«Брейман А.Д. Сети ЭВМ и телекоммуникации Учебное пособие Часть 1 Общие принципы построения сетей Локальные сети Москва, 2001 УДК 681.326(075) Сети ЭВМ и телекоммуникации. Учебное пособие. Часть 1. Общие принципы ...»

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

МГАПИ

ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

Кафедра “Персональные компьютеры и сети”

Брейман А.Д.

Сети ЭВМ и телекоммуникации

Учебное пособие

Часть 1

Общие принципы построения сетей

Локальные сети

Москва, 2001

УДК 681.326(075) Сети ЭВМ и телекоммуникации. Учебное пособие. Часть 1. Общие принципы построения сетей. Локальные сети. /Брейман А.Д. – М.:МГАПИ, 2001. – 75с.:ил.

Настоящее пособие предназначено для подготовки студентов различных форм обучения по специальностям: 22.01, 22.03.

Пособие предназначено для подготовки студентов, изучающих принципы построения компьютерных сетей и технологии, использующиеся в локальных вычислительных сетях.

Для специальности 22.01 данное учебное пособие может быть использовано при изучении курсов “Сети и средства телекоммуникаций” и “Администрирование сетевых систем”.

Работа рассмотрена и одобрена на заседании кафедры ИТ-4 “Персональные компьютеры и сети”.

© Брейман А.Д., © МГАПИ,

АННОТАЦИЯ

Рекомендовано Ученым Советом МГАПИ в качестве учебного пособия для специальности 22.01 “Вычислительные машины, комплексы, системы и сети”.

Настоящее пособие предназначено для подготовки студентов, изучающих принципы построения компьютерных сетей и технологии, использующиеся в локальных сетях. Рассмотрены принципы построения компьютерных сетей и телекоммуникационных систем, модели взаимосвязи систем, применяемые для описания сетей, основы передачи данных, организации аналоговых и цифровых каналов по проводным линиям связи и в беспроводных средах, принципов контроля передачи информации, кодирования и сжатия данных, современных технологий организации локальных сетей (Ethernet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, 100VG-AnyLAN), сетевого оборудования локальных сетей.

Для специальности 22.01 настоящее пособие может быть использовано при изучении курсов “Сети и средства телекоммуникаций” и “Администрирование сетевых систем”.

Автор: Брейман А.Д.

Рецензенты: проф., к.т.н. Рощин А.В.

доц., к.т.н. Журавлев В.А.

Работа рассмотрена и одобрена на заседании кафедры ИТ-4 “Персональные компьютеры и сети” 19 апреля 2001г, протокол №11.

Зав. кафедрой ИТ-4, профессор, д.т.н. Михайлов Б.М.

© Брейман А.Д., © МГАПИ,

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СЕТЕЙ

1.1. Функциональные возможности сетей

1.2. Структурная организация компьютерной сети

1.2.1. Сети разного масштаба

1.2.2. Среды передачи данных

1.2.3. Режимы передачи данных

1.2.4. Способы коммутации

1.2.5. Организация виртуальных каналов

2. ОРГАНИЗАЦИЯ СЕТЕВОГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ.... 2.1. Архитектура СПО

2.2. Основные модели взаимосвязи открытых систем

2.2.1. Эталонная модель ВОС

2.2.2. Модель TCP/IP

3. АНАЛОГОВЫЕ КАНАЛЫ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

3.1. Аналоговая модуляция

3.2. Модемы

3.3. Протоколы, поддерживаемые модемами

3.4. Режимы передачи

3.5. Асинхронная, синхронная, изохронная и плезиохронная передача........... 4. ЦИФРОВЫЕ КАНАЛЫ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

4.1. Частотное и временное разделение каналов

4.2. Проводные линии связи и их характеристики

4.2.1. Витая пара

4.2.2. Коаксиальный кабель

4.2.3. Волоконно-оптический кабель

4.3. Беспроводные среды передачи данных

4.3.1. Инфракрасные волны

4.3.2. Радиоволны, сигналы с узкополосным спектром

4.3.3. Радиоволны, широкополосные сигналы

4.3.4. Спутниковая связь

4.3.5. Сотовая связь

5. ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ И КОДИРОВАНИЕ ИНФОРМАЦИИ................. 5.1. Количество информация и энтропия

5.2. Свойства энтропии

5.3. Единицы количества информации

5.4. Качество обслуживания

5.5. Кодирование информации

5.6. Логическое кодирование

5.7. Самосинхронизирующиеся коды

6. КОНТРОЛЬ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ И СЖАТИЕ ДАННЫХ....... 6.1. Самовосстанавливающиеся коды

6.2. Систематические коды

6.3.1. Алгоритм RLE

6.3.2. Алгоритм Лемпела-Зива

6.3.3. Кодирование Шеннона-Фано

6.3.4. Алгоритм Хаффмана

7. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЕЙ

7.1. Сетевые топологии

7.1.1. Шина

7.1.2. Дерево

7.1.3. Звезда с пассивным центром

7.1.4. Звезда с интеллектуальным центром

7.1.5. Кольцо

7.1.6. Цепочка

7.1.7. Полносвязная топология

7.1.8. Произвольная (ячеистая) топология

7.2. Методы доступа и их классификация

7.2.1. Метод доступа с контролем несущей и определением коллизий......... 7.2.2. Маркерные методы доступа

8. ТЕХНОЛОГИЯ ETHERNET

8.1. Стандарты группы IEEE 802

8.2. Протокол управления логическим каналом IEEE 802.2

8.3. Технология Ethernet

8.4. Метод доступа CSMA/CD

8.5. Время двойного оборота

8.6. Форматы кадров Ethernet

8.7. Пропускная способность сети Ethernet

9. СЕТИ TOKEN RING И FDDI

9.1. Технология Token Ring

9.1.1. Маркерный метод доступа

9.1.2. Система приоритетного доступа

9.1.3. Оборудование Token Ring

9.2. Технология FDDI

10. ВЫСОКОСКОРОСТНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЕЙ.... 10.1. Технология Fast Ethernet 100Мбит/с

10.2. Технология Gigabit Ethernet 1000 Мбит/с

10.3. Технология 100VG-AnyLAN

11. СЕТЕВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЕЙ

11.1. Сетевые адаптеры

11.2. Концентраторы

11.3. Мосты

11.4. Коммутаторы

11.5. Алгоритм покрывающего дерева

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Последнее десятилетие XX века можно с большим основанием назвать десятилетием компьютерных сетей. В коммерческих фирмах и государственных учреждениях, учебных заведениях и даже дома все реже можно встретить компьютеры, никаким образом не связанные с другими. Если для предприятий и организаций наиболее важным оказалось развертывание локальных сетей, то домашних пользователей все больше привлекают глобальные сети - Интернет, иногда FIDO.

Два-три десятилетия назад только крупная организация могла позволить себе приобрести хотя бы один компьютер, потому что он стоил сотни тысяч долларов, требовал много места для размещения, и необходим был квалифицированный, а значит, высокооплачиваемый, обслуживающий персонал. Как правило, компьютеры тогда работали в пакетном режим, пользователь (обычно программист) мог вообще никогда и не увидеть ЭВМ, выполняющую его задачи. Программы записывались на специальных бланках, по которым операторы готовили перфокарты, наконец, программу в виде колоды перфокарт нужно было отдать системному администратору, который ставил задание в очередь и, после его выполнения, отдавал распечатку с результатами.

Такой режим нельзя назвать удобным (хотя именно в таком режиме эффективность работы компьютера максимальна), и лет через десять появились терминалы – устройства, включавшие в себя дисплей и клавиатуру. Терминал подключался к центральному компьютеру кабелем. Первые терминалы были малоинтеллектуальными, их даже называли 'тупыми' (dumb): все, что они умели делать – это сообщить центральному компьютеру, какая клавиша нажата и, приняв от него управляющую команду, отобразить символ на дисплее. (В качестве терминалов поначалу использовали устройства телексной связи – телетайпы, отсюда и небогатый набор их возможностей.) Чуть позже поняли, что если терминал снабдить своим простеньким процессором и оперативной памятью, то самому центральному компьютеру придется меньше заниматься непродуктивной работой.

Также оказалось удобно, если терминал стоит на столе у человека, который им пользуется, даже если этот стол находится не в том же здании, что и центральный компьютер. Так появились модемы, предоставившие терминалам возможность связываться со своими центральными компьютерами по телефонным сетям.

До сих пор информационные и финансовые агентства (например, Reuter и Bloomberg) предоставляют доступ к своей информации именно с помощью терминалов. Именно из решения проблем связи терминалов с центральными компьютерами и выросла вся индустрия сетей передачи данных.

Терминалы постепенно интеллектуализировались все больше, и наконец переросли в качественно новые устройства – рабочие станции, которые представляли из себя в большой степени независимые компьютеры, однако в полной мере могли выполнять свои функции только при подключении к серверу.

'унаследованных' (inherited) систем: многие крупные организации до сих пор в своей работе используют мэйнфреймы и терминалы, и критическая масса их данных находится именно там. В то же время в России массовая компьютеризация началась в конце 1980-х годов и почти целиком опиралась на IBM PCсовместимые персональные компьютеры. Только в редких крупных организациях необходимость объемных вычислений и/или повышенные требования к надежности приводили к использованию "больших" ЭВМ, таких, как IBM AS/400, различные серверы и рабочие станции фирмы Sun и т.п. Компьютеры же класса IBM System/360 (ЕС ЭВМ), до такой степени распространенные на западе, что фирма Microsoft включила в состав своего пакета серверных приложений BackOffice сервер связи с такими компьютерами (SNA Server), в России практически прекратили существование.

Обычная дорога к сетям для наших организаций и фирм выглядела так:

есть несколько IBM PC – совместимых компьютеров. На них вводятся тексты, строятся таблицы, выполняются расчеты. Текстовые файлы, файлы электронных таблиц, рисунков, данные и результаты расчетов постоянно нужно переносить с компьютера на компьютер. Для этого пользуются дискетами. Пока объемы данных невелики, и обрабатывать эти данные можно по очереди, особых проблем не возникает. Однако вскоре появляется желание, например, собрать все данные о продажах в базу данных, и сделать так, чтобы несколько продавцов могли одновременно выписывать счета и фиксировать оплаты товара так, чтобы остальные сразу видели эти новые счета и записи об оплатах. Бегать с дискетой после каждого выписанного счета – нереально. И тут выясняется, что можно приобрести недорогие сетевые карты для каждого из компьютеров, соединить их кабелем, установить специальное сетевое программное обеспечение, и проблема может быть решена. Это путь "от удобства".

