Технології передачі інформації. Передача даних. Пристрої, системи, програми. Інформаційні технології Технології передачі даних і інформації

Надіслати свою хорошу роботу в базу знань просто. Використовуйте форму, розташовану нижче

Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань в своє навчання і роботи, будуть вам дуже вдячні.

подібні документи

Особливості систем передачі інформації лазерного зв'язку. Історія створення і розвитку лазерної технології. Структура локальної обчислювальної мережі із застосуванням атмосферних оптичних ліній зв'язку. Розгляд імітаційного моделювання системи.

дипломна робота, доданий 28.10.2014


Сучасні цифрові технології передачі інформації. Система RFTS в корпоративної мережі зв'язку. Методика проектування магістральної ВОЛЗ, розрахунок магістралі Уфа-Самара. Відмінності в фізичних параметрах одномодового і багатомодових оптичних кабелів.

дипломна робота, доданий 16.04.2015


Технології побудови мереж передачі даних. Обгрунтування програмних і апаратних засобів системи передачі інформації. Ергономічна експертиза програмного забезпечення Traffic Inspector. Розробка кабельної системи волоконно-оптичних ліній зв'язку.

дипломна робота, доданий 24.02.2013


Методи кодування повідомлення з метою скорочення обсягу алфавіту символів і досягнення підвищення швидкості передачі інформації. Структурна схема системи зв'язку для передачі дискретних повідомлень. Розрахунок узгодженого фільтра для прийому елементарної посилки.

курсова робота, доданий 03.05.2015


Вивчення закономірностей і методів передачі повідомлень по каналах зв'язку і рішення задачі аналізу та синтезу систем зв'язку. Проектування тракту передачі даних між джерелом і одержувачем інформації. Модель часткового опису дискретного каналу.

курсова робота, доданий 01.05.2016


Зв'язок як можливість передачі інформації на відстані. Поняття і типи сигнальних засобів, їх функціональні особливості, оцінка ролі і значення в експедиціях. Зв'язок і сигналізація в арктичних умовах, що існують технології і методики, прийоми.

реферат, доданий 31.05.2013


Що таке ТСР? Принцип побудови транкінгових мереж. Послуги мереж тракінговой зв'язку. Технологія Bluetooth - як спосіб бездротової передачі інформації. Деякі аспекти практичного застосування технології Bluetooth. Аналіз бездротових технологій.

курсова робота, доданий 24.12.2006

Існують наступні технології передачі інформації в комп'ютерних мережах: Fast Ethernet, IEEE 1394 / USB, Fiber Channel, FDDI, X.25, Frame Relay, ATM, ISDN, ADSL, SONET. Перші чотири технології передачі даних: Fast Ethernet, IEEE 1394 / USB, Fiber Channel і FDDI відносять до технологій локальних мереж. Решта створювалися для глобальних каналів зв'язку. Розглянемо деякі з поширених технологій передачі даних - Fast Ethernet, Fiber Channel, FDDI, ISDN.

Fast Ethernet або « 100Base-T»- це високошвидкісна технологія передачі даних в локальних мережах. Правила передачі даних з використанням цієї технології визначаються стандартом IEEE 802.3u. Цей стандарт описує правила роботи протоколів другого рівня моделі OSI (канальний рівень) і надає можливість передачі даних зі швидкістю 100 Мбіт / с.

Технологія 100Base-T використовує метод CSMA / CD в якості протоколу керування доступом до середовища передачі. 100Base-T базується на можливостях масштабування, які забезпечуються методом CSMA / CD. Масштабування на увазі можливість пост збільшення або зменшення розмірів мережі без значного зниження її продуктивності, надійності і керованості. Технологія 100Base-T використовує кабель UTP5 (неекранована кручена пара 5-ї категорії).

Технологія 100Base-T має такі особливості.

• 1. У зв'язку з застосуванням однакового протоколу керування доступом до середовища передачі - CSMA / CD мережі, що використовують технологію 10Base-T Ethernet, легко переводяться на більш високошвидкісну технологію 100Base-T. Тому багато виробників випускають мережеві карти, що підтримують обидві технології передачі даних: 10Base-T Ethernet і 100Base-T. Такі мережеві карти мають вбудовані можливості автоматичного визначення швидкості передачі даних в мережі і автоматичної настройки на відповідний режим роботи. Оскільки технології 10Base-T Ethernet і 100Base-T можуть легко співіснувати в одній мережі, адміністратори отримують дуже високу ступінь гнучкості щодо переведення станцій з технології 10Base-TEthernet на 100Base-T.
• 2. Кабель UTP5 і мережеві карти 100Base-T в даний час випускаються величезною кількістю виробників.

Недоліків використання технології 100Base-T є істотно більші обмеження на довжину кабельних сегментів, ніж в технології 10Base-T Ethernet. У порівнянні з технологією 10Base-T Ethernet, що дозволяє організовувати мережі максимального діаметра розміром 500 м, технологія 100Base-T обмежує цей діаметр 205 м. Для існуючих мереж, що перевищують цей ліміт, буде потрібно установка додаткових маршрутизаторів.

Перспективність використання технології 10Base-T полягає в тому, що нова технологія Gigabit Ethernet (також відома як 1000Base-T або IEEE 802.3z) розробляється з урахуванням можливості використання існуючих кабельних систем на базі UTP5. При цій технології швидкість передачі даних в мережі збільшується до 1000 Мбіт / с, що в десять разів швидше передачі даних за технологією 100Base-T.

Однією з відносно нових технологій передачі даних є Fiber Channel.

технологія Fiber Channel грунтується на застосуванні оптичного волокна в якості середовища передачі даних. Найбільш часто зустрічається застосуванням цієї технології в даний час є високошвидкісні мережеві пристрої зберігання даних (SAN - Storage Area Networks). Такі пристрої використовуються для побудови високопродуктивних кластерних систем. Технологія Fiber Channel спочатку створювалася як інтерфейс, що забезпечує можливість високошвидкісного обміну даними між жорсткими дисками і процесором комп'ютера. Пізніше стандарт був доповнений і зараз визначає механізми взаємодії не тільки систем зберігання даних, але і способів взаємодії декількох вузлів кластерної системи між собою і засобами зберігання даних.

Технологія Fiber Channel має кілька переваг у порівнянні з іншими середовищами передачі даних, найважливішим з яких є швидкість. Технологія Fiber Channel забезпечує швидкість передачі даних 100 Мбіт / с. Другим важливим перевагою є можливість передачі сигналу на дуже великі відстані. Обмін даними з використанням світлового сигналу замість електричного забезпечує можливість передачі інформації на відстані до 10-20 км без використання повторювачів (при застосуванні однохвильова кабелю). Третім перевагою технології Fiber Channel є повний імунітет до електромагнітних завад. Ця якість дозволяє активно використовувати оптичне середовище передачі навіть в виробничих приміщеннях з великою кількістю електромагнітних завад. Четверте перевага полягає в повній відсутності випромінювання сигналу в навколишнє середовище, що дає можливість застосування Fiber Channel в мережах з підвищеними вимогами до безпеки оброблюваних і збережених даних.

Основним недоліком технології Fiber Channel є її вартість: оптичний кабель з усіма супутніми його використання роз'ємами і способами монтажу є істотно більш дорогим, ніж мідні кабелі.

Для організації високошвидкісних локальних мереж використовується FDDI (Fiber Distributed Data Interface).

технологія FDDIпризначена не для безпосереднього з'єднання комп'ютерів, а для побудови високошвидкісних магістральних каналів зв'язку (backbone), які об'єднують кілька сегментів локальної мережі. Найпростішим прикладом такої магістралі є два сервера, з'єднані високошвидкісним каналом зв'язку, створеним на базі двох мережевих карт і кабелю. Так само, як і технологія 100Base-T, FDDI забезпечує швидкість передачі даних 100 Мбіт / с.

Мережа FDDI використовує топологію подвійного фізичного кільця. Передаються сигнали рухаються по кільцях в протилежних напрямках. Одне з кілець називається первинним, а інше - вторинним. При коректному функціонуванні мережі первинне кільце використовується для передачі даних, а вторинне виступає в ролі запасного.

У мережі FDDI кожне мережеве пристрій (Вузол мережі) грає роль повторювача. FDDI підтримує чотири види вузлів: станція з подвійним підключенням (DAS - dual-attached stations), станція з одинарним підключенням (SAS - single-attached stations), концентратор з подвійним підключенням (DAC - dual-attached concentrator) і концентратор з одинарним підключенням ( SAC-single-attached concentrator). DAS і DAC завжди підключаються до обох кілець, a SAS і SAC - тільки до первинного кільця.

Якщо в будь-якій точці мережі виникає розрив кабелю або Інша поломка, що робить неможливою передачу даних між сусідніми вузлами мережі, то пристрої DAS і DAC відновлюють працездатність мережі, перенаправляючи сигнал в обхід непрацездатного сегмента з використанням вторинного кільця.

FDDI використовує маркер доступу в якості протоколу керування доступом до середовища передачі і оптичний кабель в якості середовища передачі.

Технологія FDDI має наступні переваги.

Топологія подвійного фізичного кільця забезпечує надійність передачі даних шляхом збереження працездатності мережі в разі обриву кабелю. У стандарт FDDI закладені функції управління мережею. На додаток до перерахованих переваг існує специфікація (CDDI - Copper Distributed Data Interface) на побудову мережі за технологією FDDI з використанням мідної кручений пари. Ця специфікація дозволяє знизити вартість розгортання мережі за рахунок використання менш дорогого мідного кабелю замість оптичного.

Основним недоліком FDDI є ціна побудови мережі. Мережеві карти та оптичний кабель для FDDI мають істотно більшою вартістю, ніж для інших технологій, що забезпечують таку ж швидкість передачі даних. Специфіка монтажу оптичного кабелю вимагає додаткової підготовки фахівців, які виконують роботу з кабелем. Незважаючи на те, що мережеві карти CDDI дешевше FDDI, проте вони є більш дорогими, ніж мережеві карти 100Base-T.

Технологія обміну цифровими даними з використанням телефонних ліній Integrated Services Digital Network (ISDN) надає можливість обміну даними у вигляді передачі цифрових сигналів по цифровим телефонним лініям. Ці дані можуть являти собою комбінацію відео, звукових та інших даних. ISDN має кілька технологічних рішень, що забезпечують замовника необхідної продуктивністю каналу зв'язку. Для приватних осіб і невеликих офісів в основному надаються лінії з базовою швидкістю (Basic Rate Interface - BRI). Для великих компаній надаються лінії Primary Rate Interface - PRI. BRI використовує два «несучих» (bearer - В) каналу зв'язку з пропускною спроможністю 64 Кбіт / с кожен для прийому і передачі даних і один керуючий канал (delta - D) для установки і підтримки з'єднання. PRI - це сукупність кількох цифрових ліній, використовуваних паралельно для прийому і передачі даних. Такі сукупності ліній отримали умовні позначення Т1 і Е1. У США стандартом є застосування ліній Tl. T1 складається з 23 В-каналів і одного D-каналу з сумарною пропускною спроможністю 1,544 Мбіт / с.

У Європі використовуються лінії E1. E1 складається з 30 В-каналів і одного D-каналу з сумарною пропускною спроможністю 2,048 Мбіт / с.

ISDN вимагає застосування спеціального устаткування, що включає в себе цифрові телефонні лінії, і перетворювачів (network termination unit - NT-1). NT-1 перетворює вхідний сигнал в цифровий, рівномірно розподіляє його по каналах для передачі і виконує діагностичний аналіз стану всієї лінії передачі даних. NT-1 є і точкою підключення до цифрової мережі різного устаткування: телефонів, комп'ютерів і т.п. Також NT-1 може виконувати функції перетворювача для підключення обладнання, самостійно не підтримує ISDN.

