6.6. ФИЗИЧЕСКИЙ И КАНАЛЬНЫЙ УРОВНИ

Современные системы связи способны передавать сообщения в любой форме: телеграфные, телефонные, телевизионные, мас­сивы данных, печатные материалы, фотографии и др. [29]. Отно­сительно эталонной модели взаимодействия открытых систем процедуры передачи данных действуют на физическом и каналь­ном уровнях.

В соответствии со спецификой передаваемых сообщений орга­низуется канал, представляющий собой комплекс технических средств, обеспечивающих передачу сигналов от источника к потре­бителю. К основным параметрам, характеризующим канал связи, относятся ширина полосы пропускания, допустимый динамический диапазон изменений амплитуды сигнала, а также уровень помех.

Передача больших информационных потоков на значительные расстояния осуществляется с помощью кабельных, радиорелейных и спутниковых линий связи. В ближайшие годы можно ожидать широ­кого применения оптической связи по оптоволоконным кабелям.

Рассмотрим основные принципы передачи информации с по­мощью электрических сигналов. Эти принципы, многие из кото­рых носят фундаментальный характер, прочно вошли в практику не только систем электросвязи, но и вычислительной техники и, конечно, информационных технологий.

6.6.1. МОДУЛЯЦИЯ И ДЕМОДУЛЯЦИЯ

Сообщение для передачи данных с помощью средств электро­связи (так у нас принято называть то, что на Западе называют telecommunication) должно быть предварительно преобразова­но в сигнал, под которым понимается изменяющаяся физическая величина, адекватная сообщению. Процесс преобразования со­общения в сигнал называется кодированием [29].

По физическим законам излучение электромагнитных волн эф­фективно, если размеры излучателя соизмеримы с длиной излучае­мой волны, поэтому передача сигналов по радиоканалам, кабелям, микроволновым линиям производится на высоких частотах (т. е. на весьма коротких волнах). Сигнал передается на несущей часто­те. Процесс изменения параметров несущей в соответствии с сиг­налом, передаваемым на этой несущей, называют модуляцией. Мо­дуляция — основной процесс (функция) передатчика.

Гармоническая (синусоидальная) несущая и имеет три инфор­мационных параметра, которые можно модулировать, — ампли­туду, частоту и фазу:

где U — амплитуда гармонического колебания: й>о — частота несущей; (ро — начальная фаза.

 

Соответственно этому при передаче сигналов используют амплитудную, частотную или фазовую модуляцию, которая в слу­чае применения дискретных сигналов называется манипуляцией.

Наиболее помехоустойчивой, т.е. невосприимчивой к поме­хам, оказывается фазовая модуляция или манипуляция (ФМн). Это объясняется амплитудным характером воздействующих по­мех, и такой параметр, как фаза несущей, менее других парамет­ров подвергается губительному воздействию помех. Фазомани- пулированный сигнал представляет собой отрезок гармоничес­кого колебания с изменяющейся на 180° фазой. В векторной форме это можно изобразить так, как показано на рис. 6.10, а.

 

мых колебаниях переданного сигнала. Эту операцию приемник производит в процессе демодуляции, т. е. в процессе выделения передаваемого сигнала, после чего он преобразовывается в сооб­щение.

Каналом связи (каналом передачи информации) называют со­вокупность технических средств, обеспечивающих передачу сиг­налов от одного пункта к другому. Непременной составной час­тью любого канала является линия связи — проводная, кабель­ная, радио, микроволновая, оптическая, спутниковая.

В современных цифровых системах связи основные функции передатчика и приемника выполняет устройство, называемое модемом. Он представляет собой совокупность передатчика и приемника в одном корпусе для осуществления проводной дуп­лексной связи. Если терминал находится на значительном рас­стоянии от компьютера, например в соседнем здании или дру­гом городе, или связь пользователя с компьютером происходит через обычную телефонную сеть, необходимы приемопередат­чики на оконечных пунктах линии, и их функции выполняет модем.

Выпускаемые в настоящее время модемы различны по конст­рукции, но, как правило, состоят из интерфейсной части для со­единения с компьютером, кодера и декодера, модулятора и демо­дулятора. Часто в состав модема входят шифрующее и дешифру­ющее устройства, обеспечивающие секретность передаваемой информации. Имеются также способы, обеспечивающие скрыт­ность передачи. Модем в зависимости от типа производит амп­литудную, частотную или фазовую модуляцию. В целях уплотне­ния полосы канала чаще всего используют многократную фазо­вую манипуляцию (см. рис. 6.10). Типовые скорости передачи у модемов: 2 400, 4 800, 9 600, 14 400, 19 200, 28 800, 33 600 и 57 600 бит/с.

6.6.2. ЕМКОСТЬ КАНАЛА СВЯЗИ

Скорость передачи информации, а ее предельно допустимое зна­чение для данного канала называют емкостью канала, относится к фундаментальным понятиям теории связи, она служит одной из глав­ных характеристик канала передачи информации. Оценка скорости передачи информации и предельных возможностей канала связи представляет большой практический и теоретический интерес.

Рассматривая процесс передачи информации в общих чертах, можно предположить, что основными факторами, ограничиваю­щими скорость передачи информации, являются полоса пропус­кания F и уровень помех.

Существует фундаментальная теорема о выборках, которая доказывает, что сигнал, не содержащий в своем спектре частот выше значения F, может представляться 2F независимыми значе­ниями в секунду, а совокупность значений, отстоящих друг от друга на Т секунд, определяет непрерывный сигнал полностью. Заметим, что выборкой является отсчет амплитуды сигнала в оп­ределенный момент (на рис. 6.12, а можно увидеть эти выборки, проводимые через интервал

Рис. 6.12. Представление непрерывного сигнала в виде дискретных отсчетов (выборок), взятых через интервал 1/2Р (а) и квантованных по амплитуде (б)

Термин выборки происходит от английского слова sample (в переводе — образец, модель, проба), теорему о выборках назы­вают также теоремой отсчетов.

