заданиями пользователей или сигналами, поступающими в СОД из внешней среды. Примеры прикладных процессов: решение прикладной задачи; редактирование, трансляция и сборка программы и т.д. Системные процессы реализуют вспомогательные функции, обеспечивающие работу СОД. Примеры системных процессов: системный ввод; системный вывод; перемещение страниц, а виртуальной памяти; работа супервизора и др. Как правило, системные процессы существуют в течение всего периода работы СОД – от момента включения до момента выключения СОД. Одномашинные СОД. Исторически первыми и до сих пор широко распространенными являются одномашинные СОД, построенные на базе единственной ЭВМ с традиционной однопроцессорной структурой. 7 Однако производительность и надежность существующего парка ЭВМ оказывается удовлетворительной лишь для ограниченного применения, когда требуется относительно невысокая (до нескольких миллионов операций в секунду) производительность и допускается простой системы в течение нескольких часов из-за отказов оборудования. Повышение производительности и надежности ЭВМ обеспечивается в основном за счет совершенствования элементно-технологической базы. Таким образом, одномашинные СОД лишь частично удовлетворяют потребность в автоматизации обработки данных. Вычислительный комплекс – совокупность технических средств, включающих в себя несколько ЭВМ или процессоров, и общесистемного (базового) программного обеспечении. Начиная с 60-х годов для повышения надежности и производительности СОД, несколько ЭВМ связывались между собой, образуя многомашинный вычислительный комплекс (Рисунок 2). Рисунок 2 – Многомашинный вычислительный комплекс В ранних многомашинных комплексах связь между ЭВМ обеспечивалась через общие внешние запоминающие устройства – накопители на магнитных дисках (НМД) или магнитных лентах (НМЛ), т.е. за счет доступа к общим наборам данных. Такая связь называется – косвенной и оказывается эффективной только в том случае, когда ЭВМ взаимодействуют достаточно редко, например, при отказе одной из ЭВМ или в моменты начала и окончания обработки данных. Более оперативное взаимодействие ЭВМ достигается за счет прямой связи через адаптер, обеспечивающий обмен данными между каналами ввода – вывода двух ЭВМ и передачу сигналов прерывания. За счет этого создаются хорошие условия для координации процессов обработки данных и повышается оперативность обмена данными, что позволяет вести параллельно процессы обработки и существенно увеличивать производительность СОД. В настоящее время многомашинные вычислительные комплексы широко используются для повышения надежности и производительности СОД. 8 Вычислительный комплекс, содержащий несколько процессоров с общей оперативной памятью и периферийными устройствами, называется многопроцессорным (Рисунок 3). Рисунок 3 - Многопроцессорный вычислительный комплекс Процессоры, модули оперативной памяти (МП) и каналы ввода–вывода, к которым подключены периферийные устройства (ПУ), объединяются в единый комплекс с помощью средств коммутации, обеспечивающих доступ каждого процессора к любому модулю оперативной памяти и каналу ввода-вывода, а также возможность передачи данных. В многопроцессорном комплексе отказы отдельных устройств влияют на работоспособность СОД в меньшей степени, чем в многомашинном, т.е. многопроцессорные комплексы обладают большей устойчивостью к отказам. Каждый процессор имеет непосредственный доступ ко всем данным, хранимым в общей оперативной памяти, и к периферийным устройствам, что позволяет параллельно обрабатывать не только независимые задачи, но и блоки одной задачи. Системы, предназначенные для обработки данных, передаваемых по каналам связи, называются - системами телеобработки данных (Рисунок 4). 9 Рисунок 4 - Система телеобработки данных Пользователи (абоненты) взаимодействуют с системой посредством терминалов (абонентских пунктов), подключаемых через каналы связи к средствам обработки данных – ЭВМ или вычислительному комплексу. Данные передаются по каналам связи в форме сообщений – блоков данных, несущих в себе кроме собственно данных служебную информацию, необходимую для управления процессами передачи и защиты данных от искажений. Программное обеспечение систем телеобработки содержит специальные средства, необходимые для управления техническими средствами, установления связи между ЭВМ и абонентами, передачи данных между ними и организации взаимодействия