I. Проблемы физической передачи данных по линиям связи

I. Проблемы физической передачи данных по линиям связи

1. "Внутреннее" кодирование.

В вычислительной технике для представления данных используется двоичный код. Внутри компьютера единицам и нулям данных соответствуют дискретные электрические сигналы. Представление данных в виде электрических или оптических сигналов называется кодированием. Существуют различные способы кодирования двоичных цифр 1 и 0, например, потенциальный способ» при котором единице соответствует один уровень напряжения, а нулю - другой, или импульсный способ, когда для представления цифр используются импульсы различной или одной полярности.

2. "Внешнее" кодирование.

Аналогичные подходы могут быть использованы для кодирования данных и при передаче их между двумя компьютерами по линиям связи. Однако эти линии связи отличаются по своим электрическим характеристикам от тех, которые существуют внутри компьютера. Главное отличие внешних линий связи от внутренних состоит в их гораздо большей протяженности, а также в том, что они проходят вне экранированного корпуса по пространствам, зачастую подверженным воздействию сильных электромагнитных помех. Все это приводит к существенно большим искажениям прямоугольных импульсов (например, «заваливанию» фронтов), чем внутри компьютера. Поэтому для надежного распознавания импульсов на приемном конце линии связи при передаче данных внутри и вне компьютера не всегда можно использовать одни и те же скорости и способы кодирования.

В вычислительных сетях применяют как потенциальное, так и импульсное кодирование дискретных данных, а также специфический способ представления данных, который никогда не используется внутри компьютера, - модуляцию (показать, если нужно).

Обычно модуляция используется в глобальных сетях при передаче данных через аналоговые телефонные каналы связи, которые были разработаны для передачи голоса в аналоговой форме и поэтому плохо подходят для непосредственной передачи импульсов.

Количество проводов.

На способ передачи сигналов влияет и количество проводов в линиях связи между компьютерами. Для сокращения стоимости линий связи в сетях обычно стремятся к сокращению количества проводов и из-за этого используют не параллельную передачу всех бит одного байта или даже нескольких байт, как это делается внутри компьютера, а последовательную, побитную передачу, требующую всего одной пары проводов.

 

Взаимная синхронизация.

Еще одной проблемой, которую нужно решать при передаче сигналов, является проблема взаимной синхронизации передатчика одного компьютера с приемником другого. При организации взаимодействия модулей внутри компьютера эта проблема решается очень просто, так как в этом случае все модули синхронизируются от общего тактового генератора. Проблема синхронизации при связи компьютеров может решаться разными способами, как с помощью обмена специальными тактовыми синхроимпульсами по отдельной линии, так и, с помощью периодической синхронизации заранее обусловленными кодами или импульсами характерной формы, отличающейся от формы импульсов данных.

Ошибки при передаче

Несмотря на предпринимаемые меры - выбор соответствующей скорости обмена данными, линий связи с определенными характеристиками, способа синхронизации приемника и передатчика, - существует вероятность искажения некоторых бит передаваемых данных. Для повышения надежности передачи данных между компьютерами часто используется стандартный прием - подсчет контрольной суммы и передача ее по линиям связи после каждого байта или после некоторого блока байтов. Часто в протокол обмена данными включается, как обязательный элемент сигнал-квитанция, который подтверждает правильность приема данных и посылается от получателя к отправителю.

Задачи надежного обмена двоичными сигналами, представленными соответствующими электромагнитными сигналами, в вычислительных сетях решает определенный класс оборудования. В локальных сетях это сетевые адаптеры, в глобальных сетях - аппаратура передачи данных, к которой относятся, например, устройства, выполняющие модуляцию и демодуляцию дискретных сигналов, - модемы. Это оборудование кодирует и декодирует каждый информационный бит, синхронизирует передачу электромагнитных сигналов по линиям связи, проверяет правильность передачи по контрольной сумме и может выполнять некоторые другие операции. Сетевые адаптеры рассчитаны, как правило, на работу с определенной передающей средой - коаксиальным кабелем, витой парой, оптоволокном и т. п. Каждый тип передающей среды обладает определенными электрическими характеристиками, влияющими на способ использования данной среды, и определяет скорость передачи сигналов, способ их кодирования и некоторые другие параметры.

