Многоуровневый подход к декомпозиции сетевого взаимодействия

Идеальная модель взаимодействия открытых систем OSI. Многоуровневый подход к декомпозиции сетевого взаимодействия. Понятия протоколы и интерфейсы. Уровни модели OSI. Примеры коммуникационного оборудования, работающего на соответствующих уровнях модели OSI.

Многоуровневый подход к декомпозиции сетевого взаимодействия

Организация взаимодействия между устройствами в сети является сложной задачей. Как известно, для решения сложных задач используется универсальный прием - декомпозиция, то есть разбиение одной сложной задачи на несколько более простых задач-модулей (рис. 1.20). В результате достигается логическое упрощение задачи, а кроме того, появляется возможность модификации отдельных модулей без изменения остальной части системы.

Еще более эффективной концепцией, развивающей идею декомпозиции, является много-

уровневый подход. Все множество модулей разбивают на уровни. Уровни образуют иерархию, то есть имеются вышележащие и нижележащие уровни (рис. 1.21). Множество модулей для выполнения своих задач обращаются с запросами только к модулям непосредственно примыкающего нижележащего уровня. С другой стороны, результаты работы всех модулей, принадлежащих некоторому уровню, могут быть переданы только модулям соседнего вышележащего уровня. Такой подход дает возможность проводить разработку, тестирование и модификацию отдельного уровня независимо от других уровней. Иерархическая декомпозиция позволяет, двигаясь от более низкого уровня к более высокому, переходить ко все более и более абстрактному, а значит, более простому представлению исходной задачи.

Интерфейс определяет набор функций, которые нижележащий уровень предоставляет вышележащему. Формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты, лежащие на одном уровне, но в разных узлах, называются протоколом.

Идеальная модель взаимодействия открытых систем OSI

Уровни модели OSI

Физический уровень

Этот уровень имеет дело с передачей битов по физическим каналам, таким, например, как коаксиальный кабель, витая пара или оптоволоконный кабель. Со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером или последовательным портом. Примером протокола физического уровня может служить спецификация 10Base-T технологии Ethernet, которая определяет в качестве используемого кабеля неэкранированную витую пару категории 3. Физический уровень не вникает в смысл информации, которую он передает. Для него эта информация представляет собой однородный поток битов, которые нужно доставить без искажений и в соответствии с заданной тактовой частотой (интервалом между соседними битами).

Канальный уровень

Одной из задач является проверка доступности среды передачи. Другой задачей является реализация механизмов обнаружения и коррекции ошибок. Для этого на канальном уровне биты группируются в наборы, называемые кадрами (frames). Канальный уровень обеспечивает корректность передачи, добавляя контрольную сумму к кадру. Канальный уровень может не только обнаруживать ошибки, но и исправлять их за счет повторной передачи поврежденных кадров. Функция исправления ошибок не является обязательной для канального уровня, поэтому в некоторых протоколах этого уровня она отсутствует, например, в Ethernet и frame relay. К типовым топологиям, поддерживаемым протоколами канального уровня локальных сетей, относятся общая шина, кольцо и звезда. Примерами протоколов канального уровня являются протоколы Ethernet, Token Ring, FDDI, l00VG-AnyLAN. В компьютерах функции канального уровня реализуются совместными усилиями сетевых адаптеров и их драйверов.

Сетевой уровень

Этот уровень служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей с различными принципами передачи информации между конечными узлами. Отвечает за трансляцию логических адресов и имён в физические, определение кратчайших маршрутов, коммутацию и маршрутизацию, отслеживание неполадок и «заторов» в сети. Сообщения сетевого уровня принято называть пакетами (packets). При организации доставки пакетов на сетевом уровне используется понятие «номер сети». Примерами протоколов сетевого уровня являются протокол межсетевого взаимодействия IP стека TCP/IP, протокол маршрутизации – RIP.

Транспортный уровень

Он обеспечивает приложениям или верхним уровням стека - прикладному и сеансовому - передачу данных с той степенью надежности, которая им требуется. В качестве примера транспортных протоколов можно привести протоколы TCP и UDP стека TCP/IP. Как правило, все протоколы, начиная с транспортного уровня и выше, реализуются программными средствами узлов сети.