пользователей с программами обработки данных. Телеобработка данных значительно повышает оперативность информационного обслуживания пользователей и наряду с этим позволяет создавать крупномасштабные системы, обеспечивающие доступ широкого круга пользователей к данным и процедурам их обработки. Общие принципы построения сетей. Сетевые службы и приложения. Типы сетей. Особенности локальных, глобальных и городских сетей. Топология физических связей. Физическая структуризация сети. Логическая структуризация сети. Вычислительные сети – наиболее эффективный способ построения крупномасштабных СОД. Использование вычислительных сетей позволяет автоматизировать управление отраслями производства, транспортом и материально- техническим снабжением в масштабе крупных регионов и страны в целом (Рисунок 5). 10 Рисунок 5 - Вычислительная сеть Ядром является базовая сеть передачи данных (СПД), которая состоит из каналов и узлов связи (УС). Узлы связи принимают данные и передают их в направлении, обеспечивающем доставку данных абоненту. ЭВМ подключаются к узлам базовой сети передачи данных, чем обеспечивается возможность обмена данными между любыми парами ЭВМ. Совокупность ЭВМ, объединенных сетью передачи данных, образует сеть ЭВМ. Вычислительные сети используются для объединения ЭВМ, находящихся на значительном расстоянии друг от друга в пределах региона, страны или континента. В вычислительной сети все ЭВМ оснащаются специальными программными средствами для сетевой обработки данных. На сетевое программное обеспечение возлагается широкий комплекс функций: управление аппаратурой сопряжения и каналами связи: установление соединений между взаимодействующими процессами и ЭВМ; управление процессами передачи данных; ввод и выполнение заданий от удаленных терминалов; доступ программ к наборам данных, размещенных в удаленных ЭВМ, и др. К сетевому программному обеспечению предъявляются следующие требования: сохранение работоспособности сети при изменении ее структуры вследствие выхода из строя отдельных ЭВМ, каналов и узлов связи, а также возможность работы ЭВМ с терминалами различных типов и взаимодействия разнотипных ЭВМ. Функции, возлагаемые на сетевое программное обеспечение, отличаются высоким уровнем сложности и реализуются с использованием специально разработанных методов управления процессами передачи и обработки данных. Клокальным сетям – Local Area Networks (LAN) – относят сети компьютеров, со- средоточенные на небольшой территории (обычно в радиусе не более 1-2 км). В общем 11 случае локальная сеть представляет собой коммуникационную систему, принадлежащую одной организации. Из-за коротких расстояний в локальных сетях имеется возможность использования относительно дорогих высококачественных линий связи, которые позволяют, применяя простые методы передачи данных, достигать высоких скоростей обмена данными порядка 100 Мбит/с. В связи с этим услуги, предоставляемые локальными сетями, отличаются широким разнообразием и обычно предусматривают реализацию в режиме on-line. Глобальные сети – Wide Area Networks (WAN) – объединяют территориально рассредоточенные компьютеры, которые могут находиться в различных городах и странах. Так как прокладка высококачественных линий связи на большие расстояния обходится очень дорого, в глобальных сетях часто используются уже существующие линии связи, изначально предназначенные совсем для других целей. Например, многие глобальные сети строятся на основе телефонных и телеграфных каналов общего назначения. Из-за низких скоростей таких линий связи в глобальных сетях (десятки килобит в секунду) набор предоставляемых услуг обычно ограничивается передачей файлов, преимущественно не в оперативном, а в фоновом режиме, с использованием электронной почты. Для устойчивой передачи дискретных данных по некачественным линиям связи применяются методы и оборудование, существенно отличающиеся от методов и оборудования, характерных для локальных сетей. Городские сети (сети мегаполисов) – Metropolitan Area Networks (MAN) – являются менее распространенным типом сетей. Они предназначены для обслуживания территории крупного города – мегаполиса. Они используют цифровые магистральные линии связи, часто оптоволоконные, со скоростями от 45 Мбит/с, и предназначены для связи локальных сетей в масштабах города и соединения локальных сетей с глобальными. Эти сети первоначально были разработаны для передачи данных, но сейчас они поддерживают и такие услуги, как видеоконференции и интегральную передачу голоса и текста. Под топологией (компоновкой, конфигурацией, структурой) сети передачи данных обычно понимается физическое расположение компьютеров (приёмо-передатчиков) сети, один относительно одного и способ соединения их линиями связи. Топология определяет требования к оборудованию, тип используемого кабеля, возможные и наиболее удобные методы управления обменом, надежность работы, возможности расширения сети. Топологии можно рассматривать с двух точек зрения: - физическая топология; - логическая топология. 