Эта теорема позволяет на интервале Т заменить непрерывный сигнал с ограниченным спектром последовательностью его диск­ретных значений, причем их нужно не бесконечное число, а вполне определенное, равное 2/Т. Уровень шумов (помех) не позволяет точно определить амплитуду сигнала и в этом смысле вносит неко­торую неопределенность в значение отсчетов сигнала.

Максимально возможная скорость передачи информации по каналу связи при фиксированных ограничениях называется емкос­тью канала, обозначается буквой С и имеет размерность бит/с.

Рассмотрим соотношение для емкости канала связи, являю­щееся фундаментальным соотношением в теории связи. Оно по­зволяет понять некоторые принципиальные зависимости при пе­редаче информации вообще.

Напомним, что количество информации /, снимающее нео­пределенность о состоянии объекта с Ь равновероятными состо­яниями, рассчитывается по формуле

I = 1о %Ь.

Основание логарифма здесь не имеет значения. Если основа­ние равно 2, то единицей измерения количества информации ока­зывается бит.

Определим количество различных сообщений, которое мож­но составить из п элементов, принимающих любые из т различ­ных фиксированных состояний. Из ансамбля п элементов, каж­дый из которых может находиться в одном из т фиксированных состояний, можно составить т " различных комбинаций, т. е. Ь = т^п. Тогда:

I = 1о

 т" = я т.

При полосе F наибольшее число отсчетов сигнала равно 2F в единицу времени или2РГза время Т, т. е. п = 2РТ.

Если бы шума не существовало, то число дискретных уровней сигнала было бы бесконечным. В случае наличия шума последний определяет степень различимости отдельных уровней амплитуды сигнала. Так как мощность является усредненной характеристи­кой амплитуды, число различимых уровней сигнала по мощ­ности равно (Р_с + Р_ш)/ Р_ш, а по амплитуде соответственно

т-^(Р_с+Р_ш)I Р_ш > гдеР_с — мощность сигнала; Рш— мощность шума. Тогда емкость канала рассчитывается по формуле

Итак, емкость канала ограничивается двумя величинами: ши­риной полосы канала и шумом. Приведенное соотношение изве­стно как формула Хартли — Шеннона и считается основной в теории информации.

Полоса частот и мощность сигнала входят в формулу таким образом, что да я С — const при сужении полосы необходимо уве­личивать мощность сигнала, и наоборот.

Емкость канала является максимальной величиной скорости. Чтобы достигнуть такой скорости передачи, информация должна быть закоди­рована наиболее эффективным образом. Утверждение, что такое коди­рование возможно, является важнейшим результатом созданной К.Э. Шенноном теории информации. Шеннон доказал принципиаль­ную возможность существования такого эффективного кодирования, не определив, однако, конкретных путей его реализации. (Отметим, что на практике инженеры часто говорят о емкости канала, подразумевая под этим реальную, а не потенциальную скорость передачи.)

Эффективность систем связи характеризуется параметром, равным скорости передачи информации R на единицу ширины полосы F, т. е. R/F. Для иллюстрации существующих возможнос­тей по созданию эффективных систем связи на рис. приведе-

Рис. 6.13. Кривые зависимости эффективности цифровых систем связи при различных модуляциях: 1 — граница Шеннона; 2 — М-ичная фазовая модуляция; 3 — М-ичная амплитудная модуляция; 4 — М-ичная частотная модуляция

ны графики зависимости эффективности передачи информации при различных видах М-ичной дискретной амплитудной модуля­ции (АМ), частотной (ЧМ) и фазовой (ФМ) (кроме бинарной модуляции используется также модуляция с 4, 8, 16 и даже с 32 положениями модулируемого параметра) от отношения энергии одного бита к спектральной плотности мощности шума (£Ь / N0). Для сравнения показана также граница Шеннона.

Сравнение кривых показывает, в частности, что при неизмен­ном отношении "сигнал — шум" наиболее популярный вид мо­дуляции 4ФМ в три раза хуже потенциально достижимого. Из сравнения кривых можно сделать более общие выводы: наиболее эффективной оказывается передача с фазовой дискретной моду­ляцией; современные методы кодирования и модуляции еще весь­ма далеки от совершенства.

6.6.3. КОДИРОВАНИЕ ИНФОРМАЦИИ

Кодированием называется сопоставление алфавитов, а пра­вило, по которому оно проводится, — кодом. Иными словами, кодирование можно определить как представление сообщений в форме, удобной для передачи по данному каналу. Электричес­кий ток в телефонных проводах — это кодированная речь, а звуковые волны речи — это кодированные колебания голосо­вых

В рассматриваемом нами конкретном случае кодирование есть представление по определенным правилам дискретных со­общений в некоторые комбинации, составленные из определен­ного числа элементов — символов. Эти элементы называются элементами кода, а число различных элементов, из которых слагаются комбинации, — основанием кода. Элементы кода образуют кодовые комбинации. Например, если мы составляем комбинации из различных сочетаний 0 и 1, то это код с осно­ванием два, или двоичный код. Если все комбинации имеют одинаковое число знаков, код называется равномерным. Широ­ко известный код Морзе — неравномерный код. Правило коди­рования обычно выражается кодовой таблицей, в которой каж­дому символу сообщения ставится в соответствие определенная кодовая комбинация.

Кодовое представление дискретных значений сигнала осуще­ствляется с помощью цифр, но необязательно десятичных. На­помним, что в десятичной системе, называя число, мы указываем, сколько единиц от нуля до девяти имеется в разряде единиц, в разряде десятков, сотен, тысяч и т. д. То же происходит в любой другой системе счисления с другим основанием. В десятичной си­стеме мы пользуемся десятью цифрами: 0,1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 и 9. В двоичной системе счисления в нашем распоряжении только две цифры: 0 и 1.

