Линия связи состоит в общем случае из физической среды, по которой передаются электрические информационные сигналы, аппаратуры передачи данных и промежуточной аппаратуры. Синонимом термина линия связи (line) является термин канал связи (channel).
Физическая среда передачи данных может представлять собой кабель, то есть набор проводов, изоляционных и защитных оболочек и соединительных разъемов, а также земную атмосферу или космическое пространство, через которые распространяются электромагнитные волны.
В зависимости от среды передачи данных линии связи разделяются на следующие:
§ проводные (воздушные);
§ кабельные (медные и волоконно-оптические);
§ радиоканалы наземной и спутниковой связи.
Проводные (воздушные) линии связи представляют собой провода без каких-либо изолирующих или экранирующих оплеток, проложенные между столбами и висящие в воздухе. По таким линиям связи традиционно передаются телефонные или телеграфные сигналы, но при отсутствии других возможностей эти линии используются и для передачи компьютерных данных. Скоростные качества и помехозащищенность этих линий оставляют желать много лучшего. Сегодня проводные линии связи быстро вытесняются кабельными.
Кабельные линии представляют собой достаточно сложную конструкцию. Кабель состоит из проводников, заключенных в несколько слоев изоляции: электрической, электромагнитной, механической, а также, возможно, климатической. Кроме того, кабель может быть оснащен разъемами, позволяющими быстро выполнять присоединение к нему различного оборудования. В компьютерных сетях применяются три основных типа кабеля: кабели на основе скрученных пар медных проводов, коаксиальные кабели с медной жилой, а также волоконно-оптические кабели.
Скрученная пара проводов называется витой парой. Витая пара существует в экранированном варианте, когда пара медных проводов обертывается в изоляционный экран, и неэкранированном, когда изоляционная обертка отсутствует. Скручивание проводов снижает влияние внешних помех на полезные сигналы, передаваемые по кабелю.
Коаксиальный кабель имеет несимметричную конструкцию и состоит из внутренней медной жилы и оплетки, отделенной от жилы слоем изоляции. Существует несколько типов коаксиального кабеля, отличающихся характеристиками и областями применения - для локальных сетей, для глобальных сетей, для кабельного телевидения и т. п.
Волоконно-оптический кабель состоит из тонких волокон, по которым распространяются световые сигналы. Это наиболее качественный тип кабеля - он обеспечивает передачу данных с очень высокой скоростью (до 10 Гбит/с и выше) и лучше других типов передающей среды обеспечивает защиту данных от внешних помех.
Радиоканалы наземной и спутниковой связи образуются с помощью передатчика и приемника радиоволн. Существует большое количество различных типов радиоканалов, отличающихся как используемым частотным диапазоном, так и дальностью канала. Диапазоны коротких, средних и длинных волн (KB, СВ и ДВ), называемые также диапазонами амплитудной модуляции (Amplitude Modulation, AM) по типу используемого в них метода модуляции сигнала, обеспечивают дальнюю связь, но при невысокой скорости передачи данных. Более скоростными являются каналы, работающие на диапазонах ультракоротких волн (УКВ), для которых характерна частотная модуляция, а также диапазонах сверхвысоких частот (СВЧ или microwaves).
В диапазоне СВЧ (свыше 4 ГГц) сигналы уже не отражаются ионосферой Земли и для устойчивой связи требуется наличие прямой видимости между передатчиком и приемником. Поэтому такие частоты используют либо спутниковые каналы, либо радиорелейные каналы, где это условие выполняется.
В компьютерных сетях сегодня применяются практически все описанные типы физических сред передачи данных, но наиболее перспективными являются волоконно-оптические. На них сегодня строятся как магистрали крупных территориальных сетей, так и высокоскоростные линии связи локальных сетей.
Популярной средой является также витая пара, которая характеризуется отличным соотношением качества к стоимости, а также простотой монтажа. С помощью витой пары обычно подключают конечных абонентов сетей на расстояниях до 100 метров от концентратора. Спутниковые каналы и радиосвязь используются чаще всего в тех случаях, когда кабельные связи применить нельзя - например, при прохождении канала через малонаселенную местность или же для связи с мобильным пользователем сети.
Даже при рассмотрении простейшей сети, состоящей всего из двух машин, можно увидеть многие проблемы, присущие любой вычислительной сети, в том числе проблемы, связанные с физической передачей сигналов по линиям связи , без решения которой невозможен любой вид связи.
