История развития сетевых технологий
Современные системы связи
Литература:
1. Шахнович И.В. Современные технологии беспроводной связи. Изд. 2-е, испр. и доп. – М.: Техносфера, 2006. – 288 с.
2. Вишневский, В. М. Широкополосные беспроводные сети передачи информации / В. М. Вишневский, А. И. Ляхов, С. Л. Портной, И. В. Шахнович. – М.: Техносфера, 2005. – 592 с.
3. Берлин А.Н. Цифровые сотовые системы связи. – М.: Эко-Трендз, 2007. – 296 с.
4. Галкин, В.А. Цифровая мобильная радиосвязь / В.А.Галкин. - Уч. пос. для вузов. - М.: Горячая линия – Телеком, 2007. – 432 с.
5. Комашинский, В.И. Системы подвижной радиосвязи с пакетной передачей информации. Основы моделирования / В.И.Комашинский, А.В.Максимов. – М.: Горячая линия – Телеком, 2007. – 176 с.
6. Столлингс, В. Беспроводные линии связи и сети. Пер. с англ. – М.: Издат. дом «Вильямс», 2003. – 640 с.
7. Мультисервисные АТМ-сети / Т. Б. Денисова, Б. Я. Лихтциндер, А. Н. Назаров и др. – М.: Эко-Трендз, 2005. – 320 с.
8. Бжезинский, К. Сети ISDN / К. Бжезинский; пер. с польск. И. Д. Рудинского, под ред. Н. Е. Богомоловой. - М.: Горячая линия - Телеком, 2005. - 264 с.
9. Томаси, У. Электронные системы связи / У. Томаси. – М.: Техносфера, 2007. – 1358 с.
10. Новые алгоритмы формирования и обработки сигналов в системах подвижной связи / А.М.Шлома, М.Г.Бакулин, В.Б.Крейнделин, А.П.Шумов. – М.: Горячая линия – Телеком, 2008. – 344 с.
11. Джамалипур А. Беспроводной мобильный Интернет: архитектура, протоколы и сервисы. – М.: Техносфера, 2009. – 496 с.
12. Кааранен Х., Ахтиайнен А. Сети UMTS. Архитектура, мобильность, сервисы. Пер. с англ. – М.: Техносфера, 2007. – 464 с.
13. Григорьев В.А., Лагутенко О.И., Распаев Ю.А. Сети и системы радиодоступа. – М.: Эко-Трендз, 2005. – 384 с.
14. Весоловский К. Системы подвижной радиосвязи. Пер. с польск. И.Д.Рудинского под ред. А.И.Ледовского. – М.: Горячая линия – Телеком, 2006. – 536 с.
журналы «Электросвязь», «Мобильные системы», «Технологии и средства связи».
Тема 1. Современные системы связи.
Основные понятия, история и перспективы развития.
1.1. Основные определения и классификация современных систем связи.
Связь – процесс передачи сообщений от источника к получателю.
Система связи включает в себя совокупность узловых и оконечных станций (терминалов), объединенных сетью и единым управлением и обеспечением, способных устанавливать между собой связь с использованием общих (или межсетевых) протоколов доступа.
Системы связи могут быть условно подразделены на проводные (кабельные, wired) и беспроводные (радиоканал, wireless) системы.
В основе классификации систем связи положено, ставшее в настоящее время весьма популярным, понятие сети связи.
Узел связи (node)– организационно-техническое объединение средств связи, расположенных в одном месте и объединенных общим устройством управления. Узел связи может обеспечивать маршрутизацию и коммутацию, выполнять функции сервера, шлюза или быть каким-либо другим элементом сети со специфическими функциями.
Линия связи – элемент системы связи, обеспечивающий образование каналов и групповых трактов первичной сети, имеющих общую среду распространения.
В сотовой связи узлами сети являются базовые станции, а также радиорелейные станции, а линиями связи – радиорелейные линии или линии АТМ.
Сеть (network) – совокупность узлов и линий связи, объединенных через физическую среду передачи. В зависимости от своей протяженности сети подразделяются на глобальные, региональные, городские (сети мегаполисов), кампусные (2-3 км) и локальные.