Если пронумеровать все буквы алфавита и необходимые спе­циальные символы и выразить каждую цифру в двоичной систе­ме счисления, получится натуральный двоичный код данного ал­фавита. Очевидно, что число разрядов в двоичной системе боль­ше, чем в десятичной, так как основание системы счисления меньше.

Число кодовых комбинаций определяется числом дискретных значений сигнала. Например, если в языке 32 буквы (или букв и знаков), то для передачи сообщений на этом языке необходимо иметь 32 различные кодовые комбинации. В десятичной системе это означало бы передачу 32 цифр от 0 до 31. В двоичной системе необходимо составить отличающиеся друг от друга 32 кодовые комбинации, и так как 32 = 2⁵, эти комбинации должны быть из 5 элементов, например 01010, 11111, 11001 и т. д. Число возмож­ных кодовых комбинаций для представления 32 букв колоссаль­но: 32! Один из этих вариантов есть натуральный пятизначный двоичный код, используемый для передачи букв латинского и русского алфавитов. При цифровом кодировании речевых сигна­лов исходят из практического наблюдения: искажения сигнала невелики, если его изменения представлять 128 амплитудными значениями, т. е. для его передачи необходимо 128 кодовых ком­бинаций. Для двоичного кода из соотношения 2" = 128 определя­ем, что длина кодовой комбинации п - 1. Таким образом, для передачи речевых сигналов нужен код с 7-элементными кодовы­ми комбинациями. Обычно речевой сигнал по спектру ограничен частотой 4000 В этом случае речь в цифровой форме необхо­димо передавать со скоростью (вспомним теорему о выборках) 4000 • 2 • 7 = 56 Кбит/с. Заметим, что обычно в комбинацию до­бавляют один служебный символ, и тогда комбинация становит­ся 8-элементной, а необходимая скорость передачи увеличивает­ся до 64 Кбит/с.

Остановимся также на принципах помехоустойчивого коди­рования, играющего чрезвычайно важную роль в развитии средств передачи информации. Отметим, что теория помехоустойчивого кодирования является достаточно сложной, и наши рассуждения носят весьма упрощенный характер.

Основным условием обнаружения и исправления ошибок в принимаемых кодовых комбинациях является избыточность. Поясним это на примере.

Условимся, что необходимо передавать только четыре сооб­щения: А, Б, В и Г. Для передачи этих сообщений можно соста­вить четыре 2-элементные комбинации:

Пусть помехи воздействуют на комбинацию таким образом, что изменяют только один из ее элементов. Если помехе подверг­лась комбинация 00 и она вследствие этого превратилась в ком­бинацию 01, то мы не обнаружим ошибку, а будем просто счи­тать, что вместо А передатчик послал Б; и так будет со всеми четырьмя комбинациями.

Теперь введем избыточность. Используем для передачи А, Б, В и Г 3-элементные кодовые комбинации, которых, кстати, мо­жет быть всего восемь. Выберем из восьми возможных комбина­ций ООО, 001, 010, 100, ПО, 011, 101, 111 (других комбинаций быть не может) только четыре, но так, чтобы они максимально отли­чались друг от друга: 000, 011, 101, ПО.

Пусть теперь в результате действия помехи изменится один из элементов в любой из выбранных комбинаций. Она не будет идентичной ни одной из наших комбинаций, и мы сразу укажем, что принята ошибочная. Таким образом, для передачи сообще­ний А, Б, В, Г код 00, 01, 10, 11 годится, но он не помехоустой­чив, код же 000, 011, 101, ПО является помехоустойчивым. При этом следует оговориться, что он помехоустойчив только к та­ким помехам, которые могут привести лишь к однократной ошиб­ке в комбинации. При двукратной ошибке код не помехоустой­чив. Для защиты от таких помех сообщений А, Б, В и Г пришлось бы допустить еще большую избыточность, используя 4-элемент- ные кодовые комбинации, т. е. выбрав четыре комбинации из 16 возможных.

Таким образом, обнаружить ошибку невозможно, если лю­бой принятый символ служит сообщением. Ошибки можно об­наружить только в том случае, если на возможные сообщения наложены некоторые ограничения.

Итак, одним из основных достоинств передачи информа­ции в цифровой форме является возможность использования ко­дированных сигналов и оптимального в заданных условиях спо­соба их приема. Важно, что при цифровой передаче все типы сиг­налов, такие, как речь, музыка, телевидение, данные, могут объединяться в один общий поток информации, передача кото­рого формализована. Кроме того, уплотнение при одновремен­ном использовании компьютера позволяет эффективнее исполь­зовать спектр и время, защитить канал от несанкционированно­го доступа, объединить в единый процесс передачу цифровой информации и цифровую коммутацию каналов и сообщений.

6.6.4. УПЛОТНЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПОТОКОВ

На практике часто требуется осуществить одновременную передачу информации от многих источников по одному каналу ко многим получателям, т. е. осуществить многоканальную пере­дачу. Следует сказать, что современные системы передачи инфор­мации практически всегда многоканальные [29].

Способ объединения отдельных сообщений в один группо­вой сигнал с последующим разделением сообщений на индивиду­альные называется уплотнением или мультиплексированием. К классическим методам уплотнения относятся частотное, вре­менное и кодовое.

Современная техника связи позволяет организовывать широ­кополосные каналы, поэтому целесообразно использовать мето­ды, позволяющие передавать наибольшее число телеграфных, те­лефонных, телевизионных и других сообщений на одной несущей или в отведенном интервале частот.

Сущность методов мультиплексирования состоит в том, что сообщения от нескольких источников определенным образом комбинируются в групповой сигнал и принимаются с помощью одного приемопередатчика. Поскольку современная система свя­зи обычно является многоканальной, необходимой частью любой системы передачи информации служит мультиплексор (рис. 6.14).