Сеансовый уровень

Сеансовый уровень позволяет пользователям различных компьютеров устанавливать сеансы связи друг с другом. Функции: управление диалогом (отслеживание очередности передачи данных), управление маркерами (предотвращение одновременного выполнения критичной операции несколькими системами) и синхронизация (установка служебных меток внутри длинных сообщений, позволяющих после устранения ошибки продолжить передачу с того места, на котором она оборвалась). На практике немногие приложения используют сеансовый уровень, и он редко реализуется в виде отдельных протоколов, хотя функции этого уровня часто объединяют с функциями прикладного уровня и реализуют в одном протоколе.

Уровень представления

Этот уровень обеспечивает гарантию того, что информация, передаваемая прикладным уровнем, будет понятна прикладному уровню в другой системе. Он имеет дело с формой представления передаваемой по сети информации, не меняя при этом ее содержания (например кодов ASCII и EBCDIC). На этом уровне может выполняться шифрование и дешифрование данных. Примером протокола, работающего на уровне представления, является протокол Secure Socket Layer (SSL).

Прикладной уровень

Это в действительности просто набор разнообразных протоколов, с помощью которых пользователи сети получают доступ к разделяемым ресурсам, таким как файлы, принтеры или гипертекстовые Web-страницы, а также организуют свою совместную работу, например, с помощью протокола электронной почты. Единица данных, которой оперирует прикладной уровень, обычно называется сообщением (message). К протоколам прикладного уровня относится, в частности, упоминавшийся ранее протокол HTTP, с помощью которого браузер взаимодействует с веб-сервером. Приведем в качестве примера также несколько наиболее распространенных реализаций сетевых файловых служб: SMTP, NFS и FTP в стеке TCP/IP.

Примеры коммуникационного оборудования, работающего на соответствующих уровнях модели OSI

Компьютер с установленной на нем сетевой ОС взаимодействует с другим компьютером с помощью протоколов всех семи уровней. Это взаимодействие компьютеры осуществляют опосредовано через различные коммуникационные устройства: концентраторы, модемы, мосты, коммутаторы, маршрутизаторы, мультиплексоры. В зависимости от типа коммуникационное устройство может работать либо только на физическом уровне (повторитель), либо на физическом и канальном (мост/коммутатор, сетевой адаптер), либо на физическом, канальном и сетевом, иногда захватывая и транспортный уровень (маршрутизатор).

Модель OSI
Тип данных	Уровень (layer)	Функции
Данные	7. Прикладной (application)	Доступ к сетевым службам
6. Представительский (presentation)	Представление и шифрование данных
5. Сеансовый (session)	Управление сеансом связи
Сегменты	4. Транспортный (transport)	Прямая связь между конечными пунктами и надежность
Пакеты	3. Сетевой (network)	Определение маршрута и логическая адресация
Кадры	2. Канальный (data link)	Физическая адресация
Биты	1. Физический (physical)	Работа со средой передачи, сигналами и двоичными данными

Методы передачи данных на физическом уровне. Типы физических каналов. Характеристики физических каналов. Сетевые топологии. Методы аналоговой модуляции и цифрового кодирования. Дискретная модуляция аналоговых сигналов.

Типы физических каналов

• витая пара;

• коаксиальные кабели;

• волоконно-оптические кабели.

Витой парой называется скрученная пара проводов. Этот вид среды передачи данных очень популярен. Кабель может состоять из нескольких скрученных пар (внешние кабели иногда содержат до нескольких десятков таких пар). Скручивание проводов снижает влияние внешних и взаимных помех на полезные сигналы, передаваемые по кабелю.

Все кабели UTP на основе неэкранированной витой пары независимо от их категории выпускаются в 4-парном исполнении. Каждая из 4-х пар кабеля имеет определенный цвет и шаг скрутки. Обычно две пары предназначены для передачи данных, две — для передачи голоса.

Экранированная витая пара хорошо защищает передаваемые сигналы от внешних помех,

а также меньше излучает электромагнитные колебания вовне, что, в свою очередь, защищает пользователей сетей от вредного для здоровья излучения. Наличие заземляемого экрана удорожает кабель и усложняет его прокладку.

Рис. 8. 16. Устройство кабелей

Коаксиальный кабель состоит из несимметричных пар проводников. Каждая пара представляет собой внутреннюю медную жилу и соосную с ней внешнюю жилу, которая может быть полой медной трубой или оплеткой, отделенной от внутренней жилы диэлектрической изоляцией. Внешняя жила играет двоякую роль — по ней передаются информационные сигналы и она является экраном, защищающим внутреннюю жилу от внешних электромагнитных полей. Существует несколько типов коаксиального кабеля, отличающихся характеристиками и областями применения: для локальных компьютерных сетей, для глобальных телекоммуникационных сетей, для кабельного телевидения и т. п. Согласно современным стандартам коаксиальный кабель не считается хорошим выбором

при построении структурированной кабельной системы зданий. Далее приводятся основные типы и характеристики этих кабелей.