12 Физическая топология определяет расположение основных ресурсов сети в пространстве и физические связи между ними с помощью среды передачи данных и элементов сетевого взаимодействия. Логическая топология учитывает физическую топологию сети, методы доступа и алгоритмы логического взаимодействия. Выбор топологии электрических связей существенно влияет на многие характе- ристики сети. Например, наличие резервных связей повышает надежность сети и делает возможным балансирование загрузки отдельных каналов. Простота присоединения новых узлов, свойственная некоторым топологиям, делает сеть легко расширяемой. Рассмотрим некоторые, наиболее часто встречающиеся топологии физических связей. Топология «звезда». В этом случае каждый компьютер подключается отдельным кабелем к общему устройству, называемомуконцентратором, который находится в центре сети. В функции концентратора входит направление передаваемой компьютером информации одному или всем остальным компьютерам сети (Рисунок 6). Рисунок 6 - Топология физических связей «звезда» Главное преимущество этой топологии перед общей шиной существенно большая надежность. Любые неприятности с кабелем касаются лишь того компьютера, к которому этот кабель присоединен, и только неисправность концентратора может вывести из строя всю сеть. Кроме того, концентратор может играть роль интеллектуального фильтра информации, поступающей от узлов в сеть, и при необходимости блокировать запрещенные администратором передачи. К недостаткам топологии типа «звезда» относится более высокая стоимость се- тевого оборудования из-за необходимости приобретения концентратора. Кроме того, возможности по наращиванию количества узлов в сети ограничиваются количеством портов концентратора. Иногда имеет смысл строить сеть с использованием нескольких концентраторов, иерархически соединенных между собой связями типа «звезда». Так же недостатком является большой расход кабеля, так как каждый компьютер соединяется с концентратором отдельным кабелем. 13 В настоящее время «звезда» является самым распространенным типом топологии связей как в локальных, так и глобальных сетях передачи данных. «Общая шина» – является очень распространенной топологией для локальных сетей (Рисунок 7). Рисунок 7 - Топология физических связей «общая шина» В этом случае компьютеры подключаются к одному коаксиальному кабелю по схеме «монтажного ИЛИ». Передаваемая информация может распространяться в обе стороны. Применение общей шины снижает стоимость проводки, унифицирует подключение различных модулей, обеспечивает возможность почти мгновенного широковещательного обращения ко всем станциям сети. Таким образом, основными преимуществами такой схемы являются дешевизна и простота разводки кабеля по помещениям. Самый серьезный недостаток общей шины заключается в ее низкой надежности, так как любой дефект кабеля или какого-нибудь из многочисленных разъемов полностью парализует всю сеть. Другим недостатком общей шины является ее невысокая производительность, так как при таком способе подключения в каждый момент времени только один компьютер может передавать данные в сеть. Поэтому пропускная способ- ность канала связи всегда делится здесь между всеми узлами сети. В сетях с «кольцевой»конфигурацией данные передаются по кольцу от одного компьютера к другому, как правило, в одном направлении (Рисунок 8). Рисунок 8 - Топология физических связей «кольцо» 14 Если компьютер распознает данные как «свои», то он копирует их себе во внутренний буфер. В сети с кольцевой топологией необходимо принимать специальные меры, чтобы в случае выхода из строя или отключения какой-либо станции не прервался канал связи между остальными станциями. Кольцо представляет собой очень удобную конфигурацию для организации обратной связи – данные, сделав полный оборот, возвращаются к