Модем                                                    Модем

Высокоскоростной

Мультиплексор ХЛ^ канал ^ла Мультиплексор

Рис. 6.14. Схема цифровой системы связи

' Наиболее известным является способ частотного мультиплек­сирования, когда в полосе пропускания канала размещается мно­жество каналов, разделенных с помощью фильтрации по частоте (рис. 6.15, а). Каждый частотный канал представлен своим спек­тром. Его временная структура может быть различной — это может быть последовательность импульсов или телефонное со­общение. Соответствующая настройка разделительных фильтров приемника позволяет разделить принимаемый групповой сигнал на отдельные сигналы.

При временном мультиплексировании в условном временном интервале размещают последовательно отрезки сообщений, на­пример кодовые последовательности каждого частного канала (рис. 6.15, б). Если при частотном мультиплексировании сообще­ния от разных абонентов передаются одновременно по общему каналу, при временном мультиплексировании передача осуществ­ляется строго по очереди, т. е. полоса пропускания канала пре­доставляется полностью на определенный интервал времени каж­дому абоненту. На практике обычно группы каналов объединя­ются в супергруппы, и при каждом иерархическом объединении может применяться разный способ модуляции несущей.

Аналоговый сигнал, например, в телефонном канале преоб­разуется в цифровой с помощью импулъсно-кодовой модуляции (ИКМ) и передается в каналах с временным мультиплексирова­нием. Передача организуется так: выборки каждого непрерывно­го сигнала сдвигаются на интервал, достаточный для передачи соответствующей кодовой комбинации. При передаче п непре­рывных сигналов в стандартном интервале времени размещают п кодовых комбинаций, по одной на каждую выборку каждого сиг­нала. При этом полоса частот группового сигнала увеличивается примерно в п раз. Например, 24-канальная система для передачи речи работает со скоростью 1544 Кбит/ с (скорость одного кана­ла 64 Кбит/с).

Международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии разработал стандарты образования многоканальных сообщений при временном мультиплексировании. Прежде всего были предложены 8-разрядный равномерный код для указания значений уровней квантования сигнала и закон квантования, на­званный "А=87,6". Для проведения выборок, изображенных на рис. 6.12, был использован линейный закон квантования, когда интервалы квантования одинаковы. Закон квантования А=87,6 является нелинейным, он лучше учитывает природу восприятия человеком речевых сигналов. Частота дискретизации телефонно­го сообщения принята равной 8 кГц. При этом скорость переда­чи одного телефонного сообщения оказывается равной 64 Кбит/с.

Так как принципиальной основой многоканальной цифровой системы передачи информации является временная шкала, опре­деляющая расстановку информационных и служебных сигналов, соединение цифровых систем различной емкости в единую сеть возможно лишь при условии кратного соответствия временных шкал различных систем и стандартизации групповых сигналов и способов синхронизации. С этой целью разрабатывается иерар­хия (соподчиненность) цифровых систем.

Подуровнем цифровой системы понимается число каналов или скорость передачи. Иерархия предусматривает возможность об­разования цифровыми системами низшего порядка системы бо­лее высокого порядка. На одном уровне объединяется фиксиро­ванное число цифровых сигналов системы более низкого уровня для образования суммарного цифрового сигнала более высокого уровня.

Например, первый уровень соответствует многоканальной передаче 30 телефонных сообщений в цифровой форме. Для это­го требуется суммарная скорость передачи 2048 Кбит/с. Второй уровень образован из четырех систем первого уровня с учетом необходимой служебной информации. Он имеет суммарную ско­рость 8448 Кбит/с. Система второго уровня способна передавать 120 телефонных каналов или один видеотелефонный. Третий и четвертый уровни по рекомендации МККТТ соответствуют ско­ростям 34,368 и 139,264 Мбит/с.

Некоторые фирмы или страны работают по своим стандар­там. В табл. 6.2 приведены сведения об иерархии уровней цифро­вых систем (скоростей передачи).

Иерархия скоростей цифровых систем является важной эксп­луатационной характеристикой. Она предусматривает адаптив­ность систем к любым цифровым каналам (от обычных телефон­ных до волоконно-оптических) и всем информационным сигна­лам (от речевых до сигналов цветного телевидения).

 

Существует много причин, вызывающих необходимость стан­дартизации скоростей передачи цифровой информации. К ним относятся требования потребителей каналов к универсальности передающей аппаратуры по отношению к различным источни­кам информации, необходимости планирования развития сетей передачи данных с учетом старой и новой аппаратуры при гар­моническом сочетании систем, надежности и гибкости сети пере­дачи данных. Благодаря соблюдению стандартов иерархии мож­но осуществлять передачу цифровой информации по комбини­рованным системам с использованием кабельных, радио-, спутниковых, волоконно-оптических и других каналов.

6.7. ПРОТОКОЛЫ КАНАЛЬНОГО УРОВНЯ

В последнее время международным стандартом становится протокол ВУК (высокоуровневое управление каналом передачи данных, английская аббревиатура HDLC) [36]. Стандартный фор­мат кадра ВУК представлен на рис.

В начале и в конце кадра для установления и поддержания синхронизации применяется восьмиразрядная последовательность 01111110, называемая флагом или меткой. Поскольку в начале и в конце кадра устанавливаются флаги, определить структуру ин­формационного поля нет необходимости: пакет, поступающий с вышестоящего сетевого уровня, может занимать любое желаемое число разрядов. Проверочное поле занимает 16 разрядов, поля адреса, контроля и управления — по 8 разрядов.

Протокол канального уровня реализует следующие функции:

♦           соединения между концами каналов;

♦            организации передачи данных по каналу;

♦           разъединения каналов.