В вычислительной технике для представления данных используется двоичный код . Внутри компьютера единицам и нулям данных соответствуют дискретные электрические сигналы. Представление данных в виде электрических или оптических сигналов называется кодированием. Существуют различные способы кодирования двоичных цифр 1 и 0, например, потенциальный способ, при котором единице соответствует один уровень напряжения, а нулю - другой, или импульсный способ, когда для представления цифр используются импульсы различной или одной полярности.
Аналогичные подходы могут быть использованы для кодирования данных и при передаче их между двумя компьютерами по линиям связи. Однако эти линии связи отличаются по своим электрическим характеристикам от тех, которые существуют внутри компьютера. Главное отличие внешних линий связи от внутренних состоит в их гораздо большей протяженности , а также в том, что они проходят вне экранированного корпуса по пространствам, зачастую подверженным воздействию сильных электромагнитных помех. Все это приводит к значительно большим искажениям прямоугольных импульсов (например, «заваливанию» фронтов), чем внутри компьютера. Поэтому для надежного распознавания импульсов на приемном конце линии связи при передаче данных внутри и вне компьютера не всегда можно использовать одни и те же скорости и способы кодирования. Например, медленное нарастание фронта импульса из-за высокой емкостной нагрузки линии требует передачи импульсов с меньшей скоростью (чтобы передний и задний фронты соседних импульсов не перекрывались и импульс успел дорасти до требуемого уровня).
В вычислительных сетях применяют как потенциальное, так и импульсное кодирование дискретных данных , а также специфический способ представления данных, который никогда не используется внутри компьютера, - модуляцию (рис. 3). При модуляции дискретная информация представляется синусоидальным сигналом той частоты, которую хорошо передает имеющаяся линия связи.
Потенциальное или импульсное кодирование применяется на каналах высокого качества, а модуляция на основе синусоидальных сигналов предпочтительнее в том случае, когда канал вносит сильные искажения в передаваемые сигналы. Обычно модуляция используется в глобальных сетях при передаче данных через аналоговые телефонные каналы связи, которые были разработаны для передачи голоса в аналоговой форме и поэтому плохо подходят для непосредственной передачи импульсов.
Для преобразования данных из одного вида в другой используются модемы. Термин «модем» - сокращение от слов модулятор/демодулятор. Двоичный ноль преобразуется, например, им в сигнал низкой, а единица - высокой частоты. Другими словами, преобразуя данные, модем модулирует частоту аналогового сигнала (рис. 4).
На способ передачи сигналом влияет и количество проводов в линиях связи между компьютерами.
Передача данных может происходить происходит параллельно (рис. 5) или последовательно (рис. 6).
Для сокращения стоимости линий связи в сетях обычно стремятся к сокращению количества проводов и из-за этого используют не параллельную передачу всех бит одного байта или даже нескольких байт, как это делается внутри компьютера, а последовательную, побитную передачу, требующую всего одной пары проводов.
При соединении компьютеров и устройств используются также три различных метода, обозначаемые тремя различными терминами. Соединение бывает: симплексное, полудуплексное и дуплексное (рис. 7).
О симплексном соединении говорят, когда данные перемещаются лишь в одном направлении. Полудуплексное соединение позволяет данным перемещаться в обоих направлениях, но в разное время, и, наконец, дуплексное соединение, это когда данные следуют в обоих направлениях одновременно.
Рис. 7. Примеры потоков данных.
Другим важным понятием является переключение (коммутация) соединения.
Любые сети связи поддерживают некоторый способ коммутации своих абонентов между собой. Этими абонентами могут быть удаленные компьютеры, локальные сети, факс-аппараты или просто собеседники, общающиеся с помощью телефонных аппаратов. Практически невозможно предоставить каждой паре взаимодействующих абонентов свою собственную некоммутируемую (т.е. постоянное соединение) физическую линию связи, которой они могли бы монопольно «владеть» в течение длительного времени. Поэтому в любой сети всегда применяется какой-либо способ коммутации абонентов, который обеспечивает доступность имеющихся физических каналов одновременно для нескольких сеансов связи между абонентами сети.
Переключение соединения позволяет аппаратным средствам сети разделять один и тот же физический канал связи между многими устройствами. Два основных способа переключения соединения - переключение цепей и переключение пакетов.
Переключение цепей создает единое непрерывное соединение между двумя сетевыми устройствами. Пока эти устройства взаимодействуют, ни одно другое не сможет воспользоваться этим соединением для передачи собственной информации - оно вынуждено ждать, пока соединение не освободится.