Переваги ISDN полягають в наступному.

• 1. Збільшено швидкість обміну даними з додатковими можливостями інтеграції даних, голосу і відео в єдиний потік.
• 2. З використанням ISDN ви маєте можливість передавати дані і голосовий трафік одночасно по одній телефонній лінії.

До недоліку ISDN відноситься повільне поширення в зв'язку з необхідністю перетворення існуючої інфраструктури телефонних мереж, що неминуче тягне істотні витрати.

1. Предмет навчальної дисципліни, завдання і мета викладання дисципліни
Дисципліна "Технології передачі інформації" є однією з нормативних дисциплін, яка входить в цикл природничо-наукової (фундаментальної) підготовки фахівців за напрямом "Комп'ютерні науки".

Дисципліна передбачає розгляд основних технологій передачі інформації в комп'ютерних мережах на фізичному, канальному і мережевому рівнях.

У лекційному матеріалі розглядаються технології телекомунікацій, основні елементи теорії інформації, характеристики і класифікація інформаційних мереж, еталонна модель (OSI), лінії зв'язку і канали передачі даних, технології передачі даних на фізичному рівні, технології передачі даних на канальному рівні в локальних і глобальних мережах, технології передачі інформації на мережевому рівні в IP-мережах.

Мета дисципліни:

• ознайомлення з основними елементами теорії інформації та технологіями телекомунікацій;
• формування теоретичних знань в області технологій передачі інформації в комп'ютерних мережах;
• навчити здійснювати обгрунтований вибір необхідних технологій і засобів передачі інформації при розробці комп'ютерних мереж і Web-додатків;
• отримати практичні навички роботи із засобами передачі інформації в комп'ютерних мережах на фізичному, канальному і мережевому рівнях.

Завданням вивчення курсу "Технології передачі інформації" є теоретична та практична підготовка майбутніх фахівців з таких питань як:

• технології передачі інформації в комп'ютерних мережах;
• протоколи передачі інформації в ЛВС, виділених (послідовних) лініях зв'язку і глобальних мережах з комутацією каналів і пакетів;
• засоби передачі інформації в інформаційних мережах;
• архітектура інформаційних мереж.

2. Що студент повинен знати, вміти і з чим бути ознайомленим в результаті вивчення дисципліни Внаслідок вивчення дисципліни студент повинен
ЗНАТИ:

• основні елементи теорії інформації;
• базові сучасні технології передачі інформації на фізичному, канальному і мережевому рівнях;
• типи і характеристики ліній зв'язку та каналів передачі інформації;
• методи перетворення сигналів і способи мультиплексування каналів зв'язку;
• сучасні методи передачі інформації в складових мережах.

• обґрунтовувати вибір технологій передачі інформації для вирішення практичних завдань в процесі проектування комп'ютерних мереж;
• виконувати проектування кабельної структури комп'ютерної мережі;
• здійснювати вибір обладнання кабельної системи для побудови інфраструктури ЛВС.

БУТИ ознайомлення:

• з основними тенденціями розвитку технологій передачі інформації;
• з перспективами розвитку телекомунікаційних технологій;
• з сучасними засобами обміну і обробки інформації в локальних і територіальних мережах;

Навчальна програма курсу обсягом 150 академічних годин складається з двох змістовних (навчальних) модулів об'ємом 5 кредитів (обсяг кредиту ECTS становить 30 академічних годин) і складається з аудиторних занять і самостійної роботи студентів.

Використані джерела інформації:

1. Комп'ютерні мережі. Принципи, технології, протоколи: Підручник для вузів. 4-е изд. / В.Г. Оліфер, Н.А. Оліфер - СПб. Пітер, 2010. - 944 с.
2. Бройдо В.Л. Обчислювальні системи, мережі та телекомунікації: Підручник для вузів. 2-е изд. - СПб .: Пітер, 2006 - 703 с.
3. Ткаченко В.А. та ін. Комп "ютерні мережі та телекомунікації: навч. Посібник / В. А. Ткаченко, О. В. Касілов, В. А. Рябик. - Харків: НТУ" ХПІ ", 2011. - 224 с.
4. А. Л. Дмитрієв. Оптичні системи передачі інформації / Навчальний посібник. - СПб: СПбГУІТМО, 2007. - 96 с.

1. Введення

поняття телекомунікації

Елементи теорії інформації

1.3.1 Визначення інформації.

1.3.2 Кількість інформації

1.3.3 Ентропія

1.4. Повідомлення й сигнали

Тема 2 . Інформаційні мережі

2.2. Конфігурація ЛВС.

Тема 3.

3.2. Еталонна модель (OSI)

Тема 4.

4.1. Провідні лінії зв'язку

4.2. Оптичні лінії зв'язку

Тема 5.

Тема 6 ..

Тема 7.

7.2. Адресація в IP мережах

7.3. протокол IP

лекція 1

Телекомунікації. Поняття інформації. Системи передачі інформації. Вимірювання кількості інформації

поняття телекомунікації

Перш ніж розглядати технології передачі інформації, розглянемо мережі (системи), в яких передаються різні види інформація. Інформація (звук, зображення, дані, текст) передається в телекомунікаційних і комп'ютерних мережах.

Телекомунікації (Грец. Tele - вдалину, далеко і лат. Communication - спілкування) - це передача і прийом будь-якої інформації (звуку, зображення, даних, тексту) на відстань по різним електромагнітних системах (кабельним і оптоволоконних каналах, радіоканалах і іншим, провідним і бездротовим каналах зв'язку).

телекомунікаційна система - сукупність технічних об'єктів, організаційних заходів і суб'єктів, Що реалізують процеси з'єднання, передачі, доступу до інформації.

Телекомунікаційні системи разом із середовищем для передачі даних утворюють телекомунікаційні мережі.

Телекомунікаційні мережі доцільно розділяти за типом комунікацій (мережі телефонного зв'язку, мережі передачі даних т. д.) і розглядати при необхідності в різних аспектах (техніко-економічному, технологічному, технічному та ін.).

Приклади телекомунікаційних мереж:

- поштовий зв'язок;

- телефонний зв'язок загального користування (ТМЗК);

- мобільні телефонні мережі;

- телеграфний зв'язок;

- інтернет - глобальна мережа взаємодії комп'ютерних мереж;

- мережа проводового радіомовлення;

- мережа кабельного радіомовлення;

- мережа телевізійного і радіомовлення;

та інші інформаційні мережі.

Для реалізації зв'язку на відстані телекомунікаційні системи використовують:

- системи комутації;

- системи передачі даних;

- системи доступу і управління каналами передачі;

- системи перетворення інформації.

Система передачі даних - це сукупність каналів зв'язку, центрів комутації, Процесорів телеобработки, мультиплексорів передачі даних і програмних засобів встановлення і здійснення зв'язку.

під системою передачі даних (СПД) розуміється фізичне середовище (ФС), а саме: середа, по якій поширюється сигнал (наприклад, кабель, оптоволокно (світловод), радіоефір і т.д.).

справжній курс лекцій присвячений вивченню технології передачі інформації на фізичному, канальному і мережевому рівнях.

Найважливішим аспектом курсу є поняття інформації. В даний час не існує єдиного визначення інформації як наукового терміна.

Ось деякі визначення інформації:

1. Інформація (Від лат. informatio - «роз'яснення, виклад, обізнаність») - це відомості (Повідомлення, дані), незалежно від форми їх подання.

2. Інформація - відомості про осіб, предмети, факти, події, явища і процеси незалежно від форми їх подання.

Інформація зменшує ступінь невизначеності, неповноту знань про осіб, предмети, події і т.д.

У теорії інформації міра невизначеності будь-якого досвіду (випробування), який може мати різні наслідки, а значить, і кількість інформації називається ентропія.

У широкому сенсі, в якому слово часто вживається в побуті, ентропія означає міру невпорядкованості системи; чим меншеелементи системи підпорядковані якомусь порядку, тим вище ентропія.

Чим більше інформації, тим більше впорядкованості системи, і навпаки, чим менше інформації, тим вище хаос системи, тим вище її ентропія.

Зв'язок: інформація - повідомлення - сигнал

Повідомлення- це інформація, виражена в певній формі і призначена для передачі від джерела до користувача ( тексти, фото, мова, музика, телевізійне зображеннята ін.). Інформація є частиною повідомлення, що представляє новизну, тобто то, що раніше не було відомо.

сигнал- це фізичний процес, що поширюється в просторі і часі, параметри якого здатні відображати (містити) повідомлення.

Для передачі інформації використовують сигнал, Який є фізичною величиною і з його параметрами так чи інакше пов'язана інформація.

Таким чином, сигнал - це змінюється певним чином фізична величина. У телекомунікаційних системах і мережах використовуються електричні, оптичні, електромагнітні та інші види сигналів.

Телефонні мережі

Перший етап розвитку телефонних мереж - телефонні мережі загального користування (ТМЗК або PSTN). ТМЗК - це сукупність АТС, які об'єднані аналоговими або цифровими лініями зв'язку (магістралями) або сполучними лініями, і призначеного для користувача (кінцевого) обладнання, підключеного до АТС по абонентських ліній. ТМЗК використовують технологію комутації каналів. Перевагою мереж комутації каналів є можливість передачі аудіоінформації та відеоінформації без затримок. недоліком - низький коефіцієнт використання каналів, висока вартість передачі даних, підвищений час очікування інших користувачів.

Другий етап - телефонні мережі ISDN. Сучасне покоління цифрової телефонної мережі - ISDN. ISDN (Integrated Services Digital Network) - Цифрова мережа з інтегрованими послугами, В якій по телефонних каналах передаються тільки цифрові сигнали, в тому числі і по абонентських ліній.

Як лінії ISDN BRI телефонна компанія частіше використовує мідний кабель телефонної мережі загального користування (ТМЗК), за рахунок чого знижується остаточна вартість ISDN-лінії.

Цифрові мережі c інтеграцією послуг ISDN можна використовувати для вирішення широкого класу задач по передачі інформації в різних областях, зокрема: телефонія; передача даних; об'єднання віддалених LAN; доступ до глобальних комп'ютерних мереж (Internet); передача трафіку, чутливого до затримок (відео, звук); інтеграція різних видів трафіку.

Кінцевим пристроєм мережі ISDN можуть бути: цифровий телефонний апарат, окремий комп'ютер з встановленим ISDN-адаптером, файловий або спеціалізований сервер, міст або маршрутизатор LAN, термінальний адаптер з голосовими інтерфейсами (для підключення звичайного аналогового телефону або факсу), або з послідовними інтерфейсами (Для передачі даних).

В Європі фактичним стандартом ISDN стає EuroISDN, який підтримують більшість європейських телекомунікаційних провайдерів і виробників обладнання.

В даний час до мереж ТМЗК і ISDN підключені центри комутації стільникового зв'язку(Стільникові мережі різних операторів з'єднані між собою), що забезпечує дзвінки з телефонів на стаціонарні телефони (ТМЗК або ISDN) і навпаки.

Для зв'язку мережі Інтернет (IP - мережі) з ТМЗК використовуються спеціальні аналогові VoIP-шлюзи, А з ISDN застосовуються цифрові шлюзи VoIP. Голосовий сигнал з каналу VoIP може безпосередньо надходити на аналоговий телефон, підключений до звичайної телефонної мережі ТМЗК або на цифровий телефонний апарат, підключений до цифрової мережі з інтеграцією послуг ISDN.

В якості первинних мереж в фіксованої телефонії використовується мідний кабель і PDH / SDH для об'єднання АТС.

