Главная > Учебное пособие


Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ»

(ТУСУР)

Кафедра телевидения и управления

(ТУ)

УТВЕРЖДАЮ

Заведующий кафедрой ТУ, профессор

_________________И.Н. Пустынский

«______»___________________2012 г.

Сети передачи аудио- и видео данных

Учебное пособие

РАЗРАБОТАЛ

_________ Б.В. Илюхин

«______»_________2012 г.

2012

Илюхин Б.В. Сети передачи аудио- и видео данных: Учебное пособие. – Томск: кафедра ТУ, ТУСУР, 2012. – 105 с.

Изложены основы построения информационных и вычислительных сетей. Рассматриваются архитектура, эталонная модель, протоколы и принципы функционирования современных компьютерных сетей передачи информации (глобальных, локальных и корпоративных). Представлены современные протоколы информационного обмена данных (в том числе аудио- и видеоданных), структура, характеристики и многоуровневая организация управления информационно-вычислительными сетями, архитектура которых соответствует семиуровневой эталонной модели взаимодействия открытых систем. Рассматриваются концептуальные положения организации информационного обмена. Показаны основные аспекты реализации, стандартизации и функционирования таких сетей.

© Илюхин Б.В., 2012

© Кафедра Телевидения и управления, ТУСУР, 2012

Оглавление

Введение 6

1Распределенная обработка информации 8

1.1Понятие и задачи создания компьютерных сетей 8

1.2Иерархия сетей. Локальные и глобальные сети 10

1.3Топологии сетей 12

1.4Компоненты сетей. Сети передачи данных 15

1.5Характеристики ИВС 17

1.6Требования к организации ИВС и основные понятия сетевой обработки информации. Технология клиент-сервер 19

Процессы 19

Многоуровневая организация сети 20

Модель OSI 22

Структура сообщений 25

Протоколы 27

Режимы передачи данных в сетях 29

Дейтаграммы и виртуальные каналы 32

2Методы доступа в сетях передачи данных 35

2.1Доступ абонентских систем к моноканалу 35

2.2Методы доступа в сетях с шинной топологией 37

2.3Методы доступа в кольцевых сетях 41

2.4Модель IEEE Project 802 43

2.4.1Категории стандартов IEEE 802 45

2.4.2Расширения модели OSI 46

2.5Сети шинной топологии 47

2.5.1Сеть Ethernet и стандарт IEEE-802.2 47

2.5.2Сети с маркерным методом доступа (стандарт IEEE 802.4) 49

2.6Кольцевые сети 57

2.6.1Сети с маркерным методом доступа (стандарт IEEE 802.5) 57

2.6.2Сети с методом тактируемого доступа (стандарт ISO/DIS 8802/7) 62

2.7Высокоскоростные системные интерфейсы и локальные сети 66

2.7.1Fast Ethernet 66

2.7.2Ceть FDDI 69

2.7.3100VG-Any LAN 75

2.7.4Гигабитные сети 78

2.8Сети с беспроводным доступом 79

3Протоколы обмена и передачи данных 84

3.1Иерархия протоколов. Стеки протоколов 85

3.2Распространенные стеки протоколов 87

3.3Разделение протоколов по уровням 89

3.4Стек протоколов TCP/IP 91

3.4.1Общее описание протоколов, входящих в стек TCP/IP 91

3.4.2Протокол канального уровня SLIP (Serial Line IP) 94

3.4.3Протокол канального уровня РРР (Point to Point Protocol) 96

3.4.4Другие протоколы канального уровня 97

3.4.5IP протокол 97

3.4.6Преобразование IPадресов в физические адреса оконечных устройств 108

3.4.7Протоколы транспортного уровня TCP и UDP 109

3.5Стек протоколов фирмы Novell 117

3.5.1Краткое описание протоколов стека IPX/SPX 118

3.5.2Протокол IPX 119

3.5.3Протокол SPX 121

3.5.4ODI и NDIS 124

3.6Стек протоколов фирмы AppleTalk 126

3.7Стек протоколов фирмы Lan Manager 128

4Программные средства работы в сети. Сетевые операционные системы (Сетевые ОС) 130