• «Толстый» коаксиальный кабель разработан для сетей Ethernet 10Base-5 (сложно монтировать — он плохо гнется).

• «Тонкий» коаксиальный кабель предназначен для сетей Ethernet 10Base-2 (обладает гораздо большей гибкостью, что удобно при монтаже).

• Телевизионный кабель с волновым сопротивлением 75 Ом широко применяется в кабельном телевидении.

Волоконно-оптический кабель состоит из тонких (5-60 микрон) гибких стеклянных волокон, по которым распространяются световые сигналы. Это наиболее качественный тип кабеля — он обеспечивает передачу данных с очень высокой скоростью (до 10 Гбит/с и выше) и к тому же лучше других типов передающей среды обеспечивает защиту данных от внешних помех (легко экранировать). Каждый световод состоит из центрального проводника света (сердцевины) — стеклянного волокна, и стеклянной оболочки. Распространяясь по сердцевине, лучи света не выходят за ее пределы, отражаясь от покрывающего слоя оболочки.

Понятие «мода» описывает режим распространения световых лучей в сердцевине кабеля. Угол отражения луча называется модой луча.

В одномодовом кабеле используется центральный проводник очень малого диаметра. При этом практически все лучи света распространяются вдоль оптической оси световода, не отражаясь от внешнего проводника (дорогой).

В многомодовых кабелях используются более широкие внутренние сердечники, которые легче изготовить технологически. В многомодовых кабелях во внутреннем проводнике одновременно существует несколько световых лучей, отражающихся от внешнего проводника под разными углами.

Многомодовые кабели применяют в основном для передачи данных на скоростях не более 1 Гбит/с на небольшие расстояния (до 300-2000 м), а одномодовые — для передачи данных со сверхвысокими скоростями в несколько десятков гигабитов в секунду (дальняя связь).

В качестве источников света в волоконно-оптических кабелях применяются:

• светодиоды, или светоизлучающие диоды (Light Emitted Diode, LED);

• полупроводниковые лазеры, или лазерные диоды.

Стоимость волоконно-оптических кабелей ненамного превышает стоимость кабелей на витой паре, но проведение монтажных работ с оптоволокном обходится намного дороже из-за трудоемкости операций и высокой стоимости применяемого монтажного оборудования.

Сетевые топологии

Сетевая топология (от греч. τоπος - место) — способ описания конфигурации сети, схема расположения и соединения сетевых устройств.

Среди множества возможных конфигураций различают полносвязные и неполносвязные.

Рис. 2.10. Типовые топологии сетей

Ячеистая топология получается из полносвязной путем удаления некоторых связей (рис. 2.10, б). Характерна, как правило, для крупных сетей.

В сетях с кольцевой топологией (рис. 2.10, в) данные передаются по кольцу от одного компьютера к другому. Звездообразная топология (рис. 2.10, г) образуется в случае, когда каждый компьютер

подключается непосредственно к общему центральному устройству, называемому концентратором. Иногда имеет смысл строить сеть с использованием нескольких концентраторов, иерархически соединенных между собой звездообразными связями (рис. 2.10, д). Получаемую в результате структуру называют иерархической звездой, или деревом. В настоящее время дерево является самой распространенной топологией связей как в локальных, так и глобальных сетях.

Особым частным случаем звезды является общая шина (рис. 2.10, е). Основными преимуществами такой схемы являются ее дешевизна и простота присоединения новых узлов к сети, а недостатками — низкая надежность (любой дефект кабеля полностью парализует всю сеть) и невысокая производительность (в каждый момент времени только один компьютер может передавать данные по сети, поэтому пропускная способность делится здесь между всеми узлами сети).

Аналоговая модуляция

Аналоговая модуляция применяется для передачи дискретных данных по каналам с узкой полосой частот, типичным представителем которых является канал тональной частоты, предоставляемый в распоряжение пользователям общественных телефонных сетей.

Устройство, которое выполняет функции модуляции несущей синусоиды на передающей стороне и демодуляции на приемной стороне, носит название модем (мод улятор - дем одулятор).