стільниковий зв'язок

Стільниковий зв'язок - це бездротова телекомунікаційна система, що складається з 1) мережі наземних базових приймально-передавальних станцій, 2) малогабаритних мобільних станцій (стільникових радіо-телефонів) і 3) стільникового комутатора (або центру комутації мобільного зв'язку). GSM (Global System for Mobile Communications)

Стільниковий зв'язок: 1G, 2G, 2,5G, 3G, 4G, 5G.GSM (Global System for Mobile Communications)

телевізійні мережі

Телевізійні мережі (ефірні, кабельні, і супутникові,) призначені для передачі відео. Кабельне телебачення використовує некомутовані канали зв'язку. Спочатку відео було в аналоговому вигляді, потім, кабельне та супутникове телебачення було переведено на цифрові сигнали. В даний час аналогове телемовлення припиняє своє існування, і всі види телемовлення будуть передавати сигнали в цифровому вигляді.

Цифрове телемовлення засноване на відкритих стандартах і розвивається під контролем консорціуму DVB.

Найбільшого поширення набули системи:

· Цифрового супутникового мовлення - DVB-S (DVB-S2);

· Цифрового кабельного мовлення - DVB-C;

· Цифрового ефірного мовлення - DVB-T (DVB-T2);

· Цифрового мовлення для мобільних пристроїв - DVB-H;

· Телебачення по IP - DVB (IPTV);

· Інтернет-телебачення або потокове т мовлення (Internet-TV).

Що стосується DVB-H, DVB-IPTV і Internet-TV, То це результат інтеграції (конвергенції) різних мереж, а також термінальних пристроїв.

Мобільне телебачення DVB-H - це технологія мобільного мовлення, що дозволяє передавати цифровий відеосигнал через Інтернет на мобільні пристрої, Такі як КПК, мобільний телефон або портативний телевізор.

Важливо відзначити, що IPTV (IP через DVB або IP по MPEG) - це не телебачення, яке веде мовлення через Інтернет. IPTV нагадує звичайне кабельне телебачення, тільки до терміналу абонента воно приходить не по коаксіальному кабелю, а по тому ж каналу, що і інтернет (ADSL модем або Ethernet).

IPTV є трансляцію каналів (зазвичай одержуваних із супутників), переважно в форматах MPEG2 / MPEG4 з транспортної мережі провайдера, з наступним переглядом на комп'ютері за допомогою одного з відеоплеєра - VLC-player або IPTV - Player або на телевізорі за допомогою спеціального спеціалізованого пристрою Set Top Box.

Потокова трансляція відео ( Internet-TV). Модель мовлення в Internet-TV істотно відрізняється від інших концепцій. Потоковим відео (Streaming Video) називають технології стиснення і буферизації даних, які дозволяють передавати відео в реальному часі через Інтернет.

Комп'ютерні мережі

первинні мережі

В даний час в мережі Internet використовуються практично всі відомі лінії зв'язку від низькошвидкісних телефонних ліній до високошвидкісних цифрових супутникових каналів.

Канали зв'язку глобальних мереж організовуються первинними мережами технологій FDM, PDH / SDH, DWDM (ДіДаблЮ ДІЕМ).

Так як трафік IP сьогодні є неодмінним атрибутом будь-якої мережі передачі даних і не підтримувати його просто неможливо, то для надання якісних послуг більшість великих глобальних мереж, особливо мереж операторів зв'язку, будується по чотирирівневої схемою.

Рис. 10. Чотирьохрівнева структура сучасної глобальної мережі

Два нижніх рівні не належать до власне пакетних мережах - це рівні первинної мережі.

Первинні, або опорні, мережі призначені для створення комутованої інфраструктури. На основі каналів, утворених первинними мережами, працюють вторинні ( комп'ютерні або телефонні) Мережі.

На нижньому рівні працює найбільш швидкісна на сьогоднішній день технологія Dense Wavelength Division Multiplexing (Щільне мультиплексування з поділом по довжині хвилі) DWDM, що утворює спектральні швидкості 10 Гбіт / с і вище. Wavelength Division Multiplexing ( WDM) - технологія оптичного спектрального ущільнення, Звана зазвичай мультиплексированием з поділом по довжині хвилі. До WDM (DWDM, CWDM) мультиплексору можна підключити практично будь-яке обладнання: SONET / SDH, ATM, Ethernet.

На наступному рівні працює технологія SDH ( синхронна цифрова ієрархія). Стандарти SDH / PDH розроблені для високошвидкісних оптичних мереж зв'язку - спочатку PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy, плезиохронная цифрова ієрархія), А потім і більш досконала SDH (Synchronous Digital Hierarchy, синхронна цифрова ієрархія), Поширена в Європі, і її американський аналог SONET. SONET / SDH передбачає використання методу тимчасового мультиплексування і синхронізацію тимчасових інтервалів трафіку між елементами мережі і визначає рівні швидкостей проходження даних і фізичні параметри.

Третій рівень утворений мережею АТМ, основним призначенням якої є створення інфраструктури постійних віртуальних каналів, що з'єднують інтерфейси маршрутизаторів IP, які працюють на третьому, верхньому рівні глобальної мережі.

Рівень IP утворює складову мережу і забезпечує послуги кінцевим користувачам, що передає по глобальній мережі свій IP-трафік транзитом або взаємодіє з IP з Інтернетом.

В Інтернеті застосовуються і "чисті" мережі IP, звані так через те, що під рівнем IP немає іншої мережі з комутацією пакетів, такий як АТМ.

Структура "чистої" мережі IP представлена \u200b\u200bна рис. нижче.

Рис. 11. Структура "чистої" мережі IP

У такій мережі цифрові канали як і раніше утворюються інфраструктурою двох нижніх рівнів, а цими каналами безпосередньо користуються інтерфейси маршрутизаторів IP, без будь-якого проміжного шару.

Розвиток комунікаційних мереж показало необхідність інтеграції звуку, зображень та інших типів даних для можливості їх спільної передачі. Так як дискретні канали зв'язку надійніше і економічніше аналогових каналів зв'язку, то за основу були прийняті саме вони. У зв'язку з цим число аналогових мереж швидко скорочується і вони замінюються дискретними.

Softswitch

Softswitch (програмний комутатор) - гнучкий програмний комутатор, один з основних елементів рівня управління мережі зв'язку наступного покоління NGN

Рис. 15. Softswitch в складі Мережі Зв'язки Загального Користування

Softswitch - це пристрій керування мережею NGN, покликане відокремити функції управління з'єднаннями від функцій комутації, здатне обслуговувати велику кількість абонентів і взаємодіяти з серверами додатків, підтримуючи відкриті стандарти. SoftSwitch є носієм інтелектуальних можливостей IP-мережі, він координує управління обслуговуванням викликів, сигналізацію і функції, що забезпечують встановлення з'єднання через одну або кілька мереж.

Також важливою функцією програмного комутатора є зв'язок мереж наступного покоління NGN з існуючими традиційними мережами ТМЗК, за допомогою сигнального (SG) і медіа-шлюзів (MG).

Технології передачі інформації

Тема 1. Основні понятіяінформацііі систем передачі інформації

1. Введення

поняття телекомунікації

Елементи теорії інформації

1.3.1 Визначення інформації.

1.3.2 Кількість інформації

1.3.3 Ентропія

1.4. Повідомлення й сигнали

1.5. Основні напрямки розвитку телекомунікаційних технологій

Тема 2 . Інформаційні мережі

2.1. Характеристики та класифікація інформаційних мереж

2.2. Конфігурація ЛВС.

2.3. Базові мережеві топології

2.4. Мережеві технології локальних мереж

2.5. Способи побудови інформаційних мереж

Тема 3. Архітектури інформаційних мереж

3.1. Багаторівнева архітектура інформаційних мереж

3.2. Еталонна модель (OSI)

Тема 4. Лінії зв'язку і канали передачі даних

4.1. Провідні лінії зв'язку

4.2. Оптичні лінії зв'язку

4.3. Бездротові канали зв'язку

4.4. Супутникові канали передачі даних

Тема 5. Технології передачі даних на фізичному рівні

5.1 Основні функції фізичного рівня

5.2. Способи перетворення дискретних сигналів (модуляція і кодування):

5.2.1. Аналогова модуляція дискретних сигналів (АМ, ЧМ, ФМ)

5.2.2. Цифрове кодування дискретних сигналів (імпульсна і потенційне)

5.3. Імпульсно-кодова модуляція аналогових сигналів

5.4. Способи мультиплексування:

5.4.1. Спосіб частотного мультиплексування FDM

5.4.2. Мультиплексування з поділом за часом TDM

5.4.3. По довжині хвилі WDM (в оптоволоконних каналах зв'язку)

Тема 6. Технології передачі даних на канальному рівні.

6.1. Технології передачі даних на канальному рівні в ЛВС і виділених лініях (Ethernet, Token Ring, FDDI; SLIP, HDLC, PPP)

6.2. Технології передачі даних на канальному рівні в глобальних мережах або транспортні технології рівня магістралі (X.25, Frame Relay, ATM, MPLS, Ethernet; ISDN, PDH, SDH / SONET, WDM / DWDM)

Тема 7. Технології передачі інформації на мережевому рівні в складових мережах (IP-мережах)

7.1. Об'єднання мереж на основі мережевого рівня

7.2. Адресація в IP мережах

7.3. протокол IP

7.4. Маршрутизація в мережах передачі даних.

7.5. Управління потоками даних.

Навчальна програма курсу обсягом 108 академічних годин складається з одного змістовного (навчального) модуля об'ємом 3 кредитів (обсяг кредиту ECTS становить 36 академічних годин) і складається з аудиторних занять і самостійної роботи студентів.

Проводячи огляд технологій передачі інформації не можна не згадати про модель OSI, моделі, яка описує структуру ідеальної мережевий архітектури. Кожен інтерфейс і протокол передачі, про який піде мова в даному дипломному проекті, займає свій певний рівень в даній моделі.

1. модель osi

Для того щоб різні компоненти мережі могли спілкуватися, вони повинні працювати з використанням одного протоколу обміну інформацією, тобто повинні «говорити» на одній мові. Протокол визначає набір правил для організації обміну інформацією на всіх рівнях взаємодії мережевих об'єктів. Як "лінійки" для визначення рівнів використовується модель OSI (Open System Interconnect), розроблена міжнародною організацією по стандартам (International Standardization Organization - ISO). У моделі OSI сім рівнів взаємодії для розгляду процесу обміну інформацією між пристроями в мережі. Кожен з рівнів мережі відносно автономний і розглядається окремо. Модель OSI використовується для визначення функцій кожного рівня. Ця модель містить в собі по суті 2 різних моделі:

горизонтальну модель на базі протоколів, що забезпечує механізм взаємодії програм і процесів на різних машинах;

вертикальну модель на основі послуг, які забезпечуються сусідніми рівнями один одному на одній машині.

Малюнок 1.1.1 Модель OSI

Фізичний рівень (physical layer) - нижній рівень моделі, який визначає метод передачі даних, представлених в двійковому вигляді, від одного пристрою (комп'ютера) до іншого. Передача електричних або оптичних сигналів в кабель або в радіоефір здійснюється відповідно до методами кодування цифрових сигналів. Специфікації фізичного рівня визначають рівні напруг, синхронізацію зміни напруг, швидкість передачі фізичної інформації, максимальні відстані передачі інформації, вимоги до середовища передачі, фізичні з'єднувачі та інші аналогічні характеристики.

Функції фізичного рівня реалізуються на всіх пристроях, підключених до мережі. З боку комп'ютера функції фізичного рівня виконуються мережевим адаптером, що забезпечує механічний інтерфейс для зв'язку комп'ютера з середовищем передачі або послідовним портом. Фізичний рівень визначає такі види середовищ передачі даних як оптоволокно, кручена пара, коаксіальний кабель, супутниковий канал передач даних і т. П.