4.1Классификация ОС 130

4.2Структура сетевой операционной системы 133

4.3Одноранговые сетевые ОС и ОС с выделенными серверами 136

4.4Семейство операционных систем UNIX 139

4.5Сетевые продукты фирмы Novell 140

4.6ОС Windows 147

5Аппаратные средства работы сети. Коммутация в сетях 151

5.1Расширение локальных сетей. Компоненты сети 151

5.2Повторители 152

5.3Мосты 153

5.4Маршрутизаторы 159

5.5Шлюзы 166

5.6Расширение сетей. Интеграция сетей 168

5.6.1Сеть передачи информации для организации и проведения массовых процедур оценки качества знаний 169

6Маршрутизация 172

6.1Понятие алгоритма маршрутизации 172

6.2Классификация алгоритмов маршрутизации 173

6.3Протоколы маршрутизации 178

6.3.1RIP 178

6.3.2OSPF 183

6.3.3IGRP 188

6.3.4EIGRP 197

6.3.5BGP 198

6.3.6Бесклассовая интердоменная маршрутизация (CIDR) 202

6.3.7Политика маршрутизации 204

7Технологии INTERNET. Сервис в сетях 206

7.1Организационные структуры INTERNET 206

7.2Услуги INTERNET 207

7.3Протоколы передачи аудио и видеоданных 210

7.4Метаданные 210

7.5Ping и Finger 212

7.6TELNET 214

7.7FTP 215

7.8X-windows 217

7.9WWW 219

7.10Гипертекст (HTML) 220

7.11WHOIS 224

7.12X.500 225

8Принципы и форматы упаковки данных аудио- и видеосигналов 226

8.1Алгоритмы сжатия 228

8.1.1PNG 229

8.1.2JPEG 230

8.1.3Фрактальные методы 231

8.1.4Вэйвлеты (Wavelets) 233

8.2Стандарты MPEG 234

8.2.1Стандарт MPEG-1 234

8.2.2MPEG-2 237

8.2.3MPEG-4 239

8.2.4MPEG-7 242

9Список литературы 245

10 Список терминов 247

Посвящается 50-летию кафедры ТУ

Введение

Появление компьютерных сетей можно рассматривать как важный шаг в развитии компьютерной техники на пути расширения ее возможностей, а, следовательно, и на пути расширения интеллектуальных возможностей человека в самых различных сферах его деятельности. Этим объясняется тот интерес, который проявляется к компьютерным сетям специалистами различных областей науки и техники.

Стремительный прорыв в области информационно-телеком­муникационных технологий был предопределен объединением двух научно-технических направлений вычислительной техники и электросвязи. Как известно, первые КОМПЬЮТЕРЫ предназначались для решения математических задач, однако вскоре стало очевидно, что главной сферой их применения должна стать обработка информации, при которой вычислительные машины уже не могут работать в автономном режиме, а должны взаимодействовать с другими компьютерами, с источниками и потребителями информации. Результатом этого явились информационно-вычислительные сети (ИВС) и сети передачи данных (СПД), которые к настоящему времени получили широкое распространение в мире.

Именно объединение вычислительной техники и связи повлекло за собой создание многих новых научно-технических направлений в области телекоммуникаций и информатики. И главное среди них — цифровая обработка сигналов, позволившая интегрировать различные виды и услуги связи в одной цифровой сети и полностью автоматизировать процессы информационного обмена на базе специализированных компьютеров.

К настоящему времени сформировались базовые принципы построения компьютерных сетей, которые и составляют основу данного курса лекций. Эти принципы рассматриваются в контексте современных и перспективных компьютерных сетей.

Опыт чтения подобных лекций позволяет утверждать, что настоящий курс будет полезен и доступен всем желающим получить или углубить знания в области компьютерных сетей. Материал излагается в таком виде и объеме, что его освоение требует минимальных знаний в области компьютерной техники.

Рассматриваются основные понятия и принципы распределенной обработки информации, понятия, цели и задачи создания компьютерных сетей. Особое внимание уделяется рассмотрению каналов передачи данных. Рассматривается организация передачи данных в системах телеобработки, назначение и роль протоколов, их многоуровневая структура.

В рамках архитектуры компьютерных сетей рассматривается идеология построения открытых систем, описывается Эталонная модель взаимодействия открытых систем, протоколы и меж-уровневые интерфейсы.

