Элементы процессов передачи данных на физическом уровне

Рекомендации X.200 и ISO 7498 определяют понятия, назначения и вы- полняемые функции физического уровня.

 

Кодирование источника

Во многих микропроцессорных системах и персональных ЭВМ для пред- ставления алфавитно-цифровых символов и их передачи используется код ASCII (American Standart Code for Information Interchange – американский код обмена информацией), расширенный путем добавления букв русского алфави- та. Для представления каждого символа отводится один байт.

Все виды представления символьной информации отличаются только ко- дировкой символов.

При «оцифровании» аналоговых сигналов, снимаемых, например, с авто- матических датчиков, кодирование источника осуществляется с использовани- ем трех процедур: дискретизации, квантования, кодирования.

Дискретизация и квантование преобразуют непрерывные во времени t значения аналогового сигнала S (рис. 2.3, а) в дискретные (рис. 2.3, б), которые отображаются в «цифре» (рис. 2.3, в). Такой вид преобразования называют имульсно-кодовой модуляцией (ИКМ).

 

 

S (t)

 

 

S (t)

 

 

Точки дискретизации по времени                                        t

б)

00000100 00000100 00000011 00000001

S(t)

 

в)                                                          t

Рис. 2.3. Дискретизация, квантование, кодирование

Дискретизация аналоговых сигналов по времени основана на теории отображения Найквиста – Котельникова. В соответствии с этой теорией, ана- логовая непрерывная функция, переданная в виде последовательности ее дис- кретных по времени значений, может быть точно восстановлена, если частота дискретизации была в два или более раз выше, чем частота самой высокой гар- моники спектра исходной функции. Если это условие не соблюдается, то вос- становленная функция будет существенно отличаться от исходной.

Преимуществом цифровых методов записи, воспроизведения и передачи аналоговой информации является возможность контроля достоверности счи- танных с носителя или полученных по линии связи данных. Для этого можно применять те же методы, которые применяются для компьютерных данных – вычисление контрольной суммы, повторная передача искаженных кадров, при- менение самокорректирующихся кодов.

Представленные в цифровой форме непрерывные данные легко можно передать через компьютерную сеть. Для этого достаточно поместить несколько замеров в кадр какой-нибудь стандартной сетевой технологии, снабдить кадр правильным адресом назначения и отправить адресату.

 

Понятие канала связи

Канал связи – система технических средств и среда распространения сиг- налов для передачи сообщений от источника к получателю (и наоборот).

В самом общем виде функциональная структура канала связи представ- лена на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Функциональная структура канала связи

Передатчик с помощью модулятора (М) и усилителя (У) формирует сиг- нал S (t), в одном или нескольких параметрах которого отображается подлежа- щая передаче информация (данные) A (t). Сигнал S (t) поступает на вход прием- ного устройства (приемника) в виде сигнала S^* (t). Определенное отличие сигна- ла S^* (t) от сигнала S (t) возможно в силу действия помех и не идеальности харак- теристик физической среды. Далее из сигнала S^* (t) с помощью усилителя и де- модулятора (Д) приемного устройства выделяется информация A^* (t) и передает- ся потребителю с определенной степенью достоверности.

Обмен данными может осуществляться посредством трех основных типов каналов: дуплексного, симплексного и полудуплексного. При дуплексе переда- ча данных по каналу возможна одновременно в обе стороны. В симплексном канале передача возможна только в одну сторону. Полудуплексные каналы обеспечивают передачу в обе стороны, но поочередно.

Среды передачи данных разбиваются на две большие категории:

• кабельная среда передачи данных;

• беспроводная среда передачи данных.

В современных компьютерных сетях чаще всего используются: витые па-

ры, оптоволоконные провода, коаксиальные кабели, USB2-кабели, телефонные провода.

Различают два типа витых пар: неэкранированную витую пару (Unshield- ed Twisted Pair, UTP) и экранированную витую пару (Shielded Twisted Pair, STP).

Сегодня практически все сети проектируются на базе UTP и волоконно- оптических кабелей, коаксиальный кабель применяют лишь в исключительных случаях.