Стандартними типами мережевих інтерфейсів, що відносяться до фізичного рівня, є: USB, RS-232, RS-485, RJ-45, фізичні інтерфейси Ethernet (10BASE-T, 100BASE-T і 1000BASE-TX). Основні протоколи фізичного рівня: IEEE 802.15 (bluetooth), EIA RS-232, RS-485, DSL (цифрова абонентська лінія), ISDN (цифрова мережа з інтеграцією служб), 802.11 Wi-Fi, GSM, RFID, 802.15.4.

Канальний рівень (data link) забезпечує надійний транзит даних через фізичний канал. Отримані з фізичного рівня дані, представлені в бітах, він упаковує в кадри, перевіряє їх на цілісність і, якщо потрібно, виправляє помилки (формує повторний запит пошкодженого кадру) і відправляє на мережевий рівень. Виконуючи це завдання, канальний рівень вирішує питання фізичної адресації, топології мережі, повідомлення про несправності, впорядкованої доставки блоків даних і управління потоком інформації. Зазвичай цей рівень розбивається на два підрівні: LLC (Logical Link Control) у верхній половині, що здійснює перевірку на помилки і обслуговування мережевого рівня, і MAC (Media Access Control) в нижній половині, що відповідає за фізичну адресацію і прийом / передачу пакетів на фізичному рівні . На цьому рівні працюють комутатори, мости та інші пристрої, вони називаються пристроями другого рівня.

Протоколи канального рівня: 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.

У програмуванні цей рівень представляє драйвер мережевої плати, в операційних системах є програмний інтерфейс взаємодії канального і мережевого рівнів між собою. Це не новий рівень, а просто реалізація моделі для конкретної ОС. Приклади таких інтерфейсів: ODI, NDIS, UDI.

Мережевий рівень (session layer) забезпечує з'єднання і вибір маршруту між двома кінцевими системами, підключеними до різних "мережі", які можуть перебувати в різних географічних пунктах. Мережевий рівень відповідає за трансляцію логічних адрес і імен у фізичні, визначення найкоротших маршрутів, комутацію і маршрутизацію, відстеження неполадок і «заторів» в мережі. Протоколи мережевого рівня маршрутизируют дані від джерела до одержувача. Працюючі на цьому рівні пристрою (маршрутизатори) умовно називають пристроями третього рівня (за номером рівня в моделі OSI).

Протоколи мережевого рівня: IP / IPv4 / IPv6 (Internet Protocol), IPX (Internetwork Packet Exchange, протокол міжмережевого обміну), X.25 (частково цей протокол реалізований на рівні 2), IPsec (Internet Protocol Security). Протоколи маршрутизації - RIP (Routing Information Protocol), OSPF (Open Shortest Path First).

Транспортний рівень (transport layer) - найвищий з рівнів, що відповідають за транспортування даних, призначений для забезпечення надійної передачі даних від відправника до одержувача. При цьому рівень надійності може варіюватися в широких межах. Існує безліч класів протоколів транспортного рівня, починаючи від протоколів, які надають тільки основні транспортні функції (наприклад, функції передачі даних без підтвердження прийому), і закінчуючи протоколами, які гарантують доставку в пункт призначення кількох пакетів даних в належній послідовності, мультиплексує кілька потоків даних, забезпечують механізм управління потоками даних і гарантують достовірність отриманих даних.

Наприклад, UDP обмежується контролем цілісності даних в рамках однієї дейтаграми і не виключає можливості втрати пакета цілком, або дублювання пакетів, порушення порядку отримання пакетів даних. До заголовку IP-пакета він додає два поля, одне з яких, поле "порт", забезпечує мультиплексування інформації між різними прикладними процесами, а інше поле - "контрольна сума" - дозволяє підтримувати цілісність даних.

Прикладами мережевих додатків, що використовують UDP, є NFS і SNMP.

TCP забезпечує надійну безперервну передачу даних, що виключає втрату даних або порушення порядку їх надходження або дублювання, може перерозподіляти дані, розбиваючи великі порції даних на фрагменти і навпаки склеюючи фрагменти в один пакет.

Основні протоколи транспортного рівня: SPX (Sequenced Packet Exchange - упорядкований обмін пакетами), TCP (Transmission Control Protocol), UDP (User Datagram Protocol).

Сеансовий рівень синхронізує діалог між об'єктами рівня уявлення і управляє створенням / завершенням сеансу, обміном інформацією, визначенням права на передачу даних і підтримкою сеансу в періоди неактивності додатків. Сеанси складаються з діалогу між двома або більше об'єктами подання. Як приклад програмних засобів, що забезпечують роботу сеансового рівня, можуть служити інтерфейси NetBIOS мереж Windows і Sockets - сокети мереж TCP / IP.

Рівень представлення (presentation layer) відповідає за те, щоб інформація, що посилається з прикладного рівня однієї системи, була читається для прикладного рівня інший системи. При необхідності представницький рівень здійснює трансляцію між безліччю форматів представлення інформації шляхом використання загального формату представлення інформації. При необхідності трансформації піддаються не тільки фактичні дані, а й структури даних, що використовуються програмами. Рівень представлення відповідає за можливість діалогу між додатками на різних машинах. Цей рівень забезпечує перетворення даних (кодування, компресія і т.п.) прикладного рівня в потік інформації для транспортного рівня. Протоколи рівня уявлення зазвичай є складовою частиною функцій трьох верхніх рівнів моделі.

Прикладний рівень (application layer) - верхній рівень моделі OSI, що забезпечує взаємодію користувача додатків з мережею:

дозволяє додаткам використовувати мережеві служби:

• віддалений доступ до файлів і баз даних,

  пересилання електронної пошти;

відповідає за передачу службової інформації;

надає додаткам інформацію про помилки;

формує запити до рівня уявлення.

Протоколи прикладного рівня: HTTP, SMTP, SNMP, POP3, FTP, TELNET і інші,.

Вивчення структури даної моделі дозволяє створити більш чітку картину розташування кожної мережевої технології в складній системі побудови мереж.

Системи ідентифікації об'єктів

Сама по собі ідея автоматизованого розпізнавання об'єктів не нова. Відомі як мінімум, п'ять різновидів ідентифікації:

оптична: системи, засновані на штрих-кодах, розпізнаванні символів;

магнітна: магнітна смуга, розпізнавання міток, нанесених магнітними носіями;

радіочастотна ідентифікація (RFID) і передача даних: пластикові смарт-карти з вбудованою мікросхемою, радіомітки;

біометрична: розпізнавання відбитків пальців, сканування малюнка райдужної оболонки ока;

акустична: ідентифікація по звуковим параметрам (голосу).

оптична ідентифікація

Оптична ідентифікація - принцип виділення окремих компонентів системи серед безлічі аналогічних за допомогою точкового джерела оптичного випромінювання видимого діапазону довжин хвиль.

Оптична ідентифікація часто використовується на залізницях. Відеоаналітіческое обладнання забезпечує автоматизований контроль залізничного полотна, прилеглої території (смуги відведення) та інших інфраструктурних об'єктів за допомогою технічних засобів відеоспостереження.

Устаткування вирішує наступні завдання:

реєстрація, передача і аналітичне опрацювання відеоінформації про обстановку на об'єктах, що охороняються;

автоматичне формування оперативного сигналу тривоги при виникненні нештатної (тривожної) ситуації;

безперервний контроль працездатності всіх компонентів комплексу та автоматичне виявлення несанкціонованих змін його налаштувань.

Алгоритми аналітичної обробки відео, вбудовані в устаткування, повинні забезпечити:

автоматичне детектування, супровід і класифікацію цілей на підступах до залізничного полотна і до інших інфраструктурних об'єктів;

класифікацію цілей за типами поведінки, в тому числі: поява в заданій зоні;

контроль якості зображення і автоматичне формування тривожного повідомлення в разі значної деградації якості.

Крім цього оптична ідентифікація використовується для контролю пересування об'єктів рухомого складу залізничного транспорту (ЖДТ) шляхом автоматичного виявлення та ідентифікації вагонів, цистерн і платформ по їх реєстраційним номером.

Камера встановлюється на стійці, на висоті до 6 метрів і прямує уздовж залізничного полотна. Об'єктами відеоаналізу є люди і транспортні засоби, що переміщуються в поле зору камери довільним чином. Устаткування підтримує різні профілі стандарту ONVIF (Open Network Video Interface Forum). ONVIF - галузевий стандарт, який визначає протоколи взаємодії таких пристроїв як IP-камери, відеореєстратори і системи управління відео.

Недоліком оптичної ідентифікації є потенційна можливість забруднення камер, розташованих на складних ділянках, вплив перешкод на якість зображення і, отже, ідентифікації, досить велика вартість таких систем (сукупності камер і аналізаторів зображення).

радіочастотна ідентифікація

RFID (Radio Frequency IDentification) - радіочастотна ідентифікація, спосіб автоматичної ідентифікації об'єктів, в якому за допомогою радіосигналів зчитуються або записуються дані, що зберігаються в так званих транспондерах, або RFID-мітках. Будь-яка RFID-система включає в себе наступні складові:

пристрій, що зчитує (зчитувач, рідер або інтеррогатор);

транспондер (RFID-мітка).

Більшість RFID-міток складається з двох частин. Перша - інтегральна схема (ІС) для зберігання і обробки інформації, модулювання і демодулірованія радіочастотного (RF) сигналу і деяких інших функцій. Друга - антена для прийому і передачі сигналу.

Малюнок 1.2.2.1 RFID-антена

Існує кілька способів систематизації RFID-міток і систем:

За робочій частоті

• Мітки діапазону LF (125-134 кГц). Пасивні системи даного діапазону мають низькі ціни, і в зв'язку з фізичними характеристиками, використовуються для підшкірних міток при чіпування тварин, людей і риб. Однак, у зв'язку з довжиною хвилі, існують проблеми зі зчитуванням на великі відстані, а також проблеми, пов'язані з появою колізій при зчитуванні.

  Мітки діапазону HF (13,56 МГц). Переваги даних систем в тому, що вони дешеві, не мають екологічних та ліцензійних проблем, добре стандартизовані, мають широку лінійку рішень. Застосовуються в платіжних системах, логістиці, ідентифікації особистості. Для частоти 13,56 МГц розроблений стандарт ISO 14443 (види A / B). Однак існують проблеми зі зчитуванням на великі відстані, в умовах високої вологості, наявності металу, а також проблеми, пов'язані з появою колізій при зчитуванні.

  Мітки діапазону UHF (УВЧ, 860-960 МГц). Мітки даного діапазону мають найбільшу дальністю реєстрації, в багатьох стандартах даного діапазону присутні антиколізійні механізми. У UHF RFID-системах в порівнянні з LF і HF нижче вартість міток, при цьому вище вартість іншого обладнання. В даний час частотний діапазон УВЧ відкритий для вільного використання в Російської Федерації в так званому «європейському» діапазоні - 863-868 МГЦ і в «американському» діапазоні ____.

За джерела живлення

• пасивні

  активні

  напівпасивну

За типом пам'яті

• RO (Read Only) - містять лише ідентифікатор. Дані записуються тільки один раз при виготовленні

  WORM (Write Once Read Many) - містять ідентифікатор і блок одноразово записуваної пам'яті

  RW (Read and Write) - містять ідентифікатор і блок пам'яті для багаторазового запису інформації. Дані в них можуть бути перезаписані багаторазово

За дальності зчитування

Ближньої ідентифікації (зчитування на відстані до 20 см)

Ідентифікації середньої дальності (від 20 см до 10 м)

Дальньої ідентифікації (від 5 м до 300 м)

за виконання

Пасивні RFID-мітки не мають вбудованого джерела енергії. Електричний струм, індукований в антені електромагнітним сигналом від зчитувача, забезпечує достатню потужність для функціонування кремнієвого чіпа, розміщеного в мітці, і передачі сигналу у відповідь. На практиці максимальна дистанція зчитування пасивних міток варіюється від 10 см (4 дюймів) (відповідно до стандарту ISO 14443) до декількох метрів (стандарти EPC і ISO 18000-6), в залежності від обраної частоти і розмірів антени. Пасивні мітки (860-960 МГц) передають сигнал методом модуляції відбитого сигналу несучої частоти (модуляція зворотного розсіювання). Антена зчитувача випромінює сигнал несучої частоти і приймає відбитий від мітки модульований сигнал.