Примеры:
глобальные сети – спутниковые сети связи или сеть Интернет (WWW – World-Wide Web), охватывающие весь земной шар;
региональные или городские сети - сотовые сети мобильной связи (GSM, UMTS);
кампусные сети - транкинговые (транковые) сети или сети Wi-Max (стандарт IEEE 802.16);
локальные сети – беспроводные локальные сети (WLAN) стандартов IEEE 802.11a, IEEE 802.11b (Wi-Fi).
Отдельная «сеть связи» может быть условно представлена в виде сегмента некоторой глобальной (или всемирной) сети.
Межсетевой интерфейс (network-to-network interface) – интерфейс, определяющий порядок взаимодействия между различными сетевыми элементами (коммутаторами, маршрутизаторами), входящими в разные подсети.
Шлюз (межсетевой интерфейс, gateway) – аппаратно-программный комплекс, который обеспечивает межсетевое сопряжение сетей разнородной архитектуры с различными протоколами и форматами сигналов. Шлюз, как правило, является элементом только одной сети, хотя и выполняет ряд специальных функций, обеспечивающих взаимодействие с другими сетями.
Протокол (protocol) – набор формализованных правил, процедур и спецификаций, определяющих формат и способ передачи данных. Обычно протокол обеспечивает взаимодействие между элементами, находящимися на одном иерархическом уровне, но в разных узлах сети.
Сервер (server) – узел сети, специализированная станция или процессор, с помощью которых обеспечивается обслуживание рабочих станций, терминалов и других устройств, а также предоставление им коллективно используемых ресурсов.
Ресурсы (resources) – совокупность аппаратно-программных средств, входящих в состав системы связи вместе с имеющимися в них данными, которые могут быть предоставлены пользователю по запросу (в телекоммуникационной сети – это линии связи, узлы, коммутаторы, маршрутизаторы и др.)
Единая сеть электросвязи Российской Федерации (ЕСЭ России) объединяет все телекоммуникационные сети страны. [Федеральный Закон № 126-ФЗ «О связи» от 07.07.2003] В настоящее время рынок телекоммуникационных услуг России представлен более чем 30 сетями.
История развития сетевых технологий
В 1837 г. Самуэль Морзе изобрел телеграфный аппарат для передачи электрических импульсов по металлическому проводу. Он же разработал азбуку Морзе – механизм кодирования источника. 24 мая 1844 г. между Балтимором и Вашингтоном состоялся первый публичный сеанс телеграфной связи. В 1858 г. был проложен первый трансатлантический кабель.
В 1874 г. французский инженер Ж.Бодо изобрел телеграфный мультиплексор, позволявший по одному проводу передавать до 6 телеграфных каналов. В 1877 г. Т.Муррэй изобрел символьный телеграфный код (код Бодо) с фиксированным размером символа (5 бит на символ), который используется до сих пор – т.н. телексный код, стандартизованный МККТТ Международный алфавит №2.
В 1876 г. А.Беллом и его ассистентом Т.Ватсоном, а также независимо от них Э.Грейем был изобретен телефон (приоритет от 14.02.1876).
В 1888 г. Э.Грей запатентовал Telautograph – первое устройство передачи факсимильных сообщений. В 1889 г. Э.Строуджер разработал систему автоматической коммутации каналов, содержащую шаговые искатели (декадно-шаговая АТС). Первая АТС имела 99 номеров. В 1897 г. был изобретен дисковый номеронабиратель (до этого номер набирался с помощью кнопок).
Первые АТС обеспечивали одновременное соединение всех возможных пар абонентов. Очевидно, что при росте номерной емкости коммутационные матрицы становились весьма дорогими и сложными – возникла проблема доступа к ограниченному коммутационному ресурсу. В 1885 г. русский инженер М.Ф.Фрейденберг показал, что для 10000 абонентов достаточно обеспечить возможность одновременного соединения любых 500 пар (в современных АТС на 10000 номеров допустимая вероятность предоставления соединения равна 0.125). В 1895 г. М.Ф.Фрейденберг и С.М.Бердичевский-Апостолов разработали и запатентовали в Великобритании АТС с предыскателем, выбиравшим свободный комплект линейных искателей при снятии абонентом трубки.