Следуя концепции многоуровневой архитектуры, ISO стан­дартизировала применение на каждом уровне архитектуры четы­рех основных примитивов услуг, чтобы предусмотреть взаимо­действие между пользователями услуг на одном уровне и постав­щиками услуг на нижестоящем уровне. Эти примитивы — к ним относятся запрос (request), признак (indication), ответ (response), подтверждение (confirm) — являются основными элементами оп­ределения обмена между пользователями услуг.

При работе примитивов два соседних уровня взаимодейству­ют между собой. Нижние являются поставщиками услуг, верх­ние — потребителями.

СХЕМА ОРГАНИЗАЦИИ ФАЗ КОММУНИКАЦИЙ

В качестве конкретного применения указанных выше прими­тивов рассмотрим уровень канала передачи данных. Его задачей является предоставление обслуживания сетевому уровню. Услуги делятся на три фазы: установление соединения, передачу данных и разъединение (рис. 6.17).

Предполагается, что рассматриваемый канал передачи данных в данный момент не используется в сети для передачи. Поэтому перед началом передачи должно быть установлено логическое соединение. Для этого система А выпускает примитив "СОЕДИ­НЕНИЕ. Запрос" в свой уровень канала передачи данных, явля­ющийся поставщиком услуги. После приема и соответствующей обработки этого примитива в систему В передается блок уста­новки асинхронного балансного режима (УАБР), который при­водит в действие объект уровня канала, и выдается примитив "СОЕДИНЕНИЕ. Признак". В знак согласия на запрос об уста­новлении связи объект уровня сети отвечает примитивом ДИНЕНИЕ. Ответ". Это вызывает посылку со стороны прото­кола канала системы В объекту уровня канала системы А блока ненумерованного подтверждения (НП). В системе А выдается примитив "СОЕДИНЕНИЕ. Подтверждение", указывающий на завершение процесса установления соединения. Теперь на обоих концах сетевой уровень может начать передачу данных. Она бу­дет происходить аналогично рассмотренной процедуре.

ВИДЫ ПРОТОКОЛОВ

Различают три вида протоколов канального уровня [36]: с остановками и ожиданием, с ^возвращениями (с непрерывной передачей), с выборочной или селективной передачей.

Протокол с остановками и ожиданием. При этой процедуре одновременно может передаваться только один кадр, после чего передающая сторона ждет подтверждения. Если поступит отри­цательное подтверждение или произойдет просрочка времени ожидания ответа, кадр передается повторно. Пакет сбрасывает­ся из накопителя передающей стороны лишь после получения положительного подтверждения. Этот протокол подходит для полудуплексной передачи, при которой передача сторон чере­дуется.

Протокол с ^возвращениями (с непрерывной передачей). Здесь кадры передаются непрерывно без ожидания подтверждения. При получении отрицательного подтверждения или истечении уста­новленного времени ожидания неподтвержденный кадр и все пос­ледующие кадры передаются вновь. Этот протокол более произ­водительный и предполагает использование дуплексной связи.

Протокол с выборочной или селективной передачей. В этом слу­чае повторная передача требуется только для кадра, о котором поступило отрицательное подтверждение или для которого ис­текло установленное время ожидания. Однако на приемном кон­це требуется накопитель с перестроениями, так как в этом случае кадры могут повторно передаваться и приниматься не по поряд­ку. Из-за увеличения стоимости реализации протокол выбороч­ного повторения не нашел коммерческой реализации.

МЕТОДЫ СЛУЧАЙНОГО ДОСТУПА К СЕТИ

Двумя основными способами доступа к общей среде передачи являются управляемый доступ с применением опроса и случай­ный доступ. В свою очередь, существуют различные типы страте­гий случайного доступа.

Методы случайного доступа полностью децентрализованы. Пользователь может передавать сообщения когда угодно, лишь с незначительными ограничениями, зависящими от метода доступа.

Из-за случайности моментов времени, в которые пользова­тели могут решить начать      независимо от метода не исключена возможность что два или несколько пользова­телей могут выйти на связь в пересекающиеся промежутки вре­мени. Это приводит к столкновениям (коллизиям), которые сна­чала должны быть распознаны, а затем разрешены. При увели­чении нагрузки увеличивается и вероятность                                                  что приводит к возможной неустойчивости работы рассматривае­мых механизмов.

В результате производительность ограничивается некоторым максимальным значением, меньшим пропускной способности ка­нала, и это значение в каждом случае зависит от первоначально­го механизма доступа и алгоритма разрешения коллизий.

Сначала методы случайного доступа были предложены для случаев, когда большое число пользователей пытались довольно редко передавать пачки сообщений или когда друг с другом свя­зывалось небольшое число ЭВМ. Но применительно к производ­ственным процессам, которые требуют строгого управления за­держкой доступа, более предпочтителен управляемый доступ. Рассмотрим два простейших типа стратегии случайного доступа: чистую Алоху и синхронную Алоху [36].

Чистая Алоха. Эта схема сначала была применена для досту­па к общему каналу сотрудниками Гавайского университета в начале 1970-х гг. По этой схеме пользователь, желающий пере­дать сообщение, делает это когда угодно. В результате два или несколько сообщений могли наложиться во времени, вызвав столк­новение (коллизию).

Распознавание коллизий и сообщение о них пострадавшим пользователям в первоначальной системе Алоха направлялись по радио на центральный пункт. Это могло осуществляться также путем применения положительных подтверждений в сочетании с перерывом. При обнаружении столкновения пострадавшие стан­ции предпринимают попытки повторной передачи потерянного сообщения, но они должны распределять время попыток случай­ным образом, следуя некоторому алгоритму уменьшения вероят­ности нового конфликта.