Активні RFID-мітки володіють власним джерелом живлення і не залежать від енергії зчитувача, внаслідок чого вони читаються на далекій відстані (до 300 метрів), мають великі розміри і можуть бути оснащені додатковим електронікою. Однак, такі мітки найбільш дороги, а у батарей обмежена час роботи. Активні мітки в більшості випадків більш надійні і забезпечують найвищу точність зчитування на максимальній відстані. Активні мітки, володіючи власним джерелом живлення, також можуть генерувати вихідний сигнал більшого рівня, ніж пасивні, дозволяючи застосовувати їх в більш агресивних для радіочастотного сигналу середовищах: воді, на повітрі.

Напівпасивну RFID-мітки, також звані напівактивними, дуже схожі на пасивні мітки, але оснащені батареєю, яка забезпечує чіп енергоживленням. При цьому дальність дії цих міток залежить тільки від чутливості приймача зчитувача і вони можуть функціонувати на більшій відстані і з кращими характеристиками.

Зчитувачі інформації - це прилади, які читають інформацію з міток і записують в них дані. Ці пристрої можуть бути постійно підключеними до обліковій системі, або працювати автономно. Зчитувачі діляться на стаціонарні та мобільні.

Малюнок 1.2.2.2 RFID-зчитувач

Міжнародні стандарти RFID, як складової частини технології автоматичної ідентифікації, розробляються і приймаються міжнародною організацією ISO спільно з IEC.

Розподіл міток на класи було прийнято задовго до появи ініціативи EPCglobal упорядкувати велику кількість RFID-протоколів, однак не існувало загальноприйнятого протоколу обміну між зчитувачами і мітками. Це призводило до несумісності зчитувачів і міток різних виробників. У 2004 р ISO / IEC прийняла єдиний міжнародний стандарт ISO 18000, що описує протоколи обміну (радіоінтерфейси) у всіх частотних діапазонах RFID від 135 кГц до 2,45 ГГц. Діапазону УВЧ (860-960) МГц відповідає стандарт ISO 18000-6А / В. У 2004 р фахівці EPCglobal створили новий протокол обміну між зчитувачем і міткою УВЧ діапазону - Class 1 Generation 2. У 2006 р пропозиція EPC Gen2 з незначними змінами було прийнято ISO / IEC як доповнення З до існуючих варіантів А і В стандарту ISO 18000-6, і на даний момент стандарт ISO / IEC 18000-6C є найбільш поширеним стандартом технології RFID в УВЧ діапазоні.

Недоліками радіочастотної ідентифікації є:

працездатність мітки втрачається при частковому механічному пошкодженні;

схильність перешкод у вигляді електромагнітних полів;

недостатня відкритість вироблених стандартів.

В даному розділі були розглянуті основні технології ідентифікації об'єктів. Серед них особливу увагу було приділено радіочастотної і оптичної ідентифікації, які можна використовувати для ініціювання з'єднання стаціонарного пункту управління з реєстратором параметрів руху поїзда (РПДР).

Технології бездротової передачі даних

Для здійснення процесу обміну інформацією між ПЕОМ і РПДП було вирішено вивчити існуючі технології бездротової передачі даних з метою подальшого вибору найбільш підходящою.

BlueTooth

Технологія BlueTooth (стандарт IEEE 802.15) стала першою технологією, що дозволяє організувати бездротову персональну мережу передачі даних (WPAN - Wireless Personal Network). Вона дозволяє здійснювати передачу даних і голосу по радіоканалу на невеликі відстані (10-100 м) в неліцензованому діапазоні частот 2,4 ГГц і з'єднувати ПК, мобільні телефони та інші пристрої при відсутності прямої видимості. При створенні основною метою була розробка радіоінтерфейсу з низьким рівнем енергоспоживання і невисокою вартістю, який дозволяв би встановлювати зв'язок між стільниковими телефонами і бездротовими гарнітурами.

Стек протоколів бездротової передачі даних BlueTooth:

Малюнок 1.3.1.1 Стек протоколів Bluetooth

Технологія BlueTooth підтримує як з'єднання типу «точка-точка», так і «точка-многоточка». Два або більше використовують один і той же канал пристрою утворюють пікомережа (piconet). Одне з пристроїв працює як основне (master), а решта - як підлеглі (slave). В одній пікомережі може бути до семи активних підлеглих пристроїв, при цьому інші підлеглі пристрої знаходяться в стані «паркування», залишаючись синхронізованими з основним пристроєм. Взаємодіючі пікомережі утворюють «розподілену мережу» (scatternet). У кожній пікомережі діє тільки одне основне пристрій, проте підлеглі пристрої можуть входити в різні пікомережі. Крім того, основний пристрій однієї пікомережі може бути підлеглим в інший.

У більшості випадків технологія BlueTooth використовується розробниками для заміни проводового послідовного з'єднання між двома пристроями на бездротове. Для спрощення завдання організації з'єднання і виконання передачі даних був розроблений варіант прошивки BlueTooth-модулів, що представляє закінчену програмну реалізацію всього стека протоколу BlueTooth (рис. 1), а також профілів SPP (Serial Port Profile) і SDP (Service Discovery Profile). Це рішення дає можливість розробнику здійснювати управління модулем, або для бездротового послідовне з'єднання і виконувати передачу даних за допомогою спеціальних символьних команд. Однак воно накладає певні обмеження на використання можливостей технології BlueTooth. В основному це позначається на зменшенні максимальної пропускної здатності і кількості одночасних асинхронних з'єднань, підтримуваних BlueTooth-модулем.

У середині 2004 року на зміну специфікації BlueTooth версії 1.1, яка була опублікована в 2001 році, прийнята специфікація BlueTooth версії 1.2. До основних відмінностей специфікації 1.2 від 1.1 відносять:

Реалізація технології адаптивної перебудови частоти каналу для уникнення колізій (Adaptive Friquency hopping, AFH).

Скорочення часу, що витрачається на встановлення з'єднання між двома модулями BlueTooth.

Відомо, що BlueTooth і Wi-Fi використовують один і той же неліцензірумий діапазон 2,4 ГГц. Отже, в тих випадках, коли BlueTooth-пристрої знаходяться в зоні дії пристроїв Wi-Fi і здійснюють обмін даними між собою, це може привести до колізій і вплинути на працездатність пристроїв. Технологія AFH дозволяє уникнути появи колізій: під час обміну інформацією для боротьби з інтерференцією технологія BlueTooth використовує стрибкоподібну перебудову частоти каналу, при виборі якого не враховуються частотні канали, на яких здійснюють обмін даними пристрої Wi-Fi.

Схема розвитку технології BlueTooth, розроблена консорціумом SIG розроблена:

Малюнок 1.3.1.2 Етапи розвитку технології Bluetooth

В даний час на ринку працює велика кількість фірм, що пропонують модулі BlueTooth, а також компоненти для самостійної реалізації апаратної частини BlueTooth-пристрої. Практично всі виробники пропонують модулі, що підтримують специфікації BlueTooth версії 1.1 і 1.2 і відповідають класу 2 (діапазон дії 10 м) і класу 1 (діапазон дії 100 м). Однак, незважаючи на те, що версія 1.1 повністю сумісна з 1.2, всі розглянуті вище вдосконалення, реалізовані у версії 1.2, можуть бути отримані, тільки якщо обидва пристрої відповідають версії 1.2.

У листопаді 2004 року була прийнята специфікація BlueTooth версії 2.0, що підтримує технологію розширеної передачі даних (Enhanced Data Rate, EDR). Специфікація 2.0 з підтримкою EDR дозволяє здійснювати обмін даними на швидкості до 3 Мбіт / с. Перші серійно виготовляються зразки модулів, відповідні версії 2.0 і підтримують технологію розширеної передачі даних EDR, були запропоновані виробниками в кінці 2005 року. Радіус дії таких модулів становить 10 м при відсутності прямої видимості, що відповідає класу 2, а при наявності прямої видимості він може досягати 30 м.

Як вже зазначалося раніше, основне призначення технології BlueTooth - заміна проводового послідовного з'єднання. Технологією BlueTooth визначені наступні профілі: профіль локальної мережі (Lan Access Profile), профіль обміну даними (Generic Object Exchange), режим передачі даних (Profile Object Push Profile), профіль обміну файлами (File Transfer Profile), профіль синхронізації (Synchronization Profile).

Для функціонування бездротової мережі WiFi за допомогою радіохвиль, як і для роботи стільникових телефонів, телевізорів і радіоприймачів. Обмін інформацією по бездротовій мережі багато в чому схожий на переговори з використанням радіозв'язку.

Більшість Wi-Fi обладнання можна розділити на дві великі групи:

WiFi роутери (маршрутизатори) і точки доступу

кінцеве обладнання користувачів, обладнаний Wi-Fi адаптерами.

адаптер бездротового зв'язку комп'ютера перетворює дані в радіосигнал і передає їх в ефір із застосуванням антени. Бездротовий маршрутизатор приймає і декодує цей сигнал. Інформація з маршрутизатора направляється в Інтернет по кабелю провідної мережі Ethernet.

По суті, і WiFi роутери і точки доступу WiFi виконують одні і ті ж функції - створюють радіопокриття (режим AP), перебуваючи в якому, будь-який пристрій, оснащений адаптером, може підключитися до мережі в режимі AP-Client. На цьому схожість пристроїв закінчуються. Дані пристрої розрізняються як візуально, так і структурно. У класичної точки доступу WiFi є тільки один Ethernet-порт. У класичних WiFi роутерів їх 5. При цьому окремо виділений WAN-порт, який служить для підключення кабелю провайдера. Решта Ethernet-порти маркуються як LAN - вони служать для підключення по кручений парі клієнтів локальної мережі, яку створює роутер.

У заводських настройках у точки доступу відключений DHCP-сервер і для підключення до неї по Ethernet або по WiFi, адаптер необхідно присвоїти статичний IP-адресу. У роутерів DHCP-сервер в заводських налаштуваннях включений, і будь-який клієнт роутера може отримати від даного сервера IP-адреса автоматично. Для цього необхідно налаштувати службу DHCP-клієнт адаптера, за допомогою якого здійснюється підключення до роутера, на автоматичне отримання IP-адрес. Крім включеного в заводських налаштуваннях DHCP-сервера, роутери оснащені програмно-апаратним файерволом, який мінімізує ймовірність хакерських атак і розкрадання конфіденційної інформації у клієнтів локальної мережі, яку він створює, але не гарантує 100% захисту.

Зазвичай схема Wi-Fi мережі містить не менше однієї точки доступу і не менше одного клієнта. Точка доступу передає свій ідентифікатор мережі (SSID) за допомогою спеціальних сигнальних пакетів на швидкості 0,1 Мбіт / с кожні 100 мс. Знаючи SSID мережі, клієнт може з'ясувати, чи можливе підключення до даної точки доступу. При попаданні в зону дії двох точок доступу з ідентичними SSID приймач може вибирати між ними на підставі даних про рівень сигналу.

При використанні Wi-Fi обладнання можна виділити кілька основних режимів його роботи: точка-точка, інфраструктурний режим, робота в режимі моста і режим повторювача. Розглянемо докладніше кожен з цих режимів роботи.