Другой путь к сетям лежит "от экономии". Зачем нужно тратить деньги на несколько полноценных компьютеров для машинисток, если можно приобрести один компьютер помощнее, с большим объемом дисковой памяти, несколько машин совсем без жестких дисков, и соединить их в сеть. Тогда более слабые компьютеры смогут пользоваться дисковым пространством более мощного. Вот и экономия – стоимость нескольких жестких дисков заметно больше стоимости требуемого сетевого оборудования. Наконец, путь "от моды". Когда все знакомые, соседи и конкуренты уже поставили себе локальные сети, то, наверное, в этом есть какой-то смысл. И хотя насущной необходимости пока нет, стоит держаться в русле технического прогресса. Как правило, и в этом случае оказывается, что сеть помогает упростить жизнь и приносит пользу.

-7ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СЕТЕЙ

1.1. Функциональные возможности сетей Польза от использования сетей может относиться к разным категориям.

Во-первых, прямое общение людей (коммуникация). При этом сеть используется как среда, передающая от одного человека другому набранный на клавиатуре текст, введенный с микрофона голос, полученное с видеокамеры изображение или и то, и другое, и третье. Сюда относятся электронная почта, различные системы для разговоров (чат-системы), системы типа ICQ, Internet Phone, видеоконференции, и многое другое. Естественно, для этого используется программное обеспечение, но оно играет чисто техническую роль приемопередатчика, подобно телефонному аппарату при разговоре по телефону.

Во-вторых, передача данных между программами и людьми. При этом на одной стороне информационного потока находится программный процесс, например, Система Управления Базами Данных (СУБД), а на другой – человекпользователь. Человек, конечно, использует программы для доступа к СУБД, но эти программы так же, как в первом случае, играют чисто техническую роль.

Однако СУБД уже выступает как полноправный участник передачи данных.

Другим примером может служить сетевая файловая система, обеспечивающая доступ к файлам на другом компьютере. Такие программы, которые выполняют некоторые действия по собственной инициативе, а не по прямой команде от пользователя, будем называть активными программами или программными агентами.

В-третьих, передача данных между активными программами. В этом случае человек явно не участвует в процессе передачи данных. Например, система зеркалирования содержимого узлов Интернета, может выполняться автоматически через заданные промежутки времени или в соответствии с другими критериями. Надо понимать, что, в конце концов, результатами функционирования таких программ все равно будет пользоваться человек, и только ради этого они и созданы и запущены.

является либо поставщиком данных, либо их пользователем. Программы же либо просто хранят, либо преобразуют хранимую информацию.

Отношения сети и компьютера тоже асимметричны. Если компьютер может работать без сети, автономно, то сеть без компьютеров немыслима.

Определимся, что же такое компьютерная сеть. Под компьютерной сетью принято понимать совокупность компьютеров, соединяющих их каналов связи и дополнительного оборудования, предназначенная для обмена данными.

Тогда схема рис.1.1. немного преобразуется:

Рассмотрим по порядку, какими свойствами должна обладать компьютерная система, чтобы называться сетью.

Во-первых, для сети нужны компьютеры – как минимум, два. Будем называть эти компьютеры – узлами сети, или просто узлами. Можно также встретить термины "станция данных", "оконечная система". Принципиальных ограничений сверху на количество компьютеров в сети нет (однако для любой конкретной сетевой технологии такие ограничения всегда есть – либо ограничивается общее количество компьютеров, либо количество сегментов сети и компьютеров в них). Сети принято классифицировать не столько по размеру (количеству узлов), сколько по масштабу (охватываемой территории) – локальные, региональные и т.д.

Во-вторых, компьютеры должны быть соединены каналами передачи данных (КПД). Канал передачи данных состоит из линии передачи данных (ЛПД) и аппаратуры окончания канала данных (АОКД). За последним термином скрываются такие устройства, как, например, модем или сетевая карта.

Для обозначения АОКД будем пользоваться современным термином "сетевой интерфейс". Часто для обеспечения функционирования сети оказывается необходимым использовать дополнительное оборудование – повторители, мосты, коммутаторы, маршрутизаторы и пр. Совокупность каналов передачи данных и дополнительного сетевого оборудования называется сетью передачи данных (СПД).

В-третьих, компьютеры должны быть оснащены сетевым программным обеспечением (СПО) – как правило, сетевой операционной системой (СОС) или сетевой надстройкой над обычной операционной системой. СПО, установленное на разных компьютерах может быть разным, но обязательно совместимым друг с другом – то есть реализовывать один набор протоколов передачи данных.

В-четвертых, хотя бы один компьютер должен предоставлять для общего пользования часть своих ресурсов – дисковое пространство, принтер, программы и т.д. Такой компьютер называется сервером. Кроме этого, все остальные узлы сети (клиенты), должны иметь возможность использовать ресурсы серверов. Ресурсы, предоставляемые в общее пользование сервером, будем называть разделяемыми ресурсами.

Четвертое свойство не всегда очевидно (например, в случае сети, используемой только для обмена электронной почтой, сложно выделить разделяемые ресурсы), однако обязательно присутствует (такими ресурсами для примера с электронной почтой могут выступать программа почтового сервера, дисковое пространство, отведенное для хранения сообщений, процессорное время, затрачиваемое на обработку почты).

В большинстве случаев, название разделяемого ресурса указывается в названии сервера: файловый сервер (ресурс – дисковые файлы), сервер печати (ресурс – принтеры), сервер приложений (ресурс – прикладные программы), сервер баз данных (ресурс – базы данных) и т.д.

Отметим, что перечисленные свойства отражают разные аспекты сущности компьютерной сети. Первые два свойства можно назвать структурными – они определяют, из каких элементов состоит сеть и как эти элементы связаны между собой. Третье свойство – программное, указывающее на необходимость специальных программ, без которых элементы сети останутся разобщенными, даже будучи физически связанными. Наконец, четвертое свойство – прагматическое, оно содержит указание на то, что цель создания сети лежит не в ней самой, а той пользе, которую сеть может принести.

1.2. Структурная организация компьютерной сети 1.2.1. Сети разного масштаба Организация сети и ее структура непосредственно зависят от используемых компьютеров и расстояний между ними. Наиболее очевидны различия в организации сетей разных масштабов. Принято различать сети:

- локальные (комната, здание, комплекс зданий), - городские (район города, город), - региональные (область, страна, континент), - глобальные (планета).

Для сетей разных масштабов свойственны разные способы организации.

Причин тому несколько, среди них на первом месте стоит качество линии передачи данных, обусловленное ограниченностью скорости передачи сигнала, отношением сигнал/шум и т.д. В результате с увеличением масштаба сети диапазон используемых скоростей передачи смещается вниз. Кроме того, в случае, например, локальных сетей, запас скорости передачи данных позволяет использовать такие варианты организации и режимов работы сети, которые вряд ли могли бы применяться в глобальных сетях. Так, из двух основных режимов передачи данных – вещательного и "точка-точка", первый широко используется в локальных сетях, а второй – в глобальных.

1.2.2. Среды передачи данных Передача данных может происходить по кабелю (в этом случае говорят об ограниченной или кабельной среде передачи) и с помощью электромагнитных волн той или иной природы – инфракрасных, микроволн, радиоволн, – распространяющихся в пространстве (неограниченная среда передачи, беспроводные сети).

В большинстве случаев кабельные среды удобнее, надежнее и выгоднее неограниченных. Как правило, кабель и сопутствующее сетевое оборудование стоит гораздо дешевле оборудования для беспроводных сетей, а скорость передачи данных по кабелю выше. Тем не менее, в некоторых случаях прокладка кабеля либо технически затруднена (например, водные преграды), либо экономически неоправданна (стоимость прокладки кабеля высока, а большая скорость передачи не требуется), либо сталкивается с организационными или иными проблемами (например, необходимо проложить траншею через оживленную магистраль в центре города, на что очень сложно получить согласие городских властей). Кроме того, может появиться необходимость подключения к сети пользователей, по роду деятельности часто меняющих местонахождение (например, кладовщики на большом складе). Во всех подобных (и многих других) случаях могут использоваться беспроводные сети.

Кабельные среды по используемому материалу делятся на “медные” (в самом деле, проводящие жилы таких кабелей могут содержать не только медь, но и другие металлы и их сплавы) и оптические (оптоволоконные, проводящая жила изготавливается из оптически прозрачных материалов – кварца или полимеров). Медные кабели бывают симметричными (все проводники одинаковы, например, витая пара проводников) и асимметричными (например, коаксиальный кабель, состоящий из изолированных друг от друга центральной жилы и оплетки). Оптические кабели различаются по соотношению между толщиной проводящей жилы и несущей частотой передачи данных. Тонкие жилы, диаметр сечения которой сравним с длиной волны несущей частоты, образуют одномодовые кабели (типичная толщина 8-10 мкм), а более толстые – многомодовые (до 50-60 мкм).

При построении беспроводных сетей, как правило, применяется одна из трех технологий: передача в инфракрасном диапазоне, передача данных с помощью узкополосных радиосигналов и передача данных с помощью радиосигналов с распределенным спектром.

1.2.3. Режимы передачи данных - 11 Сети делятся на два класса, различающиеся способом использования канала передачи данных: сети с селекцией данных и маршрутизацией данных.

В сетях с селекцией данных существует общий канал передачи, к которому подключены все узлы. В каждый момент времени каналом владеет только один узел, который выдает данные в канал. Любой выданный в канал блок данных получают (в виде копий) все узлы сети. Каждый узел проверяет адрес получателя, переданный с блоком данных, и, сравнив его с собственным адресом, в случае совпадения обрабатывает полученные данные, а в случае несовпадения – отбрасывает их (уничтожает свою копию).

Сети с маршрутизацией данных состоят из множества отдельных каналов, соединяющих пары узлов сети. Пара узлов, обладающая общим каналом, может передавать данных друг другу независимо от остальных узлов сети. Для передачи данных между узлами, не имеющими общего канала, необходимо задействовать одного или несколько других узлов, которые осуществили бы маршрутизацию передаваемой информации.

1.2.4. Способы коммутации Коммутация является необходимым элементом связи узлов между собой, позволяющим сократить количество необходимых линий связи и повысить загрузку каналов связи. Практически невозможно предоставить каждой паре узлов выделенную линию связи, поэтому в сетях всегда применяется тот или иной способ коммутации абонентов, использующий существующие линии связи для передачи данных разных узлов.

Коммутируемой сетью называется сеть, в которой связь между узлами устанавливается только по запросу.

Абоненты соединяются с коммутаторами выделенными (индивидуальными) линиями связи. Линии связи, соединяющие коммутаторы, используются абонентами совместно.

Коммутация может осуществляться в двух режимах: динамически и статически. В первом случае коммутация выполняется на время сеанса связи (обычно от секунд до часов) по инициативе одного из узлов, а по окончании сеанса связь разрывается. Во втором случае коммутация выполняется обслуживающим персоналом сети на значительно более длительный период времени (несколько месяцев или лет) и не может быть изменена по инициативе пользователей. Такие каналы называются выделенными (dedicated) или арендуемыми (leased).