Особое внимание уделяется сетям передачи данных, как основной составляющей компьютерной сети. Дается сравнительная характеристика коммутации каналов, сообщений и пакетов в сетях передачи данных. Для сетей коммутации пакетов рассматрива.тся стандартные структуры кадров.

Приводятся основные топологии локальных сетей, методы доступа к передающей среде локальных сетей ЭВМ. Рассматриваются сети стандарта IEEE 802.3 и 802.4, в том числе методы доступа и структура сетевых контроллеров. В рамках кольцевых вычислительных сетей рассматриваются стандарты IEEE 802.5 и 802.7. Особое внимание уделяется перспективным высокоскоростным сетям FDDI, 100VG-AnyLAN и Fast Ethernet. Достаточно большое внимание уделяется вопросам маршрутизации и управления потоками в сетях передачи данных. Подробно рассматриваются протоколы различных уровней, в частности протокол IP и протоколы верхних сетевых уровней, в том числе и прикладного, среди которых выделяются протоколы передачи файлов, виртуального терминала и электронной почты.

Рассматриваются вопросы совместимости сетей, средства комплексирования и межсетевые протоколы. Приводится описание аппаратных и программных средств подключения локальных сетей к глобальным компьютерным сетям, средства комплексирования локальных сетей. Рассматривается идеология построения сетей Internet.

Список литературы содержит наименования основных книг по компьютерным сетям, позволяющих получить дополнительную информацию по интересующим вопросам.

  1. Распределенная обработка информации

    1. Понятие и задачи создания компьютерных сетей

За счет возможности оптимального размещения вычислительных средств (компьютеров) в сети и их оптимальной загрузки, а также оперативного (динамического) ее перераспределения, в компьютерной сети может быть существенно повышена эффективность использования вычислительных средств по сравнению с автономным их использованием. При этом существенно расширяется перечень услуг, предоставляемых пользователям, поскольку сеть может объединять значительные вычислительные мощности с широким набором разнообразного оборудования и программного обеспечения. В компьютерных сетях, как правило, существенно снижается относительная стоимость передачи данных за счет совместного использования каналов связи многими абонентами. Снижаются также затраты на создание программного и информационного обеспечения за счет исключения их дублирования.

Таким образом, компьютерные сети позволяют решать такие качественно новые задачи как, например: обработка информации, которую в силу тех или иных причин нельзя выполнить в автономном режиме работы компьютера; создание на обширной территории распределенных информационных систем различного функционального назначения с включением в них большого числа пользователей.

Естественно, что различные подходы нашли определенное отражение и в сетевых структурах. Однако, как и все сложные системы, компьютерные сети характеризуются определенными, присущими только им, принципами организации. Все эти вопросы рассматриваются в рамках архитектуры, которая определяет общие принципы построения, функциональные характеристики исследуемой системы. Архитектура компьютерных сетей охватывает вопросы организации логической и физической структуры (топологии) сети, структурную организацию аппаратных и программных средств, правила (протоколы) их взаимодействия. В компьютерных сетях широко используется многоуровневый принцип структурной организации, при котором все множество сетевых функций распределяется по определенным уровням. При этом взаимодействие между уровнями осуществляется стандартным образом, что обеспечивает определенную независимость функций, принадлежащих различным уровням. В первую очередь, это необходимо для реализации принципа открытости вычислительных сетей, являющегося неотъемлемой частью современных сложных систем.

В качестве автоматизированных систем обработки информации вычислительные сети могут использоваться:

  • в промышленности для планирования и управления в рамках предприятий, объединений, отраслей;

  • на транспорте для планирования и управления производительным процессом, например, воздушным движением, для резервирования и продажи билетов на транспортные средства;

  • в банковско-финансовой деятельности для различных финансовых расчетов;

  • в научно-исследовательской и проектно-конструкторской деятельности для повышения эффективности обмена и предоставления требуемой информации, объединения отдельных исследователей или проектировщиков, а также коллективов для проведения исследований или проектных работ, для использования дополнительных компьютерных мощностей при проведении сложных расчетов;

  • в области медицины.