Основные понятия

Любой кабель состоит из жил (strand) и изолятора (insulator) в различном сочетании и исполнении. Нередко в составе кабеля присутствует такой компонент как экран (shield). Но помимо этих, естественных для большинства технически грамотных людей понятиях существует еще огромное количество других, не менее важных:

Жила (Strand, Core) – металлический провод или стекло (в случае волоконной оптики), который собственно и является носителем передаваемых данных. Металлические провода отделяются друг от друга изолятором. Жилы в металлических кабелях могут состоять из или твердых длин сравнительно толстого провода (твердая сердцевина) или пучок значительно разбавители телеграфирует этому контакту друг другу для всего провода (посаженного на мель).

Изолятор (Insulator) - слой не проводящего материала, который защищает жилу кабеля от физических повреждений, а также от нежелательных контактов с другими жилами.

Экран (Shield) - слой металлической фольги или специальная плетеная оболочка, которая защищает жилу от влияния внешних электрических помех. Помимо этой основной своей функции, экран является прекрасной защитой жилы и изолятора от механических повреждений.

Маркировка (Gauge) – для того, чтобы кабели можно было сравнивать друк с другом, существует система стандартизации его маркировки. Наибольшее распространение приняла система American Wire Gauge (AWG). На практике из всей этой системы следует наизусть запомнить только следующее: чем большее число стоит за абревиатурой AWG, тем более тонкую жилу определяет этот номер. Например: у кабеля, часть маркировки которого представляет набор символов “AWG-24” более толстая жила, чем у кабеля, часть маркировки которого представляет набор символов “AWG-26”, а, следовательно, он обеспечивает меньшее сопротивление распространению электрического сигнала, позволяет прокладывать более протяженные линии.

Разъем (Connector) – приспособление, предназначенное для соединения сегментов кабеля друг с другом и для подключения к ним оборудования. Разъемы изготавливаются из металла или пластмассы, бывают цельные и разборные. Учитывая, что одним из основных источников искажений являются места соединений жил кабеля друг с другом, требования к качеству разъемов очень высоки.

Корпус разъема (Housing) – форма и конструкция разъема, которые определяют его возможности и характеристики. Если конструкция разъема разборная, его корпус называют рубашкой (Shell).

Контакт разъема (Pin) – оформленная в виде специального контакта жила кабеля. Предназначен для физического сопряжения жил друг с другом.

Тип разъема (Gender) – тип разъема определяет вид применяемых в его конструкции контактов. По этому параметру разъемы делятся на “папы” (male), “мамы” (female) и разъемы смешенного типа (hermaphroditic или genderless). Наиболее типичный тип разъемов – “папы” и “мамы”.

Ключ (Key) – специальный элемент конструкции разъема, который определяет однозначность физического соединения. В качестве ключа может служить форма разъема и ли специальный конструкционный элемент.

Фиксаторы (Locking) – специальные конструкционные элементы, которые удерживают разъемы от случайного (несанкционированного) рассоединения.

Волновое сопротивление (Impedance) – электрическая характеристика кабеля, определяющая величину сопротивления передаваемому электрическому сигналу. Специфика применения кабелей в ЛВС запрещает использования кабелей с различным волновым сопротивлением.

Межпарные помехи (Crosstalk) – электрические помехи наводимые между жилами многожильного кабеля при передаче сигналов. Типичная характеристика UTP-кабелей. Величина межпарных помех очень зависит от качества монтажа кабельной подсистемы.

Шум (Noise) – наведенные на кабель помехи от внешних источников. Наиболее типичными источниками шумов являются электрические двигатели, трансформаторы, лампы дневного света.

Задержка (Delay) – в данном случае, задержка, вносимая кабелем на время распространения сигнала в сети. Вносимая кабельными подсистемами задержка довольно ощутима, т.к. измеряется в микросекундах. Одна микросекунда (ms) составляет 1/1,000,000 секунды.