Стратегия доступа типа чистой Алохи позволяет добиться производительности самое большее 1/2е « 0,18 пропускной спо­собности канала. Рассмотрим пример, вводя одновременно неко­торые определения. За доступ к каналу состязаются N станций. Станция передает в среднем X пакетов в секунду (интенсивность обращений к сети). Величина Mm представляет собой пропуск­ную способность канала в передаваемых пакетах в секунду. В случае, если передаваемые сообщения (пакеты) имеют среднюю длину т, соответствующую т единицам времени передачи, будем считать, что интенсивность нагрузки S (эквивалентна р-норми- рованной по нагрузке) характеризует использование канала вновь поступающими пакетами:

5 = р = ЛОт.

Величина которая обозначается представляет собой пропускную способность канала, измеряемую в передаваемых пакетах в секунду. Таким образом, Ык!\у = Шлг — относительное использование канала, или производительность, нормированная

относительно Ц ⁼—■ Общая интенсивность пакетов, передавае- т

мых в канал, включая вновь генерируемые и передаваемые по­вторно, имеет некоторое значение X' > X. Тогда фактическая ин­тенсивность нагрузки, или использование канала, является пара­метром О, который равен: О = Ш!т.

Рассмотрим типичное сообщение длительностью т (рис. 6.18). Оно подвергается столкновению с другим сообщением, если эти два сообщения будут наложены одно на другое в любой точке. Легко заметить, "передвигая" пунктирное сообщение во време­ни, что столкновение может произойти в промежутке продолжи­тельностью 2т с. Вероятность того, что в промежутке 2т с не

произойдет столкновения, равна: е

т

m

Время

Рис. 6.18. Диаграмма столкновения двух сообщений

Отношение S/G представляет долю сообщений из числа пере­даваемых в канал, которые проходят успешно. Это число должно быть равно вероятности отсутствия столкновений. Таким обра­зом, уравнение производительности для чистой Алохи имеет вид:

где S — нормированная производительность (средняя скорость поступ­ления пакетов, деленная на максимальную производительность 1/т);

G — нормированная пропущенная нагрузка. Таким образом, S — независимая переменная, a G — ее функция.

График зависимости G от S имеет вид двузначной кривой (рис. 6.19).

Отметим, что Su мест максимум: S - 0,5е ' - 0,18 при G = 0,5. Судя по формуле (6.1) или кривой при малой поступающей на­грузке S, столкновения происходят редко, и G ~ S. Когда S начи-

нает расти, приближаясь к максимальному значению число столкновений быстро увеличивается, что ведет, в свою очередь, к росту вероятности столкновения. Система теряет устойчивость, 5 падает, a О увеличивается до больших значений.

СинхроннаяАлоха. Максимально возможная производитель­ность схемы чистой Ал охи может быть удвоена с помощью про­стого приема разметки шкалы времени и разрешения пользова­телям начинать попытки передачи сообщений только в начале каждого временного интервала т (равного длительности сооб­щения). Эта схема требует, чтобы работа всех пользователей си­стемы была синхронизирована во времени. Пример работы та­кой системы показан на рис. 6.20, на котором одно сообщение передано успешно, а с другим произошло столкновение.

Поскольку сообщения могут быть переданы только в разме­ченные промежутки времени, столкновения происходят, лишь когда одна или несколько попыток передачи совершаются в том же промежутке.

Успешная                                Столкнове-

передача                                      ние

Канальные интеовалы Канальные интервалы

Рис. 6.20. Диаграмма передачи сообщений при синхронной Алохе

Вероятность успешной передачи задается в виде а урав­нение производительности для синхронной Алохи имеет вид:

S =

Нормированная производительность 5 достигает максималь­ного значения: 1/е ~ 0,368 при О - |, Зависимость пропущенной нагрузки от производительности для синхронной Алохи показа­на на рис. 6,21, где она сравнивается с соответствующей зависи­мостью для чистой Алохи.

Из приведенной характеристики видно, что ввиду двух воз­можных значений G при заданной производительности S для этой системы доступа также характерна неустойчивость.

Случайный доступ типа МДПН/ОС (CSMA/CD). Протокол многостанционного доступа с проверкой несущей и обнаруже­нием столкновений (МДПН/ОС, CSMA/CD — Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) основан на методе чис­той Алохи и позволяет улучшить ее характеристики. Метод МДПН/ОС входит в протокол сети Ethernet и принят как один из стандартных в локальных сетях. Реализация локальных сетей по образцу сети Ethernet распространена весьма широко.

Основная концепция протокола МДПН/ОС очень проста. Все станции прослушивают передачу по линии. Станция, жела­ющая передать сообщение, выходит на связь только после обна­ружения свободного состояния канала. Очевидно, что столкно­вения все же могут возникнуть, поскольку станции физически раз­несены одна от другой и две или несколько станций могут обна­ружить свободное состояние канала и начать передачу, что и вы­зовет столкновение. Если станции обнаруживают столкновение, они передают всем остальным станциям специальный сигнал о помехе и отменяют свои передачи. Возможность проверки несу­щей позволяет увеличить производительность канала по сравне­нию с чистой Алохой, а обнаружение столкновения с прекраще­нием передачи вместо его завершения дает еще большее повыше­ние производительности.

Предложенные методы МДПН различаются тем, как проис­ходит управление передачей, если канал оказывается занятым. Например, в схеме с настойчивостью р станция, обнаружившая занятый канал, осуществляет передачу после того, как канал ста­нет свободным, с вероятностью р. С вероятностью (1 -р) переда­ча откладывается на промежуток времени х распространения сиг­нала. При схеме с настойчивостью 1 станция осуществляет по­пытку передачи, как только канал окажется свободным. При ненастойчивой схеме станция переносит передачу на другое вре­мя в соответствии с предписанным распределением задержек пе­редачи, проверяет несущую в это время и продолжает процесс.

Эти схемы применимы прежде всего в локальных сетях или в более крупных сетях, работающих со сравнительно небольшими скоростями передачи.