Две группы способов коммутации: коммутация каналов (circuit switching) и коммутация с промежуточным хранением (store-and-forward). Вторая группа состоит из двух способов: коммутации сообщений (message switching) и коммутации пакетов (packet switching).

При коммутации каналов между узлами, которым необходимо установить связь друг с другом, обеспечивается организация непрерывного составного канала, состоящего из последовательно соединенных отдельных каналов между узлами. Отдельные каналы соединяются между собой коммутирующим оборудованием (коммутаторами). Перед передачей данных необходимо выполнить процедуру установления соединения, в процессе которой создается составной канал.

Под коммутацией сообщений понимается передача единого блока данных между узлами сети с временной буферизацией этого блока каждым из транзитных узлов. Сообщением может быть текстовый файл, файл с графическим изображением, электронное письмо – сообщение имеет произвольный размер, определяемый исключительно его содержанием, а не теми или иными технологическими соображениями.

При коммутации пакетов все передаваемые пользователем данные разбиваются передающим узлом на небольшие (до нескольких килобайт) части – пакеты (packet). Каждый пакет снабжается заголовком, в котором указывается, как минимум, адрес узла-получателя и номер пакета. Передача пакетов по сети происходит независимо друг от друга. Коммутаторы такой сети имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов, что позволяет сглаживать пульсации трафика на линиях связи между коммутаторами. Пакеты иногда называют дейтаграммами (datagram), а режим индивидуальной коммутации пакетов – дейтаграммным режимом.

Сеть с коммутацией пакетов замедляет процесс взаимодействия каждой конкретной пары узлов, поскольку их пакеты могут ожидать в коммутаторах, пока передадутся другие пакеты. Однако общая эффективность (объем передаваемых данных в единицу времени) при коммутации пакетов будет выше, чем при коммутации каналов. Это связано с тем, что трафик каждого отдельного абонента носит пульсирующий характер, а пульсации разных абонентов, в соответствии с законом больших чисел, распределяются во времени, увеличивая равномерность нагрузки на сеть.

1.2.5. Организация виртуальных каналов В отличие от дейтаграммного режима передачи, предполагающего независимую маршрутизацию каждого пакета, режим виртуального канала (virtual circuit или virtual channel) устанавливает единый маршрут для всех пакетов в рамках одного соединения. Перед тем, как начать передачу, передающий узел выдает в сеть специальный пакет – запрос на установление соединения. Этот пакет, проходя через коммутаторы, “прокладывает” виртуальный канал – коммутаторы запоминают маршрут для данного соединения, и последующие пакеты будут отправлены по нему же. При этом время, затраченное на установление виртуального канала, компенсируется более быстрой передачей потока пакетов за счет того, что коммутаторы не выполняют полную маршрутизацию каждого пакета, а быстро определяют его маршрут по номеру виртуального канала.

2. ОРГАНИЗАЦИЯ СЕТЕВОГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

2.1. Архитектура СПО - 13 Наиболее существенным отличительным признаком сетевого программного обеспечения (СПО) является его принципиально распределенный характер: различные компоненты должны выполняться на разных компьютерах. Из этого следует, что процессы, находящиеся в разных адресных пространствах на разных компьютерах, вынуждены обмениваться данными, не используя привычные средства – общие области памяти и т.п.

Как правило, в СПО можно выделить группы модулей, отвечающих за выполнение различных подзадач: передачу данных по КПД, управление сетевыми адресами, управление пользователями и др. Для упрощения разработки и документирования СПО создан ряд моделей, представляющих разные точки зрения на то, из каких частей состоит СПО, и как они взаимодействуют между собой.

Базовым понятием для всех используемых моделей является понятие протокола. Под протоколом (protocol) понимается формально описанный набор правил, определяющий последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты. Каждая модель, в соответствии с разновидностями выполняемых протоколами функций, выделяет группы протоколов, называемые уровнями (level), и описывает взаимосвязь уровней.

Общий подход, разделяемый всеми моделями, состоит в иерархическом упорядочении уровней. То есть, протоколы каждого уровня базируются на использовании протоколов группы, следующей по иерархии. Полный набор протоколов, включающий в себя протоколы всех уровней модели, обычно называется стеком протоколов (protocol stack).

Каждый уровень взаимодействует с соседними уровнями формально описанным способом. Говорят, что определен интерфейс (interface) между каждыми двумя уровнями. Интерфейс определяет набор услуг, служб или сервисов (service), которые нижележащий уровень предоставляет вышележащему. Каждый уровень состоит из сущностей (entities), выполняющих некие действия или активности (activities). Для получения услуги вышележащий уровень обращается к точке доступа к сервису (service access point, SAP).

По типу различаются службы с установлением соединением (connection) и без соединения (connectionless). Службы с установлением соединения позволяют сущностям передавать и принимать потоки данных произвольного объема, предварительно договорившись об этом (установив соединение). Службы без соединения передают данные отдельными блоками, независимо один от другого.

Каждая служба состоит из элементарных служб – примитивов (primitive). Например, служба передачи файлов может включать примитивы показа списка файлов в текущем каталоге, смены текущего каталога, передачи указанного файла и т.д.

2.2. Основные модели взаимосвязи открытых систем Международная организация по стандартизации (МОС, International Standardization Organization, ISO) предложила в 1978 г. эталонную модель взаимодействия открытых систем (ВОС, Open System Interconnect, OSI). На основе этой модели был разработан стек протоколов, не получивший широкого распространения, хотя он и был принят в качестве национального стандарта правительством США еще в 1990 году (проект GOSIP). Тем не менее, модель OSI является главной методологической основой для анализа и разработки сетей.

Стандартом де-факто для глобальных сетей в настоящее время является стек протоколов TCP/IP, разработанный в середине 70-х годов по заказу Министерства обороны США. Позднее была выработана и модель TCP/IP.

В локальных сетях, наряду с TCP/IP, применяются стеки IPX/SPX, NetBIOS/SMB, XNS, DECnet и другие.

Различия между моделями ВОС и TCP/IP происходят из различных целей и методологий разработки протоколов и услуг. Разработка модели OSI была направлена на довольно амбициозную цель – установление механизмов для распределенной обработки данных в аппаратно и программно разнородных компьютерных средах. Цели разработки протоколов TCP/IP были гораздо скромнее и прагматичнее: установление механизмов для соединения сетей и предоставление пользователям этих сетей набора базовых коммуникационных услуг.

Разработкой протоколов ВОС занималась крупная международная организация – МОС. Подобным организациям свойственно замедленное функционирование. Работа над стандартами ВОС показала как недостаточную мобильность таких организаций перед лицом предельно интенсивного технологического развития в данной области, как и сложности с установлением баланса зачастую противоречивых интересов многих участников работы.

Разработка протоколов TCP/IP происходила в среде, ориентированной на практическое применение. В центре внимания были конкретные проблемы, касающиеся связи сетей и обслуживания пользователей. Разработку TCP/IP начинали ради решения проблем сети ARPANET – в первую очередь, взрывного роста количества подключенных компьютеров и, соответственно, трафика, ими производимого. Протокол IP должен был предоставить средства разделения единой сети, которой была ARPANET, на множество подсетей, изолирующих внутренний трафик друг от друга. Нужно было создать сеть сетей вместо сети компьютеров.

2.2.1. Эталонная модель ВОС При разработке модели ВОС выделение уровней базировалось на следующих принципах:

- каждый уровень должен выполнять отдельную функцию, - поток информации между уровнями должен быть минимизирован, - функции уровней должны быть удобны для определения международных стандартов, - количество уровней должно быть достаточным для разделения функций, но не избыточным.

транспортный, сеансовый, представления данных, прикладной.

Физический уровень (Physical layer) – организует передачу битов по КПД. Стандарты этого уровня определяют характеристики кабелей и разъемов, схемы кодирования электрического или оптического сигнала и прочие параметры КПД.

Канальный уровень (Data link layer) – обеспечивает надежную доставку данных в физической сети. Стандарты этого уровня определяет правила совместного использования КПД и делятся на две группы: подуровень управления логическим каналом (Logical Link Control – LLC) и подуровень управления доступом к среде (Medium Access Control – MAC). Поток битов между двумя участниками сети делится на кадры (frame), и канальный уровень гарантирует безошибочную доставку кадров. Кроме того, канальный уровень решает, кто из участников может передавать данные в каждый момент времени, управляет потоком данных (буферизацией) и контролирует последовательность кадров.

Сетевой уровень (Network layer) – обеспечивает передачу данных между сетями. На этом уровне находятся системы адресации участников сетей и системы маршрутизации. Сетевой уровень выбирает способ передачи данных по сети: это может быть как коммутация каналов, так и коммутация пакетов. В сетях с коммутацией пакетов сетевой уровень делит поток данных на пакеты, независимо маршрутизируемые по сети. Пакеты могут передаваться как по виртуальным каналам, так и в виде дейтаграмм.

Транспортный уровень (Transport layer) – представляет собой интерфейс пользовательской системы с сетью передачи данных. Он отвечает за надежную передачу данных и распределение обязанностей между участниками сети.

Сеансовый уровень (Session layer) – предназначен для организации диалога между процессами. Основные функции уровня – обработка подключений (login) и отключений (logout), аутентификация, синхронизация.

Уровень представления данных (Presentation layer) – управляет представлением информации в сети. Гарантирует, что данные, которыми обмениваются участники, записаны в формате, которых понимают обе стороны. Уровень имеет дело с наборами символов (character sets), форматами данных, кодированием и упаковкой данных.

Прикладной уровень (Application layer) – это интерфейс между сетью и пользовательскими программами. Типичные услуги, предоставляемые прикладным уровнем – электронная почта, передача файлов и т.д.

В отличие от модели ВОС, разработка которой велась под сильным влиянием телекоммуникационных компаний, исходя из соображений международной совместимости, модель TCP/IP была создана уже после разработки протоколов и отражала в основном свойства именно этого стека протоколов.

Модель включает сетевой, межсетевой, транспортный и прикладной уровни.

Сетевой уровень (Network layer) – соответствует канальному уровню ISO.

Межсетевой уровень (Internet layer) – соответствует сетевому уровню ISO.

Транспортный уровень (Transport layer) – соответствует транспортному (и части сеансового) уровня ISO.

Прикладной уровень (Application layer) – включает все уровни ISO, выше транспортного.

Детальное описание протоколов TCP/IP будет приведено во второй части настоящего пособия.

3. АНАЛОГОВЫЕ КАНАЛЫ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

Под каналом передачи данных (КПД) понимается совокупность среды передачи (среды распространения сигнала) и технических средств передачи между канальными интерфейсами. В зависимости от формы информации, которую может передавать канал, различают аналоговые и цифровые каналы.

Аналоговый канал на входе (и, соответственно, на выходе) имеет непрерывный сигнал, те или иные характеристики которого (например, амплитуда или частота) несут передаваемую информацию. Цифровой канал принимает и выдает данные в цифровой (дискретной, импульсной) форме.

