TRANSMISJA DANYCH W PUBLICZNYCH SIECIACH TELEKOMUNIKACYJNYCH

Jan Piecha, Instytut Informatyki
piecha@us. edu. pl

JNT-PAD

Podstawowe funkcje PADa można zilustrować na przykładzie JNT-PAD opracowanego przez British Telecom, laboratorium komputerowe uniwersytetu w Cambridge i zespoł badawczy sieci komputerowych - JNT (Joint Network Team). JNT-PAD realizuje funkcje koncentratora informacji i sterownika pakietów, w tym:

- koncentruje dane z 16 terminali, korzystających ze wspólnej linii PSTN,
- izoluje optoelektronicznie 8 linii wejściowych sterowanych pętlą prądową 28 mA,
- umożliwia obsługę 10 kanałów wyjściowych wchodzących do sieci publicznej (PSTN) z realizacją zasad przełączania pakietów PSS,
- umożliwia bezpośrednią współpracę terminali (jest mostem) podłączonych do tego same go JNT- PAD z pominięciem linii i procedur X. 25,
- umożliwia wykorzystanie sygnałów komunikacyjnych głównego komputera zarządzają- cego (HOST komputera) do sterowania pracą systemu transmisji, jak przerwanie trans- misji lub powrót do początku sesji transmisji,
- umożliwia programową deklarację konfiguracji i funkcji organizacyjnych PAD.

Oprogramowanie JNT-PAD zawiera komendy profilu pracy, które określają cechy terminali podłączonych do koncentratora (nadajnik lub odbiornik, szybkość transmisji, format danych, zasady detekcji błędów, itp. ). Drugi zbiór komend JNT-PAD dotyczy jego komunikacji z HOST komputerem, np. transmisja z echem lub bez, kontrola parzystości, format transmitowanych tekstów, itp.

Na rys. 5 pokazano przykład sieci rozległej zawierającej dwa węzły z koncentratorami JNT-PAD. Koncentrator spełnia rolę asynchronicznego układu sprzęgającego terminale (drukarki, monitory, plotery, videotext terminale i inne urządzenia) z linią transmisyjną w której przełączane są pakiety zgodnie z X. 25. JNT-PAD pracuje jako sterownik dla fragmentu sieci lokalnych oraz sterownik dla węzła sieci rozległej. Linie transmisyjne w sieciach rozległych wyposażone są w standardowe modemy teletransmisyjne. Na drugim końcu linii montowany jest tzw. PAD odwrotny, spełniający funkcje odwrotne.

schemat

Rys. 5 Przykład sieci zawierającej dwa węzły odległe PSTN i jedną linię prywatną

Szybkie PSTN

Dzisiejsze systemy transmisji odległej są wykonywane w technologiach o wysokim stopniu niezawodności i odporności na zakłócenia zewnętrzne. Są to głównie łącza światłowodowe. Podstawowy standard X. 25 z protokołem HDLC został opracowany przed 20 laty. Obecność komputerów w poszczególnych węzłach sieci publicznej umożliwia sprawdzanie jakości przesyłu w każdym z punktów pośrednich.

Na rys. 6 pokazano schemat poglądowy sieci PSTN z wieloma węzłami pośrednimi X. 25. Informacja przekazywana jest ze stacji A do stacji B poprzez ciąg węzłów X. 25. W każdy z nich jest bufor pamięci, który przechowuje transmitowany ciąg danych do czasu potwierdzenia z węzła następnego, że przekazana do niego informacja została odebrana bez błędów.

schemat

Stacja B Rys. 6 Schemat ideowy szybkiej sieci PSTN z węzłami pośrednimi

W przypadku wystąpienia błędu transmisji w ciągu odebranych danych w węźle następnym, następuje repetycja transmisji na tym odcinku. W standardowym X. 25 badanie jakości transmisji odnosi się do całej drogi przesyłu - od stacji A do B. Ponieważ błędy transmisji nie występują rzadko standardowa procedura X. 25 jest wolniejsza od procedury z diagnostyką w węzłach pośrednich. Stąd nazwa procedury z badaniem jakości w węzłach pośrednich: szybka procedura z przełączaniem pakietów (fast packet switching - Fast PSTN). Ponieważ dane w dalszym ciągu są transmitowane w ramkach HDLC, używana jest również nazwa: Szybkie PSTN z Przełączaniem Ramek - FR (Fast Packet Switching - Frame Relay). Detekcję błędów zapewnia występujące w ramce HDLC szesnastobitowe pole diagnostyczne FCS (Frame Check Sequence). Standardowa szybkość transmisji w szybkim systemie z przełączaniem ramek (PSTN/FR) wynosi 1, 544 Mb/s.

