49
ЭВМ
и электросвязь
Доктор технических наук
В. О. ШВАРЦМАН
Потребность в передаче, хранении и обработке информации возникла вместе с человеке эквивекским обществом. На заре своего развития люди обшались с помощью звуковых или световых сигналов (крик, свист, удары по барабану, гонгу, костры, факелы). Необходимость передавать не только сигналы «тревога», «опасность», «наступление», «отбой», но и более сложные сообщения, привела к применению кодов, когда разные сообщения различались числом звуковых или оптических сигналов, частотой их появления, длиной пауз между сигналами. Параллельно создавались и совершенствовались методы и средства хранения информации. От зарубок топором на деревьях и стенах пешер человек перешел к наскальным рисункам, клипописи, иероглифам и, наконец, к буквам и цифрам, наносимым на бумагу сначала карандашом, авторучкой, а потом печатным станком или пышущей машинкой. Еще позже появились перфорирующие устройства, с помощью которых сообщения наносились на бумажные карты и ленты в виде комбинации ответстий.
Но революция в области передачи и хранения информации производила лишь тогда, когда для этого стала применяться электротехника. Уже в начале прошло века делались попытки использовать для передачи сообщений свойство электрического тока быстро распространяться по проводам. Приемники сообщений, основанные на электростатическом и электрохимическом эффектах, оказались дорогими, сложными, громоздки-
50
ми и неустойчивыми в работе и практического применения не получили. Телеграф, основный на магнитном действии электреского тока, господствует уже свыше 150 лет, и только в последние годы ему на смену пришли электронные системы. Несколько моложе телефон — ему чуть больше 100 лет. После открытия радиосвязи для передачи сообщений шроко стали применять электромагнитные волны. Достижения фото-кипотехники, магнитной записи, а в последние годы и головрафиниали новые носители информации. Так что прогресс в области передачи и хранения информации был непрерывным. А обработка этой информации до середины XX века оставалась уделом человека. Различные механические приспособления типа счетов, арифметров и логарифмических линейек, а к концу XIX века счетноинформационные машины и табуляторы лишь чутьускорили вычисления.
Революция в области обработки информации производила в середине XX века, когда успехи электронники позволили создать электронные вычислительные машины — ЭВМ. Вначале ЭВМ предназначалась для решения математических задач (вычислений, отсюда и называние — вычислительные машины), однако вскоре главной сферы их применения стала обработка информации в различных автоматизированных системах управления и справочно-inформационных системах, объединенных общим термином: информационно-вышистельные системы. В связи с этим возникло даже предложение называть ЭВМ не вычислительных, а электронными машины. Но в литературе аббревиатура ЭВМ все чаще заменяется иностранным словом «компьютер», хотя буквальный перевод этого слова — «вычислитель».
В первое десятилетие существования ЭВМ люди приходили к ним со своим задачими и уносили результаты расчетов. Возможности ЭВМ росли, масштабы решаемых на них задач — тоже, и вскоре оказалось, что достика исходной информации к ЭВМ, а результатов обработки — к абонентам с помощью традиционных трансортиных средств во многих случаяхводит на нет выигры во времени, получаемый от решения задачи с помощью ЭВМ. К тому же очень часто эти исходные данные уже имеют вид электрических сигналов, общий почтой не передаваемых. Поэтому в начале шестидцатью передачу методом электрической связи сообщений на ЭВМ или от ЭВМ. В отличие от традиционных службы электросвязи, в которых источником и получателем информации является человек, при передаче данных эти функции выполняет ЭВМ, что накладывает на службу передачи данных (СПД) ряд специфических требований.
Что надо требовать от СПД?
В ЭВМ любая информация (символы, тексты, изображения) представляет в единой форме — цифровой (как последовательность нулей и единиц). Поэтому система электросвязи в СПД должна передавать цифровую информацию. Весьма важной характеристикой СПД является время доставки сообщения определенной длины от источника к получателю, поскольку информация существенно зависит от времени ее получения. СПД должна обеспечивать доставку сообщения требуемого объема в заданное время.