Методы аналоговой модуляции

Аналоговая модуляция является таким способом физического кодирования, при котором информация кодируется изменением амплитуды, частоты или фазы синусоидального сигнала.

1. Этот способ редко используется в чистом виде на практике из-за низкой помехоустойчивости, но часто применяется в сочетании с другим видом модуляции - фазовой модуляцией.

2. Этот способ модуляции не требует сложных схем в модемах и обычно применяется в низкоскоростных модемах, работающих на скоростях 300 или 1200 бит/с.

3. При фазовой модуляции значениям данных 0 и 1 соответствуют сигналы одинаковой частоты, но с различной фазой, например 0 и 180 градусов или 0,90,180 и 270 градусов.

В скоростных модемах часто используются комбинированные методы модуляции, как правило, амплитудная в сочетании с фазовой.

Цифровое кодирование

Существуют различные способы кодирования двоичных цифр, например потенциальный способ, при котором единице соответствует один уровень напряжения, а нулю — другой, или импульсный способ, когда для представления цифр используются импульсы различной полярности.

В потенциальных кодах для представления логических единиц и нулей используется только значение потенциала сигнала, а его перепады, формирующие законченные импульсы, во внимание не принимаются. Импульсные коды позволяют представить двоичные данные либо импульсами определенной полярности, либо частью импульса - перепадом потенциала определенного направления.

Методы цифрового кодирования

Потенциальный код NRZ (Non Return to Zero, без возвращения к нулю)

Для передачи единиц и нулей используются два устойчиво различаемых потенциала. Достоинства: простота реализации, хорошая распознаваемость ошибок (т.к. два резко отличающихся потенциалов). Недостатки: не обладает свойством самосинхронизации.

Биполярное кодирование AMI

Одной из модификаций метода NRZ является метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией (Alternate Mark Inversion, AMI). В этом методе применяются триуровня потенциала — отрицательный, нулевой и положительный (см. рис. 9.7, б). Длякодирования логического нуля используется нулевой потенциал, а логическая единицакодируется либо положительным потенциалом, либо отрицательным, при этом потенциалкаждой новой единицы противоположен потенциалу предыдущей.При передаче длинных последовательностей единиц код AMI частично решает проблемыналичия постоянной составляющей и отсутствия самосинхронизации, присущие коду NRZ.

Потенциальный код NRZI

Существует код, похожий на AMI, но только с двумя уровнями сигнала. При передаче нуля

он передает потенциал, который был установлен на предыдущем такте (то есть не меняет его), а при передаче единицы потенциал инвертируется на противоположный. Этот код называется потенциальным кодом с инверсией при единице (Non Return to Zero with ones Inverted, NRZI). Он удобен в тех случаях, когда наличие третьего уровня сигнала весьма нежелательно, например в оптических кабелях, где устойчиво распознаются только два состояния сигнала — свет и темнота. Код NRZI обладает плохой самосинхронизацией, так как при передаче длинных последовательностей нулей сигнал вообще не меняется.

Биполярный импульсный код

Помимо потенциальных кодов в сетях используются и импульсные коды, в которых данные представлены полным импульсом или же его частью — фронтом. Наиболее простым кодом такого рода является биполярный импульсный код, в котором единица представляется импульсом одной полярности, а ноль — другой (см. рис. 9.7, в). Каждый импульс длится половину такта. Подобный код обладает отличными самосинхронизирующими свойствами. Из-за слишком широкого спектра биполярный импульсный код используется редко.

Манчестерский код

В локальных сетях до недавнего времени самым распространенным был так называемый манчестерский код (см. рис. 9.7, г). Он применяется в технологиях Ethernet и Token Ring. Для кодирования единиц и нулей используется перепад потенциала, то есть фронт импульса. При манчестерском кодировании каждый такт делится на две части. Информация кодируется перепадами потенциала, происходящими в середине каждого такта. Единица кодируется перепадом от низкого уровня сигнала к высокому, а ноль — обратным перепадом. Манчестерский код обладает хорошими самосинхронизирующими свойствами.

Потенциальный код 2B1Q

На рис. 9.7, д показан потенциальный код с четырьмя уровнями сигнала для кодирования данных. Это код 2B1Q, название которого отражает его суть — каждые два бита (2В) передаются за один такт (1) сигналом, имеющим четыре состояния (Q — Quadra). Паре битов 00 соответствует потенциал -2,5 В, паре 01 — потенциал -0,833 В, паре 11 — потенциал +0,833 В, а паре 10 — потенциал +2,5 В.