Основной эффект от создания сети — это полная доступность ресурсов сети для пользователей. Пользователи, подключенные к сети, имеют доступ ко всем главным компьютерам, входящим в сеть, и, следовательно, получают возможность использовать память этих компьютеров для хранения данных и процессоры для их обработки. Пользователям доступны программное обеспечение, имеющееся в сети, и базы данных в компьютерах, что позволяет им оперативно их использовать. Как правило, сети предоставляют возможность параллельно обрабатывать данные сразу несколькими вычислительными машинами. Возможно построение распределенных баз данных, размещенных в памяти нескольких компьютеров, а за счет этого создание сложных информационных структур. Информационные связи между пользователями позволяют решать задачи моделирования сложных систем, выполнять проектные и другие работы, опирающиеся на распределенное программное обеспечение и базы данных. Таким образом, сетевая обработка и хранение данных — качественно новая организация обработки, при которой в значительной мере увеличиваются сложность и скорость решения задач, требующих участия большого числа пользователей.

Сеть позволяет повысить уровень загрузки компьютеров, доступность программного обеспечения и баз данных. Это обусловлено двумя факторами. Во-первых, сеть обслуживает большое количество пользователей, поэтому нагрузка, создаваемая всеми пользователями, в меньшей степени подвержена колебаниям, чем нагрузка, создаваемая отдельным пользователем или группой. Этот эффект имеет статистическую природу и оценивается дисперсией среднего значения нагрузки, создаваемой пользователями. Так, если среднеквадратическое отклонение нагрузки, создаваемое одним пользователем, равно b, то n пользователей создают суммарную нагрузку, среднеквадратическое отклонение которой равно , то есть колебания нагрузки, создаваемой, например, 100 пользователями, в 10 раз меньше, чем у создаваемой одним пользователем. Следовательно, увеличивается вероятность того, что в каждый момент времени существует работа для каждого компонента сети, то есть увеличивается загрузка сети.

Во-вторых, стабилизируется загрузка сети, когда сеть охватывает территорию, расположенную в нескольких часовых поясах. Эффект стабилизации особенно существен для эксплуатации специализированных и проблемно-ориентированных компьютеров, аналого-цифровых вычислительных комплексов, информационно-справочных систем и др.

Как показывает практика, за счет расширения возможностей обработки данных и лучшей загрузки ресурсов стоимость обработки данных средствами сети снижается в полтора раза и более по сравнению с обработкой данных на несвязанных машинах.

    1. Иерархия сетей. Локальные и глобальные сети

Рассматривая построение компьютерных сетей, в первую очередь необходимо определить их назначение и область применения.

Основное назначение компьютерной сети — предоставление большому числу пользователей одновременного доступа к ее вычислительным ресурсам.

Исходя из этого, компьютерная сеть может быть определена как система распределенной обработки информации, состоящая из территориально-рассредоточенных компьютеров, взаимодействующих между собой с помощью средств связи.

Компьютеры, входящие в состав сети, выполняют широкий круг функций, основными среди которых являются:

  • организация доступа к сети;

  • управление передачей информации;

  • предоставление вычислительных ресурсов и услуг абонентам сети.

В соответствии с этим по функциональному признаку все множество систем компьютерной сети можно разделить на абонентские, коммутационные и главные (Host) системы (серверы).

Абонентская система представляет собой компьютер, ориентированный на работу в составе компьютерной сети и обеспечивающий пользователям доступ к ее вычислительным ресурсам. Следует отметить, что по сравнению с абонентским пунктом (терминалом) системы телеобработки абонентская система компьютерной сети обладает большими функциональными и вычислительными возможностями. Это позволяет оптимально организовать вычисления в компьютерной сети.

Коммутационные системы являются узлами коммутации сети передачи данных и обеспечивают организацию составных каналов передачи данных между абонентскими системами. В качестве управляющих элементов узлов коммутации используются процессоры телеобработки или специальные коммутационные (сетевые) процессоры.

Серверомпринято называть специальный компьютер, выполняющий основные сервисные функции, такие как управление сетью, сбор, обработку, хранение и предоставление информации абонентам компьютерной сети. В связи с большим числом сервисных функций целесообразно разделение серверов по их функциональному назначению. Например, файл-сервер определяется как компьютер, осуществляющий операции по хранению, обработке и предоставлению файлов данных абонентам компьютерной сети. В свою очередь, компьютер, обеспечивающий абонентским системам эффективный доступ к компьютерной сети, получил название сервер доступа и т.д.