Как объем передаваемых сообщений, так и требования к времени их доставки могут сильно изменяться. При передаче плановой или статистической информации объемы сообщений могут достигать миллионов байт*), а требуемые времени их до
*) 1 байт равен 8 битам, бит — единица двойной информации. 1 байт — объем сообщения из одного знака (буква, цифра, пробел и т.п.).
51
ставки исчисляются часами и даже сутками. Время доставки телефам (объем порядка 300 байт) реализуется несколько часов. При работе персональной ЭВМ с центральной ЭВМ или банком данных в режиме диалога задажка ответа больше чем на 2—3 секунды недопустима, так как при большем времени затрудняет уедержание информации в кратковременной памяти человека. Еще более жесткие требования ко времени доставки сообщений предъявляют системы управления быстрой протекающим процессами (например, управление воздушным движением), в которых время доставки информации должно быть созмерным со скоростью протекания процесса и поэтому может изменяться долями секунды.
Ценность информации определяется не только своевременностью ее получения, но и точностью ее передачи, называемой достоверностью. Достоверность характеризуется отношением числа ошибочно принятых символов к общему числу переданных. Например, если передаваемое сообщение содержит байт, а при его передаче искажены 16 байт, то достоверность равна .
Требования к достоверности СПД значительно выше, чем в традиционных случаях электронизации. При телефонной связи достаточно достоверность и даже , а при телефонной передаче , потому что часто смысл сообщения будет понят человеком правильно даже при искажении 10—20% символов. В СПД искажение даже одного символа (байта, бита) может привести к неправильному воспрянию информации и как результат — к большим материалом потеряем.
Требования к достоверности в различных СПД колблются от в большинстве случай общего пользования до в банковских системах и специальных систем управления. Заметим, что достоверности величины соответствуют одна операция в книге объемом 400 страниц.
Часто несколько ЭВМ работают совместно, образу локальную или территориальную сети. При этом они должны обменивать информацию, т. е. ЭВМ-источнику информации надо дать возможность, передавая сообщения, адресовать его конкретной ЭВМ-получателю информации. К СПД предъявляется требование доставки информации по заданному адресу, причемверяность засылок не по адресу должна быть весма мала, например, одно сообщение на миллиард переданных ().
ЭВМ как источники и получатели информации в СПД могут иметь различные характеристики: разные способы передачи информации, различующая скорость передачи, разные коды. Требование обеспечения взаимодействия таких ЭВМ равnocльно, например, требование, чтобы телефонная связь обеспечивала общее абонентов, говорящих на разных языках (чero, как известно, не только не существует, но пока и не предполагается). И тем не менее к СПД требованиевозможности обмена сообщениями между разотипными ЭВМ предъявляется.
Естественно, что от СПД, как и других служб электронов, требуется высокая надежность, живучеть и экономичность, передко — защита передаваемых данных от разглашения, способность к развитию и предоставлению дополнительных услуг абонентам.
Для того чтобы понять, как все эти требования со стороны ЭВМ обеспечивают средствами электронов, рассмотрим, как осуществляется передача информации между ЭВМ.
Связь для ЭВМ
Общая схема передачи информации между двумя ЭВМ: ЭВМ-источником (ЭВМ-И) и ЭВМ-получателем (ЭВМ-П) показана на рисунке 1. При возникновении в ЭВМ-И необходимости передать сообщение оно в виде последовательности импульсов из выходного устройства ЭВМ-И поступает в СПД, с помощью которой переда-
52
ется ко входу ЭВМ-П. Связывающим элементом между ЭВМ-И и ЭВМ-П является канал связи.
В качестве каналов связи при передаче на небольшие расстояния (до 10 км) используется цепи, т. е. пары проводов кабельных линей связи, а на больших расстояниях — каналы систем передачи по кабельным, радиорелейным или спутниковым системам связи.