Szybkim sposobem przesyłu danych jest również PSTN z Przełączaniem Komórek informacji (Cell Relay) w systemie ATM (Asynchronous Transfer Mode). Długość pola danych w HDLC (rys. 3b) nie została zdefiniowana - jest dowolna, natomiast format komórki w systemie transmisji z przełączaniem komórek (ATM) jest jednorodny i o stałej długości, po 53 oktecie (oktet = 8 bitów). Każdy z 48 oktetów zawiera transmitowane dane a pozostałe 5 oktetów są nagłówkiem komórki transportu danych. Nagłówek zawierają deklarację ścieżki i numeru kanału transmisji, rodzaj przesyłanej informacji oraz priorytet (numer) bieżącej komórki. Stała długość komórki pozwala ocenić czas transferu danych na podstawie: szybkości transmisji (w bitach/s), liczby komórek i liczby oktetów w komórce.

W systemie transmisji ramek niemożność określenia czasu transferu ciągu danych uważana jest za jego podstawową słabość. Możliwość określenia czasu przesyłu komórek ma istotne znaczenie dla koordynacji procesu przesyłu trzech mediów informacyjnych, tj. : grafika analogowa (video), dźwięk (audio) oraz pliki tekstowe i graficzne będące bezpośrednim produktem komputera. W systemie z przełączaniem komórek informacji na tradycyjnych kablach miedzianych uzyskiwana jest szybkość transmisji do 45 Mb/s a na łączach światłowodowych do 2. 4 Gb/s.

Za podstawowy standard transferu danych dla sieci X. 25 z przełączaniem komórek można uznać ATM. Aktualnie najbardziej rozpowszechniony systemów transferu danych multimedialnych: Audio, Video oraz Plików tekstowo-graficznych. Podstawowym medium transmisyjnym ATM jest światłowód z szybkością transmisji danych multimedialnych w zakresie od 155 do 622 Mb/s.

Rys. 7. Formaty komórek dla transmisji asynchronicznej, ATM
a) UNI - komórka połączeń użytkownik- sieć,
b) NNI - komórka dla połączeń sieć - sieć

tabela

ATM ma zdefiniowane dwa formaty komórek, dla:

- komunikacji użytkownika z siecią ATM/UNI (User Network Interface),
- komunikacji między przełącznikami dwóch sieci ATM/NNI (Network Network Interfa- ce).

Na rys. 7 a i b pokazano formaty komórek dla systemu transmisji asynchronicznej ATM, odpowiednio dla użytkownika końcowego UNI i dla dwóch węzłów transmisji asynchronicznej NNI.

Komórka UNI (użytkownik - sieć) zawiera osiem pól danych:

- w polu 1 kodowana jest informacja o typie danych transmitowanych w komórce ATM (GFC - generic flow control) jak: video, głos, inne dane,
- w polu 2 kodowane jest połączenie między dwoma punktami (VPI - virtual path identifier), czyli tzw. ścieżka wirtualna sieci,
- w polu 3 kodowany jest numer kanału transmisyjnego (VCI - virtual channel identifier), który będzie zajmowany przez wskazane w polu 1 dane, w transmisji równoległej danych multimedialnych.
- pole 4 wskazuje, czy komórka zawiera dane użytkownika, czy dane sterujące sieci,
- pole 5 jest jednobitową rezerwą do przyszłego wykorzystania,
- pole 6 jest jednobitowym znacznikiem utraty priorytetu transmisji dla bieżącej komórki ATM. Jeśli transmisja przekroczy przydzielone pasmo można dopuścić do jej transmisji poza zakresem, jako dodatkową z utraconym priorytetem (CLP - cell loss priority),
- pole 7 zawiera ośmiobitową informację potwierdzającą poprawność transmisji danych w polach 2 i 3, identyfikacji połączeń wirtualnych (HEC - header error control),
- pole 8 zawiera 48 oktetów informacji zasadniczej.

Komórka NNI (sieć - sieć) zawiera siedem pól informacyjnych, to znaczy o jedno pole mniej od komórki UNI. Obie komórki różnią się tylko pierwszymi dwunastoma bitami. Pozostałe bity są identycznie zdefiniowane.