При режимі роботи точка-точка бездротові клієнти з'єднуються безпосередньо між собою, точки доступу в даному випадку не використовуються. Даний режим може використовуватися, наприклад, для з'єднання двох комп'ютерів, оснащених Wi-Fi адаптерами, між собою, без будь-яких додаткових пристроїв.

В інфраструктурному режимі (точка-многоточка) роботи, всі пристрої, що підключаються до бездротової мережі, зв'язуються між собою через проміжне пристрій, який називається точкою доступу (AP, Access Point).

Режим бездротового мосту використовується в тому випадку якщо необхідно з'єднати дві провідні локальні мережі, віддалені один від одного на невелику відстань (20-250 м), але немає можливості прокласти кабелі. В даному випадку бездротові клієнти не можуть підключитися до точки доступу, а самі точки використовується тільки для транзиту трафіку з однієї локальної провідної мережі в іншу.

Використовувані для роботи WiFi адаптери (приймачі, трансивери) дуже схожі на пристрої, що застосовуються в дуплексних портативних радіостанціях, стільникових телефонах та інших подібних пристроях. Вони можуть передавати і приймати радіохвилі, а також перетворювати одиниці і нулі цифрового сигналу в радіохвилі і навпаки. У той же час є деякі помітні відмінності приймачів і передавачів WiFi від інших схожих пристроїв. Найбільш істотна відмінність в тому, що вони працюють на інших частотних діапазонах. Більшість сучасних ноутбуків і багато настільні комп'ютери продають з вбудованими бездротовими приймачами. Якщо в ноутбуці такого пристрою немає, існують адаптери, які підключаються до слоту розширення для плат стандарту PC card або до порту USB. Після установки адаптера бездротового зв'язку і відповідних драйверів, що забезпечують адаптера можливість нормальної роботи, комп'ютер може почати автоматичний пошук наявних мереж.

Приймач WiFi можуть працювати в одному з трьох частотних діапазонів. Можливий також варіант, коли здійснюється швидке «перескакування» з одного діапазону в інший. Такий прийом дозволяє зменшити вплив перешкод і одночасно використовувати можливості бездротового зв'язку багатьма пристроями. Більшість актуальних стандартів технології WiFi використовують частотний діапазон 2,4 ГГц, а якщо точніше - смугу частот 2400МГц-2483,5МГц. Крім частотного діапазону 2,4 ГГц сучасні актуальні стандарти WiFi використовують діапазон 5ГГц в смугах частот 5,180-5,240ГГц і 5,745-5,825ГГц. Ці частоти набагато вище, ніж використовувані в стільникових телефонах, в дуплексних портативних радіостанціях і для трансляції ефірного телебачення. На більш високій частоті можна передавати більше даних.

В WiFi використовуються мережеві стандарти 802.11 в декількох різновидах:

За стандартом 802.11a дані передаються в діапазоні 5 ГГц зі швидкістю до 54 мегабіт в секунду. Він передбачає також мультиплексування з ортогональним поділом частот (orthogonal frequency-division multiplexing OFDM), більш ефективну техніку кодування, що передбачає поділ вихідного сигналу на передавальній стороні на кілька подсігналов. Такий підхід дозволяє зменшити вплив перешкод.

802.11b є найповільнішим і найменш дорогим стандартом. На деякий час, завдяки своїй вартості, він набув широкого поширення, але зараз витісняється більш швидкими стандартами в міру їх здешевлення. Стандарт 802.11b призначений для роботи в діапазоні 2,4 ГГц. Швидкість передачі даних складає до 11 мегабіт в секунду при використанні для підвищення швидкості маніпуляції з доповнюючим кодом (complementary code keying, CCK).

Стандарт 802.11g, як і 802.11b, передбачає роботу в діапазоні 2,4 ГГц, однак забезпечує значно більшу швидкість передачі даних - до 54 мегабіт в секунду. Стандарт 802.11g швидше, оскільки в ньому використовується таке ж кодування OFDM, як і в 802.11a.

Найновіший стандарт - 802.11n. У ньому істотно збільшена швидкість передачі даних і розширено частотний діапазон. У той же час, хоча стандарт 802.11g теоретично здатний забезпечити швидкість передачі даних 54 мегабіт в секунду, реальна швидкість становить приблизно 24 мегабіт в секунду, в зв'язку з перевантаженнями мережі. Стандарт 802.11n може забезпечити швидкість передачі даних 140 мегабіт в секунду. Стандарт був затверджений 11 вересня 2009 Інститутом інженерів з електротехніки та електроніки (Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE), світовим лідером в сфері розробки та впровадження нових стандартів.

Найбільш поширеними стандартами бездротових мереж сьогодні є IEEE 802.11 b і 802.11 g. Устаткування таких мереж, згідно з IEEE, працює в діапазоні 2400-2483,5 МГц і здатне передавати дані з максимальною швидкістю 11 і 54 Мбіт / с відповідно.

Розподіл хвиль в розглянутому діапазоні має ряд оригінальних якостей. Незважаючи на функціональну подібність бездротового і дротового обладнання, різниця в їх установці, монтажі і налаштуванні чимала. Причина - у властивостях фізичних середовищ, які використовуються для передачі інформації. У випадку з бездротовим обладнанням потрібно враховувати закони поширення радіохвиль. Радіоефір більш чутливий до різного роду перешкод. Тому наявність перегородок, стін і залізобетонних перекриттів може позначитися на швидкості передачі даних. Умови прийому та передачі сигналу погіршують не тільки фізичні перешкоди, також перешкоди створюють і різні радіовипромінювальні прилади.

Свого часу стандартом для безпеки в регіональних мережах зв'язку була технологія Wired Equivalency Privacy (WEP). Однак хакери виявили уразливості WEP і тепер досить просто знайти програми та програми, призначені для злому мереж з таким захистом. В основі WEP лежить потоковий шифр RC4, обраний з-за своєї високої швидкості роботи і можливості використання змінної довжини ключа. Для підрахунку контрольних сум використовується CRC32.

На заміну технології захисту бездротових мереж WEP прийшла технологія WPA. Плюсами WPA є посилена безпека даних і посилений контроль доступу до бездротових мереж. Сьогодні бездротову мережу вважають захищеною, якщо в ній функціонують три основних складових системи безпеки: аутентифікація користувача, конфіденційність і цілісність передачі даних. Протокол захищеного доступу WiFi (WiFi Protected Access, WPA) в даний час входить в протокол безпеки бездротових мереж стандарту 802.11i. Дана технологія підтримує базові засоби аутентифікації протоколів 802.1x, наприклад протокол аутентифікації Extensible Authentication Protocol (EAP), який передбачає участь в аутентифікації трьох сторін - що викликає (клієнта), що викликається (точки доступу) і сервера аутентифікації, що істотно підвищує безпеку з'єднання. Крім цього WPA забезпечує конфіденційність передачі даних за допомогою шифрування трафіку з використанням тимчасових ключів за допомогою TKIP і цілісність інформації - шляхом звірки контрольної суми MIC (Message Integrity Check). Як і в разі WEP, WPA передбачає вхід в систему з використанням пароля. Більшість громадських точок доступу або відкриті, або використовують WPA або 128-бітну технологію WEP, хоча в деяких все ще використовується стара вразлива система WEP. На даний момент WPA і WPA2 розробляються і просуваються організацією Wi-Fi Alliance.

Для забезпечення ще більшої безпеки іноді використовують фільтрацію адрес управління доступом до середовища (Media Access Control, MAC). У ній для ідентифікації користувачів не використовується пароль, для цього застосовуються фізичні апаратні засоби комп'ютера. Кожен комп'ютер має власний унікальним MAC-адресою. Фільтрація MAC-адрес забезпечує доступ до мережі тільки машинам з певними MAC-адресами. При налаштуванні маршрутизатора потрібно вказати, якими адресами дозволяється доступ в мережу. Система не має стовідсотковою надійністю. Хакер з відповідним рівнем знань може підробити MAC-адресу, тобто скопіювати відомий дозволений MAC-адресу і ввести систему в оману, імітуючи цю адресу своїм комп'ютером, що дозволить йому увійти в мережу.

Переваги Wi-Fi

Дозволяє розгорнути мережу без прокладки кабелю, що може зменшити вартість розгортання і / або розширення мережі. Місця, де не можна прокласти кабель, наприклад, поза приміщеннями і в будівлях, що мають історичну цінність, можуть обслуговуватися бездротовими мережами.

Дозволяє мати доступ до мережі мобільних пристроїв.

Wi-Fi пристрої широко поширені на ринку. Гарантується сумісність обладнання завдяки обов'язковій сертифікації обладнання з логотипом Wi-Fi.

В межах Wi-Fi зони в мережу Інтернет можуть виходити кілька користувачів з комп'ютерів, ноутбуків, телефонів і т. Д.

випромінювання від Wi-Fi пристроїв в момент передачі даних на порядок (в 10 разів) менше, ніж у стільникового телефону.

Технологія бездротової передачі даних ZigBee була представлена \u200b\u200bна ринку вже після появи технологій бездротової передачі даних BlueTooth і Wi-Fi. Поява технології ZigBee обумовлено, перш за все, тим, що для деяких додатків (наприклад, для віддаленого управління освітленням або гаражними воротами, або зчитування інформації з датчиків) основними критеріями при виборі технології бездротової передачі є мале енергоспоживання апаратної частини і її низька вартість. З цього випливає мала пропускна здатність, так як в більшості випадків електроживлення датчиків здійснюється від вбудованої батареї, час роботи від якої повинно перевищувати кілька місяців і навіть років. Існуючі на той момент часу технології бездротової передачі даних BlueTooth і Wi-Fi не відповідали цим критеріям, забезпечуючи передачу даних на високих швидкостях, з високим рівнем енергоспоживання і вартості апаратної частини. У 2001 році робочою групою № 4 IEEE 802.15 були розпочаті роботи зі створення нового стандарту, який би відповідав наступним вимогам:

дуже мале енергоспоживання апаратної частини, що реалізує технологію бездротової передачі даних (час роботи від батареї має становити від декількох місяців до декількох років);

передача інформації повинна здійснюватися на не високій швидкості;

низька вартість апаратної частини.

Результатом стала розробка стандарту IEEE 802.15.4. На рис. 5 приведена модель взаємодії стандарту IEEE 802.15.4, технології бездротової передачі даних ZigBee і кінцевого користувача.

Малюнок 1.3.3.1 Модель взаємодії стандарту IEEE 802.15.4, технології бездротової передачі даних ZigBee і кінцевого користувача

Стандарт IEEE 802.15.4 визначає взаємодію тільки двох нижчих рівнів моделі взаємодії: фізичного рівня (PHY) і рівня управління доступом до радіоканалу для трьох неліцензованому діапазонів частот: 2,4 ГГц, 868 МГц і 915 МГц.

Рівень MAC відповідає за управління доступом до радіоканалу з використанням методу множинного доступу з пізнанням несучої і усуненням колізій (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA-CA), а також за управління підключенням і відключенням від мережі передачі даних і забезпечення захисту інформації, що передається симетричним ключем (AES-128).

У свою чергу, технологія бездротової передачі даних ZigBee, запропонована альянсом ZigBee, визначає інші рівні моделі взаємодії, до яких відносять мережевий рівень, рівень безпеки, рівень структури програми та рівень профілю додатки. Мережевий рівень, технології бездротової передачі даних ZigBee, відповідає за виявлення пристроїв і конфігурацію мережі і підтримує три варіанти топології мережі.

Для забезпечення низької вартості інтеграції технології бездротової передачі ZigBee в різні додатки фізична реалізація апаратної частини стандарту IEEE 802.15.4 виконується в двох виконаннях: пристрої з обмеженим набором функції (RFD) і повністю функціональні пристрої (FFD).