Кабель связи — это несколько изолированных медных проводников или тонких стеклянных нитей (в волоконно-оптических кабелях), заключенных в защищную оболочку. В линиях радиосвязи в отличие от кабельных распространение электромагнитных волн проискодит не в замкнутом пространстве (кабеле), а в открытом. В радиорелейных линях передача сигналов из одного пункта в другой осуществляется через ряд промежуточных пунктов, в которых сигналы принимаются, услышаются и передаются дальше. В спутниковых системах сигналы с наземной передающей станции излучаются в направлении искусственного спутника Земли, где принимаются, услышаются и передаются в направлении наземной станции приема.
В радиосвязи большое число радиоистанций работают одновременно в разных частотных диапазонах, не мешая друг друг другу. Такое частотное разделение каналов может применяться в СПД, что позволяет на одной паре проводов (физической цепи) образовать много каналов, по каждому из которых может одновременно передавать различная информация.
Требования к параметрам сигналов на выходе ЭВМ-И и входе ЭВМ-П обычно не согласованы с характеристиками каналов связи. К тому же сигналы в каналах связи подвергются воздействиям помех. В результате сигнал на выходе из канала связи в той или иной степени отличается от сигнала на его входе, что может привести к снижению достоверности ниже допустимых требования.
Для уменьшения искажений сигнала на входе в канал и выходе из него применяют специальные устройства преобразования сигналов, а для повышения достоверности вводят устройства защиты от ошибок (УЗО). Эти устройства вместе с устройств управления передачей образуют переdagатик, включая между ЭВМ-И и каналом связи, и премник, включая между каналом связи и ЭВМ-П.
При телефонном разговоре один из собеседников, плюхо рассышав какую-либо фразу, просит другого повторить ее еще раз. В СПД обнаружение ошибок, запрос на повторение и повторение искаженной части сообщения приемник и передатчик должны осуществляться автоматически. Для этого используется коды, обнаруживающие ошибки, в сочетании с обратной связи. Чтобы заключить все основные символы, отображаемые в ЭВМ (буквы прописьные и строчные, русские и латинские, цифры и знаки препиниания), достаточно использовать семирарядный код, который допускает кодовых комбинаций. В нем для передачи буквы А используется кодовая комбинация 1100001. Если в результате помех и искажений в канале она будет принята в виде 1110001, то получателю будет выдана буква Я. Для обнаружения ошибок используется не семи-, а восмирарядный код: исходная кодовая комбинация дополнительная в УЗО нулем или единицей так, чтобы число единиц в кодовой комбинации было четным. В этом случае для передачи
53
Рис. 2.
буквы А используют кодовый комбинацию 11000011 (последний знак вводит передатчик) и в случае приема 11100011 приемник обнаруживает ошибку (число единиц в принятой кодовой комбинации нечетно). Забракованная кодовая комбинация в ЭВМ-П не выдается, а по каналу обратной связи приемник посылает передатчик запрос на ее повторную передачу.
Для обеспечения секретности передаваемых данных они могут быть защищены. Шифровку и дешифровку также делают передатчик и приемник СПД по неокоторому алгоритму сваркируемой частью (ключом). Ключ может передавать по отдельному каналу.
В качестве каналов связи наиболее часто применяются так называемые каналы тональной частоты, используемые для телефонной связи. Они имеют полосу частот 300—3400 Гц и по ним осуществляют ПД со скоростями 4800 и 9600 бит/c, а в отдельных случаях и до 16 000 бит/c. Для согласования ЭВМ и канала связи в передатчик СПД входит модулятор, который преобразует поступающего от ЭВМ последовательность прямогоульных импульсов в ряд синусоидальных сигналов с частотами от 300 до 3400 Гц. Демодулятор приемника СПД осуществляет обратное преобразование (см. рис. 1). Передача в СПД осуществляется, как правило, в общих направлениях, поэтому в каждой оконечной установке СПД имеет модельтор и демодулятор, объединенные в единое устройство — модём. Разработано много типов модемов, использующих разные методы модуляции с соответствующей скоростью передачи данных.