 

² USB (Universal Serial Bus – «универсальная последовательная шина») – последовательный интер- фейс для подключения периферийных устройств к вычислительной технике.

 

Каждая среда вносит затухание в передаваемый сигнал. Витая пара отли- чается высокой степенью затухания, из-за чего дальность передачи по витой паре существенно ограничена.

В зависимости от электрических и механических характеристик кабели UTP разделяются на 7 категорий. Кабели категории 1 применяются там, где требования к скорости передачи минимальны. Кабели категории 3 широко рас- пространены и предназначены как для передачи данных, так и для передачи го- лоса. Кабели категории 5 и выше специально разработаны для поддержки вы- сокоскоростных протоколов FDDI, Fast Ethernet, ATM, Gigabit Ethernet.

Достоинством сети на базе витой пары является низкая стоимость обору- дования и возможность использования имеющейся телефонной сети.

Существует несколько типов коаксиального кабеля, отличающихся ха- рактеристиками и областями применения – для локальных сетей, глобальных сетей, для кабельного телевидения. Расстояние между передающими устрой- ствами до двух километров. Обычные скорости передачи данных – 2.5 ÷ 100 Мбит/с.

Оптоволоконный кабель состоит из тонких (5-60 микрон) волокон, по ко- торым распространяются световые сигналы. Скорости передачи данных – 2 и более Гбит/с.

Существует два типа источников света: одномодовые (рис. 2.5, а) и мно- гомодовые (рис. 2.5, б).

 

S (t)                                                    S (t)

 

t

а)                                                                         б)

Рис. 2.5. Типы источников света: а – одномодовый, б – многомодовый

При одномодовом источнике расстояние до 100 км, при многомодовом около 4 км. Это естественно вытекает из физики явления: одномодовый источ- ник выдает жестко сфокусированный пучок; многомодовый – значительно бо- лее рассеянный.

Беспроводная среда передачи данных применятся в случае, когда боль- шое расстояние или препятствия затрудняют применение другого носителя.

Существует два основных типа беспроводной среды передачи данных: микроволновое и инфракрасное излучение.

В инфракрасных средах передачи данных применяется свет.

Беспроводная передача данных в компьютерных сетях осуществляется чаще всего через стандарты:

• «малого радиуса» – Bluetooth;

• «среднего радиуса» – Wi-Fi;

•
«большого радиуса» – 3G, 4G3, WiMAX.

3 3G, 4G – поколения мобильной связи с повышенными требованиями.

 

Скорость, с которой передаются файлы, может сильно разниться в зави- симости от того или иного стандарта связи, равно как устойчивость соединения и защищенность его от помех.

Выбор сетевой среды передачи данных диктуется типом сети и выбран- ной топологией.

На линиях связи большой протяженности обычно используется промежу- точная аппаратура, которая решает две основные задачи:

• улучшение качества сигнала;

• создание составного канала связи между любой парой абонентов сети. В локальных сетях промежуточная аппаратура может совсем не исполь-

зоваться, если протяженность физической среды – кабелей или радиоэфира – позволяет одному сетевому адаптеру принимать сигналы непосредственно от другого сетевого адаптера без промежуточного усиления. В противном случае применяются устройства типа повторителей и концентраторов.

В глобальных сетях необходимо обеспечить качественную передачу сиг- налов на расстояния в сотни и тысячи километров. Поэтому без усилителей сигналов, установленных через определенные расстояния, построить террито- риальную линию связи невозможно. В глобальной сети необходима также и промежуточная аппаратура другого рода – мультиплексоры, демультиплексоры и коммутаторы. Эта аппаратура создает между двумя абонентами сети состав- ной канал из некоммутируемых отрезков физической среды – кабелей с усили- телями.

Между мультиплексорами и коммутаторами используется высокоско- ростная физическая среда, например волоконно-оптический или коаксиальный кабель, по которому передаются одновременно данные от большого числа сравнительно низкоскоростных абонентских линий. Такой высокоскоростной канал обычно называют уплотненным каналом.

Промежуточная аппаратура образует сложную первичную сеть. Первич- ная сеть служит основой для построения инфокоммуникационных сетей.

Особенности построения первичных сетей будут рассмотрены специаль- но в разделе 5.8.2.