В 1909 г. датский математик А.К.Эрланг опубликовал работу «Теория вероятностей и телефонные разговоры», в которой предложил формулы для вычисления числа абонентов АТС, желающих одновременно вести разговоры.
В 1909 г. Дж.Скваер (США) изобрел способ посылки по телефонной линии нескольких радиограмм одновременно (частотное разделение каналов).
В 1928 г. американский физик-электрик Г.Найквист сформулировал принципы преобразования аналоговых сигналов в цифровые (теорема Найквиста), а в 1933 г. в СССР В.А.Котельников сформулировал теорему дуальную теореме Найквиста. В 1948 г. К.Шеннон сформулировал теорему о пропускной способности канала связи.
В 1938 г. А.Ривест запатентовал метод преобразования сигнала из аналоговой формы в цифровую для коммутации и передачи, названный ИКМ (импульсно-кодовая модуляция). Этот метод был практически реализован К.Шенноном, Дж.Пирсом и Б.Оливером из Bell Laboratories – в 1948 г. появилась система с временным разделением (уплотнением) каналов.
Беспроводные технологии начинают свое летоисчисление с изобретения радио (А.С.Попов, Г.Маркони, Н.Тесла – в 1893-96 гг.). С 20-х годов началось коммерческое радиовещание (посредством амплитудной модуляции). В 1933 г. Э.Армстронг изобрел частотную модуляцию (ЧМ), с 1936 г. началось коммерческое ЧМ радиовещание. В 1946 г. компании AN&T и Bell System приступили к эксплуатации системы подвижной телефонной связи (MTS) для абонентов с автомобильными радиотелефонами (20 Вт). Для полудуплексной связи использовалось 3 канала шириной по 60 кГц на частоте 150 МГц. Система позволяла соединяться с городской телефонной сетью.
12 августа 1960 г. был выведен на орбиту высотой 1500 км первый спутник связи – американский космический аппарат (КА) Echo-1. Это был надувной шар с металлизированной оболочкой диаметром 30 м, выполнявший функции пассивного ретранслятора. 10 июля и 13 декабря 1962 г. в США на низкие орбиты были запущены соответственно КА Telstar-1 и Relay-1 – первые спутники с активными ретрансляторами (мощность передатчиков не превышала 2 Вт). 19 августа 1964 г. впервые спутник был выведен на геостационарную орбиту (США, Syncom-3). 20 августа 1964 г. был создан международный консорциум спутниковой связи Intelsat (International Telecommunication Satellite Organization) – крупнейшая международная организация в области спутниковой связи (в начале 2001 г. 2/3 всего международного трафика передавалось через спутники Intelsat). 23 апреля 1965 г. был выведен на орбиту первый отечественный спутник связи «Молния-1».
В 1960-е годы были разработаны сети с коммутацией сообщений (пакетов), зародилось понятие локальной вычислительной сети (ЛВС), поскольку стало необходимо передавать большие объемы данных. В 1961 г. Л.Клейнрок из MIT разработал теорию информационных потоков в больших коммуникационных сетях. В 1964 г. П.Баран из корпорации RAND в своей работе «О распределенных коммуникациях» сформулировал принципы избыточной коммуникативности и представил различные модели формирования коммуникационной системы, способной успешно функционировать при наличии значительных повреждений. В 1965 г. Л.Робертс из MIT совместно с Т.Меррилом связал компьютер TX-2 в Массачусетсе с ЭВМ Q-32 в Калифорнии по низкоскоростной коммутируемой телефонной линии – была создана первая нелокальная компьютерная сеть. В 1967-1968 гг. в NPL (Великобритания) заработала первая ЛВС с пакетной коммутацией – пиковая скорость до 768 кбит/с (в 1970-е гг. она объединяла около 200 компьютеров со скоростью обмена до 250 кбит/с). Тогда же в 1968 г. сотрудник шведского отделения компании IBM О.Содерблюм разработал сеть Token Ring.