Простой пример переключателя цепей - переключатель типа А-В, служащий, чтобы два компьютера соединить с одним принтером. Чтобы один из компьютеров мог печатать, вы поворачиваете тумблер на переключателе, устанавливая непрерывное соединение между компьютером и принтером. Образуется соединение типа «точка-точка». Как изображено на рисунке, только один компьютер может печатать в одно и то же время.
Рис. 6Переключение цепей
Большинство современных сетей, включая Интернет, используют переключение пакетов. Программы передачи данных в таких сетях делят данные на кусочки, называемые пакетами. В сети пакетной коммутации данные могут следовать одновременно одним пакетом, а могут - в нескольких. Данные прибудут в одно и тоже место назначения, несмотря на то, что пути, которыми они следовали, могут быть совершенно различны.
Для сравнения двух видов соединения в сети, предположим, что мы прервали канал в каждом их них. Например, отключив принтер от менеджера на рис. 6 (переставив тумблер в положение В), вы лишили его возможности печатать. Соединение с переключением цепей требует наличия непрерывного канала связи.
Рис. 7. Переключение пакетов
Наоборот, данные в сети с переключением пакетов могут двигаться различными путями. Это видно на рис. 7. Данные необязательно следуют одной дорогой на пути между офисным и домашним компьютерами, разрыв одного из каналов не приведет к потере соединения - данные просто пойдут другим маршрутом. Сети с переключением пакетов имеют множество альтернативных маршрутов для пакетов.
Коммутация пакетов - это техника коммутации абонентов, которая была специально разработана для эффективной передачи компьютерного трафика.
Суть проблемы заключается в пульсирующем характере трафика , который генерируют типичные сетевые приложения. Например, при обращении к удаленному файловому серверу пользователь сначала просматривает содержимое каталога этого сервера, что порождает передачу небольшого объема данных. Затем он открывает требуемый файл в текстовом редакторе, и эта операция может создать достаточно интенсивный обмен данными, особенно если файл содержит объемные графические включения. После отображения нескольких страниц файла пользователь некоторое время работает с ними локально, что вообще не требует передачи данных по сети, а затем возвращает модифицированные копии страниц на сервер - и это снова порождает интенсивную передачу данных по сети.
Коэффициент пульсации трафика отдельного пользователя сети, равный отношению средней интенсивности обмена данными к максимально возможной, может составлять 1:50 или 1:100. Если для описанной сессии организовать коммутацию канала между компьютером пользователя и сервером, то большую часть времени канал будет простаивать. В то же время коммутационные возможности сети будут использоваться и будут недоступны другим пользователям сети.
При коммутации пакетов все передаваемые пользователем сети сообщения разбиваются в исходном узле на сравнительно небольшие части, называемые пакетами. Сообщением называется логически завершенная порция данных - запрос на передачу файла, ответ на этот запрос, содержащий весь файл, и т. п.
Сообщения могут иметь произвольную длину, от нескольких байт до многих мегабайт. Напротив, пакеты обычно тоже могут иметь переменную длину, но в узких пределах, например от 46 до 1500 байт. Каждый пакет снабжается заголовком, в котором указывается адресная информация, необходимая для доставки пакета узлу назначения, а также номер пакета, который будет использоваться узлом назначения для сборки сообщения.
Пакеты транспортируются в сети как независимые информационные блоки. Коммутаторы сети принимают пакеты от конечных узлов и на основании адресной информации передают их друг другу, а в конечном итоге - узлу назначения.
Коммутаторы пакетной сети отличаются от коммутаторов каналов тем, что они имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов, если выходной порт коммутатора в момент принятия пакета занят передачей другого пакета. В этом случае пакет находится некоторое время в очереди пакетов буферной памяти выходного порта, а когда до него дойдет очередь, то он передается следующему коммутатору. Такая схема передачи данных позволяет сглаживать пульсации трафика на магистральных связях между коммутаторами и тем самым использовать их наиболее эффективным образом для повышения пропускной способности сети в целом.
Действительно, для пары абонентов наиболее эффективным было бы предоставление им в единоличное пользование скоммутированного канала связи, как это дается в сетях с коммутацией каналов. При этом способе время взаимодействия пары абонентов было бы минимальным, так как данные без задержек передавались бы от одного абонента другому.