Затухание (Attenuation) – следствие уменьшения мощности сигнала по мере его распространения. Измеряется в децибелах (dB). Для принятия решения о типе применяемого кабеля, во внимание принимают такие сопутствующие ему характеристики, как dB/m, dB/km и т.п. Выбирая по величине затухания кабель, желательно помнить о вносимых на соединительных разъемах дополнительных ослаблениях мощности сигнала.

EIA/TIA – спецификации, рекомендующие методы и правила проведения кабельных работ. Спецификация 568 – документ, определяющий правила создания кабельных подсистем ЛВС. Эта спецификация определяет многие параметры и условия, которые необходимо выдерживать при проведении монтажно-кабельных работ: минимальные расстояния между кабелем и источниками электрических помех, минимальную и максимальную длину кабельных сегментов, типы применяемых разъемов и т.п.

В этом разделе будут рассмотрены требования к физическим характеристикам, кабельным компонетам сетей Ethernet, Full-Duplex Ethernet и Fast Ethernet.

 

Coaxial Cable

В течении примерно десяти лет с момента появления сетей Ethernet, это был единственный тип кабелей, который применялся для создания ЛВС. В настоящее время он используется только для создания низкоскоростных сетей с шинной магистралью и в некоторых специальных случаях. При этом возможно применение только двух типов коаксиальных кабелей, которые получили название “тонкого” и “толстого”. То, что в реальной жизни не редко применяют коаксиальные кабели, не описанные ниже (утверждая, что сеть и так работает), ни чуть не означает, что их можно применять. Просто проблемы, вызванные не правильным применением кабелей приходится решать совсем другим людям.

 

Thick Coaxial Cable.

Толстый коаксиальный кабель, известный еще как “толстый”, “желтый” Ethernet или кабель 10BASE-5, это кабель с одной центральной жилой и несколькими слоями изолятора и экрана (см. рисунок) и имеющий волновое сопротивление 50 Ом.

Рис.1. 3 Структура "толстого" коаксиального кабеля

При использовании этого типа кабеля для организации магистрали ЛВС, приемо-передатчики подключаются к кабелю через определенные промежутки друг от друга (2,5 м или кратное этой цифре), а с помощью AUI-кабелей соединяют эти приемо-передатчики (трансиверы) с сетевыми устройствами.

 

По причине высокого качества экранирования, данный вид кабеля чрезвычайно устойчив к внешним электромагнитным излучениям (помехам). Из-за своих физических характеристик, связанных с диаметром (11 мм или 0,405 дюйма) и жесткостью, определяемой большим количеством защитных слоев кабеля толстый коаксиальный кабель наиболее приспособлен для создания магистрали коридорного типа, с последующим подключением к ней сетевых потребителей.

Правильно проложенный “толстый коаксиал” позволяет создать магистраль длиной 500м и обеспечить подключение 100 трансиверов.

Соединители, используемые при применении “Толстого” коаксиального кабеля. Если мы произнесли слова “толстый”, “классический” или “желтый” Ethernet, это однозначно ведет за собой использование соответствующих типов соединительных элементов. Если же нет, то это является нарушением спецификации 802.3.

Разъемы “толстого” Ethernet-а это разъемы N-типа. Их внешний вид представлен на рисунках ниже. Полный спектр соединителей представляет собой разъемы типа “папа” и “мама” (служат для соединения отрезков кабеля между собой и являются составной частью всех прочих соединителей), терминаторы (устанавливаются на каждом конце кабельного сегмента) и трансиверы, обеспечивающие подключение рабочих станций к кабельному сегменту. Не буду утверждать, что все типы разъемов при этом одинаковы, но те, которые мне приходилось видеть, не припаивались к кабелю, а накручивались на его экран (примерно как в нашей местности производится прокладка телевизионных кабельных сетей фирмой Eurocable).