3.1. Аналоговая модуляция Поскольку сети связывают цифровые компьютеры, по каналу связи необходимо передавать дискретные данные. Соответственно, при использовании аналоговых сигналов необходимо некоторое преобразование (кодирование) передаваемых данных этими сигналами. Такое преобразование называется аналоговой модуляцией (или аналоговым кодированием). В его основе лежит изменение одной из характеристик синусоидального несущего сигнала в соответствии с последовательностью передаваемых данных. Основные способы аналоговой модуляции: амплитудная, частотная и фазовая. Возможно также использование комбинированных методов, например, сочетания амплитудной и фазовой модуляций.

При амплитудной модуляции изменяется только амплитуда синусоиды несущей частоты, при передаче логической единицы выдается синусоида одной амплитуды, а при передаче логического нуля – другой амплитуды. Этот способ в чистом виде обладает низкой помехоустойчивостью и применяется редко.

- 17 При частотной модуляции изменяется только частота несущей – для логической единицы и логического нуля выбираются синусоиды двух различных частот. Этот способ достаточно просто реализуем, и часто применяется при низкоскоростной передаче данных.

При фазовой модуляции логической единице и логическому нулю соответствуют сигналы одинаковой амплитуды и частоты, но отличающиеся по фазе (например, 0 и 180 градусов).

Из комбинированных методов широко используются методы квадратурной амплитудной модуляции (Quadrature Amplitude Modulation, QAM), сочетающие амплитудную модуляцию с 4 уровнями амплитуды и фазовую модуляцию с 8 значениями сдвига фазы. Из 32 возможных комбинаций амплитуды и сдвига фазы для передачи данных в разных модификациях метода используются всего несколько, в то время, как все остальные комбинации являются запрещенными, что позволяет улучшить распознавание ошибочных сигналов.

3.2. Модемы Устройства, выполняющие модуляцию и демодуляцию (восстановление из модулированного сигнала исходных данных), называются модемами (МОДулятор-ДЕМодулятор). Модемы классифицируют по области применения, функциональному назначению, типу используемого канала, поддержке протоколов модуляции, исправления ошибок и сжатия данных, конструктивному исполнению.

По области применения модемы можно разделить на следующие группы:

- для коммутируемых телефонных каналов, - для выделенных каналов, - для физических линий:

- узкополосные (baseband), - короткого радиуса действия (short range или line driver), - для цифровых систем передачи (CSU/DSU), - для сотовых систем связи, - для радиоканалов с пакетной передачей, - для локальных радиосетей.

Модемы для коммутируемых телефонных каналов предназначены для широкого круга пользователей и наиболее распространены. Такие модемы должны работать в полосе пропускания 3,1 кГц в голосовом диапазоне (поскольку аппаратура АТС не пропустит другие сигналы), уметь взаимодействовать с АТС – набирать номер в импульсном или тоновом режиме, определять сигнал “занято” и т.д.

Модемы для выделенных арендованных каналов отличаются от модемов для коммутируемых линий только в том, что им не требуется взаимодействовать с аппаратурой АТС для установления соединения. Они тоже должны работать в узкой полосе пропускания.

Модемы для физических линий не ограничены узкой полосой пропускания, определенной АТС (при этом действуют другие ограничения полосы, связанные с длиной, экранированностью и другими характеристиками линии). Узкополосные модемы для физических линий используют методы модуляции, аналогичные применяемым в модемах для коммутируемых линий, но за счет более широкой полосы пропускания, могут достигать более высоких скоростей передачи – 128 Кбит/с и выше.

Модемы короткого радиуса действия используют уже не аналоговую модуляцию, а цифровые сигналы. Часто используются разнообразные методы цифрового кодирования, исключающие постоянную составляющую из сигнала.

Модемы для цифровых систем передачи обеспечивают подключение к стандартным цифровым каналам (T1/E1, ISDN) и поддерживают функции канальных интерфейсов.

Модемы для сотовых систем связи обычно поддерживают специальные протоколы модуляции и коррекции ошибок, позволяющие работать при часто изменяющихся параметрах среды передачи и высоком уровне помех.

Модемы для радиоканалов с пакетной передачей используют одну и ту же полосу частот, в которой организуется множественный доступ, например, с контролем несущей. Достигаемая при этом скорость передачи обычно невысока – до 64 Кбит/с, но расстояние между станциями может составлять несколько километров.

Модемы для локальных радиосетей обеспечивают передачу данных с высокой скоростью (до 16 Мбит/с) на небольшие расстояния (до 300 м). Для предотвращения взаимного влияния нескольких одновременно передающих модемов используются различные способы, например, псевдослучайной перестройки рабочей частоты или широкополосной передачи.

По методу передачи модемы обычно делят на синхронные и асинхронные. Поскольку модем связан, с одной стороны, с компьютером, а с другой стороны – через канал – с другим модемом, возможен асинхронно-синхронный режим работы: модем получает данные от компьютера асинхронно, а передает их другому модему в синхронном режиме.

3.3. Протоколы, поддерживаемые модемами Все модемные протоколы можно разделить на международные и фирменные. Часто фирменный протокол, разработанный той или иной компанией, реализуют и другие производители модемов, он становится стандартом дефакто, а затем на его основе вырабатывается международный стандарт.

Международные стандарты в области электросвязи выпускаются Комитетом по стандартизации коммуникаций ITU-T (ранее называвшейся Международным консультативным комитетом по телефонии и телеграфии, МККТТ – Comitet Consultatif Internationale de Telegraphique et Telephonique, CCITT) в форме рекомендаций. Рекомендации ITU-T, касающиеся модемов, относятся к серии V.

Модемные протоколы можно разбить на несколько групп:

- протоколы, определяющие соединение модема и канала связи: V.2, V. V.11, V.14, V.25, V.25bis, V.28 и др.

- протоколы модуляции: V.17, V.22, V.32, V.32bis, V.32ter, V.34, V.90, HST, PEP, ZyX и др.

- протоколы коррекции ошибок: MNP1-MNP4, MNP6, MNP10, V.41, V.42;

- протоколы сжатия данных: V.42bis, MNP5, MNP7;

- протоколы согласования параметров связи: V.8;

- протоколы диагностики модемов: V.51-V.54, V.56.

3.4. Режимы передачи Режим передачи определяет способ коммуникации между двумя узлами.

При симплексном (simplex) режиме приемник и передатчик связывается линией связи, по которой информация передается только в одном направлении. Передающий узел в симплексном режиме полностью занимает канал. Примеры:

радиовещание, телевещание.

Полудуплексный (half duplex) режим допускает передачу в двух направлениях, но в разные моменты времени. Два узла связываются таким каналом связи, который позволяет им поочередно (но не одновременно) передавать информацию. Для смены направления передачи, как правило, используется передача специального сигнала и получение подтверждения.

Дуплексный или полнодуплексный (duplex, full duplex) режим позволяет одновременно передавать информацию в двух направлениях. В простейшем случае для дуплексной связи используется две линии связи (прямая и обратная), но существуют решения, позволяющие поддерживать дуплексный режим на единственной линии (например, оба узла могут одновременно передавать данные, а из принимаемого сигнала вычитать собственные данные). Дуплексный режим может быть симметричным (полоса пропускания канала одинакова в обоих направлениях) или асимметричным.

3.5. Асинхронная, синхронная, изохронная и плезиохронная передача Для последовательной передачи данных достаточно одной линии, по которой могут последовательно передаваться биты данных. Приемник должен уметь распознавать, где начинается и где заканчивается сигнал, соответствующий каждому биту данных. Другими словами, передатчик и приемник должны уметь синхронизироваться. Если качество синхронизации низкое (за время передачи одного бита рассогласование достигает нескольких процентов), используется асинхронный (asynchronous) режим: выполняется согласование синхрогенераторов в начале передачи каждого байта. Как правило, передача байта начинается со специального старт-бита, затем следуют биты данных, а за ними, возможно, бит четности. После всех битов данных передается стоп-бит. Стартбит и стоп-бит всегда имеют определенное значение: старт-бит кодируется логическим нулем, а стоп-бит – логической единицей. Между передачей стопбита одного байта и старт-бита следующего байта может проходить произвольное время. Асинхронный режим сильно зависит от погрешностей синхрогенераторов, задающий моменты приема битов. Чем выше скорость передачи, тем больше эта погрешность. В результате этих и некоторых других ограничений скорость передачи в асинхронном режиме ограничена сотнями килобит в секунду (стандартные скорости: 50, 75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200 бит/с).

Если синхронизация очень качественная (например, используется дополнительная линия, по которой передаются синхросигналы), то можно передавать поток данных без дополнительной синхронизации отдельных байтов. Такой режим называется синхронным (synchronous). Передача битов данных предваряется и заканчивается выдачей в канал символа синхронизации. При отсутствии данных передатчик должен постоянно передавать в канал символы синхронизации.

В случае изохронной (isochronous) передачи отправка кадров данных происходит в заданные (известные приемнику и отправителю) моменты времени. При этом данные, передаваемые одним узлом с постоянной скоростью, буду поступать к приемнику с той же скоростью. Изохронная передача необходима, например, для доставки оцифрованного видеоизображения или звука.

Плезиохронная (plesiochronous) передача требует внутренней синхронизации узлов от источников с номинально совпадающими частотами. Термин “плезиохронная” означает “почти синхронная”, поскольку частоты источников точно не совпадают, и со временем накапливается расхождение, которое компенсируется вставкой фиктивных данных.

4. ЦИФРОВЫЕ КАНАЛЫ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

Биты данных могут передаваться в виде аналоговых или цифровых сигналов. Для передачи информации обычно используется одна из характеристик сигнала: амплитуда, частота, фаза. При использовании аналоговых сигналов, характеристика (например, амплитуда) может принимать любое значение из некоторого непрерывного интервала. При использовании цифровых сигналов, характеристика может принимать значения только из некоторого конечного набора (в простейшем случае, одно из двух значений).

На этом уровне вместо битовой скорости (бит/с) используют понятие скорости изменения сигнала в линии или бодовой скорости (бод, baud). Эта скорость представляет собой число изменений различаемых состояний линии за единицу времени. В случае двухуровневого кодирования битовая и бодовая скорости совпадают, но с увеличением количества различимых уровней, битовая скорость растет, а бодовая остается постоянной.

Передача данных может происходить по кабелю (в этом случае говорят об ограниченной среде передачи и проводных линиях связи) и с помощью электромагнитных волн той или иной природы – инфракрасных, микроволн, радиоволн, – распространяющихся в пространстве (неограниченная среда передачи, беспроводные линии связи).

Коммутаторы должны обеспечивать использование соединяющих их каналов для одновременной передачи нескольких абонентских составных каналов. Для этого применяются разнообразные техники мультиплексирования абонентских каналов, среди которых частотное мультиплексирование (FDM, Frequency Division Multiplexing) и мультиплексирование с разделением времени (TDM, Time Division Multiplexing, или синхронный режим передачи – STM, Synchronous Transfer Mode).