В зависимости от размера географической области, которую охватывают компьютерные сети, они подразделяются на три основных типа: локальные, региональные и глобальные.

Локальные сети обладают достаточно скромными физическими размерами. Они обслуживают пользователей, находящихся в пределах десятков и сотен метров друг от друга, и число этих пользователей не превышает несколько тысяч человек. Такие размеры ЛВС позволяют работать на скоростях взаимодействия 10 Мбит/с и выше. Обмен информацией между устройствами ЛВС происходит с большой интенсивностью. Размер информационных блоков в разных сетях колеблется от 38 бит (сеть Cambridge Ring) до 8 Мбит в сетях с жезловым управлением.

Для ЛВС в качестве среды передачи данных употребляются наиболее дешевые: витые пары, коаксиальный кабель.

Региональные вычислительные сети (РВС) охватывают большее пространство, чем ЛВС, например такой город, как Москва. Они имеют много общего с ЛВС — высокую скорость передачи и низкий уровень ошибок в канале связи, но должны обладать возможностью передавать более широкий информационный спектр. Часто РВС используются для интеграции разрозненных ЛВС. В качестве среды передачи в этом случае чаще всего используется оптоволокно.

Глобальные вычислительные сети (ГВС) охватывают целые области, страны и даже континенты. Например, услуги сети Internet доступны по всему миру. В качестве среды передачи данных часто используются телефонные линии, спутниковые системы и наземные микроволновые средства. Отличительными особенностями ГВС являются небольшая скорость передачи и более высокий уровень ошибок передачи.

    1. Топологии сетей

Топологии ВС достаточно разнообразны и описывают физическое расположение сетевой среды передачи и подсоединяемых устройств (рис. 1). К нимотносятся общая шина, звезда, кольцо. Существуют также гибридные топологии.




Скачать документ

Похожие документы:

  1. (ТУСУР) (ТУ) ВВЕДЕНИЕ В СПЕЦИАЛЬНОСТЬ «СЕРВИС» Учебное пособие 2012

    Учебное пособие
    ... Учебноепособие. – Томск: кафедра ТУ, ТУСУР, 2012. – 104 с. © И.Н. Пустынский, В.А. Шалимов, 2012 © Кафедра Телевидения и управления, ТУСУР, 2012 ... цифровой сети с ... связь, передачуданных, ... также наглядным пособиям, аудио-, видео- и мультимедийным ...
  2. (ТУСУР) (ТУ) аудиотехника Часть 2 Учебное пособие 2012

    Учебное пособие
    ... 2 Учебноепособие РАЗРАБОТАЛ _________ С.В. Худяков «______»_________2012 г. 2012 Худяков С.В. Аудиотехника. Часть 2: Учебноепособие. – Томск: кафедра ТУ, ТУСУР, 2012. – 188 с. Пособие ...
  3. (ТУСУР) (ТУ) аудиотехника Часть 2 Учебное пособие 2012

    Учебное пособие
    ... 2 Учебноепособие РАЗРАБОТАЛ _________ С.В. Худяков «______»_________2012 г. 2012 Худяков С.В. Аудиотехника. Часть 2: Учебноепособие. – Томск: кафедра ТУ, ТУСУР, 2012. – 188 с. Пособие ...
  4. (ТУСУР) (ТУ) Теоретические основы реструктуризации Часть 1 Учебное пособие 2012

    Учебное пособие
    ... 1: Учебноепособие. – Томск: кафедра ТУ, ТУСУР, 2012. – 177 с. © Семиглазов А.М., Семиглазов В.А., Байкалова А.И., 2012 © Кафедра Телевидения и управления, ТУСУР, 2012 Содержание ...
  5. (ТУСУР) (ТУ) Основы электронного бизнеса Учебное пособие 2012

    Учебное пособие
    ... бизнеса: Учебноепособие. – Томск: кафедра ТУ, ТУСУР, 2012. – 261 с. © Семиглазов В.А., 2012 © Кафедра Телевидения и управления, ТУСУР, 2012 СОДЕРЖАНИЕ 1. Аудитория ...

Другие похожие документы..