Алгоритмы и протоколы сетей передачи информации

УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА ПО ДИСЦИПЛИНЕ
АЛГОРИТМЫ И ПРОТОКОЛЫ СЕТЕЙ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ
Растягаев Д.В.
Цели преподавания дисциплины:
Дать студентам основы знаний, необходимых для изучения организации передачи данных. В курсе
излагаются сведения о принципах организации и функционирования сетей, принципах построения
локальных и глобальных вычислительных сетей, основных технологиях и стандартах. Особое
внимание уделяется описанию протоколов обмена информацией, основам передачи данных в
кабельных и беспроводных системах.
Перечень дисциплин, усвоение которых студентам необходимо для усвоения курса
«Информатика», «Физика», «Архитектура ЭВМ и сетей», «Информационные сети».
В результате изучения курса студент должен
знать:

топологии вычислительных сетей;

спецификации протоколов локальных и глобальных вычислительных сетей;

принципы функционирования сетей передачи данных на основе коммутации
пакетов и каналов;
методы коммутации в линиях связи;
функции, назначения и особенности систем кодирования, используемых при
передаче данных;

алгоритмы сжатия и представления данных;


уметь:


выполнять анализ структуры пакетов передачи данных в вычислительных сетях;
применять программные и аппаратные средства проверки функционирования
вычислительной сети и ее нарушения.
иметь представление о:

функциях, назначении сетевых технологиях;

роли стандартов и спецификаций в области построения и функционирования сетей;