В октябре 1967 г. был представлен начальный план сети ARPANET, развитием которой занимался департамент методов обработки информации IPTO (Information Processing Techniques Office) агентства перспективных исследовательских проектов ARPA (Advanced Research Projects Agency) МО США. В декабре 1968 г. группа во главе с Ф.Хартом из компании BBN выиграла конкурс ARPA на создание т.н. интерфейсного процессора сообщений (Interface Message Processor). В 1969 г. в рамках программы ARPANET в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе Л.Клейнрок построил первый узел ARPANET – прообраз грядущего Интернета. В том же году компанией BBN был установлен в Калифорнийском университете первый интерфейсный процессор сообщений (сейчас – сетевая карта) и подключен к нему первый компьютер. Второй узел был образован в Стэнфордском исследовательском институте (SRI). Двумя следующими узлами ARPANET стали Калифорнийский университет в Санта-Барбара и Университет штата Юта.
В 1970 г. появилась первая пакетная радиосеть передачи данных (через спутник) – ALOHA. Ее разработал и построил Н. Абрамсон (совместно с Ф. Куо и Р. Биндером) из Гавайского университета. Сеть связывала различные университетские учреждения, разбросанные по отдельным островам Гавайского архипелага. В 1972 г. ALOHA соединили с сетью ARPANET. В ALOHA был реализован принцип подтверждения и повторной посылки пакетов (ARQ), а также механизм множественного доступа к каналу с контролем несущей CSMA. Тогда же начали развиваться проекты создания пакетных радиосетей, в том числе спутниковых.
В октябре 1972 г. Р. Кан из компании BBN на международной конференции по компьютерным коммуникациям впервые публично продемонстрировал работу сети ARPANET. В 1974 г. появляется статья В. Серфа (Стэнфордский исследовательский институт) и Р. Кана (Cerf V.G., Kahn R.E. A protocol for packet network interconnection // IEEE Trans. Comm. Tech. Vol. COM-22. V. 5. May 1974. P. 627-641), в которой впервые была описана концепция протокола TCP/IP. В том же году компания BBN запустила первую открытую службу пакетной передачи данных Telnet (коммерческая версия ARPANET).
В 1973 г. Р. Метклаф из исследовательского центра компании Xerox в Пал-Альто, до прихода в Xerox защитивший в MIT докторскую диссертацию в области теории пакетной передачи информации и участвовавший в создании сети ARPANET, представил своему руководству докладную записку, в которой впервые появилось слово Ethernet (эфирная сеть). В том же году Метклаф совместно с Д. Боггсом построил первую Ethernet-ЛВС, связывавшую два компьютера со скоростью 2,944 Мбит/с. В основу технологии Ethernet был положен усовершенствованный принцип CSMA/CD с обнаружением коллизий. Через шесть лет, в 1979 г., при активном участии Р. Метклафа три ведущие в своих областях компании США - Xerox, Intel и Digital Equipment (DEC) - начали процесс стандартизации протокола Ethernet, успешно завершившийся через год. В том же 1979 г. Метклаф при участии DEC основал знаменитую компанию 3COM для выпуска Ethernet-совместимого оборудования.
В 1976 г. CCITT выпустила рекомендацию Х.25, которая стала первым и чрезвычайно успешным стандартом сети с пакетной передачей данных по выделенному каналу (Interface between DTE and DCE for Terminal Operations in Packet Mode and Connected to Public Data Networks by Dedicated Circuit). Началась эра массовой пакетной коммуникации.
В 1977 г. будущий вице-президент компании Sony М. Токорои и другой японский ученый, К. Тамару, предложили метод адаптации технологии Ethernet к передаче данных через радиоканал посредством механизма подтверждений (Acknowledging Ethernet). Эта работа заложила основу будущих беспроводных ЛВС (IEEE 802.11 и IEEE 802.15).