Крім поділу пристроїв на RFD і FFD, альянсом ZigBee визначені три типи логічних пристроїв: ZigBee-координатор (пристрій, що погодить), ZigBee-маршрутизатор і кінцевий пристрій ZigBee. Координатор здійснює ініціалізацію мережі, управління вузлами, а також зберігає інформацію про налаштування кожного вузла, приєднаного до мережі. ZigBee-маршрутизатор відповідає за маршрутизацію повідомлень, переданих по мережі від одного вузла до іншого. Під кінцевим пристроєм розуміють будь-який термінал, підключений до мережі. Розглянуті вище пристрої RFD і FFD якраз і є кінцевими пристроями. Тип логічного пристрою при побудові мережі визначає кінцевий користувач за допомогою вибору певного профілю, запропонованого альянсом ZigBee. При побудові мережі з топологією «кожен з кожним» передача повідомлень від одного вузла мережі до іншого може здійснюватися за різними маршрутами, що дозволяє будувати розподілені мережі (що поєднують кілька невеликих мереж в одну велику - кластерне дерево) з установкою одного вузла від іншого на досить великій відстані і забезпечити надійну доставку повідомлень.

Трафік, що передається по мережі ZigBee, як правило, поділяють на періодичний, переривчастий і повторюється (характеризується невеликим тимчасовим інтервалом між посилками інформаційних повідомлень).

Періодичний трафік характерний для додатків, в яких необхідно дистанційно отримувати інформацію, наприклад від бездротових сенсорних датчиків або лічильників. У таких додатках отримання інформації від датчиків або лічильників здійснюється наступним чином. Як уже згадувалося раніше, будь-термінал, в якості якого в даному прикладі виступає бездротової датчик, переважну частину часу роботи повинно знаходитися в режимі «засипання», забезпечуючи тим самим дуже низьке енергоспоживання. Для передачі інформації термінал в певні моменти часу виходить з режиму «засипання» і виконує пошук в радіоефірі спеціального сигналу (маяка), переданого пристроєм управління мережею (ZigBee-координатором або ZigBee-маршрутизатором), до якої під'єднано бездротової лічильник. При наявності в радіоефірі спеціального сигналу (маяка) термінал здійснює передачу інформації пристрою керування мережею і відразу ж переходить в режим «засинання» до наступного сеансу зв'язку.

Переривчастий трафік властивий, наприклад, для пристроїв дистанційного керування освітленням. Уявімо ситуацію, коли необхідно при спрацьовуванні датчика руху, встановленого біля вхідних дверей, передати команду на включення освітлення в передпокої. Передача команди в даному випадку здійснюється наступним чином. При отриманні пристроєм управління мережею сигналу про спрацювання датчика руху воно видає команду кінцевого пристрою (бездротовому вимикача) підключитися до бездротової мережі ZigBee. Потім встановлюється з'єднання з кінцевим пристроєм (бездротовим вимикачем) і виконується передача інформаційного повідомлення, що містить команду на включення освітлення. Після прийому команди з'єднання розривається і виконується відключення бездротового вимикача від мережі ZigBee. Підключення та відключення кінцевого пристрою до мережі ZigBee тільки в необхідні для цього моменти дозволяє істотно збільшити час перебування кінцевого пристрою в режимі «засипання», забезпечуючи тим самим мінімальне енергоспоживання. Метод використання спеціального сигналу (маяка) є набагато більш енергоємним.

У деяких додатках, наприклад охоронних системах, передача інформації про спрацювання датчиків повинна здійснюватися практично миттєво і без затримок. Але треба враховувати той факт, що в певний момент часу можуть «спрацювати» відразу кілька датчиків, генеруючи в мережі так званий циклічний трафік. Імовірність цієї події невелика, але не враховувати його в охоронних системах неприпустимо. У бездротової мережі ZigBee для повідомлень, переданих в бездротову мережу при спрацьовуванні відразу декількох охоронних датчиків (кінцевих пристроїв), передбачена передача даних від кожного датчика в спеціально виділеному часовому слоті. В технології ZigBee спеціально виділяється тимчасовий слот називають гарантованим тимчасовим слотом (Guaranteed Time Slot, GTS). Наявність в технології ZigBee можливості надавати гарантований тимчасовий слот для передачі невідкладних повідомлень дозволяє говорити про реалізацію в ZigBee методу QoS (якість обслуговування). Виділення гарантованого тимчасового слота для передачі невідкладних повідомлень здійснюється мережевим координатором (рис. 6, PAN Coordinator).

Для побудови бездротової мережі (наприклад, мережа з топологією «зірка») на основі технології ZigBee розробнику необхідно придбати принаймні один мережевий координатор і необхідну кількість кінцевих пристроїв. При плануванні мережі слід враховувати, що максимальна кількість активних кінцевих пристроїв, приєднаних до мережевого координатору, не повинно перевищувати 240. Крім того, необхідно придбати у виробника ZigBee-чіпів програмні засоби для розробки, конфігурації мережі та створення призначених для користувача додатків і профілів.

Висока вартість отладочного комплекту, до складу якого входить набір програмних і апаратних засобів для побудови бездротових мереж ZigBee будь-якої складності, є одним із стримуючих чинників масового поширення технології ZigBee на ринку Росії.

Наведений в розділі короткий огляд технологій бездротової передачі даних BlueTooth, Wi-Fi і ZigBee показує, що кожна технологія має свої відмінні якості, які полягають в досягненні однієї і тієї ж мети різними способами (з різними втратами). Порівняльні характеристики технологій BlueTooth, Wi-Fi і ZigBee наведені в таблиці.

Таблиця 1.3.3.1

Порівняльні характеристики технологій BlueTooth, Wi-Fi і ZigBee

З даної таблиці видно, що найшвидша і далека передача можливо при використанні технології Wi-Fi. Технологія Wi-Fi використовується для передачі пошти, відео та інших даних через Інтернет. Технологія ZigBee прекрасно підходить для низької обміну інформацією невеликого розміру між великою кількістю вузлів, для віддаленого моніторингу та управління. Технологія BlueTooth знайшла найбільше застосування при обміні даними між мобільними пристроями.

Мережева технологія - це погоджений набір стандартних протоколів і що реалізовують їх програмно-апаратних засобів (наприклад, мережевих адаптерів, Драйверів, кабелів і роз'ємів), достатній для побудови обчислювальної мережі. Епітет «достатній» підкреслює ту обставину, що цей набір являє собою мінімальний набір засобів, за допомогою яких можна побудувати працездатну мережу.

Протоколи, на основі яких будується мережа певної технології (у вузькому сенсі) спеціально розроблялися для спільної роботи, тому від розробника мережі не потрібно додаткових зусиль по організації їх взаємодії. Іноді мережеві технології називають базовими технологіями, мається на увазі те, що на їх основі будується базис будь-якої мережі. Прикладами базових мережевих технологій можуть служити такі відомі технології локальних мереж, як Ethernet, Token Ring і FDDI, або ж технології територіальних мереж Х.25 і frame relay. Для отримання працездатної мережі в цьому випадку досить придбати програмні і апаратні засоби, що відносяться до однієї базової технології - мережеві адаптери з драйверами, концентратори, комутатори, кабельну систему і т. П., - і з'єднати їх відповідно до вимог стандарту на дану технологію.

На сьогоднішній день найпоширенішим стандартом локальних мереж є пакетна технологія передачі даних Ethernet. Стандарти Ethernet визначають дротяні з'єднання і електричні сигнали на фізичному рівні, формат кадру та протоколи управління доступом до середовища - на канальному рівні моделі OSI. Ethernet, в основному, описується стандартами IEEE групи 802.3. В якості середовища використовується коаксіальний кабель, кручена пара або оптичний кабель. Комп'ютери підключаються до середи, що розділяється відповідно до типової структури «загальна шина». За допомогою розділяється в часі шини будь-які два комп'ютери можуть обмінюватися даними.

Всі види стандартів Ethernet (у тому числі Fast Ethernet і Gigabit Ethernet) використовують один і той же метод поділу середовища передачі даних - метод CSMA / CD (множинний доступ з контролем несучої і виявленням колізій) Суть випадкового методу доступу складається в наступному. Комп'ютер в мережі Ethernet може передавати дані по мережі, тільки якщо мережа вільна, тобто якщо ніякий інший комп'ютер в даний момент не займається обміном. Тому важливою частиною технології Ethernet є процедура визначення доступності середовища. Після того як комп'ютер переконується, що мережа вільна, він починає передачу, при цьому «захоплює» середу. Час монопольного використання розділяється середовища одним вузлом обмежується часом передачі одного кадру. Кадр - це одиниця даних, якими обмінюються комп'ютери в мережі Ethernet. Кадр має фіксований формат і поряд з полем даних містить різну службову інформацію, наприклад адресу одержувача і адресу відправника. Мережа Ethernet влаштована так, що при попаданні кадру в середу передачі даних все мережеві адаптери одночасно починають приймати цей кадр. Всі вони аналізують адресу призначення, розташовану в одному з початкових полів кадру, і, якщо ця адреса збігається з їх власною адресою, кадр вміщується у внутрішній буфер мережевого адаптера. Таким чином, комп'ютер-адресат отримує призначені йому дані. Іноді може виникати ситуація, коли одночасно два або більше комп'ютера вирішують, що мережа вільна, і починають передавати інформацію. Така ситуація, звана колізією, перешкоджає правильній передачі даних по мережі. У стандарті Ethernet передбачений алгоритм виявлення та коректної обробки колізій. Імовірність виникнення колізії залежить від інтенсивності мережевого трафіку. Після виявлення колізії мережеві адаптери, які намагалися передати свої кадри, припиняють передачу і після паузи випадкової тривалості намагаються знову отримати доступ до середовища і передати той кадр, який викликав колізію.

Головним достоїнством мереж Ethernet, завдяки якому вони стали такими популярними, є їх економічність. Для побудови мережі досить мати по одному мережному адаптеру для кожного комп'ютера плюс один фізичний сегмент кабелю потрібної довжини. Інші базові технології, наприклад Token Ring, для створення навіть невеликої мережі вимагають наявності додаткового пристрою - концентратора. Крім того, в мережах Ethernet реалізовані досить прості алгоритми доступу до середовища, адресації і передачі даних. Проста логіка роботи мережі веде до спрощення і, відповідно, здешевлення мережевих адаптерів і їх драйверів. З тієї ж причини адаптери мережі Ethernet мають високу надійність. І, нарешті, ще однією чудовою властивістю мереж Ethernet є їх хороша розширюваність, тобто легкість підключення нових вузлів. Інші базові мережеві технології - Token Ring, FDDI, - хоча і володіють багатьма індивідуальними рисами, в той же час мають багато загальних властивостей з Ethernet. Істотні відмінності однієї технології від іншої пов'язані з особливостями використовуваного методу доступу до середовища. Так, відмінності технології Ethernet від технології Token Ring багато в чому визначаються специфікою закладених в них методів розділення середовища - випадкового алгоритму доступу в Ethernet і методу доступу шляхом передачі маркера в Token Ring.

Для об'єднання всіх блоків системи управління безпекою поїзда «Витязь» використовується CAN-шина. Розглянемо цей інтерфейс більш докладно.

CAN (Control Area Network) - послідовна магістраль, що забезпечує об'єднання в локальну мережу "інтелектуальних" пристроїв введення / виводу, датчиків і виконавчих пристроїв деякого механізму або навіть підприємства. Характеризується протоколом, що забезпечує можливість знаходження на магістралі декількох провідних пристроїв, що забезпечує передачу даних в реальному масштабі часу і корекцію помилок, високою завадостійкістю. Система CAN складається з великої кількості мікросхем, що забезпечують роботу підключених до магістралі пристроїв, розробку яких починала фірма BOSH для використання в автомобілях, і в даний час широко використовуються в автоматизації промисловості. Швидкість передачі задається програмно і може бути до 1 Мбіт / с.