Частотное мультиплексирование сводится к разделению диапазона частот на полосы, каждая из которых отведена для передачи данных одного абонентского канала. Коммутатор выполняет перенос частоты каждого канала в выделенную для него полосу (обычно путем модуляции высокочастотной несущей низкочастотным сигналом данных).

При мультиплексировании с разделением времени мультиплексор в каждый момент времени выдает в общий канал данные единственного абонентского канала, отдавая ему всю полосу пропускания, но чередуя абонентские каналы через равные промежутки времени. Мультиплексирование с разделением времени ориентировано на дискретный характер передаваемых данных и цифровые каналы.

4.2. Проводные линии связи и их характеристики Для соединения компьютеров в локальную сеть обычно используют металлические (преимущественно медные) витые пары и коаксиальные кабели.

Все более широкое распространение приобретают волоконно-оптические кабели.

4.2.1. Витая пара В настоящее время среди сетевых кабелей наиболее распространена витая пара, представляющая собой пару переплетенных проводов. При этом вряд ли вы получите работающую витую пару, взяв два любых провода и несколько раз перекрутив их между собой. Для обеспечения требуемой скорости передачи данных по витой паре, она должна удовлетворять стандартам на площадь поперечного сечения провода, на количество витков на единицу длины и на расстояние от последнего витка до разъема.

Существует две разновидности витой пары: экранированная (STP, Shielded Twisted Pair) и неэкранированная (UTP, Unshielded Twisted Pair). В основном используется более удобная при монтаже и дешевая неэкранированная витая пара. В 1991 году был разработан стандарт EIA/TIA-568 (“Стандарт телекоммуникационных кабельных систем для коммерческих зданий”) и близкий к нему международный стандарт ISO/IEC 11801, определяющие для кабелей UTP пять категорий (волновое сопротивление кабеля любой категории – 100 Ом):

передачи данных (до нескольких десятков Кбит/с);

- категория 2 (CAT 2) использовалась в кабельных системах IBM и гарантировали полосу пропускания 1 МГц;

- категория 3 (CAT 3) применяется для передачи голоса и данных со скоростью до 16 Мбит/с (полоса пропускания 16 МГц);

- категория 4 (CAT 4) представляет собой улучшенный вариант CAT 3: повышена помехоустойчивость, уменьшено затухание сигнала, полоса пропускания расширена до 20 МГц;

- категория 5 (CAT 5) специально предназначена для высокоскоростной передачи данных (100 Мбит/с), обладает полосой пропускания 100 МГц.

Выпускаются кабели категорий, не входящих в стандарт: 6 и 7, обладающими полосами пропускания 200 МГц и 600 МГц. При прокладке новых кабельных систем обычно используют именно кабель CAT 5, даже в том случае, если переход к высокопроизводительным сетям пока не планируется.

Новая редакция стандарта EIA/TIA-568A не включает категории 1 и 2.

Кабели UTP выпускаются преимущественно в 4-х парном исполнении (рис. 4.1), иногда встречаются 2-х парные кабели, обычно CAT 3, и многопарные кабели – 25 пар и более. Основные сетевые технологии – Ethernet и Token Ring – используют только две пары, но существуют и технологии (100VGAnyLAN), передающие данные по всем все четырем парам. Пары помечены цветом изоляции: синий и бело-синий, оранжевый и бело-оранжевый, зеленый и бело-зеленый, коричневый и бело-коричневый.

Для соединения кабелей и оборудования используются 8-контактные разъемы RJ-45 (рис. 4.2). Стандарт EIA/TIA-568A определяет два варианта раскладки проводников по контактам: T568A (табл. 4.1) и T568B (табл. 4.2). В каждой локальной сети может использоваться любой вариант разводки, но не оба сразу.

Рис. 4.1. 4-парный кабель UTP Рис. 4.2. Разъем RJ- Витая пара используется для передачи данных на расстояния до нескольких сотен метров. Стандарт Ethernet ограничивает длину сегмента на неэкранированной витой паре до 100 м. (Некоторые фирмы, например 3COM, выпускают сетевое оборудование в этом стандарте, позволяющее увеличить длину сегмента почти до 200 м.) Основной недостаток неэкранированной витой пары – сильная подверженность влиянию электромагнитных помех.

Экранированная витая пара (STP) хорошо защищает передаваемые сигналы от влияния внешних электромагнитных полей, но требует заземления экрана при проводке, что усложняет и удорожает кабельную систему. Кабель STP в основном используется фирмой IBM, которая фирменным стандартом определила девять его категорий – от Type 1 до Type 9. Кабель Type 1 состоит из двух пар и по параметрам близок к UTP CAT 5, за исключением волнового сопротивления – 150 Ом. Кабели STP преимущественно используются в сетях Token Ring, но могут применяться и в сетях Fast Ethernet и 100VG-AnyLAN.

4.2.2. Коаксиальный кабель Коаксиальный кабель состоит из двух концентрических проводников, разделенных слоем диэлектрика. Внешний проводник при этом экранирует внутренний. Такой кабель меньше, чем витая пара, подвержен влиянию внешних электромагнитных помех. Коаксиальный кабель выпускается в нескольких вариантах, различающихся диаметром проводников. Наибольшее применение получил кабель с маркировкой RG-58 (толщина 4,95 мм, диаметр центрального проводника 0,81 мм, волновое сопротивление 50 Ом), так называемый "тонкий" коаксиальный кабель (рис. 4.3). Иногда можно встретить "толстый" (или обычный) коаксиальный кабель с маркировкой RG-8 (толщина дюйма, диаметр центрального проводника 2,17 мм, волновое сопротивление 50 Ом). Сети, использующие коаксиальный кабель, обычно достигают пропускной способности 10 Мбит/с, хотя возможности такого типа кабеля гораздо выше.

- 24 Для соединения коаксиальных кабелей используются N-разъемы (“толстый” коаксиал) и BNC-разъемы (“тонкий” коаксиал, рис. 4.4).

Стандарт EIA/TIA-568 описывает требования к коаксиальному кабелю, но в новую редакцию EIA/TIA-568A он не вошел, как устаревший. Коаксиальный кабель, как и витая пара, используется для передачи данных на расстояния до нескольких сотен метров. Стандарт Ethernet ограничивает длину сегмента на "тонком" коаксиальном кабеле до 185м, а на "толстом" – до 500м.

Основное применение коаксиальный кабель нашел в сетях Ethernet. В настоящее время все высокопроизводительные сетевые технологии используют либо витую пару, либо волоконно-оптический кабель и полностью игнорируют коаксиальный кабель.

Рис. 4.3. Коаксиальный кабель Рис. 4.4. BNC-разъем, T-коннектор и терминатор 4.2.3. Волоконно-оптический кабель Помимо металлических проводников, при построении сетей используются также и стеклянные (точнее, кварцевые) – волоконно-оптические кабели, передающие данные посредством световых волн. Сердечник такого кабеля представляет собой тонкое кварцевое волокно, заключенное в пластиковую отражающую оболочку. В достаточно тонком волокне (диаметр жилы порядка 5- мкм, что сравнимо с длиной световой волны) может распространяться только один световой луч (одна мода). Такой кабель называется одномодовым (Single Mode Fiber, SMF). Скорость передачи данных по одномодовому кабелю может - 25 достигать десятков гигабит в секунду. При этом, за счет использования световых волн разной длины, возможна одновременная организация в одном волокне нескольких высокоскоростных каналов. Типичная полоса пропускания одномодового кабеля достигает 900 ГГц.

Однако производство одномодового кабеля довольно сложно, кроме того, для монтажа такого кабеля требуется использование прецизионного оборудования. Поэтому более распространен так называемый многомодовый (Multi Mode Fiber, MMF) волоконно-оптический кабель, которому свойственна относительно большая толщина волокна (40-110 мкм). При этом световые лучи, входя в кабель под разными углами, отражаются от стенок волокна, проходят разные расстояния и попадают к приемнику в разное время, искажая друг друга. Существуют способы уменьшения искажений, однако, в основном, за счет уменьшения полосы пропускания. В результате многомодовый волоконнооптический кабель длиной 100 м может предоставить полосу пропускания в 1600 МГц при длине волны 0.85 мкм.

Передачу сигналов по волокну в настоящее время осуществляют в трех диапазонах: 0.85 мкм, 1.3 мкм и 1.55 мкм. В качестве источника световых волн в волоконно-оптических каналах используют светодиоды (LED, Light Emitting Diode) и лазерные диоды (ILD, Injection Laser Diode). Первое поколение передатчиков (середина 1970-х годов) строилось на основе светодиодов, работающих на длине волны 0.85 мкм в многомодовом режиме. Второе поколение (конец 1970-х) составили одномодовые передатчики, работающие на длине волны 1.3 мкм. В начале 1980-х появились передатчики третьего поколения – лазерные диоды, работающие на длине волны 1.55 мкм. Четвертое поколение оптических передатчиков (начало 1990-х) базируется целиком на лазерных диодах и реализует когерентные системы связи с частотной или фазовой модуляцией сигнала. Пятое поколение базируется на использовании новой технологии легирования световодов, позволяющей значительно усиливать проходящие по световоду сигналы.

Скорость передачи с использованием светодиодов при длине кабеля до 1 км лежит в пределах 10-25 Мбит/с, а с использованием лазерных диодов – в пределах 25-100Мбит/с. В начале 1990-х годов была создана система связи со скоростью передачи данных в 2.5 Гбит/с на расстояние свыше 2200 км.

Стандарт EIA/TIA-568A определяет два типоразмера многомодового кабеля: 62,5/125 мкм и 50/125 мкм (первое число – диаметр внутреннего проводника, второе – диаметр оболочки).

Волоконно-оптические кабели обладают наилучшими электромагнитными и механическими характеристиками, не подвержены влиянию электромагнитных помех, затрудняют перехват данных, но их монтаж наиболее сложен и трудоемок, требует применения специализированного дорогостоящего оборудования и квалифицированного персонала.

Если по каким-либо причинам соединить компьютеры кабелем не представляется возможным, или сильно затруднено, может оказаться полезным применение беспроводных технологий. Беспроводные сети в основном используют три технологии передачи данных: передача в инфракрасном диапазоне, передача данных с помощью широкополосных радиосигналов и передача данных с помощью обычных (“узкополосных”) радиосигналов.

4.3.1. Инфракрасные волны Инфракрасные каналы работают в диапазоне высоких частот вплоть до 1000 ГГц, где сигналы мало подвержены влиянию электромагнитных помех, следовательно, передача данных может осуществляться на высокой скорости.

