Асинхронная и синхронная цифровая передача

 

Основное требование для цифровой передачи данных состоит в том, чтобы получатель знал момент начала и временной период пе­редачи каждого получаемого бита. Самая старая и простейшая схема обеспечения выполнения данного требования получила название асинхронной передачи. В данной схеме данные передаются по одному символу (5 или 8 бит) за раз. Каждому передаваемому символу пред­шествует передача стартового кода, а за передачей символа следует передача стопового кода.

 

 

Рис. 16.5. Базовые схемы мультиплексирования

 

При синхронной передаче данных блоки символов или бит пере­сылаются без стартовых и стоповых кодов, что является более эффективным. В этой схеме точное время посылки и прибытия каждо­го бита блока должно предсказываться, а это требует наличия опре­деленного механизма синхронизации передатчика и приемника. Для того чтобы приемник мог определить начало и конец блока переда­ваемых данных, каждый блок снабжается заголовком и концевиком. Данные, обрамленные заголовком и концевиком, получили назва­ние пакета. Содержание заголовка и концевика зависит от того, ка­кая используется схема построения блока (байт-ориентированная или бит-ориентированная).

В байт-ориентированной схеме заголовок и концевик представ­ляют собой один или несколько синхронизирующих символов, дво­ичное представление которых не совпадает с двоичным кодом ни одного из передаваемых в блоке информационных символов. В на­стоящее время байт-ориентированная схема синхронизации полно­стью вытеснена более эффективной и гибкой бит-ориентированной схемой, в которой битовые блоки передаваемой информации с по­мощью специальных приемов оформления в пакет выделяются в общем потоке непрерывно передаваемых от передатчика к приемни­ку битов.

 

Передача данных между двумя точками

По коммуникационной сети

 

Станции, узлы, коммуникационная сеть и методы коммутации

Устройства, взаимодействующие между собой через сеть, приня­то называть станциями. В качестве станций могут выступать ком­пьютеры, терминалы, принтеры и другое коммуникационное обору­дование.

В общем случае, не всегда станция-передатчик и станция-при­емник непосредственно связаны друг с другом линией связи. При отсутствии прямого канала для передачи данных от источника по­требителю используется передача через промежуточные, коммуника­ционные узлы сети, которые некоторым образом связаны между со­бой линиями связи и к которым подключаются сетевые станции. Основная функция данных узлов — обеспечить передачу транзитной информации от узла к узлу, не интересуясь ее содержанием.

Множество коммуникационных узлов в совокупности со связы­вающими их между собой каналами связи образуют коммуникацион­ную сеть, иногда называемую также подсетью связи. Если в качестве станций, подключаемых к узлам коммуникационной сети, выступа­ют компьютеры и терминалы, то подсеть связи с подключенными к ней станциями образует вычислительную сеть. При этом схема подключения станций линиями связи к коммуникационным узлам и ^соединение каналами связи этих узлов между собой определяют то­пологию вычислительной сети. Пример общей структуры вычислитель­ной сети с коммуникационными узлами приведен на рис. 16.6.

Следует отметить, что наличие подсети связи с коммуникацион­ными узлами является отличительной особенностью крупномасштаб­ных вычислительных сетей, в которых для передачи данных через транзитные узлы пользуются одним из трех базовых методов: комму­тацией каналов, сообщений или пакетов.

При построении простейших ЛВС нет необходимости иметь явно выраженные коммутационные узлы. В таких сетях при передаче дан­ных обычно используются более простые процедуры доступа сете­вых станций к общей передающей среде. Топология простейших ЛВС при этом представляет собой общую шину, звезду, кольцо или соче­тание перечисленных структур.

 

Рис. 16.6. Общая структура вычислительной сети

Метод коммутации каналов

Коммутация каналов используется в сетях в том случае, если между двумя станциями необходимо установление непосредственно­го физического канального соединения. Это соединение устанавли­вается в коммуникационных узлах сети до начала передачи данных. Типичным примером использования коммутации каналов является обычная телефонная сеть.

Реализация в сети метода коммутации каналов состоит в выпол­нении последовательности из трех фаз:

1) начальной фазы установления соединения между парой «стан­ция - станция» или «конец - конец»;

2) фазы двунаправленной передачи данных по сети;

3) фазы разъединения соединения после завершения обмена данными и освобождения заранее зарезервированных ресурсов.

Предварительное резервирование сетевых каналов на всем пути от передатчика к приемнику при коммутации каналов предусматри­вает, что узлы должны обладать способностью распределять ресурсы и выбирать маршруты при установке соединений. Предварительное резервирование всего пути имеет существенные недостатки, к ос­новным из которых относятся:

неэффективность использования ресурсов (каналы резервируют­ся даже на то время, когда данные не передаются);

высокая вероятность получения отказа при резервировании пути, включающего много транзитных узлов;

значительная задержка при установлении соединения и склон­ность сети к перегрузке;

лавинообразный рост отказов установления соединений в слу­чае перегрузки сети.

Однако данный способ имеет и некоторые преимущества. Так, после установления в сети с коммутацией каналов соединения пере­дача данных идет очень эффективно и практически без задержек.