Połączenia w systemie ATM realizowane są na podstawie danych adresowych zawartych w przesyłanym bloku. Ciągi transferowanych danych mają taką samą długość dla wszystki typów danych, dzięki czemu możliwy jest podział pasma przenoszenia pojedynczego kanału fizycznego na podkanały logiczne głównie z komutacją czasową ewentualnie częstotliwościową. Przekazywanie danych blokami o jednakowej długości upraszcza system rozdziału informacji w punkcje odbioru. Kolejne komórki pojawiają się w punktach odbioru w takiej samej kolejności jak zostały nadane. Logiczne połączenie nadawcy z odbiorcą nie musi odpowiadać najkrótszemu połączeniu fizycznemu. W razie awarii jednego z połączeń, przełącznik ATM dokonuje wyboru innej ścieżki fizycznej w celu zrealizowania zadeklarowanego połączenia logicznego (wirtualnego). Przełączanie pakietów danych realizują układy elektroniczne węzłów przełączających sieci ATM/X. 25 (rys. 6).

W technologii ATM możliwe jest przenoszenie informacji z kilku wolnych źródeł do jednego szybkiego kanału. Komórki danych wędrują poprzez kolejne przełączniki, adresowane zawartością bloku informacyjnego. Przełączniki ATM nie dokonują żadnej weryfikacji jakości transmisji (bez potwierdzeń i retransmisji) przyjmując, że zadaniem nadajnika informacji jest przesłać blok informacji zasadniczej tak zbudowany, aby zawierał niezbędne dane pozwalające wykryć i skorygować ewentualne błędy transmisji - stąd duża wydajność transmisji danych w systemie ATM.

* * *

Współczesne czasy nazywane są początkiem ery społeczeństwa globalnej informatyki. Komputeryzacja stanowisk pracy, digitalizacja telekomunikacji, linie komunikacji radiowej naziemnej i satelitarnej, rozwój systemów telekomunikacji ruchomej, multimedialne terminale oraz usługi, nowe techniki dla systemów dystrybucji dźwięku i wizji wysokiej jakości są fundamentem opracowań dla jednolitych zasobów sprzętowych i programowych teleinformatyki.

Część druga: sieci cyfrowe z integracja usług - ISDN, transmisja wąskopasmowa i szeroko- pasmowa, linie dzierżawione, światłowody - SONET, multimedia, systemy kompresji informacji, JPEG, MPEG, AVI, kompresja fraktalna, słownik teleinformatyki,

Sieci cyfrowe z integracją usług

Standard teletransmisyjny ISDN (Integrated Service Digital Network), oznacza sieć teletransmisji cyfrowej z integracją usług. Użytkownik korzysta z publicznej sieci telekomunikacyjnej (pocztowej) transmitującej dane w formie binarnej. Sygnały analogowe zostają przetworzone na ciągi informacji binarnej (cyfrowej) a następnie przesłane za pomocą łącz telekomunikacyjnych, w formie pierwotnej lub po dokonaniu kompresji zapisu danych. Do chwili obecnej opracowano dwa standardy: ISDN - wąsko pasmowy, dla okablowania drutowego lub mieszanego oraz BISDN - szeroko pasmowy, dla łącz światłowodowych.

W wąskopasmowym ISDN wyróżniamy dwa podsystemy transmisji:

- podstawowy (basic - trójkanałowy) - 2B + D, oraz
- pierwotny (primary - dwudziestoczterokanałowy) - 23B + D.

Transmisja z 3-kanałowym łączem podstawowym (BRI - basic rate interface, 2B + D) zapewnia przepustowość kanału transmisji 64 kb/s w dwóch kanałach multimedialnych (video, głos) i 16 kb/s w kanale trzecim do transmisji danych zapisanych w formie plików komputerowych, razem:
2 x 64 kb/s + 1 x 16 kb/s = 144 kb/s,

Łącze podstawowe jest realizowane za pomocą typowej sieci telefonicznej czteroprzewodowej dobrej jakości.

Transmisja z 24-kanałowym łączem pierwotnym (oznaczonym w literaturze amerykańskiej symbolem 23B + D) zapewnia przepustowość transmisji w 23 kanałach multimedialnych po 64 kb/s i 16 kb/s w jednym kanale danych z komputera o sumarycznej przepustowości kanału danych:
23 x 64 kb/s + 1 x 16 kb/s = 1, 536 Mb/s,

W wersji europejskiej system z łączem pierwotnym zawiera 32 kanały - 30B + 2D o przepustowości sumarycznej:
30 x 64 kb/s + 2 x 16 kb/s = 2, 048 Mb/s.