Амплитудная модуляция заключается в том, что передаче 1 от ЭВМ-И соответствует посылака в канале связи отрезка синусоидального сигнала определяющийdlительности, а передаче 0 — пауза (той жеdlительности). Такая модуляция позволяет создавать СПД только с низкими скоростями (200—600 бит/c).
Для достижения скорости передачи данных 600—1200 бит/c применяется частотная модуляция, при которой для передачи 1 от ЭВМ-И в канале связи посылается синусоидный сигнал одной частоты, а для передачи 0 — другой (например, 1100 и 2100 Гц).
Скорость передачи данных выше 1200 бит/c обеспечивает фазовая модуляция, при которой передаче 1 от ЭВМ-И соответствует посылака в канале связи синусоидного сигнала одной частоты, а передаче 0 — другой (например, 180° и 0°; см. рис. 2).
При необходимости в более высоких скорости передачи использует широкополосные каналы с полосами частот 48, 240, 1200 кГц.
Но и по каналу телефонной связи можно осуществить передачу данных со скоростью до 64 000 бит/c. Для этого используется временное разделение каналов, когда, например, разные пары ЭВМ по очереди обменаются информацией по одному каналу связи.
В каналах системы с временным разделением (их называют цифровыми) переноском информацией является последовательности импульсов. Встроенные преобразования сигналов передачика СПД на эти импульсы накладывают импульсы от ЭВМ. В этом случае модемы не требуются.
При взаимодействии большого числа ЭВМ возникнет задача организации обмена информацией между ними. Если использовать для каждой пары ЭВМ-И — ЭВМ-П отдельный ка-
54
Рис. 3.
нал ПД, то для связи ЭВМ потребуется двусторонних каналов и по входу-выходу у каждой ЭВМ (рис. 3), а время полезного использования каждого канала и входа-выхода ЭВМ будет, как правило, мало. Но можно обойти одним входом-выходом каждой ЭВМ и меньшим числом каналов. В качестве примера на рисунке 4 изображена сетЬ ЭВМ с одним узлом распределения информации и всего каналами, позволяющими соединить каждую ЭВМ с любой другой. Задачей такого узла, получившего название узла коммутации, является организацией соединения, позволяющего передавать сообщения по заданному ЭВМ-И адресу ЭВМ-П. Поэтому современные сети связи представляют собой совокупность каналов связи, узлов коммутации и абонентских устройств (рис. 5). И в каждом из этих компонентов широко используется техническая ЭВМ.
ЭВМ для связи
Ниболее широкое применение ЭВМ нашли в коммутионных устройствах. Причина этого заключается в том, что функция коммутионных устройств связи по сети тоже действены классически алгоритму функционирования ЭВМ и свойства к следующим основным операциям:
прием сообщения из канала связи и запись его в память;
логическая обработка сообщения, например, перекодирование;
считывание сообщения из памяти (при необходимости с другой скоростью) и передача по заданному адресу в другой канал связи.
Приименение ЭВМ обеспечивает функциониальную гибкость, контроль и автоматизацию поиска неисправностей, учет стоимости и предоставление абонентам дополнительных услуг, как например: сокращенный набор номера для наболее частоты вызываемых абонентов (3 цифры вместе 7), поставокку вызова на ожидание при занятии абонента, передасацию на другой номер и т.п.
Не менее широкое ЭВМ используется и для построения оконечных устройств: для защиты от ошибок, преобразования сигналов, контроля, диагностики, управления процессами установления соединения.
Как и в других отраслях технических, ЭВМ широкое используется в связи для автоматизации научных исследований, проектования и конструкрования, управления экономическими и социальными процессами.
Современные информационные вычислительные системы представляют собой совокупность средств вычислительной техники (обработка сообщений) и средств связи (передача сообщений). Развитие технических ЭВМ и связи вызвало создание новых служб электросвязи — телематических служб. Однако из таких служб является Телетекс, предназначенный для подготовки и передачи писем по телефонной сети. Абонентская установка состоит из персональной ЭВМ и устройства преобразования сигналов с автоматическим вызывным устройством. Она обеспечивает подготовку операторов писем и их редактирование, заполнение подготовленных писем для их последующей
55
передачи по телефонной сети, автоматической (без участия оператора) передачу и прием писем, автоматическое исправление ошибок, возникших в канале связи, автоматическое выполнение широкого ряда ортгейнческих функций (составление журналов передачи, приема, присвоение входящих и исходящих номеров, генерацию шитма предприятия-отправителя и др.), распечатку принимаемых писем.