С помощью кода 2B1Q можно по одной и той же линии передавать данные в два раза быстрее, чем с помощью кода AMI или NRZI. Однако для его реализации мощность передатчика должна быть выше.

MLT-3 Multi Level Transmission — 3 (многоуровневая передача) — метод кодирования, использующий три уровня сигнала. Единице соответствует переход с одного уровня сигнала на следующий. Так же как и в методе NRZI при передаче «нуля» сигнал не меняется.

Для улучшения потенциальных кодов типа AMI, NRZI или 2Q1B используются избыточные коды(4B/5B) и скрэмблирование.

Методы передачи данных на канальном уровне. Основные функции канального уровня. Асинхронные и синхронные протоколы. Управление потоком. Методы обнаружения и исправления ошибок. Методы контроля передачи данных.

При передаче кадров данных на канальном уровне используются как дейтаграммные процедуры, работающие без становления соединения (connectionless), так и процедуры с предварительным установлением логического соединения (connection-oriented).
При дейтаграммной передаче кадр посылается в сеть "без предупреждения", и никакой ответственности за его утерю протокол не несет. Предполагается, что сеть всегда готова принять кадр от конечного узла. Однако при таком методе трудно организовать в рамках протокола отслеживание факта доставки кадра узлу назначения.
Передача с установлением соединения более надежна, но требует больше времени для передачи данных и вычислительных затрат от конечных узлов. В этом случае узлу-получателю отправляется служебный кадр специального формата с предложением установить соединение. Если узел-получатель согласен с этим, то он посылает в ответ другой служебный кадр, подтверждающий установление соединения и предлагающий для данного логического соединения некоторые параметры, например идентификатор соединения, максимальное значение поля данных кадров и т.п. Узел-инициатор соединения может завершить процесс установления соединения отправкой третьего служебного кадра, в котором сообщит, что предложенные параметры ему подходят. На этом логическое соединение считается установленным.

Основные функции канального уровня

Канальный уровень также носит названия: уровень управления передачей данных (Data Link Control, DLC). Одной из задач является проверка доступности среды передачи. Другой задачей является реализация механизмов обнаружения и коррекции ошибок. Для этого на канальном уровне биты группируются в наборы, называемые кадрами (frames). Канальный уровень обеспечивает корректность передачи, добавляя контрольную сумму к кадру. Канальный уровень может не только обнаруживать ошибки, но и исправлять их за счет повторной передачи поврежденных кадров.

Управление потоком

Другая важная проблема, которая решается на канальном уровне — управление потоком. Вполне может случиться, что отправитель будет слать кадры столь часто, что получатель не будет успевать их обрабатывать (например, если машина-отправитель более мощная или загружена слабее, чем машина-получатель). Для борьбы с такими ситуациями вводят управления потоком. Это управление предполагает обратную связь между отправителем и получателем, которая позволяет им урегулировать такие ситуации. Есть много схем управления потоком и все они в основе своей имеют следующий сценарий: прежде, чем отправитель начнёт передачу, он спрашивает у получателя сколько кадров тот может принять. Получатель сообщает ему определённое число кадров. Отправитель после того, как передаст это число кадров, должен приостановить передачу и снова спросить получателя, как много кадров тот может принять, и т.д.

Методы обнаружения ошибок

Все методы обнаружения ошибок основаны на передаче в составе кадра данных служебной избыточной информации, по которой можно судить о достоверности принятых данных. Эту служебную информации принято называть контрольной суммой (или последовательностью контроля кадра — Frame Check Sequence, PCS). Контрольная сумма вычисляется как функция от основной информации. Принимающая сторона повторно вычисляет контрольную сумму кадра по известному алгоритму и в случае ее совпадения с контрольной суммой, вычисленной передающей стороной, делает вывод о корректости переданных данных.

Существует несколько распространенных алгоритмов вычисления контрольной суммы.

Контроль по паритету представляет собой наиболее простой метод контроля дан­ных, обнаруживающий только одиночные ошибки в проверяемых данных. Метод заклю­чается в суммировании по модулю 2 всех бит контролируемой информации (или добавление к блоку данных бита четности, чтобы количество единиц в блоке было четным). Результат суммирования также представляет собой один бит данных, который пересылается вместе с контролируемой информацией. Однако двойная ошибка, например 110101010, будет неверно принята за коррект­ные данные. Метод редко применяется в вычислительных сетях из-за его боль­шой избыточности (1/8).