Протокол МДПН/ОС, работающий по правилу 1 настойчи­вости с добавлением возможности обнаружения столкновений, принят в качестве протокола в схеме Ethernet. Если обнаружива­ется столкновение и передача прекращается, попытка повторной передачи предпринимается через случайный промежуток време­ни, как и в схемах Алоха. Этот случайный промежуток времени удваивается каждый раз после обнаружения нового столкнове­ния до некоторой максимальной величины, при которой станция выходит из строя и извещает вышестоящие уровни о нарушении связи. Это удвоение промежутка, называемое процедурой двоич­ного замедления, может улучшить характеристику системы.

Манчестерский код. Кроме проверки двух сигналов — обна­ружения столкновения и проверки несущей — блоки доступа к каналу передают символы в коаксиальный кабель и принимают их из кабеля. Блок кодирования передаваемых данных физичес-

8-1909 кого уровня кодирует символы в двоичные сигналы с помощью манчестерского кода (рис. 6.22).

При этой схеме половина символьного интервала применяет­ся для передачи логического дополнения к разряду данного ин­тервала, в течение второй половины передается исходное значе­ние этого разряда. Таким образом, единицы передаются положи­тельным переходом сигнала, а нули — отрицательным переходом. Функции кодирования-декодирования манчестерского кода вы­полняются передающим блоком кодирования и приемным бло­ком декодирования физического уровня. Эти блоки также гене­рируют и удаляют 64-разрядные серии, называемые преамбула­ми, которые предшествуют фактически передаваемому кадру и применяются для синхронизации.

Процедура                 определенная стандартом для коль­

ца с передачей метки, предусматривает применение дифференци­ального манчестерского кода (рис. 6.23).

В дифференциальном манчестерском коде для переноса дво­ичной информации применяются две полярности и переходы

происходят в середине двоичного интервала. Однако для разряда 1 первая половина двоичного интервала несет ту же полярность, что и вторая половина предыдущего интервала. Для разряда О переход происходит как в начале, так и в середине двоичного интервала. При этой процедуре возникают две возможности в зависимости от полярности в конце интервала, предшествующе­го первому интервалу (см. рис. 6.23).

СПЕЦИФИКАЦИИ ETHERNET

Ethernet — самая популярная в настоящее время сетевая архи­тектура. Она использует узкополосную передачу со скоростью 10 Мбит/с, топологию шина, а для регулирования трафика в ос­новном сегменте кабеля — метод CSMA/CD ( МДПН/ОС ) [40].

Среда (кабель) Ethernet является пассивной, т.е. получает пи­тание от компьютера. Следовательно, она прекращает работу из- за физического повреждения или неправильного подключения терминатора.

Характеристика сети Ethernet:

♦   традиционная топология — линейная шина;

♦    другие топологии — звезда — шина;

♦    тип передачи — узкополосная;

♦    метод доступа — CSMA/CD;

♦    скорость передачи данных — 10 и 100 Мбит/с;

♦    кабельная система — тонкий и толстый коаксиальный, UTP (Unshielded Twisted-Pair — неэкранированная витая пара).

Ethernet разбивает данные на пакеты (кадры), формат кото­рых отличается от формата пакетов, используемого в других сетях. Кадры представляют собой блоки информации, переда­ваемые как единое целое. Кадр Ethernet может иметь длину от 64 до 1518 байт, но сама структура кадра Ethernet использует по крайней мере 18 байт, поэтому размер блока данных в Ethernet — от 46 до 1500 байт. Каждый кадр содержит управ - ляющую информацию и имеет общую с другими кадрами орга­низацию.

Например, передаваемый по сети кадр Ethernet II (рис. 6.24) используется для протокола управления передачей межсетевого

протокола TCP/IP (Transmission Protocol). Кадр состоит из полей,

Поле кадра

Преамбула

Местоназначение и источник Тип

Циклический избыточный

код (CRC)

Данные

Control Protocol/Internetwork которые перечислены ниже.

Назначение

Отмечает начало кадра Указывает адрес источника и адрес приемника Используется для идентификации протокола сетевого уровня Поле информации для проверки ошибок Содержит передаваемую в кадре информацию

 

Приемник Тип

Приемник Тип

Рис. 6.24. Кадр данных Ethernet II Сети Ethernet используют различные варианты кабелей и то­пологий. Далее будут представлены варианты, основанные на спецификации IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers).

Ниже рассмотрены четыре топологии Ethernet со скоростью передачи данных 10 Мбит/с: lOBaseT, 10Base2, 10Base5, lOBaseFL.

lOBaseT. В 1990 г. IEEE опубликовал спецификацию 802.3 для построения сети Ethernet на основе витой пары. lOBaseT (10 — ско­рость передачи, измеряемая мегабитами в секунду, Base — узкопо­лосная, Г — витая пара) — сеть Ethernet, которая для соединения компьютеров обычно использует неэкранированную витую пару (UTP). Тем не менее и экранированная витая пара (STP) также может применяться в топологии lOBaseT без изменения ее параметров.

Большинство сетей этого типа строится в виде звезды, но по системе передачи сигналов представляют собой шину, как и дру­

гие конфигурации Ethernet. Обычно концентратор сети lOBaseT выступает как многопортовый репитер и часто располагается в распределительной стойке здания. Каждый компьютер подклю­чается к другому концу кабеля, соединенного с активным кон­центратором (рис. 6.25), и использует две пары проводов: одну — для приема, другую — для передачи.

Максимальная длина сегмента lOBaseT — 100 м (см. рис. 6.25). Минимальная длина кабеля — 2,5 м. Сеть lOBaseT может обслу­живать до компьютеров.

 

Сеть такого типа ориентирована на тонкий коаксиальный ка­бель, или "тонкий Ethernet", с максимальной длиной сегмента 185 м. Минимальная длина кабеля 0,5 м. Кроме того, существует ограничение на максимальное количество компьютеров, которое может быть размещено на                                                   сегменте кабеля, — 30 шт.