 

Метод коммутации сообщений

Коммутация сообщений представляет собой реализацию прин­ципа поэтапной передачи данных с промежуточным хранением. Здесь нет необходимости заранее резервировать весь путь между двумя станциями. Сообщение (связанный блок данных) последовательно передается по сети от узла к узлу, которые в этом случае являются компьютерами, организующими промежуточное хранение транзит­ных сообщений и их маршрутизацию при передаче по сети. Для маршрутизации каждое сообщение снабжается заголовком с сетевы­ми адресами станции-передатчика и станции-приемника.

Коммутация сообщений увеличивает эффективность использо­вания линий связи; позволяет избежать блокировок сети при увели­чении сетевого трафика; обеспечивает возможности установления приоритетного обслуживания сообщений, осуществления контроля за ошибками передачи и использования процедур восстановления искаженных или потерянных данных; а также позволяет взаимодей­ствовать через сеть пользователям даже в случае использования ими различных скоростей передачи и кодов представления данных. В то же время задержки передачи, которые связаны, в первую очередь, с ожиданием длинных сообщений в очередях узлов и значительно воз­растают при увеличении нагрузки, не подходят для интерактивного сетевого взаимодействия и режима реального времени.

Методы пакетной коммутации

Метод коммутации сообщений в настоящее время нашел свое развитие в технике коммутации пакетов, которая используется в двух Модификациях: в режиме дейтаграм и в режиме виртуальных каналов.

Режим дейтаграм является прямым развитием коммутации со­общений, где сообщения предварительно разбиваются на небольшие, фиксированного размера порции (пакеты). Каждый пакет при пере­даче по коммуникационной сети является полностью независимой единицей. Для этого он снабжается своим заголовком, где указыва­ются сетевые адреса отправителя и получателя сообщения, а также порядковый номер отдельного пакета во всем сообщении.

Уменьшение размера передающихся порций информации и воз­можность одновременной передачи нескольких пакетов одного со­общения по альтернативным путям при данном подходе существен­но уменьшает сетевые задержки при передаче данных. Кроме того, коммутационные узлы могут иметь не столь большие, как при ком­мутации сообщений, размеры буферов для временного размещения транзитных пакетов, поэтому скорость обработки информации в этих узлах может быть повышена. На уменьшение задержек существенно влияет и то, что при обнаружении ошибок передачи в режиме ком­мутации пакетов повторно передаются лишь отдельные пакеты, а не целые сообщения.

Пакетная коммутация, однако, имеет и негативные явления. С одной стороны, при ее использовании увеличивается объем допол­нительной, служебной информации, передающейся по сети (заго­ловки отдельных пакетов). С другой стороны, в режиме дейтаграм существует проблема организации сборки переданного сообщения в узле назначения. Эта проблема связана с тем, что отдельные пакеты, проходя различными маршрутами по подсети связи, будут прихо­дить в конечный узел назначения в неупорядоченной последователь­ности.

Режим виртуальных каналов является попыткой соединить во­едино преимущества как метода коммутации каналов, так и метода коммутации сообщений. При этом подходе еще до посылки по сети первого информационного пакета между двумя конечными точками организуется логическое соединение, связанное с реализацией трех фаз, присущих методу коммутации каналов (фазы начального установле­ния соединения, фазы двунаправленной передачи данных и фазы разъединения соединения).

Вызывающая станция сначала посылает по сети служебный па­кет запроса на установление виртуального канала, связывающего станцию-инициатор с вызываемой станцией. Подсеть связи маршрутизирует этот пакет как обычную дейтаграму, содержащую в заголовке сетевые адреса двух конечных станций. Передвигаясь по сети этот пакет закрепляет за пройденным маршрутом номер устанавливаемого виртуального канала. Номер логического канала, запомина­емый в транзитных узлах, закрепляется за двунаправленным марш­рутом для каждого конкретного вызова обмена данными.

После установления логического соединения, т.е. после получе­ния вызывающей станцией пакета-ответа на запрос, по установлен­ному виртуальному каналу начинается пересылка информационных пакетов сообщения. Последовательная передача пакетов по установ­ленному логическому каналу полностью обеспечивает их получение в правильной последовательности. Поэтому заголовок каждого ин­формационного пакета уже не нуждается в порядковом номере, а также и в указании сетевых адресов обеих станций-абонентов (до­статочно лишь указание номера логического канала). Следователь­но, при коммутации виртуальных каналов не только уменьшается объем передачи дополнительной служебной информации, но и обес­печивается интерактивный режим взаимодействия двух станций-або­нентов.

Заметим, что весь путь целиком между двумя станциями-або­нентами в данном случае не резервируется. Пакеты передаются от узла к узлу с промежуточным хранением и ожидают в общих очере­дях к каналам, связывающих эти транзитные узлы. Однако для каж­дого соединения между станциями-абонентами маршрутизация осуществляется только один раз при установлении соединения.

Конечно, если отдельной станции необходимо передать по сети всего несколько пакетов, то режим дейтаграм будет более быстрым и предпочтительным. Однако, если между станциями необходим об­мен данными на протяжении значительного периода времени, пред­почтение следует отдать виртуальным соединениям. Поэтому в вы­числительных сетях на практике применяются сочетания различных методов коммутации в зависимости от требований приложений, ко­личественных и качественных характеристик узлов, линий связи и трафика.