В 1978 г. в Бахрейне телефонная компания Batelco (Bahrain Telephone Company) начала эксплуатацию коммерческой системы беспроводной телефонной связи, которая считается первой в мире реальной системой сотовой связи. Две зоны с 20 каналами в диапазоне 400 МГц обслуживали 250 абонентов. Использовалось оборудование японской компании Matsushita Electric Industrial. В том же году в Чикаго компания AT&T начала испытания сотовой системы Advanced Mobile Phone Service (AMPS), работающей в диапазоне 800 МГц. Сеть из 10 зон охватывала связью 54 тыс. км2.
В 1977 г. Деннис Хайес основал компанию Hayes Microcomputer Products и выпустил на рынок первый массовый модем Micromodem II для персональных компьютеров (Apple II). Он работал со скоростью 110/300 бит/с и стоил 280 долларов. В 1979 г. в Женеве CCITT утверждает первую модемную рекомендацию V.21, определяющую стандартный протокол модуляции на скорости 300 бит/с.
Новый этап начался в 1980 г., когда стек протоколов TCP/IP был принят в качестве военного стандарта США. Годом раньше пакетная радиосеть заработала на военной базе США Форт-Брэгг. В 1983 г. сеть ARPANET была переведена на протокол TCP/IP взамен действовавшего изначально NCP. Из ARPANET, которую вскоре все стали называть Интернетом, выделилась сеть MILNET, обслуживающая оперативные нужды МО США.
Все это время сетевые технологии непрерывно развивались в сторону повышения быстродействия и надежности сетей передачи информации, возможности интегрированной передачи данных, голоса и видеоинформации. Так, в области локальных сетей было создано семейство технологий Ethernet-Fast Ethernet-Gigabit Ethernet, обеспечивающих иерархию скоростей 10/100/1000 Мбит/с. В глобальных сетях произошел переход от технологии Х.25 к технологии Frame Relay, использованию стека протоколов TCP/IP, ATM и Gigabit Ethernet.
В СССР уже в 70-80-х годах проектировались и строились современные сети связи, например, система цифровой телефонной связи «Кавказ-5», многочисленные ведомственные сети связи. Хорошо известны системы «Сирена» (первая в СССР гражданская сеть пакетной коммутации) и «Экспресс» для автоматизации бронирования и продажи авиа- и железнодорожных билетов. Но, видимо, закрытость как самих работ, так и общества никак не согласовывались с концепцией открытых сетей. Возможно, именно поэтому изначально созданная на деньги МО США открытая сеть Интернет завоевала весь мир, породила множество сетевых технологий, стимулировала развитие смежных отраслей, прежде всего разработку соответствующей аппаратуры и элементной базы для нее, т.е. микроэлектронику.
Видимо, именно Интернету мы исторически обязаны тем, что сегодня беспроводные сети получили столь бурное развитие. Их появление было бы невозможно без соответствующей полупроводниковой элементной базы. А она, в свою очередь, не может появиться, если нет массового (многомиллионного) спроса. Историческая заслуга и гениальное провидение тех, кто в 60-е годы начинал работы по сетям пакетной передачи, в том, что они изначально сумели сформулировать принципы будущей глобальной сети и воплотили их. Тем самым был создан рынок устройств для работы в сети, ставший основой для промышленности и науки в этой области. Не случайно первым директором (с 1962 г.) департамента IPTO в ARPA, т. е. человеком, руководившим финансированием научных исследований в области компьютерных сетей, был психолог из Массачусетского технологического института Джозеф Карл Ликлайдер. Еще в начале 60-х он сумел предвидеть появление глобальной сети взаимосвязанных компьютеров. Ему принадлежит ряд публикаций о концепции «галактической сети» (Licklider J.C.R. // On-Line Man Computer Communication, August 1962).
Разумеется, не менее основополагающим для беспроводных сетей стало массовое появление персональных компьютеров и развитие сотовой телефонии, а также стремительное развитие полупроводниковых технологий (создание дешевых сигнальных процессоров и микроконтроллеров, аналоговых СВЧ интегральных схем). Вот эти слагаемые и привели сегодня к тому, что высокоскоростные беспроводные СПИ готовы избавить мир от пут проводных коммуникаций.