Рис.1. 4 Соединители "толстого" коаксиального кабеля

Подключение трансивера к кабелю осуществляется с помощью неразрушающего метода, смысл которого заключается в том, что механическое подключение осуществляется посредством трех игл. Две иглы прокалывают кабель справа и слева от его жилы и обеспечивают контакт экрана присоединяемого трансивера с экраном кабеля. Центральная игла, имеющая защитную оболочку, исключающую контакт с экранирующей оболочкой, обеспечивает контакт между информационным проводом трансивера и жилой кабеля. Все же механическое обрамление трансивера призвано обеспечивать надежное “прокалывание” кабеля и сохранение контакта по завершению монтажа. Жаргонное название этого типа соединения – вампир. Соединение же трансивера с Ethernet-портом (как правило, сетевым адаптером рабочей станции) осуществляется посредством AUI кабеля.

Достоинством данного типа трансиверов является то, что они обеспечивают возможность подключения Ethernet-устройств без остановки ЛВС.

Рис.1. 5 Трансиверы "толстого" Etherneta

Существуют трансиверы, подключаемые в разрыв кабельного сегмента. В этом случае оно представляет трансивер, собранный с “кабелепрокалывателем” в виде единого устройства, имеющего два разъема типа “мама” для подсоединения к кабельному сегменту. При проведении работ по подключению трансиверов подобной конструкции ЛВС приходится останавливать.

Thin Coaxial Cable

Тонкий коаксиальный кабель, также известный как “тонкий” Ethernet, кабель RG-58, BNC или кабель 10BASE-2, имеет то же самое волновое сопротивление (50 Ом), но значительно более худшие защитные характеристики, чем у кабеля “толстого” Ethernet-а, связанные с его конструкцией: его сердцевину представляет многожильный проводник, он имеет один медный плетеный экран (иногда дополнительно экран – фольгу). Однако, сопутствующие этим недостаткам достоинства привели к тому, что он получил большее распространение: он тоньше (6 мм), более гибкий чем толстый коаксиальный кабель, с ним проще проводить монтажные работы, можно без каких-либо трудностей подвести непосредственно к рабочему месту.

Правильно проложенный “тонкий коаксиальный кабель позволяет создавать сегменты сетей общей протяженностью в 185 метров (606.7 футов) и установить до 30-ти Т-connector-ов, обеспечивающих подключение пользователей ЛВС к кабелю. Т-connector-ы должны устанавливаться не ближе чем 0,5 м друг от друга.

Соединители “тонкого” Ethernet-а Для соединения сегментов кабеля в сетях, построенных по технологии 10BASE-2, применяются разъемы серии BNC. В их состав входят следующие виды соединителей:

- BNC-соединитель (BNC-connector, который устанавливается на конце каждого кабельного сегмента и собственно обеспечивающий подключение к кабелю BNC)

- T-соединитель (T-connector, используемый для подключения активного сетевого оборудования), BNC-баррел соединитель (BNC barrel-connector или I-connector, используемый для соединения сегментов кабеля между собой),

- BNC-терминатор (BNC-terminator, устанавливаемый на каждом конце сегмента и служащий для “гашения” сигнала, достигшего конца кабеля). Терминатор представляет BNC-коннектор, с установленным в его корпус резистором на 50 Ом.

Аббревиатура “BNC” означает British Naval Connector. На территории СНГ широко применяются для этих же целей отечественные разъемы серии СР, но они требуют пайки при монтаже и поэтому не так удобны, хотя и обеспечивают (на мой взгляд) лучшее качество соединения.

I-коннекторы используются для соединения кабельных сегментов друг с другом, но они не так распространены и известны, как Т-коннекторы, которые позволяют их использовать для двух целей: как соединению кабельных сегментов друг с другом, так и для подсоединения сетевых устройств к кабелю.