Але на практиці під CAN-мережею зазвичай мається на увазі мережа топології «шина» з фізичним рівнем у вигляді диференціальної пари, певним в стандарті ISO 11898. Передача ведеться кадрами, які приймаються всіма вузлами мережі. Для доступу до шини, випускаються спеціалізовані мікросхеми - драйвери CAN шини.

Система CAN працює дуже надійно. Якщо виникають будь-які несправності, вони обов'язково фіксуються у відповідних реєстраторах несправностей і можуть бути потім лічені за допомогою діагностичного приладу.

Малюнок 1.5.1 Система CAN

Мережа об'єднує кілька блоків управління. Блоки управління підключаються до неї через трансивери (приймачі). Таким чином, всі окремі станції мережі знаходяться в однакових умовах. Тобто все блоки управління рівнозначні і жоден з них не має пріоритету. При цьому говорять про так званої багатоабонентської архітектурі. Обмін інформацією здійснюється шляхом передачі послідовних сигналів.

Процес обміну інформацією полягає в обміні окремими посланнями, кадрами. Ці послання можуть бути відправлені й отримані кожним з блоків управління. Кожне з послань містить дані про будь-якому фізичному параметрі системи. При цьому величина представляється в двійковій формі, т. Е. Як послідовність нулів і одиниць або біт. Наприклад, значення частоти обертання двигуна 1800 об / хв може бути представлено як двійкове число 00010101. При передачі сигналів кожне число в двійковому поданні перетворюється в потік послідовних імпульсів (біт). Ці імпульси надходять через провід TX (передавальний провід) на вхід трансивера (підсилювача). Трансівер перетворює послідовності імпульсів струму в відповідні сигнали напруги, які потім послідовно передаються на провід шини. При прийомі сигналів трансивер перетворює імпульси напруги в послідовності біт і передає їх через провід RX (приймальний провід) на блок управління. У блоці управління послідовності двійкових сигналів знову перетворюються в дані послань. наприклад, двійковечисло 00010101 перетворюється в частоту обертання 1800 об / хв.

Передане послання може бути прийнято кожним з блоків управління. Цей принцип передачі даних називають широкомовною, так як він подібний до принципу роботи широкомовної радіостанції, сигнали якої приймаються кожним користувачем радіомережі. Цей принцип передачі даних забезпечує отримання в кожен момент часу однакової інформації всіма блоками управління, підключеними до мережі. Кожне повідомлення забезпечується ідентифікатором, який визначає призначення переданих даних, але не адресу приймача. Будь-приймач може реагувати як на один ідентифікатор, так і на кілька. На один ідентифікатор можуть реагувати кілька приймачів.

Малюнок 1.5.2 Принцип обміну повідомленнями по CAN

Блок управління приймає сигнали датчиків, обробляє їх і передає відповідні сигнали на виконавчі пристрої. Найбільш істотними компонентами блоку управління є мікроконтролер з вхідними та вихідними пристроями, що запам'ятовують і пристрій для зберігання програмного забезпечення. Отримувані блоком управління сигнали датчиків, наприклад, датчика температури або датчика частоти обертання колінчастого вала регулярно викликаються і записуються послідовно у вхідному пристрої зберігання даних. У мікроконтролері вхідні сигнали обробляються відповідно до закладених в ньому програмами. Вироблені в результаті цієї обробки сигнали направляються в осередку вихідного пристрою, що запам'ятовує, звідки вони надходять на відповідні виконавчі пристрої. Для обробки послань, що надходять з шини CAN і направляються на неї, кожен блок управління забезпечений додатковим запам'ятовуючим пристроєм, в якому зберігаються як надходять, так і відправляються послання.

Для обміну даними за допомогою шини CAN служить модуль системи CAN. Він розділений на дві зони: зону прийому і зону передачі. Модуль системи CAN пов'язаний з блоком управління через поштові ящики для вхідних і вихідних послань. Зазвичай він вбудований в чіп мікроконтролера блоку управління.

Трансівер представляє собою приемопередающее пристрій, одночасно виконує функції підсилювача. Він перетворює послідовність надходять з модуля системи CAN двійкових сигналів (на логічному рівні) в електричні імпульси напруги і навпаки. Таким чином, за допомогою електричних імпульсів можна передавати дані по мідних проводах. Зв'язок трансивера з модулем системи CAN здійснюється за допомогою проводів TX (передавальний провід) і RX (приймає провід). Провід RX з'єднаний з шиною CAN через підсилювач. Він дозволяє постійно "прослуховувати" цифрові сигнали, що передаються через шину.

При вільної шині будь-який вузол може починати передачу в будь-який момент. У разі одночасної передачі кадрів двома і більше вузлами проходить арбітраж доступу: Передаючи адресу джерела, вузол одночасно перевіряє стан шини. Якщо при передачі рецесивного біта приймається домінантний - вважається, що інший вузол передає повідомлення з великим пріоритетом і передача відкладається до звільнення шини. Таким чином, на відміну, наприклад, від Ethernet в CAN не відбувається непродуктивної втрати пропускної здатності каналу при колізіях. Ціна цього рішення - ймовірність того, що повідомлення з низьким пріоритетом ніколи не будуть передані.

Всі підключені до шини станції отримують послання, відправлене блоком управління. Це послання надходить в зони прийому відповідних модулів системи CAN через дроти RX. Після цього вони можуть визначити на контрольному рівні за сумою CRC (Cycling Redundancy Check), чи немає в посланні помилок передачі.

переваги

Можливість роботи в режимі жорсткого реального часу.

Простота реалізації і мінімальні витрати на використання.

Висока стійкість до перешкод.

Арбітраж доступу до мережі без втрат пропускної здатності.

Надійний контроль помилок передачі і прийому.

Великого поширення технології, наявність широкого асортименту продуктів від різних постачальників.

Спрощується підключення додаткового обладнання.

недоліки

Невелика кількість даних, яке можна передати в одному пакеті (до 8 байт).

Великий розмір службових даних в пакеті (по відношенню до корисних даними).

Відсутність єдиного загальноприйнятого стандарту на протокол високого рівня, однак же, це і гідність. Стандарт мережі надає широкі можливості для практично безпомилкової передачі даних між вузлами, залишаючи розробникові можливість вкласти в цей стандарт все, що туди зможе поміститися.

USB-інтерфейс

У четвертому розділі даного дипломного проекту буде проводитися написання ППП для стенду тестування РПДП. На цьому стенді буде здійснюватися підключення до CAN по USB, тому було вирішено вивчити USB-інтерфейс.

USB (Universal Serial Bus - універсальна послідовна шина) є промисловим стандартом розширення архітектури РС-комп'ютера.

Архітектура USB визначається наступними критеріями:

Легко реалізоване розширення периферії РС-комп'ютера;

Швидкість передачі до 12 Мбіт / с (версія 1.1), до 480 Мбіт / с (версія 2.0), до 4,8 Гбіт / с (версія 3.0);

Можливість інтеграції в РС-комп'ютерах будь-яких розмірів і конфігурацій;

Легке створення пристроїв-розширень РС-комп'ютерів.

З точки зору користувача важливими параметрами USB є наступні:

Простота підключення до РС-комп'ютера, тобто неможливо неправильно підключити пристрій;

Не потрібно вимикати харчування перед підключенням через особливості конструкції роз'ємів;

Приховування подробиць електричного підключення від кінцевого користувача;

Самоідентифікується периферійні пристрої (Plug & Play);

Можливість динамічного підключення периферійних пристроїв;

Малопотребляющіе пристрої (до 500 ма) можуть отримувати живлення прямо від USB-шини.

Фізичне з'єднання пристроїв здійснюється по топології багатоярусної зірки. Центром кожної зірки є хаб (забезпечує додаткові точки підключення). Кожен кабельний сегмент з'єднує дві точки - хаб з іншим хабом або функцією (представляє собою кінцеве периферійний пристрій). У системі є, причому тільки один, хост-контролер, розташований в вершині піраміди функцій і хабів і керує роботою всієї системи. Хост-контролер інтегрується з кореневим хабом (Root Hub), що забезпечує одну або кілька точок підключення - портів. Контролер USB, що входить до складу чіпсетів, зазвичай має вбудований двухпортовий кореневої хаб.

Логічно пристрій, підключений до будь-якого порту хаба USB може розглядатися як безпосередньо підключений до хост-контролера. Таким чином, точка підключення пристрою не важлива.

Хост-контролер виробляє розподіл пропускної здатності шини між пристроями. USB-шина дозволяє підключати, конфігурувати, використовувати і відключати пристрої під час роботи хоста і самих пристроїв.

Функції являють собою пристрої, здатні передавати або приймати дані або управляючу інформацію по шині. Характерно функції являють собою окремі периферійні пристрої, підключені до порту хаба USB кабелем. Кожна функція надає конфігураційну інформацію, що описує можливості пристрою і вимоги до ресурсів. Перед використанням функція повинна бути налаштована хостом - їй має бути виділена смуга в каналі і вибрані опції конфігурації.

Хаб являє собою кабельний концентратор. Точки підключення називаються портами хаба. Кожен хаб перетворює одну точку підключення в їх безліч. Архітектура допускає з'єднання кількох хабів. У кожного хаба є один висхідний порт (Upstream Port), призначений для підключення до хабу верхнього рівня і один або кілька низхідних портів (Downstream Port), призначених для підключення функцій або хабів нижнього рівня. Хаб розпізнає підключення і відключення пристроїв і управляє подачею харчування на спадні сегменти.

Для позбавлення програміста від рутинної роботи з написання драйвера, в деякі операційні системи свідомо входять низькорівневі драйвера. У систему Windows входять:

драйвер хост-контролера (USB Bus Driver) відповідає за управління транзакціями, харчуванням і розпізнаванням пристроїв;

драйвер шини (USB Bus Driver) відповідає за управління транзакціями, харчуванням і розпізнаванням пристроїв;

драйвер класу (Class driver).

З точки зору програміста найбільший інтерес представляють драйвер класу і інтерфейс звернення до цього драйверу. тут операційна система робить крок на шляху до уніфікації інтерфейсів. Всі USB-пристрої діляться на групи (хаби, HID-пристрої, аудіо, пристрої зберігання даних, принтери, пристрої комунікації), згідно із загальними властивостями, виконуваних функцій і вимогам до ресурсів. Для кожної групи пристроїв Windows надає окремий драйвер, який автоматично встановлюється при виявленні приналежність пристрою до однієї з груп. Таким чином, в більшості випадків ніяких драйверів не потрібно.

USB HID (human interface device) class - клас пристроїв USB для взаємодії з людиною. Цей клас включає в себе такі пристрої як клавіатура, миша, ігровий контролер. Це один з перших USB класів, підтримуваних операційною системою Windows. HID пристрій крім введення даних в комп'ютер може і отримувати їх від нього. При необхідності відправки даних на HID пристрій необхідно ініціювати з'єднання з цим пристроєм і далі працювати з ним як зі звичайним файлом.

У цьому розділі був проведений огляд основних технологій передачі даних. Для здійснення процесу обміну інформацією між комп'ютером і поїздом було вирішено вивчити існуючі технології бездротової передачі даних з метою подальшого вибору найбільш підходящої (2 глава).Крім бездротових технологій фізичного рівня, були розглянуті технології канального рівня (Ethernet, Frame Relay, ATM).

В даному розділі були також розглянуті основні технології ідентифікації об'єктів. Серед них особливу увагу було приділено радіочастотної і оптичної ідентифікації, які можна використовувати для ініціювання з'єднання стаціонарного пункту управління з реєстратором параметрів руху поїзда (РПДР).