Компоненты кабеля "тонкий Ethernet": баррел-коннекторы, Т-коннекторы и терминаторы.

Сети на тонком Ethernet обычно имеют топологию "шина". Стандарты IEEE для "тонкого Ethernet" не предусматривают ис­пользования кабеля трансивера между Т-коннектором и компь­ютером. Вместо этого Т-коннектор располагают непосредствен­но на плате сетевого адаптера.

Баррел-коннектор, соединяя сегменты кабеля, позволяет уве­личить его общую длину. Например, вам нужен кабель длиной 30 м, а у вас есть сегменты тонкого кабеля по 20 и 5 м. Соедините двумя баррел-коннекторами эти сегменты, чтобы получить ка­бель нужной длины. Однако использование баррел-коннекторов желательно свести к минимуму, поскольку они ухудшают каче­ство сигнала.

Сеть на "тонком Ethernet" — экономичный способ реализа­ции сетей для небольших отделений и рабочих групп. Использу­емый в такого типа сетях кабель относительно недорогой, прост в установке и легко конфигурируется.

По спецификации IEEE 802.3 сеть на "тонком Ethernet" мо­жет поддерживать до 30 узлов (компьютеров и репитеров) на один кабельный сегмент. Но при этом необходимо соблюдать правило 5—4—3. Поясним его суть. Сеть на "тонком Ethernet" может со­стоять максимум из 5 сегментов кабеля, соединенных 4 репитера­ми, но только к 3 сегментам могут быть подключены рабочие станции. Таким образом, два сегмента остаются зарезервирован­ными для репитеров, их называют межрепитерными связями. Такая конфигурация известна как правило

На рис. 6.27 имеется 5 магистральных сегментов и 4 репитера. К магистральным сегментам 1, 2, 5 подключены компьютеры. Ма­гистральные сегменты 3 и 4 предназначены только для увеличе­ния общей длины сети.

Поскольку для сетей на "тонком Ethernet" ограничения слиш­ком жесткие, большие предприятия, чтобы соединить сегменты и увеличить общую длину сети до 925 м, используют репитеры.

lOBase 5. Так называется эта технология в соответствии со спецификацией IEEE. Известно и другое ее название — стан­дартный Ethernet.

Сети на толстом коаксиальном кабеле ("толстый Ethernet") обычно используют топологию шина. "Толстый Ethernet" может поддерживать до 100 узлов на магистральный сегмент. Магист­раль — главный кабель, к которому присоединяются трансиве­ры с подключенными к ним рабочими станциями и репитерами (рис. 6.28). Сегмент "толстого Ethernet" может иметь длину 500 м при общей длине сети 2500 м.

Расстояния и допуски для "толстого Ethernet" больше, чем для "тонкого Ethernet".

Трансивер Трансивер

Рис. 6.28. "Толстый Ethernet" с подключенным трансивером

Компоненты кабельной системы:

♦    трансиверы. Они обеспечивают связь между компьютером и главным кабелем ЛВС, совмещены с "зубом вампира", соеди­ненным с кабелем;

♦     кабели трансиверов (ответвляющиеся кабели). Они соеди­няют трансивер с платой сетевого адаптера;

♦   DIX-коннектор илиАШ-коннектор. Расположен на кабеле трансивера;

♦    коннекторы N-серии (в том числе баррел-коннекторы) и тер­минаторы N-серии.

Компоненты "толстого Ethernet" работают так же, как ком­поненты "тонкого Ethernet".

Суть правила 5—4—3для "толстого Ethernet"(рис. 6.29) состо­ит в следующем. Сеть на "толстом Ethernet" может состоять мак­симум из пяти магистральных сегментов, соединенных четырьмя репитерами, но только к трем сегментам могут быть подключены компьютеры. При вычислении общей длины кабеля "толстый Ethernet" длина кабеля трансивера не учитывается, т.е. в расчет принимают только длину сегмента кабеля "толстый Ethernet".

Минимальное расстояние между соседними подключениями 2,5 м. В это расстояние не входит длина кабеля трансивера. "Тол-

стый Ethernet" был разработан для построения ЛВС в рамках большого отдела или всего здания.

Обычно в крупных сетях используют "толстый" и "тонкий Ethernet". "Толстый Ethernet" хорошо подходит в качестве ма­гистрали, а для ответвляющихся сегментов применяют "тонкий Ethernet". Трансивер соединяется с кабелем "толстый Ethernet", AUI-коннектор кабеля трансивера включается в репитер. Ответ­вляющиеся сегменты "тонкого Ethernet" соединяются с репите­ром, а к ним уже подключаются компьютеры.

lOBaseFL. Эта топология представляет собой сеть Ethernet, в которой компьютеры и репитеры соединены оптоволоконным ка­белем.

, Основная причина популярности lOBaseFL — возможность прокладывать кабель между репитерами на большие расстояния (например, между зданиями). Максимальная длина сегмента lOBaseFL составляет 2 000 м.

Стандарты IEEE на 100 Мбит/с. Новые стандарты Ethernet позволяют преодолеть скорость передачи в 10 Мбит/с. Эти но­вые возможности разрабатываются для таких приложений, по­рождающих интенсивный трафик, как: CAD (Computer-Aided Design) — системы автоматизированного проектирования, САМ (Computer-Aided Manufacturing) — системы автоматизирован­ного производства, видео-, отображения и хранения документов.

Известны два стандарта Ethernet, которые могут удовлетво­рить возросшие требования:

•       100BaseVG-AnyLAN Ethernet;

•     lOOBaseX Ethernet (Fast Ethernet).

И Fast Ethernet, и                         Ethernet работают при­

мерно в 5—10 раз быстрее, чем стандартный Ethernet. Кроме того, они совместимы с существующей кабельной системой lOBaseT. Следовательно, переход от нее к этим стандартам осуществляет­ся достаточно просто и быстро.