 

Рис.1. 6 Структура кабеля и соединителей "тонкого" Ethernet – а

 

Х парный кабель

Типичный UTP кабель имеет 4 пары проводов и поли-винил-хлоридную оболочку (PVC), однако существуют кабели и с двумя и с 25-ю парами проводов и с негорючими оболочками (обычно тефлоновыми). Если мы говорим об Ethernet-е, это вроде бы как и не существенно, однако, в случае применения, например, 2-х парного кабеля, Вы принципиально отказываетесь от возможности применения в перспективе целого ряда других сетевых технологий (100Base-T4, 100VG-AnyLAN, CDDI и т.п.), использующих в своей работе более двух пар проводов. Особенно большую ошибку Вы совершите, если будете монтировать сеть масштабов здания с помощью кабеля с количеством пар менее 4-х: во-первых, кабель стоит дешевле, чем работы по его прокладке, во-вторых, перекладывать кабель еще дороже, в–третьих, кабельная подсистема способна просуществовать не менее 10-15 лет, а за это время наверняка появятся новые компьютерные технологии и было бы жаль не иметь к ним доступа.

Оболочки каждой жилы кабеля (не зависимо от того, кто производитель) выкрашены в следующие цвета: оранжевый, зеленый, синий, коричневый, а также в эти цвета в сочетании с белым. Обычно это прерывистая линия в виде базового цвета, но иногда белая полоса наносится вдоль жилы кабеля. В ряде случаев приходится сталкиваться с кабелем, в котором отмаркированы только жилы с основными цветами, а четыре оставшиеся жилы имеют белый цвет изоляции. Постарайтесь не покупать такой кабель только по той причине, что с ним не очень удобно работать.

Пары идентифицируют по базовому цвету – синяя, зеленая, оранжевая, коричневая (blue, green, orange, brown). Стандарты 10 и 100Base-T используют две пары – оранжевую и зеленую, которые нумеруются как пары 2 и 3 (см. таблицу). А из приведенной ниже таблицы видно, почему различие в спецификациях 568А и 568В не существенно для стандартов 10/100Base-T (передающая и приемная пары просто меняются местами).

Рис.1. 8 Сопоставление сигналов в кабеле по стандартам EIA/TIA-568A и EIA/TIA-568B

Соединители, применяемые при монтаже UTP кабелей Основным разъемом, используемым при работе с UTP кабелем является разъем RJ45, рисунок которого приведен ниже. При всей простоте своей конструкции, этот вид разъема достаточно надежен и позволяет производить многократные переключения. Однако для работы с ним необходим специальный инструмент (для работы с коаксиальным кабелем можно обойтись без специального инструмента).

 

Рис.1. 9 Разъем RJ-45

Конструкция разъемов RJ-45 отличается в зависимости от типа применяемого кабеля: одножильный или многожильный. Однако это отличие затрагивает только конструкцию контактов разъема со стороны кабеля (см. ниже). Приемы монтажа разъма RJ-45 на кабель остаются прежними.

Рис.1. 10 Принципиальное отличие в конструкции контактов для работы с одножильным (слева) и многожильным (справа) кабелем

Crossovers-соединения

Спецификации 10BASE-T и 100BASE-TX предусматривают наличие кабелей прямого (straight-through cable) и перекрестного (crossover cable) соединений. Необходимость в появлении двух видов кабелей вызвана использованием двух физических каналов для организации связи между составляющим ЛВС оборудованием: канала передачи и канала приема информации. Реально каждый из этих каналов представлен парой свитых между собой проводов. Наличие двух каналов предполагает необходимость того, чтобы сигналы передаваемых данных поступали на контакты соединительных разъемов, связанные с приемниками сигналов и наоборот.

Решить эту задачу можно двумя путями: посредством соответствующих соединений на разъемах кабеля или с помощью соответствующего разведения сигналов внутри приемных и передающих устройств.

Рис.1. 13 Отличие кабелей прямого и перекрестного оединений

Разработчики стандарта пошли по второму варианту, ибо он при своей реализации позволяет резко уменьшить количество кабелей перекрестного соединения. В результате кабели перекрестного соединения необходимо применять только в тех случаях, когда соединяются между собой два однотипных сетевых узла: два компьютера (реально две сетевые карты) или два концентратора/коммутатора/маршрутизатора.