Kanały typu B (bearer) służą do przenoszenia trzech zasadniczych form informacji: dźwięku, obrazu i plików danych. Kanały typu D (data) służą do transferu danych zarządzających pracą sieci komputerowej, sygnałów wywołania i kasowania połączeń stacji sieci oraz przekazywania innych, typowych dla ISDN sygnałów sterujących.

System ISDN jest siecią telekomunikacyjną połączeniową, wykorzystywaną do realizacji usług w lokalnych centralach telefonicznych lub w sieciach komputerowych korzystających z publicznych linii telefonicznych. Przyłącza pierwotne mogą obsługiwać większe systemy telefoniczne lub sieci komputerowe o dużym obciążeniu.

System z łączem cyfrowym ISDN zapewnia realizację następujących usług:

- automatyczna identyfikacja wywołania (kto się zgłasza),
- podanie informacji o nowym zgłoszeniu w czasie trwania połączenia, z możliwością czasowe przerwania transmisji w bieżącym kanale, po to aby zrealizować połączenie pilniejsze,
- swobodne przechodzenie między dwoma połączeniami (dwiema rozmowami), oznaczające realizację telekonferencji,
- przekazywanie połączeń z jednego terminalu na drugi,
- automatyczne przełączanie na inny terminal w razie stałej lub czasowej zmiany numeru,
- możliwość powtórnego wywołania następnego połączenia w czasie trwania jednego połączenia,
- prezentacja na wyświetlaczu terminalu kosztu aktualnego połączenia w czasie jego trwania,
- możliwość uzyskania szczegółowego rachunku telefonicznego, z wykazem wszystkich połączeń nielokalnych,

Wąskopasmowy ISDN obejmuje usługi telekomunikacyjne w zakresie telefonii, wolną transmisję tekstów oraz przesył nieruchomych lub wolnozmiennych obrazów graficznych o przepustowościach kanałów transmisyjnych nie przekraczających 1, 5 Mb/s.

Przesył obrazów o dużej rozdzielczości (rzędu 2000x2000 punktów), ruchomego obrazu telewizyjnego lub komunikacja pomiędzy odległymi sieciami lokalnymi, wymaga znacznie większych przepływów danych. Jest to gwarantowane przez szerokopasmowy B-ISDN. Przepustowość łącz sieci B-ISDM jest większa niż 2 Mb/s.

Transmisja informacji za pomocą przełączanych sieci publicznych ma uzasadnienie w przypadkach, gdy połączenia między abonentami nie są zbyt częste. Ze wzrostem czasu eksploatacji połączeń publicznych przez pojedynczego użytkownika korzystne może się okazać wydzierżawienie linii publicznej na wyłączny użytek abonenta.

SONET

Jednym z systemów transmisji, wykorzystujących publiczne linie telefoniczne (dzierżawione), jest opracowany w Stanach Zjednoczonych SONET (Synchronous Optical NETwork). Jest to system transmisji szerokopasmowej B-ISDN na łączach optycznych (światłowodach). Multimedia, czyli wideo obraz, dźwięk i pliki komputerowe są transmitowane w systemie SONET po zapakowaniu do superramki, zwanej również kopertą, zawierającej dziewięć bloków po dziewięćdziesiąt oktetów (oktet - 8 bitów, transmitowanych szeregowo). Schemat ideowy ramki SONET pokazano na rys. 1.

  Nagłówek Koperta danych
1 3 oktety 97 oktetów
2   
3    
.    
.    
.    
9    

Rys. 1. Superramka systemu SONET

Trzy pierwsze oktety stanowią nagłówek każdego bloku, który jest wykorzystywany, między innymi, do synchronizacji transmisji. 87 dalszych oktetów przenosi dane zasadnicze. System SONET jest również znany pod nazwą STS-1 (synchronous transport signal). Korzystanie z publicznych linii dzierżawionych oznacza przyporządkowanie STS-1 do systemów transmisji z połączeniami komutowanymi. W jednym kanale transmisyjnym systemu SONET można przesyłać dane z szybkością 51, 84 Mbitów/s,

tzn. :
90 oktetów x 8 bitów = 720 bitów/blok,
720 x 9 = 6480 bitów/ramkę i 8000 ramek/s,
czyli:
6480 x 8000 = 51 840 000 bitów/s = 51, 84 Mbitów/s

Szerokopasmowy system transmisji - SONET posiada kilka kategorii przepustowości:
OC - 1 - 51, 84 Mb/s
OC - 3 - 155, 52 Mb/s
OC - 9 - 466, 56 Mb/s
...
OC - 48 - 2, 488 Gb/s

Sieć cyfrowa szerokopasmowa (B-broad ISDN) korzysta z szybkich technik transmisyjnych jak ATM i SONET oraz łącz szerokopasmowych, głównie kabli koncentrycznych i światłowodów.