Существует три основных типа инфракрасных каналов: прямой видимости (приемопередатчики направлены друг на друга), рассеянного излучения (волны отражаются от пол, стен, потолка помещения) и отраженного излучения (приемопередатчики направлены на общий отражатель). Основная проблема таких каналов – поглощение и рассеивание инфракрасных волн в атмосфере, сильная зависимость от погодных условий. Даже лист бумаги, случайно оказавшийся между передатчиком и приемником, может полностью блокировать передачу данных.

Использование ненаправленной антенны и маломощного передатчика (100 мВт) ограничивает дальность связи до 30-50 м. Направленная антенна и более мощный передатчик (250 мВт) увеличивают возможную дальность связи до 10 км.

Выпускается оборудование для организации высокоскоростных инфракрасных каналов (до 155 Мбит/c) при дальности связи до 150 м.

4.3.2. Радиоволны, сигналы с узкополосным спектром Обычный радиосигнал занимает узкую полосу радиоспектра вблизи несущей частоты. Для надежного приема такой сигнал должен обладать значительной энергией. Мощный сигнал, с одной стороны, является сильным источником помех, а с другой – сам сильно подвержен влиянию внешних помех.

В узкополосных системах связи используется полоса частот в диапазоне 18-19 ГГц. Сигнал на этой частоте не может проникать через стены (металлические и бетонные). Для организации компьютерных сетей узкополосные системы практически не применяются.

4.3.3. Радиоволны, широкополосные сигналы Организация радиоканала, как правило, осуществляется в диапазонах частот около 900 МГц, 2.4 ГГц и 5.7 ГГц. Для работы в этих диапазонах в США - 27 не требуется никакого лицензирования (в России необходимо получить лицензию в Госсвязьнадзоре).

Широкополосный (spread spectrum) сигнал занимает значительно более широкий частотный диапазон, чем тот, что потребовался бы при обычной передаче. Для расширения спектра используются две основные технологии, основанные на использовании псевдослучайного (шумоподобного) кодирования сигнала. Обе технологии лежат в основе стандарта IEEE 802.11.

Первый способ формирования широкополосного сигнала – метод частотных скачков (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS). Весь выделенный диапазон частот разбивается на несколько поддиапазонов (IEEE 802.11 определяет для FHSS разбиение на 79 поддиапазонов). Передатчик постоянно переходит с одного поддиапазона на другой: например, первый бит передается в первом поддиапазоне, второй – в 12, третий – в 7, четвертый – в 53 и т.д. Ясно, что, не зная последовательности и частоты переключения диапазонов, сигнал принять невозможно. Каждая пара приемник – передатчик должна работать на согласованной последовательности поддиапазонов. Кроме того, если в одной полосе одновременно работают несколько передатчиков с разными последовательностями переключения поддиапазонов, то они практически не мешают друг другу. Вероятность случайного совпадения используемых поддиапазонов в некоторый момент времени (и, соответственно, порчи данных) достаточно невелика, так что такие ошибки могут обрабатываться протоколами более высокого уровня.

Второй способ называется методом прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS). При передаче в каждый блок данных встраиваются пустые биты (с псевдослучайными – шумоподобными – значениями).

После каждого информационного бита добавляется свое количество пустых битов. Получаемые последовательности битов в DSSS называются чипами.

Каждый чип затем передается на своей частоте (IEEE 802.11 определяет для DSSS 11 несущих частот). Восстановление сигнала осуществляется с помощью специального процессора, выделяющего данные из шума с помощью коррелятора.

При использовании миниатюрных ненаправленных антенн возможна передача данных на расстояние до нескольких десятков метров (30-50 м). Максимальная дальность связи при работе со всенаправленной антенной достигает км. Направленные антенны (в условиях прямой видимости) позволяют увеличить дальность связи до 10 км, а с использованием усилителей – до 50 км. Наиболее распространенное в настоящее время оборудование обеспечивает пропускную способность в 2 Мбит/с, хотя встречаются и более высокоскоростные (например, 4 Мбит/c) устройства.

Расширение спектра частот позволяет значительно уменьшить мощность источника сигналов (типичное значение выходной мощности – 30..50 мВт). Радиосигнал с распределенным спектром обладает высокой помехоустойчивостью и надежностью, он способен проникать сквозь здания и другие сооружения, что обеспечивает относительно большую дальность связи (для беспроводных сред). Однако при этом достигается относительно низкая скорость передачи. К недостаткам таких каналов относится и возможная электромагнитная несовместимость отдельных сетей, расположенных недалеко друг от друга.

4.3.4. Спутниковая связь В зависимости от высоты орбиты, спутники делятся на геостационарные и низкоорбитальные.

Cпутники, находящиеся на высоте около 36 тыс. км над экватором, согласно третьему закону Кеплера, имеют период обращения равный 24 часам, и называются геостационарными (неподвижными относительно Земли). Применение геостационарных спутников позволяет значительно упростить антенные системы (нет необходимости в приводе, меняющем ориентацию антенны). Четыре геостационарных спутника (расположенные на угловом расстоянии в градусов друг от друга) покрывают всю поверхность Земли. К недостаткам геостационарных спутников относится довольно большая задержка прохождения сигнала (250-300 мс). Кроме того, слишком близко расположенные спутники, работающие в в одном диапазоне частот, будут создавать помехи друг для друга. Приемлемое угловое расстояние между такими спутниками составляет градуса, то есть одновременно на геостационарной орбите может находиться не более 180 спутников (работающих в общем диапазоне частот). За счет использования нескольких диапазонов это ограничение несколько смягчается. Традиционно используются частоты (приблизительно) от 3 ГГц до 30 ГГц, что приводит к зависимости качества передачи от погодных условий (дождь, снег).

Спутник связи имеет несколько приемопередатчиков (транспондеров), работающих в разных частотных диапазонах. Количество транспондеров обычно лежит в интервале 12..20, типичная пропускная способность одного транспондера – 50 Мбит/с.

Примеры геостационарных систем – Инмарсат, Runnet. Один из спутников системы Runnet охватывает почти всю территорию России. Диапазоны частот 6.18..6.22 ГГц и 3.855..3.895 ГГц. Диаметр антенны 4,8м.

Низкоорбитальные (высота орбиты – от сотен до единиц тысяч километров) спутники постоянно перемещаются относительно любой точки поверхности Земли. Основной принцип низкоорбитальных систем – большое количество (несколько десятков) спутников, совместно охватывающих весь земной шар.

Тогда любая наземная станция может переключаться между спутниками по мере их прохождения.

Самый известный проект низкоорбитальной системы – Иридиум – включает 66 (первоначально планировалось 77) спутников на высоте 750 км. Каждый спутник имеет по 48 лучей по 174 дуплексных канала каждый. Диапазон частот 1610-1626.5 МГц (позволяет использовать питание от аккумуляторов).

Другой проект – Глобалстар – включает 48 спутников на высоте 1400 км, у каждого спутника по шесть сфокусированных лучей по 2800 каналов каждый.

Наземная станция в каждый момент времени поддерживает связь с тремя ближайшими спутниками.

Сотовая связь основана на применении кабельных и беспроводных каналов на тех участках, где они могут проявить свои сильные стороны. Базовая структура сети создается на основе высокоскоростных кабельных каналов связи, а подключение абонентов производится по радиоканалам, что позволяет обеспечить их мобильность. Хотя основное применение сотовых систем до сих пор лежит в области телефонии, современные сотовые технологии позволяют передавать и произвольные цифровые данные.

Различают три поколения систем сотовой связи:

- аналоговые системы (1-е поколение): AMPS, TACS, NMT 450 и др.;

- цифровые системы (2-е поколение): D-AMPS, GSM, CDMA и др.;

- универсальные цифровые системы (3-е поколение) – пока массово не применяются.

Во всех аналоговых системах для передачи речи применяется частотная модуляция и частотное разделение каналов (полоса, отводимая для одного абонента – от 12.5 до 30 кГц). Недостатки аналоговых систем – малая емкость (недостаточно рациональное использование полосы частот), слабая защита от прослушивания, большие габариты абонентского оборудования. Тем не менее, аналоговый стандарт NMT 450 (“скандинавский стандарт”) является одним из двух Российских федеральных стандартов сотовой связи.

Цифровые системы используют одну из двух разновидностей метода множественного доступа: временное разделение каналов (D-AMPS, GSM) или кодовое разделение каналов (CDMA). Например, в стандарте D-AMPS используется две полосы по 25 МГц, каждая из которых разбита на 832 частотных канала по 30 кГц. Стандарт GSM 900 отводит под один канал полосу в 200 кГц, и в полном диапазоне умещается 124 канала. По каждому каналу передаются кадры, принадлежащие разным абонентам – за счет этого достигается временное разделение. При кодовом разделении используется метод расширения спектра (см. 4.3.3): все абоненты используют общую полосу (около 1 МГц), но данные разных абонентов кодируются разными псевдослучайными последовательностями по методу DSSS.

Системы сотовой связи строятся в виде совокупностей ячеек (cell), покрывающих обслуживаемую территорию. Ячейки обычно изображают в виде правильных шестиугольников, соприкасающихся ребрами. Схема сети в этом случае напоминает пчелиные соты, что и послужило причиной возникновения термина “сотовая сеть” (cellular network). В центре каждой ячейки располагается базовая станция (БС), с которой (по радиоканалам) связываются все абоненты, находящиеся в пределах данной ячейки. На базовой станции расположены приемная и передающая антенны (часто используется пара приемных антенн), несколько приемников и передатчиков (работающих на разных поддиапазонах частот из выделенной данной БС полосы частот), контроллер и блок сопряжения с линией связи. Если абонент перемещается в другую ячейку, его начинает обслуживать другая БС. Все БС связаны с центром коммутации, у которого имеется подключение, например, к обычной городской телефонной сети. Если между собой центров коммутации.

Основным принципом сотовой связи, отличающим ее от других систем связи с мобильными абонентами, является принцип повторного использования частот (frequency reuse), позволяющий теоретически неограниченно наращивать емкость системы (реальное ограничение – мощность центра коммутации). Суть его в следующем. В рядом расположенных ячейках используются разные полосы частот, что позволяет соседним БС не конкурировать за общую полосу, а абонентскому оборудованию легко выбирать ближайшую к нему БС (по сигналу максимальной мощности). В то же время, одну и ту же полосу можно использовать в несмежных ячейках. Группу ячеек, в которой каждый частотный диапазон используется только одной ячейкой, называют кластером.

В результате, для сети произвольного размера, оказывается достаточным наличие трех непересекающихся частотных диапазонов, то есть сеть может быть разбита на 3-элементные кластеры. Такое разбиение оказывается не очень удобным: хотя ячейки, использующие общую полосу частот, и не соприкасаются, но находятся достаточно близко, чтобы создавать друг другу помехи. Поэтому чаще используют кластеры с большим количеством элементов.

5. ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ И КОДИРОВАНИЕ ИНФОРМАЦИИ

Сутью передачи данных по некоторому каналу является воспроизведение получателем некоторой (заданной отправителем) функции, например, изменения тока или напряжения во времени. При распространении сигнала происходит его искажение: затухание, искажение формы, смешивание с шумом и пр.

Затухание возникает из-за того, что часть энергии сигнала рассеивается, при этом, чем больше длина канала, тем больше затухание. Кроме того, сигналы разных частот затухают не одинаково. Искажение формы сигнала происходит по причине разной скорости распространения сигналов разной частоты. В результате гармоники соседних сигналов могут смешиваться и искажать друг друга. Причиной шума является наличие других источников энергии (кроме передатчика). Источником шума могут быть, например, другие линии передачи данных, силовые электрические кабели, атмосферные явления. Неизбежной разновидностью шума является тепловой шум (при температуре среды больше абсолютного нуля).

5.1. Количество информация и энтропия Источник информации, который может в каждый момент времени находиться в одном из возможных состояний, называется дискретным источником информации. Будем называть конечное множество всех возможных состояний {u1, u2, …, uN} алфавитом источника (N – размер алфавита или число возможных состояний). В общем случае разные состояния ui выбираются источником с разной вероятностью pi, и его можно охарактеризовать совокупностью алфавита и множества вероятностей состояний – ансамблем UN = {u1, p1, u2, p2, …, uN, pN}. Разумеется, сумма вероятностей всех состояний должна быть равна 1.

Введем меру неопределенности состояния источника H(U), удовлетворяющую следующим условиям:

- монотонность: мера должна монотонно возрастать с ростом количества возможных состояний.

- аддитивность: мера, вычисленная для сложного источника, состоящего из двух независимых источников (с размерами алфавитов N и M, тогда размер алфавита сложного источника -– NM), должна равняться сумме мер этих двух источников. Согласно условию аддитивности, мера должна удовлетворять соотношению H(UNM) = H(UM)+H(UN).

Кроме того, существует граничное условие: мера неопределенности для источника с размером алфавита 1 должна равняться 0.

Можно показать, что этим условиям удовлетворяет логарифмическая функция (с произвольным основанием).

Для источника с алфавитом размера N и равновероятными состояниями (pi=1/N для любого i) логарифмическая мера была предложена Р.Хартли в году и имеет вид: H(UN) = log(N). Предположение о равновероятности состояний источника информации называется моделью Хартли. Если основание логарифма выбрать равным двум, соответствующая единица неопределенности будет соответствовать неопределенности выбора из двух равновероятных событий и называться двоичной единицей или битом (от англ. bit, сокращенного binary digit – двоичная единица).

Модели Хартли недостает учета вероятностей состояний. Если, например, источник имеет два возможных состояния с вероятностями 0.999 и 0.001. Ясно, что мера неопределенности такого источника должна быть меньше 1 бита: есть большая уверенность в выборе первого состояния. Если вероятности состояний отличаются незначительно (например, 0.51 и 0.49), то и мера неопределенности должна измениться незначительно по сравнению с равновероятным случаем.

Таким образом, мера неопределенности должна зависеть от вероятностей состояний источника, от всего ансамбля. Такая модель источника информации называется моделью Шеннона. Мера неопределенности выбора дискретным источником состояния из ансамбля UN называется энтропией дискретного источника информации или энтропией конечного ансамбля:

где C – произвольное положительное число.

При равновероятности состояний источника мера Шеннона сводится к мере Хартли.

Доказано, что приведенная функция – единственная, удовлетворяющая всем перечисленным условиям.

Термин “энтропия” был заимствован из термодинамики и использован для меры неопределенности из-за того, что обе энтропии – термодинамическая - 32 и информационная – характеризуют степень разнообразия состояний рассматриваемой системы и описываются аналогичными функциями.

5.2. Свойства энтропии 1. Энтропия является неотрицательной вещественной величиной. Это так, поскольку вероятность лежит в интервале от 0 до 1, ее логарифм отрицателен, а значение –pilog pi положительно.

2. Энтропия ограничена сверху значением 1.

3. Энтропия равна 0, только если одно из состояний имеет вероятность, равную 1 (полностью определенный источник).

4. Энтропия максимальна, когда все состояния источника равновероятны. При этом Hmax(UN) = log2 N.

5. Энтропия источника с двумя состояниями изменяется от 0 до 1, достигая максимума при равенстве их вероятностей.

6. Энтропия объединения нескольких независимых источников информации равна сумме энтропий исходных источников.

7. Энтропия характеризует среднюю неопределенность выбора одного состояния из ансамбля, не учитывая содержательную сторону (семантику) состояний.

8. Энтропия как мера неопределенности согласуется с экспериментальными психологическими данными. Время безошибочной реакции на последовательность случайно чередующихся равновероятных раздражителей растет с увеличением их числа так же, как энтропия, а при переходе к неравновероятным раздражителям, среднее время реакции снижается так же, как энтропия.

5.3. Единицы количества информации Бит – очень мелкая единица измерения количества информации. Более крупная единица – байт, состоящий из восьми битов. (Восьмибитный байт стал стандартным только с распространением системы IBM System 360 (ЕС ЭВМ), до того в разных вычислительных системах использовались байты разного размера.) Применяются и более крупные единицы:

Килобайт (Кбайт) – 1024 байт – 210 байт Мегабайт (Мбайт) – 1024 Кбайт – 220 байт Гигабайт (Гбайт) – 1024 Мбайт – 230 байт Терабайт (Тбайт) – 1024 Гбайт – 240 байт Петабайт (Пбайт) – 1024 Тбайт – 250 байт В качестве единицы количества информации можно было бы выбрать количество информации, содержащееся, например, в выборе одного из десяти равновероятных сообщений. Такая единица будет называться дит или десятичной единицей.

Качество обслуживания (Quality of Service, QoS) сетью потребителя ее услуг определяется, в основном, производительностью и надежностью. Производительность характеризуется следующими основными параметрами:

- Время реакции сети – интегральная характеристика сети с точки зрения пользователя – интервал времени между возникновением запроса пользователя к сетевой службе и получением ответа на этот запрос.

- Пропускная способность или скорость передачи данных – объем данных, переданных за единицу времени. Пропускная способность может, измеряться в битах в секунду (бит/c) или в пакетах в секунду. Различают среднюю, мгновенную и максимальную пропускную способность.

- Задержка доставки данных – время от передачи блока информации до его приема. Часто задержку передачи (вносимую каким-либо сетевым устройством) определяют как интервал времени между моментом поступления пакета на вход сетевого устройства и моментом появления его на выходе этого устройства. Обычно качество сети характеризуется максимальной задержкой передачи и вариацией задержки.

Надежность оценивается, среди прочих, следующими характеристиками:

- Коэффициент готовности – доля времени, в течение которого система может быть использована.

- Уровень ошибок – определяется как вероятность безошибочной передачи определенного объема данных. Например, вероятности 0,99999 соответствует 1 ошибочный бит на 100000 переданных битов. Для локальных сетей характерен уровень ошибок 1 на 108-1012 бит.

Максимальная скорость передачи для канала без шума (идеальный случай), согласно теореме Найквиста, составляет 2Hlog2V, где H – пропускная способность, V – количество различаемых уровней сигнала.

Для реальных каналов (с шумом) максимальная скорость передачи определяется по теореме Шеннона: Hlog2(1+S/N), где S/N – отношение мощности полезного сигнала с мощности шума (“отношение сигнал-шум”).

5.5. Кодирование информации При передаче цифровой информации с помощью цифровых сигналов применяется цифровое кодирование, управляющее последовательностью прямоугольных импульсов в соответствии с последовательностью передаваемых данных. При цифровом кодировании применяют либо потенциальные, либо импульсные коды. При потенциальном кодировании информативным является уровень сигнала. При импульсном кодировании используются либо перепады уровня (транзитивное кодирование), либо полярность отдельных импульсов (униполярное, полярное, биполярное кодирование). В отдельную группу импульсных кодов выделяют двухфазные коды, при которых в каждом битовом интервале обязательно присутствует переход из одного состояния в другое (такие коды позволяют выделять синхросигнал из последовательности состояний линии, то есть являются самосинхронизирующимися).

Наиболее распространены следующие коды:

- NRZ (Non-Return to Zero – без возврата к нулю) – потенциальный код, состояние которого прямо или инверсно отражает значение бита данных - дифференциальный NRZ – состояние меняется в начале битового интервала для “1” и не меняется при “0” - NRZI (Non-Return to Zero Inverted – без возврата к нулю с инверсией) – состояние меняется в начале битового интервала при передаче “0” и не меняется при передаче “1”. Используется в FDDI, 100BaseFX.

- RZ (Return to Zero – с возвратом к нулю) – биполярный импульсный самосинхронизирующийся код, представляющий “1” и “0” импульсами противоположной полярности, длящимися половину такта (вторую половину такта состояния устанавливается в нулевое); всего используется три состояния - AMI (Bipolar Alternate Mark Inversion – биполярное кодирование с альтернативной инверсией) – используется три состояния: 0, + и –, для кодирования логического нуля используется состояние 0, а логическая единица кодируется по очереди состояниями + и –. Используется в ISDN, DSx.

- Манчестерское кодирование (manchester encoding) – двухфазное полярное самосинхронизирующееся кодирование, логическая единица кодируется перепадом потенциала в середине такта от низкого уровня к высокому, логический ноль – обратным перепадом (если необходимо представить два одинаковых значения подряд, в начале такта происходит дополнительный служебный перепад потенциала). Используется в Ethernet.

- Дифференциальное манчестерское кодирование (differential manchester encoding) – двухфазное полярное самосинхронизирующееся кодирование, логический ноль кодируется наличием перепада потенциала в начале такта, а логическая единица – отсутствием перепада; в середине такта перепад есть всегда (для синхронизации). В Token Ring применяется модификация этого метода, кроме “0” и “1”, использующая служебные биты “J” и “K”, не имеющие перепада в середине такта (“J” не имеет перепада в начале такта, “К” – имеет).

- MLT-3 – трехуровневое кодирование со скремблированием без самосинхронизации, логический ноль кодируется сохранением состояния, а логическая единица кодируется по очереди следующими состояниями: +V, 0, -V, 0, +V и т.д. Используется в FDDI и 100BaseTX.

- PAM5 (Pulse Amplitude Modulation) – пятиуровневое биполярное кодирование, при котором каждая пара бит данных представляется одним из пяти уровней потенциала. Применяется в 1000BaseT.

- 2B1Q (2 Binary 1 Quarternary) – пара бит данных представляется одним четвертичным символом, т.е. одним из четырех уровней потенциала. Применяется в ISDN.

Diff. NRZ Manchester Diff. Manch.