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. Этот канал передает частоты в диапазоне от 300 до 3400 Гц, таким образом, его полоса пропускания равна 3100 Гц. Хотя че­ловеческий голос имеет гораздо более широкий спектр - примерно от 100Гц до 10 кГц, - для приемлемого качества передачи речи диапазон в 3100 Гц является хорошим решением. Строгое ограничение полосы пропускания тонального канала связано с использованием аппаратуры уплотнения и коммутации каналов в теле­фонных сетях.

Методы аналоговой модуляции

Аналоговая модуляция является таким способом физического кодирования, при котором информация кодируется изменением амплитуды, частоты или фазы сину­соидального сигнала несущей частоты; Основные способы аналоговой модуляции показаны на Рис.1. 18.

На диаграмме показана последовательность бит исходной информации, представленная потенциалами высокого уровня для логической единицы и потенциалом нулевого уровня для логического нуля. Такой способ кодирования называется потенциальным кодом, который часто использует­ся при передаче данных между блоками компьютера.

При амплитудной модуляции (рис.1.18, б) для логической единицы выбирается один уровень амплитуды синусоиды несущей частоты, а для логического нуля - другой. Этот способ редко используется в чистом виде на практике из-за низкой помехоустойчивости, но часто применяется в сочетании с другим видом модуля­ции - фазовой модуляцией.

При частотной модуляции (рис.1.18, в) значения 0 и 1 исходных данных пере­даются синусоидами с различной частотой – f ₀ и f ₁. Этот способ модуляции не требует сложных схем в модемах и обычно применяется в низкоскоростных моде­мах, работающих на скоростях 300 или 1200 бит/с.

Рис.1. 18 Различные типы модуляции

При фазовой модуляции (рис.ю18, г) 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. Наиболее распространенными являются методы квадратурной амплитудной модуляции (Quadrature Amplitude Modulation, QAM).

 

Цифровое кодирование

При цифровом кодировании дискретной информации применяют потенциальные и импульсные коды.

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.

Требования к методам цифрового кодирования

При использовании прямоугольных импульсов для передачи дискретной инфор­мации необходимо выбрать такой способ кодирования, который одновременно до­стигал бы нескольких целей:

§ имел при одной и той же битовой скорости наименьшую ширину спектра ре­зультирующего сигнала;

§ обеспечивал синхронизацию между передатчиком и приемником;

§ обладал способностью распознавать ошибки;

§ обладал низкой стоимостью реализации.

 Более узкий спектр сигналов позволяет на одной и той же линии (с одной и той же полосой пропускания) добиваться более высокой скорости передачи данных. Кроме того, часто к спектру сигнала предъявляется требование отсутствия посто­янной составляющей, то есть наличия постоянного тока между передатчиком и приемником. В частности, применение различных трансформаторных схем гальва­нической развязки препятствует прохождению постоянного тока.

Синхронизация передатчика и приемника нужна для того, чтобы приемник точно знал, в какой момент времени необходимо считывать новую информацию с линии связи. Эта проблема в сетях решается сложнее, чем при обмене данными между близко расположенными устройствами, например между блоками внутри компью­тера или же между компьютером и принтером. На небольших расстояниях хорошо работает схема, основанная на отдельной тактирующей линии связи так, что информация снимается с линии данных только в момент прихода так­тового импульса.

В сетях использование этой схемы вызывает трудности из-за неоднородности характеристик проводников в кабелях. На больших расстояниях неравномерность скорости распространения сигнала может привести к тому, что тактовый импульс придет настолько позже или раньше соответствующего сигнала данных, что бит данных будет пропущен или считан повторно. Другой причиной, по которой в сетях отказываются от использования тактирующих импульсов, яв­ляется экономия проводников в дорогостоящих кабелях.

Поэтому в сетях применяются так называемые самосинхронизирующиеся коды, сигналы которых несут для передатчика указания о том, в какой момент времени нужно осуществлять распознавание очередного бита (или нескольких бит, если код ориентирован более чем на два состояния сигнала). Любой резкий перепад сигнала - так называемый фронт - может служить хорошим указанием для синх­ронизации приемника с передатчиком.