Вертикальный и горизонтальный контроль по паритету представляет собой моди­фикацию описанного выше метода. Его отличие состоит в том, что исходные данные рассматриваются в виде матрицы, строки которой составляют байты данных. Конт­рольный разряд подсчитывается отдельно для каждой строки и для каждого столбца матрицы. Этот метод обнаруживает большую часть двойных ошибок, однако облада­ет еще большей избыточностью. На практике сейчас почти не применяется.

Циклический избыточный контроль (Cyclic Redundancy Check, CRC) является в настоящее время наиболее популярным методом контроля в вычислительных се­тях (и не только в сетях, например, этот метод широко применяется при записи данных на диски и дискеты). Метод основан на рассмотрении исходных данных в виде одного многоразрядного двоичного числа. В качестве контрольной информации рассматривается остаток от деления этого числа на известный делитель R. При получении кадра данных снова вычисляется остаток от деления на тот же делитель R, но при этом к данным кадра добавляется и содержащаяся в нем контрольная сумма. Если остаток от деления на R равен нулю, то делается вывод об отсутствии ошибок в полученном кадре, в противном случае кадр считается искаженным. Метод CRC обнаруживает все одиночные ошибки, двойные ошибки и ошибки в нечетном числе бит. Метод обладает также невысокой степенью избыточности (4 байта).

Методы коррекции ошибок

Техника кодирования, которая позволяет приемнику не только понять, что присланные данные содержат ошибки, но и исправить их, называется прямой коррекцией ошибок - (Forward Error Correction, FEC). Коды, которые обеспечивают прямую коррекцию ошибок, требуют введения большей избыточности в передаваемые данные, чем коды, только обнаруживающие ошибки.

Код Хэмминга представляет собой код, который позволяет выявить и исправить ошибочно переданный бит в пределах переданного блока. Обычно код Хэмминга характеризуется двумя целыми числами, например, (11,7) используемый при передаче 7-битных ASCII-кодов. Такая запись говорит, что при передаче 7-битного кода используется 4 контрольных бита (7+4=11). При этом предполагается, что имела место ошибка в одном бите.

Расстояние Хэмминга для двух кодов равной длины равно числу разных бит в этих кодах.

Рассмотрим пример передачи кода буквы s = 0x073 = 1110011 с использованием кода Хэмминга.

Позиция бита:
Значение бита:				*				*		*	*

Символами * помечены четыре позиции, где должны размещаться контрольные биты. Эти позиции определяются целой степенью 2 (1, 2, 4, 8 и т.д.). Контрольная сумма формируется путем выполнения операции XOR (исключающее ИЛИ) над кодами позиций ненулевых битов. В данном случае это 11, 10, 9, 5 и 3. Вычислим контрольную сумму:

11 =
10 =
09 =
05 =
03 =
S =

Таким образом, приемник получит код:

Позиция бита:
Значение бита:

Просуммируем снова коды позиций ненулевых битов и получим нуль.

11 =
10 =
09 =
08 =
05 =
04 =
03 =
02 =
S =

Ну а теперь рассмотрим два случая ошибок в одном из битов посылки, например, в бите 7 (1 вместо 0) и в бите 5 (0 вместо 1). Просуммируем коды позиций ненулевых бит еще раз.

11 =   10 =   09 =   08 =   07 =   05 =   04 =   03 =   02 =   S =

11 =   10 =   09 =   08 =   04 =   03 =   02 =   S =

В обоих случаях контрольная сумма равна позиции бита, переданного с ошибкой. Теперь для исправления ошибки достаточно инвертировать бит, номер которого указан в контрольной сумме. Понятно, что если ошибка произойдет при передаче более чем одного бита, код Хэмминга при данной избыточности окажется бесполезен.

Пульсации ошибок характерны для беспроводных каналов, в которых применяют сверточные коды. Поскольку для распознавания наиболее вероятного корректного кода в этом методе задействуется решетчатая диаграмма, то такие коды еще называют решетчатыми. Эти коды используются и в модемах.

Коммутация каналов и пакетов. Коммутация каналов на основе частотного мультиплексирования. Коммутация каналов на основе разделения времени. Методы коммутации пакетов. Виртуальные каналы. Сети с коммутацией каналов и коммутацией пакетов.