Рис.5.1. Способы цифрового кодирования данных 5.6. Логическое кодирование Некоторые разновидности цифрового кодирования очень чувствительны к характеру передаваемых данных. Например, при передаче длинных последовательностей логических нулей посредством потенциального кода типа NRZ или AMI сигнал на линии долгое время не изменяется, и приемник может ошибиться с моментом считывания очередного бита. Для кода NRZ подобные проблемы возникают и при передаче длинных последовательностей логических единиц. Логическое кодирование (которому может подвергаться исходная последовательность данных) должно внедрять в длинные последовательности бит, биты с противоположным значением, или вообще заменять их другими последовательностями. Кроме исключения “проблемных” битовых последовательностей, логическое кодирование позволяет также увеличить кодовое расстояние между символами (для упрощения декодирования), улучшить спектральные характеристики сигнала, а кроме того передавать в общем потоке служебные сигналы. В основном для логического кодирования применяются три группы методов: вставка бит, избыточное кодирование и скремблирование.

длинных последовательностей, например, логических единиц. Если в передаваемой последовательности встречается непрерывная цепочка “1”, то передатчик вставляет “0” после каждой, например, пятой “1”. Приемник отбрасывает все эти лишние “0”, которые встречаются после пяти “1”. Разумеется, можно проводить и обратную операцию – вставку “1” в длинные последовательности “0”. Схема вставки бит применяется, например, в протоколе HDLC.

Избыточное кодирование основано на разбиении исходной последовательности бит на участки одинаковой длины – символы. Затем каждый символ заменяется (как правило, табличным способом) на новый, имеющий либо большее количество бит, либо другое основание системы счисления (например, на символ, состоящий из троичных разрядов). Рассмотрим некоторые распространенные схемы логического кодирования.

Логический код 4B/5B заменяет каждые 4 бита входного потока (исходный символ) на 5-битный выходной символ. Так как количество различных 5битных символов равно 32, а исходные символы могут содержать лишь одну из 16 битовых комбинаций, среди возможных выходных кодов можно отобрать “удобных” комбинаций – не содержащих большого количества нулей (больше трех подряд), среди оставшихся кодов выделить служебные символы (для поддержания синхронизации, выделения границ кадров и их полей и т.д.), а оставшиеся коды считать запрещенными.

Накладные расходы при кодировании 4B/5B составляют 25% (один лишний бит на четыре бита данных), соответственно для достижения той же пропускной способности, что и без логического кодирования, передатчик должен работать на повышенной на 25% частоте. Код 4B/5B используется в FDDI и Fast Ethernet: 100BaseFX и 100BaseTX.

Логический код 8B/10B заменяет каждый 8-битный исходный символ 10битным выходным символом. При том же уровне накладных расходов (25%), что в случае кода 4B/5B, обладает 4-кратной избыточностью (1024 выходных символов и 256 исходных символов). При кодировании 8B/10B каждому исходному символу сопоставлено два выходных символа, выбор из которых осуществляется в зависимости от последнего бита предыдущего переданного символа. В результате код обеспечивает стабильное соотношение “0” и “1” в выходном потоке, независимо от исходных данных. Это свойство важно для лазерных передатчиков, поскольку от данного соотношения зависит их нагрев и количество ошибок приема. Код 8B/10B используется в Gigabit Ethernet: 1000BaseSX, 1000BaseLX, 1000BaseCX.

Логический код 8B/6T кодирует каждые 8 бит исходной информации шестью троичными (T – ternary, троичный) разрядами, принимающими значения {+, 0, –}. Например, “00000000” = “+–00+–“, “11111110” = “–+0+00”. Избыточность кода 8B/6T выше, чем у кода 4B/5B и составляет 36/28 = 729/256 = 2,85.

Применяется в Fast Ethernet – 100BaseT4.

Скремблирование заключается в побитном вычислении выходной последовательности на основании значений бит исходной последовательности и уже вычисленных бит результата. Например, скремблер может вычислять для каждого бита следующее выражение: Bi=AiBi-5 Bi-7, где Ai – i-й бит исходной последовательности, Bi – i-й бит результата скремблирования, – операция сложения по модулю два. Различные алгоритмы скремблирования отличаются разным количеством слагаемых и разным сдвигом между слагаемыми (в приведенном выше примере используется два слагаемых со сдвигами 5 и 7). Например, в ISDN используется два варианта скремблирования: со сдвигами 5 и 23, и со сдвигами 18 и 23.

Существуют специальные методы скремблирования, применяемые совместно определенными методами физического кодирования. Например, для улучшения кода AMI применяются методы B8ZS и HDB3. Метод B8ZS (Bipolar win 8-Zeros Substitution, биполярный с заменой 8 нулей) заменяет последовательности, состоящие из 8 нулей на “000V10V1”, где V – сигнал единицы запрещенной в данном такте полярности, а 1 – сигнал единицы корректной полярности. Если на 8 тактах приемник наблюдает три начальных нуля и два искажения полярности, то он заменяет эти 8 бит на 8 логических нулей. Метод HDB3 (High-Density Bipolar 3-Zeros, биполярный трех-нулевой высокой плотности) заменяет последовательности из четырех идущих подряд нулей на один из четырех четырехразрядных биполярных кодов в зависимости от предыстории – полярности предыдущего импульса и предыдущей замены.

Коды, позволяющие выделять синхросигнал из последовательности состояний линии, называются самосинхронизирующимися. При использовании таких кодов отпадает необходимость в отдельной синхронизации передатчика и приемника.

Одна из возможных реализаций самосинхронизирующих кодов – двухфазные коды, в каждом битовом интервале которых обязательно присутствует переход из одного состояния в другое.

Большинство технологий локальных сетей используют именно самосинхронизирующие коды: в Ethernet применяется манчестерский код, в Token Ring – вариант дифференциального манчестерского кода

6. КОНТРОЛЬ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ И СЖАТИЕ ДАННЫХ

6.1. Самовосстанавливающиеся коды Одним из средств борьбы с помехами являются самовосстанавливающиеся (корректирующие) коды, позволяющие не только обнаружить, но и исправить ошибки при приеме.

Пусть используется n-разрядный двоичный код. Ошибка при приеме кодовой комбинации состоит в том, что (под влиянием помехи) либо переданный нуль был принят, как единица, либо единица была принята, как нуль. Если в кодовой комбинации ошибка присутствует только в одном разряде, то такую ошибку будем называть одиночной, если в двух разрядах – двойной и т.д.

Если при передаче в качестве информационных используются все возможные кодовые комбинации, ошибки невозможно даже обнаружить: любая ошибка преобразует кодовую комбинацию в другую допустимую кодовую комбинацию. Для распознавания ошибок необходимо часть кодовых комбинаций зарезервировать для контроля ошибок. Для того, чтобы было можно обнаружить одиночную ошибку, достаточно в качестве информационных взять такие кодовые комбинации, которые различались бы между собой не менее, чем в двух знаках. Тогда одиночная ошибка в любой информационной кодовой комбинации приводила бы к появлению запрещенной кодовой комбинации. Для исправления одиночных ошибок, можно использовать код, информационные кодовые комбинации которого различаются не менее, чем в трех знаках. Тогда одиночная ошибка даст запрещенную кодовую комбинацию, отличающуюся от исходной в одном знаке, но отличающуюся от любой другой разрешенной комбинации не менее, чем в двух знаках. Соответственно, можно будет не только обнаружить ошибку, но и найти истинную передававшуюся кодовую комбинацию.

Аналогичным образом можно построить коды, обнаруживающие и исправляющие ошибки любой кратности. Для этого нужно лишь уменьшать долю информационных кодовых комбинаций среди всех возможных.

- 39 При таком подходе необходимо каждую принятую кодовую комбинацию сравнивать со всеми разрешенными комбинациями и, в случае совпадения, считать, что ошибки не было, а в противном случае считать истинной разрешенную комбинацию, отличающуюся от принятой в минимальном количестве разрядов.

Это – довольно малоэффективный метод обнаружения и исправления ошибок.

6.2. Систематические коды Другой подход к построению кодов – разделение разрядов кода на информационные и контрольные. Такие коды называются систематическими.

Пусть всего в коде n разрядов, из них k – информационных и r – контрольных разрядов (n=k+r). Такой код может передавать N = 2k различных сообщений. Из r контрольных разрядов можно организовать 2r различных комбинаций. Для обнаружения и исправления одиночной ошибки нужно, во-первых, указать наличие/отсутствие ошибки и, во-вторых, указать номер разряда, в котором произошла ошибка.

Таким образом, чтобы в контрольных разрядах можно было передавать информацию для исправления одиночных ошибок, их количество должно удовлетворять неравенству 2rn+1 или 2n/(n+1) N. Если достигается равенство:

2n/(n+1) = N, то количество контрольных разрядов, приходящихся на один информационный, будет наименьшим. Например, для N=4 различных сообщений (k=2) наименьшее значение n равно пяти (24/(4+1) = 3,2 < 4, а 25/6 5,3 > 4).

Значит, количество контрольных разрядов, необходимое для обнаружения и исправления одиночных ошибок r = n-k = 5-2 = 3.

6.3. Алгоритмы сжатия данных В общем смысле под сжатием данных понимают такое их преобразование, что его результат занимает меньший объем памяти. При этом (по сравнению с исходным представлением) экономится память для их хранения и сокращается время передачи сжатых данных по каналам связи. Синонимы термина “сжатие” – упаковка, компрессия, архивация. Обратный процесс (получение исходных данных по сжатым) называется распаковкой, декомпрессией, восстановлением.

Качество сжатия характеризуется коэффициентом сжатия, равным отношению объема сжатых данных к объему исходных данных.

В зависимости от возможной точности восстановления исходных данных, различаю сжатие без потерь (данные восстанавливаются точно в исходном виде) и сжатие с потерями (восстановленные данные не идентичны исходным, но их различиями в том контексте, в котором эти данные используются, можно пренебречь). Сжатие с потерями применяется, например, для упаковки многоцветных фотографических изображений (алгоритм JPEG), звука (алгоритм MP3), видео (группа алгоритмов MPEG). При этом используются особенности человеческого восприятия: например, глаз человека не может различить два - 40 близких оттенка цвета, закодированных 24 битами, поэтому можно без видимых искажений уменьшить разрядность представления цвета.

Для многих разновидностей данных – текстов, исполняемых файлов и т.д.

– допустимо применение только алгоритмов сжатия без потерь.

Сжатие без потерь, в основном, базируется на двух группах методов: словарных и статистических. Словарные методы используют наличие повторяемых групп данных и, например, записывают первое вхождение повторяемого участка непосредственно, а все последующие вхождения заменяют на ссылку на первое вхождение. Другие словарные методы отдельно хранят словарь в явной форме и заменяют все вхождения словарных терминов на их номер в словаре.

Статистические методы используют тот факт, что частота появления в данных различных байтов (или групп байтов) неодинакова, следовательно, часто встречающиеся байты можно закодировать более короткой битовой последовательностью, а редко встречающиеся – более длинной. Часто в одном алгоритме используют и словарные, и статистические методы.