При использовании синусоид в качестве несущего сигнала результирующий код обладает свойством самосинхронизации, так как изменение амплитуды несу­щей частоты дает возможность приемнику определить момент появления входно­го кода.

Распознавание и коррекцию искаженных данных сложно осуществить средствами физического уровня, поэтому чаще всего эту работу берут на себя протоколы, ле­жащие выше: канальный, сетевой, транспортный или прикладной. С другой сторо­ны, распознавание ошибок на физическом уровне экономит время, так как приемник не ждет полного помещения кадра в буфер, а отбраковывает его сразу при распо­знавании ошибочных бит внутри кадра.

Методы кодирования, чаще всего, используются следующие:

§ Потенциальный код без возвращения к нулю

§ Метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией - Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI (модификация NRZ)

§ Потенциальный код с инверсией при единице

§ Биполярный импульсный код

§ Манчестерский код

§ Потенциальный 2B 1Q

Рис.1. 19 Способы дискретного кодирования данных

 

 

Лекция 4. 

 

• Канальный уровень. Протоколы и стандарты локальных сетей.
• IEEE Project 802.

Определение кадра

       Продолжим аналогию с конвертом. Зная возможные размеры конвертов, можно создать инфраструктуру для их обработки в больших количествах. Таким образом, стандартизация размеров конвертов имеет большое значение для гарантии того, что почтовая инфраструктура сможет приспособиться ко всем конвертам, независимо от изготовителя.

Протоколы канального уровня

Протокол канального уровня имеет локальный смысл, он предназначен для доставки кадров данных, как правило, в пределах сетей с простой топологией связей и однотипной или близкой технологией, например в односегментных сетях Ethernet или же в многосегментных сетях Ethernet и Token Ring иерархической топологии, разделенных только мостами и коммутаторами. Во всех этих конфигурациях адрес назначения имеет локальный смысл для данной сети и не изменяется при прохождении кадра от узла-источника к узлу назначения. Возможность передавать данные между локальными сетями разных технологий связана с тем, что в этих технологиях используются адреса одинакового формата, к тому же производители сетевых адаптеров обеспечивают уникальность адресов независимо от технологии.

Другой областью действия протоколов канального уровня являются связи типа «точка-точка» глобальных сетей, когда протокол канального уровня ответственен за доставку кадра непосредственному соседу. Адрес в этом случае не имеет принципиального значения, а на первый план выходит способность протокола восстанавливать искаженные и утерянные кадры, так как плохое качество территориальных каналов, особенно коммутируемых телефонных, часто требует выполнения подобных действий.

Если же перечисленные выше условия не соблюдаются (например связи между сегментами Ethernet имеют петлевидную структуру, либо объединяемые сети используют различные способы адресации, как это имеет место в сетях Ethernet и Х25), то протокол канального уровня не может в одиночку справиться с задачей передачи кадра между узлами и требует помощи протокола сетевого уровня.

Характеристики протоколов

Наиболее существенными характеристиками метода передачи, а значит, и протокола, работающего на канальном уровне, являются следующие:

- асинхронный/синхронный;

- символьно-ориентированный/бит-ориентированный;

- с предварительным установлением соединения/дейтаграммный;

- с обнаружением искаженных данных/без обнаружения;

- с обнаружением потерянных данных/без обнаружения;

- с восстановлением искаженных и потерянных данных/без восстановления;

- с поддержкой динамической компрессии данных/без поддержки.

Многие из этих свойств характерны не только для протоколов канального уровня, но и для протоколов более высоких уровней.