Коммутация каналов

Коммутация каналов подразумевает образование непрерывного составного физического канала из последовательно соединенных отдельных участков для прямой передачи данных между узлами.

Отдельные каналы соединяются между собой специальной аппаратурой - коммутаторами. В сети с коммутацией каналов перед передачей данных всегда необходимо выполнить процедуру установления соединения, в процессе которой и создается составной канал. Коммутаторы, а также соединяющие их каналы должны обеспечивать одновременную передачу данных нескольких абонентских каналов. Для этого они должны быть высокоскоростными и поддерживать какую-либо технику мультиплексирования абонентских каналов. Для всех возможных потоков заранее определяются маршруты, которые задаются либо «вручную» администратором сети, либо автоматически. Маршруты фиксируются в таблицах, на основании которых происходит продвижение данных.

В настоящее время для мультиплексирования абонентских каналов используются:

• частотное мультиплексирование (Frequency Division Multiplexing, FDM);

• временное мультиплексирование (Time Division Multiplexing, TDM);

Метод TDM используется при коммутации как каналов, так и пакетов. Методы FDM, WDM и CDMA пригодны исключительно для коммутации каналов.

Техника частотного мультиплексирования (FDM) была разработана для телефонных

сетей, но применяется она и для других видов сетей, например сетей кабельного телевидения.

Основная идея этого метода состоит в выделении каждому соединению собственного диапазона частот в общей полосе пропускания линии связи. На основе этого диапазона создается канал. Данные, передаваемые в канале, модулируются с помощью одного из описанных ранее методов с использованием несущей частоты, принадлежащей диапазону канала. Мультиплексирование выполняется с помощью смесителя частот, а демультиплексирование — с помощью узкополосного фильтра, ширина которого равна ширине диапазона канала.

Рассмотрим особенности этого вида мультиплексирования на примере телефонной сети. На входы FDM-коммутатора поступают исходные сигналы от абонентов телефонной сети. Коммутатор переносит частоту каждого канала в выделенный каналу диапазон за счет модуляции определенной несущей частоты. Чтобы низкочастотные составляющие сигналов разных каналов не смешивались между собой, полосы делают шириной в 4 кГц, а не в 3,1 кГц, оставляя между ними страховочный промежуток в 900 Гц (рис. 38). В линии связи между двумя FDM-коммутаторами одновременно передаются сигналы всех абонентских каналов, но каждый из них занимает свою полосу частот. Такой канал называют уплотненным.

FDM-коммутация разрабатывалась в расчете на передачу голосовых аналоговых сигналов. Переход к цифровой форме представления голоса стимулировал разработку новой техники мультиплексирования, ориентированной на дискретный характер передаваемых данных и носящей название временного мультиплексирования (TDM). Принцип временного мультиплексирования заключается в выделении канала каждому соединению на определенный период времени. Применяются два типа временного мультиплексирования — асинхронный и синхронный. С асинхронным режимом TDM мы уже знакомы — он применяется в сетях с коммутацией пакетов. Каждый пакет занимает канал определенное время, необходимое для его передачи между конечными точками канала. Между различными информационными потоками нет синхронизации, каждый пользователь пытается занять канал тогда, когда у него возникает потребность в передаче информации. Рассмотрим теперь синхронный режим TDM. В этом случае доступ всех информационных потоков к каналу синхронизируется таким образом, чтобы каждый информационный поток периодически получал канал в свое распоряжение на фиксированный промежуток времени.

Аппаратура TDM-сетей — мультиплексоры, коммутаторы, демультиплексоры — работает в режиме разделения времени, поочередно обслуживая в течение цикла своей работы все абонентские каналы. Цикл равен 125 мкс, что соответствует периоду следования замеров голоса в цифровом абонентском канале. Каждому соединению выделяется один квант времени цикла работы аппаратуры, называемый также тайм-слотом. Длительность тайм-слота зависит от числа абонентских каналов, обслуживаемых мультиплексором или коммутатором.

Работа TDM-оборудования напоминает работу сетей с коммутацией пакетов, так как каждый байт данных можно считать некоторым элементарным пакетом. Однако в отличие от пакета компьютерной сети «пакет» TDM-сети не имеет индивидуального адреса. Его адресом является порядковый номер в кадре или номер выделенного тайм-слота в мультиплексоре или коммутаторе. \

Методы коммутации пакетов

Коммутация пакетов — это техника коммутации абонентов, которая была специально разработана для эффективной передачи компьютерного трафика.