алгоритмах и протоколах обмена данными.
Основными видами занятий являются лекции и практические занятия.
Основными видами промежуточного контроля знаний являются: тесты
Основным видом рубежного контроля знаний является экзамен
СОДЕРЖАНИЕ КУРСА
Тема 1.
Введение в предмет
Понятие вычислительной сети. Первые вычислительные машины и операционные системы.
Мультипрограммирование. Многотерминальные системы — прообраз сети. Первые глобальные
сети. Построение каналов обмена информации на основе телефонных сетей. Связь компьютера с
периферийным устройством. Связь двух компьютеров. Схема функционирования и основные
элементы программного обеспечения взаимодействия компьютеров по сети. Задачи физической
передачи данных по линиям связи.
Введение в новейшие телекоммуникационные технологии. Алгоритмы модуляции и кодирования
при передаче данных, теорема Шеннона, природа шумов, шум дискретизации. Сравнение
узкополосных и широкополосных сетей. Сети на основе коммутации пакетов и коммутации
каналов. Локальные и глобальные сети. Конвергенция сетей: сближение компьютерных и
телекоммуникационных сетей и технологий передачи данных.
Тема 2.
Принципы построения сетей
Физическая передача данных по линиям связи. Кодирование данных. Характеристики физических
каналов: скорость передачи данных емкость канала связи, полоса пропускания. Дуплексные,
полудуплексные и симплексные каналы.
Топология физических связей. Типы топологий. Адресация узлов сети. Групповая и
широковещательная адресация. Коммутация в сетях. Информационные потоки. Продвижение
данных. Мультиплексирование и демультиплексирование. Типы коммутации.
Классификация линий связи: первичные сети, линии и каналы связи. Физическая среда передачи
данных. Технические средства передачи данных. Характеристики линий связи.
Затухание и волновое сопротивление линии связи. Помехозащищенность. Спектр сигнала. Полоса
пропусканная и пропускная способность. Числовые характеристики пропускной способности.
Кабельные системы, типы кабелей: витая пара, коаксиальный кабель, оптоволоконный кабель.
Характеристики различных кабельных систем, их недостатки и преимущества. Применение
кабельных систем, их выбор.
Стандартизация сетевых технологий, примеры стандартов. Модель взаимодействия открытых
систем (OSI).
Тема 3.
Кодирование и мультиплексирование данных
Модуляция при передаче аналоговых сигналов. Амплитудная, частотная и фазовая модуляции. Их
характеристики.
Модуляции при передаче дискретных сигналов. Амплитудная модуляция. Двоичная частотная
манипуляция. Многоуровневая частотная манипуляция. Комбинированные методы модуляции.
Дискретизация аналоговых сигналов. Аналогово-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи.
Импульсно-кодовая модуляция.
Кодирование данных. Цели кодирования сигнала. Синхронизация передатчика и приемника,
самосинхронизирующиеся коды. Примеры кодов: потенциальные коды NRZ и NRZI, биполярное
кодирование, манчестерский код. Потенциальный код 2B1Q. Избыточные коды (4B/5B).
Скремблирование данных.
Снижение нагрузки на сеть, методы компрессии данных. Коды переменной длины. Алгоритм
Хаффмана. Алгоритм Зива-Лемпеля, Хаффмана и Барроуза-Виллера.
Целостность потока данных. Методы обнаружения ошибок при передаче данных. Контрольная
сумма (контрольная последовательность кадра). Циклический избыточный контроль. Коды
Хемминга. Введение в коды Рида-Соломона: принципы, архитектура и реализация. Метод
коррекции ошибок FEC (Forward Error Correction).
Тема 4.
Принципы коммутации в сетях передачи данных
Мультиплексирование и коммутация в сетях передачи данных. Методы частотного
мультиплексирования (FDM). Методы волнового мультиплексирования (WDM). Уплотненное
волновое мультиплексирования.
Коммутация каналов передачи данных на основе временного мультиплексирования (TDM).
Синхронный и асинхронные режимы TDM, принципы работы. Дуплексные режимы работы
канала. Дуплексный связь с частотным разделением, с временным разделением.
Тема 5.
Алгоритмы работы аудио- и видеоданных
Особенности и методы кодирования голоса. Дифференциальные и адаптивные методы
кодирования голоса. Дельта модуляция. Эхо-компенсация, эквилизация, эффект маскирования,
эквилизация, VoCoDER, алгоритмы работы каналов.
Алгоритмы сжатия изображений. Классы изображений. Алгоритм JPEG. Конвейер операций в
алгоритме JPEG. Алгоритм JPEG-2000, его отличия. Применение вейвлетов как базисных функций
разложения сигнала. Конвейер операций в алгоритмах сжатия изображений.
Методы разложения, кодирования и отображения статических и движущихся изображений.
Использование несовершенства человеческого зрения при кодировании и отображении. Стандарты
MPEG-1 и -2. Интерактивное телевидение.
Алгоритм сжатия ISO/MPEG, стандарт MPEG Audio Layer III (mp3). Функциональная схема
кодера. Принцип дифференцированной защиты от ошибок. Скорость цифрового потока и качества
данных.
Стандарт mpeg-4, -7, -21. Объектные подходы и описание сцены. Формирование аудио-визуальных
сцен MPEG-4. Описание и синхронизация потоков данных для медийных объектов. Профайлы.
Демультиплексирование, синхронизация и описание потоков данных, язык описания определений
MPEG-7 (DDL).
Тема 6.
Первичные сети
Функции и назначение первичных сетей. Поколения технологий первичных сетей, плезиохронная
цифровая иерархия (PDH), синхронная цифровая иерархия (SHD), уплотненная волновое
мультиплексирование (DWDM).
Принципы построения сетей PDH. Система T-каналов, иерархия скоростей. Методы
мультиплексирование. Ограничение технологии PDH..
Синхронная оптическая сеть, технология SONET. Стандарт SDH. Иерархия скоростей и методы
мультиплексирования. Мультиплексоры SDH, типы мультиплексоров. Стек протоколов SDH.
Типовые топологии: кольцо SDH, цепь, плоское кольцо, ячеистая топология.
Сети DWDM. Коммутация спектральных каналов. Принципы работы. Основные типы
оборудования: волоконно-оптические усилители, терминальные мультиплексоры, оптические
кросс- коннекторы. Типовые топология сетей WDDM: двухточечная связь, кольцо
мультиплексоров, ячеистая топология.
Тема 7.
Локальные сети
Применение локальных вычислительных сетей. Основные технологии построения локальной
вычислительной сети.
Сети Ethernet. Среда передачи данных. Метод доступа к среде передачи данных (CSMA/CD),
особенности реализации. Доступ к среде и передача данных. Коллизии.
Спецификации физической среды Ethernet. Волоконно-оптическая сеть Ethernet. Домен коллизий.
Технологии FastEthernet и Gigabit Ethernet. Оборудование для сетей Ethernet: повторители,
концентраторы, коммутаторы.
Локальные сети на основе разделяемой среды. Доступ к сети с передачей маркера (токена).
Технология Token Ring, особенности реализации. Физический уровень сетей. Оборудование сетей
Token Ring. Технология FDDI, основные характеристики. Первичное и вторичное кольцо.
Отказоустойчивость технологии FDDI.
Тема 8.
Беспроводные каналы передачи данных
Беспроводная среда передачи, преимущества беспроводной коммуникации. Электромагнитные
волны, классификация диапазонов электромагнитных волн. Принципы распространения
электромагнитных волн, их характеристики. Несущая частота, полосы пропускания.
Мобильные телекоммуникации (802.11a-g, WiFi, GSM), CDMA. Bluetooth. Стандарт
широкополосной беспроводной связи IEEE 802.16. Широкополосный канал для подключения
периферийных устройств UWB. Связь типа “точка-точка”. Организация радиорелейной линии
связи. Связь “источник - несколько приемников”. Базовые станции, соты.
Технологии широкополосного канала связи. Техника расширенного спектра, ее применение в
беспроводной связи. Ортогональное частотное мультиплексирование. Расширение спектра
методом скачкообразной перестройкой частоты. Прямое последовательное расширение спектра.
Множественный доступ с кодовым разделением.
ЛИТЕРАТУРА
Основная:
1. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. 3-е
издание. – СПб.: Питер, 2006.
2. Семенов Ю.А. Алгоритмы телекоммуникационных сетей. Учебное пособие в 3-х частях. Ч. 1.
Алгоритмы и протоколы каналов и сетей передачи данных. - М.: ИНТУИТ.РУ «Интернетуниверситет Информационных технологий»; БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007.
Дополнительная:
3. Бройдо В.Л. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации. – СПб.: Питер, 2004.