узлу-источнику. Поэтому этот узел может контролировать процесс доставки данных адресату. Часто это свойство кольца используется для тестирования связности сети и поиска узла, работающего некорректно. Для этого в сеть посылаются специальные тестовые сообщения. Кроме вышерассмотренных базовых топологий на практике могут применяться и другие: дерево, снежинка, цепочка, полносвязная, ячеистая. Физическая структуризация сети с помощью повторителей полезна не только для увеличения расстояния между узлами сети, но и для повышения ее надежности. Простейшее из коммуникационных устройств –повторитель (repeator) – исполь- зуется для физического соединения различных сегментов кабеля локальной сети с целью увеличения общей длины сети. Повторитель передает сигналы, приходящие из одного сегмента сети, в другие ее сегменты (Рисунок 9). Повторитель позволяет преодолеть ограничения на длину линий связи за счет улучшения качества передаваемого сигнала – восстановления его мощности и амплитуды, улучшения фронтов и т. п. Рисунок 9 - Физическая структуризация сети с помощью повторителей Повторитель, который имеет несколько портов и соединяет несколько физических сегментов, часто называютконцентратором (concentrator) или хабом (hub).Эти названия отражают тот факт, что в данном устройстве сосредоточиваются все связи между сегментами сети. Под логической структуризацией сети понимается разбиение общей разделяемой среды на логические сегменты, которые представляют самостоятельные разделяемые среды с меньшим количеством узлов. Сеть, разделенная на логические сегменты, обладает 15 более высокой производительностью и надежностью. Взаимодействие между логическими сегментами организуется с помощью мостов и коммутаторов. Для логической структуризации сети используются такие коммуникационные устройства, как мосты, коммутаторы, маршрутизаторы и шлюзы. Ограничения, возникающие из-за использования общей разделяемой среды, можно преодолеть, разделив сеть на несколько разделяемых сред и соединив отдельные сегменты сети такими устройствами, как мосты, коммутаторы или маршрутизаторы (Рисунок 10). Коммутатор Разделяемая среда 3 Разделяемая среда 1 Разделяемая среда 2 Узел Узел Узел Узел Узел Узел Узел Узел Узел Узел Узел Узел Рисунок 10 - Логическая структуризация сети. Коммутатор (switch, switching hub) по принципу обработки кадров практически не отличается от моста. Основное его отличие от моста состоит в том, что он является своего рода коммуникационным мультипроцессором, так как каждый его порт оснащен специализированным процессором, который обрабатывает кадры по алгоритму моста независимо от процессоров других портов. За счет этого общая производительность коммутатора обычно намного выше производительности традиционного моста, имеющего один процессорный блок. Можно сказать, что коммутаторы – это мосты нового поколения, которые обрабатывают кадры в параллельном режиме. Мост (bridge) делит разделяемую среду передачи сети на части, передавая информацию из одного сегмента в другой только в том случае, если такая передача действительно необходима, то есть если адрес компьютера назначения принадлежит другой подсети. Тем самым мост изолирует трафик одной подсети от трафика другой, повышая общую производительность передачи данных в сети. Перечисленные устройства передают кадры с одного своего порта на другой анализируя адрес назначения, помещенный в этих кадрах. При этом сеть делится на логические сегменты или сеть подвергается логической структуризации. 16 Логический сегмент представляет собой единую разделяемую среду. Деление сети на логические сегменты приводит к тому, что нагрузка, приходящаяся на каждый из вновь образованных сегментов, почти всегда оказывается меньше, чем нагрузка, которую испытывала исходная сеть. Следовательно, уменьшаются вредные эффекты от разделения среды: снижается время ожидания доступа, а в сетях Ethernet – и интенсивность коллизий. Большинство крупных сетей разрабатывается на основе структуры с общей магистралью, к которой через мосты и маршрутизаторы присоединяются подсети. Эти подсети обслуживают различные отделы. Подсети могут делиться и далее на сегменты, предназначенные для обслуживания рабочих групп. В общем случае деление сети на логические сегменты повышает производительность сети (за счет разгрузки сегментов), а также гибкость построения сети, увеличивая степень защиты данных, и облегчает управление сетью. |