Асинхронные протоколы

Асинхронные протоколы представляют собой наиболее старый способ связи. Эти протоколы оперируют не с кадрами, а с отдельными символами, которые представлены байтами со старт-стопными символами. Асинхронные протоколы ведут свое происхождение от тех времен, когда два человека связывались с помощью телетайпов по каналу «точка-точка». С развитием техники асинхронные протоколы стали применяться для связи телетайпов, разного рода клавиатур и дисплеев с вычислительными машинами. Единицей передаваемых данных был не кадр данных, а отдельный символ. Некоторые символы имели управляющий характер, например символ <CR> предписывал телетайпу или дисплею выполнить возврат каретки на начало строки. В этих протоколах существуют управляющие последовательности, обычно начинающиеся с символа <ESC>. Эти последовательности вызывали на управляемом устройстве достаточно сложные действия - например, загрузку нового шрифта на принтер.

В асинхронных протоколах применяются стандартные наборы символов, чаще всего ASCII или EBCDIC. Так как первые 32 или 27 кодов в этих наборах являются специальными кодами, которые не отображаются на дисплее или принтере, то они использовались асинхронными протоколами для управления режимом обмена данными. В самих пользовательских данных, которые представляли собой буквы, цифры, а также такие знаки, как @, %, $ и т. п., специальные символы никогда не встречались, так что проблемы их отделения от пользовательских данных не существовало.

Постепенно асинхронные протоколы усложнялись и стали наряду с отдельными символами использовать целые блоки данных, то есть кадры. Например, популярный протокол XMODEM передает файлы между двумя компьютерами по асинхронному модему. Начало приема очередного блока файла инициируется символьной командой - принимающая сторона постоянно передает символ ASCII NAK. Передающая сторона, приняв NAK, отправляет очередной блок файла, состоящий из 128 байт данных, заголовка и концевика. Заголовок состоит из специального символа SOH (Start Of Header) и номера блока. Концевик содержит контрольную сумму блока данных. Приемная сторона, получив новый блок, проверяла его номер и контрольную сумму. В случае совпадения этих параметров с ожидаемыми приемник отправлял символ АСК, а в противном случае - символ NAK, после чего передатчик должен был повторить передачу данного блока. В конце передачи файла передавался символ ЕОХ.

Как видно из описания протокола XMODEM, часть управляющих операций выполнялась в асинхронных протоколах посылкой в асинхронном режиме отдельных символов, в то же время часть данных пересылалась блоками, что более характерно для синхронных протоколов.

Компрессия данных

Компрессия (сжатие) данных применяется для сокращения времени их передачи. Так как на компрессию данных передающая сторона тратит дополнительное время, к которому нужно еще прибавить аналогичные затраты времени на декомпрессию этих данных принимающей стороной, то выгоды от сокращения временя на передачу сжатых данных обычно бывают заметны только для низкоскоростных каналов. Этот порог скорости для современной аппаратуры составляет около 64 Кбит/с.

Многие программные и аппаратные средства сети способны выполнять динамическую компрессию данных в отличие от статической, когда данные предварительно компрессируются (например, с помощью популярных архиваторов типа WinZip), а уже затем отсылаются в сеть.

На практике может использоваться ряд алгоритмов компрессии, каждый из которых применим к определенному типу данных. Некоторые модемы (называемые интеллектуальными) предлагают адаптивную компрессию, при которой в зависимости от передаваемых данных выбирается определенный алгоритм компрессии.

Рассмотрим некоторые из общих алгоритмов компрессии данных.

Десятичная упаковка. Когда данные состоят только из чисел, значительную экономию можно получить путем уменьшения количества используемых на цифру бит с 7 до 4, используя простое двоичное кодирование десятичных цифр вместо кода ASCII. Просмотр таблицы ASCII показывает, что старшие три бита всех кодов десятичных цифр содержат комбинацию 011. Если все данные в кадре информации состоят из десятичных цифр, то, поместив в заголовок кадра соответствующий управляющий символ, можно существенно сократить длину кадра.

Относительное кодирование. Альтернативой десятичной упаковке при передаче числовых данных с небольшими отклонениями между последовательными цифрами является передача только этих отклонений вместе с известным опорным значением. Такой метод используется, в частности, в рассмотренном выше методе цифрового кодирования голоса ADPCM, передающем в каждом такте только разницу между соседними замерами голоса.