Multimedia

Pod pojęciem multimediów informacyjnych definiowane są łączne (jednoczesne) oddziaływania na wszystkie zmysły człowieka, tj. wzrok, słuch, dotyk, smak i węch, za pomocą tych samych środków technicznych.

W pierwszej generacji systemów multimedialnych oddziałujemy tylko na dwa ze zmysłów - wzrok i słuch. Druga generacja systemów multimedialnych angażuje również dotyk, dzięki implementacji przestrzeni wirtualnej (wyimaginowanej - sztucznej). Zastosowanie rękawic kontaktowych pozwala przekazywać i odbierać wrażenia ciśnienia. Prowadzone są również prace w sferze przekazywania i odbierania wrażeń za pomocą zmysłów węchu i smaku, które pomimo udanych prób (szczególnie dla węchu) nie zostały wdrożone w seryjnie produkowanych systemach multimedialnych. Są to efekty uzupełniające dla modeli wirtualnej rzeczywistości, w których dotykamy symulowanych sprzętów, czy nieistniejących w rzeczywistości realnej elementów wyposażenia, odczuwamy zapach wirtualnej zieleni, czy kwiatów.

Usługi multimedialne nie należą do szczególnego rodzaju jeśli są realizowane za pomocą terminalu umożliwiającego łączne przekazywanie danych środkami akustycznymi, graficznymi (obrazy stałe) i wizualnymi (obrazy ruchome). Środki multimedialne przekazują również elementy uzupełniające informacji. Na przykład wideokonferencja uzupełnia przekaz danych o "atmosferę" przekazu (atmosferę dyskusji). Przekaz wizyjny i dźwiękowy uzupełniany jest dokumentami z podkreśleniem na ekranie dyskutowanych fragmentów. Systemy wideokonferencyjne określają najwyższe wymogi dla mediów teletransmisyjnych, dlatego jednocześnie z podnoszeniem jakości łącz prowadzone są prace na polu metod kompresji danych cyfrowych, multimedialnych. Technologie multimedialne łączą dźwięk, wideo i plik komputerowy w jeden zbiór danych.

W sieciach telekomunikacyjnych rozróżniamy dwie grupy usług. Grupa pierwsza, łączy wymienione wyżej media w formę statyczną lub w formę "zapamiętaj i prześlij" dla której nie jest istotne opóźnienie transmisyjne. Grupa druga usług dotyczy technologii multimedialnych realizowanych z parametrem minimalnego czasu. Natomiast terminem sieć multimedialna jest określana linia telekomunikacyjna o wysokich parametrach medium transmisyjnego. Musi ona zapewnić transmisję w czasie rzeczywistym z opóźnieniem nie przekraczającym 100 ms.

Najbardziej spektakularne są dziś usługi multimedialne stosowane w tzw. telemedycynie. Obsługa zdalnych terminali multimedialnych umożliwiają specjalistyczne telekonsultacje. Indywidualne porady lekarskie związane są ze zdalnym przeglądaniem zdjęć rentgenowskich, zapisów ultrasonograficznych lub tomograficznych, o bardzo wysokiej jakości (2000x2000 dpi - dots per inch). Uzyskanie rozsądnych (dostatecznie małych) opóźnień w trakcie zdalnych konsultacji związane jest z zastosowaniem łącz transmisyjnych o przepustowości nie mniejszej od 50 Mb/s.

CIĄG DALSZY NASTĄPI

Ten artykuł pochodzi z wydania:
Spis treści wydania
NiesklasyfikowaneStopnie i tytuły naukoweW sosie własnymNowe książkiKronika UŚNiesklasyfikowaneWitryna samorządu studenckiegoNiesklasyfikowaneWitryna samorządu studenckiegoNiesklasyfikowaneWitryna samorządu studenckiegoNiesklasyfikowaneWitryna samorządu studenckiegoNiesklasyfikowane
Zobacz stronę wydania...