Оборудование обеспечивает высокую скорость передачи информации — одна страница текста на скорости 2400 бит/с передается за 10—12 секунд. С учетом времен установкиления соединения по телефонной сети каждое деловое письмо может быть передано получателю за 1—2 минуты.
Возможности службы Телетекс могут быть значительно увеличены при планируемом в будущем установке специализированных ЭВМ, память которых разделена на отдельные участки — боксы. Каждый пользователь (абонент) службы, арендующий бокс (или несколько боксов), может в любое удобное время, например в периоды наименшей загрузки сети, вводить сообщения в бокс и получать из него информацию. Такая услуга по аналогии с надписью на грифельной доске, доступной для всеобщого обозрения, получила название «черной доски».
Возможен «просмотр» принять бокском сообщении путем вывода на печать краткого содержания писем, в том числе целенаправленный, например только сообщений, полученных от определенного абонента, или сообщений по определенному вопросу (указывается ключевое слово, например, «электронная почта»).
Другая служба — Видеотекс — представляет собой информационно-правочную систему, обеспечивающую связь пользователей, расположенных соответствующим математическим обеспечением (рис. 6). Эта ЭВМ хранит информацию, предназначенную для пользователей. Важным элементом банка данных является так называемый службный центр, в задании которого входит определенное правоочности вызова, поступившего от пользователя по телефонной сети, тарификация услуг, обеспечение взаимодействия с оконечным оборудованием пользователя, а также других задач.
Служба Видеотекс предназначена для самых широких кругов населения, поэтому оконечное оборудование обычно выполняется максималь-
56
но простым. Это оборудование состоит из логического блока с клавиатурой, модема и обычного битового телевизора, выполяющего функции дисплея. В качестве сети связи используется телефонная сеть, а в роли логического блока с клавиатурой — специально разработанные устройства с прошенной клавиатурой либо битовая персональная ЭВМ.
Пользователь, установлен в банком данных, запрашивает у него сведения самого различного характера.
Служба Видеотекс передает информацию о новости (по городу, стране, зарубежные новости), о погоде, спортивных и культурных мероприятий, сообщает адреса и телефоны различных учреждений, рекламирует
услуги предприятной государственного и кооперативного секторов и т. д. Упомянем еще различного рода полезные советы (по ведению домашнего хозяйства, садоводству, медицинце), предложения работодателей государственного и кооперативного секторов, обучение (школьное, взрослое, переподготовку, повышение квалификации и др.), развлечения (телевизionные игры).
Система Видеотекс может использоваться и для совершения всевозможных покупок, резервирования билетов и т. д. Пользователем доступна не только информацию, хранящаяся в банке данных системы Видеотекс. Часты информации, носящая специализированный характер, может храниться в других банках, например в банках данных торговли, снабжения и т. д. Банк данных системы Видеотекс обращается к специализированным банкам данных по мере возникновения запросов у пользователей. Для этого между банками преддусмотрено соответствующее связи.
По мере распространения на всю страну служба Видеотекс приобретет новые возможности: обмен информацией между пользователями (а не только между банками данных и пользователями), обмен информацией между пользователями службы Видеотекс и другими телематических службами.
Таким образом, эффективное использование ЭВМ немыслимо безистрой и надежной доступки информации к ним и от них. А это может обеспечить только сеть электронов. С другой стороны, современная сеть связи не может работать без ЭВМ. Мыслу о взаимном и последовательном сотрудничестве связи и ЭВМ очень образно выразил американский специализит по информационным системам Р. Фано: «Брак между ЭВМ и средствами связи сервился, связь сыграна, медовый месяц позади, и супруги начали все больше и больше ощущать, как они стали зависеть друг от друга».