Сеть с коммутацией пакетов замедляет процесс взаимодействия конкретной пары абонентов. Тем не менее, общий объем передаваемых сетью компьютерных данных в единицу времени при технике коммутации пакетов будет выше, чем при технике коммутации каналов.
Обычно при равенстве предоставляемой скорости доступа сеть с коммутацией пакетов оказывается в 2-3 раза дешевле, чем сеть с коммутацией каналов, то есть публичная телефонная сеть.
Каждая из этих схем (коммутация каналов (circuit switching) или коммутация пакетов (packet switching)) имеет свои преимущества и недостатки, но по долгосрочным прогнозам многих специалистов будущее принадлежит технологии коммутации пакетов, как более гибкой и универсальной.
Сети с коммутацией каналов хорошо приспособлены для коммутации данных с постоянной скоростью, когда единицей коммутации является не отдельный байт или пакет данных, а долговременный синхронный поток данных между двумя абонентами.
Как сети с коммутацией пакетов, так и сети с коммутацией каналов можно разделить на два класса по другому признаку - на сети с динамической коммутацией и сети с постоянной коммутацией.
В первом случае сеть разрешает устанавливать соединение по инициативе пользователя сети. Коммутация выполняется на время сеанса связи, а затем (опять же по инициативе одного из взаимодействующих пользователей) связь разрывается. В общем случае любой пользователь сети может соединиться с любым другим пользователем сети. Обычно период соединения между парой пользователей при динамической коммутации составляет от нескольких секунд до нескольких часов и завершается при выполнении определенной работы - передачи файла, просмотра страницы текста или изображения и т. п.
Во втором случае сеть не предоставляет пользователю возможность выполнить динамическую коммутацию с другим произвольным пользователем сети. Вместо этого сеть разрешает паре пользователей заказать соединение на длительный период[ времени. Соединение устанавливается не пользователями, а персоналом, обслуживающим сеть. Время, на которое устанавливается постоянная коммутация, меряется обычно несколькими месяцами. Режим постоянной коммутации в сетях с коммутацией каналов часто называется сервисом выделенных (dedicated) или арендуемых (leased) каналов.
Примерами сетей, поддерживающих режим динамической коммутации, являются телефонные сети общего пользования, локальные сети, сеть Internet.
Некоторые типы сетей поддерживают оба режима работы.
Еще одной проблемой, которую нужно решать при передаче сигналов, является проблема взаимной синхронизации передатчика одного компьютера с приемником другого . При организации взаимодействия модулей внутри компьютера эта проблема решается очень просто, так как в этом случае все модули синхронизируются от общего тактового генератора. Проблема синхронизации при связи компьютеров может решаться разными способами, как с помощью обмена специальными тактовыми синхроимпульсами по отдельной линии, так и с помощью периодической синхронизации заранее обусловленными кодами или импульсами характерной формы, отличающейся от формы импульсов данных.
Асинхронная и синхронная передачи. При обмене данными на физическом уровне единицей информации является бит, поэтому средства физического уровня всегда поддерживают побитовую синхронизацию между приемником и передатчиком.
Однако при плохом качестве линии связи (обычно это относится к телефонным коммутируемым каналам) для удешевления аппаратуры и повышения надежности передачи данных вводят дополнительные средства синхронизации на уровне байт.
Такой режим работы называется асинхронным или старт-стопным. Другой причиной использования такого режима работы является наличие устройств, которые генерируют байты данных в случайные моменты времени. Так работает клавиатура дисплея или другого терминального устройства, с которого человек вводит данные для обработки их компьютером.
В асинхронном режиме каждый байт данных сопровождается специальными сигналами «старт» и «стоп». Назначение этих сигналов состоит в том, чтобы, во-первых, известить приемник о приходе данных и, во-вторых, чтобы дать приемнику достаточно времени для выполнения некоторых функций, связанных с синхронизацией, до поступления следующего байта..
Асинхронным описанный режим называется потому, что каждый байт может быть несколько смещен во времени относительно побитовых тактов предыдущего байта
Задачи надежного обмена двоичными сигналами, представленными соответствующими электромагнитными сигналами, в вычислительных сетях решает определенный класс оборудования. В локальных сетях это сетевые адаптеры, а в глобальных сетях - аппаратура передачи данных, к которой относятся, например, рассмотренные модемы. Это оборудование кодирует и декодирует каждый информационный бит, синхронизирует передачу электромагнитных сигналов по линиям связи, проверяет правильность передачи по контрольной сумме и может выполнять некоторые другие операции.
Контрольные вопросы:
3. Какие линии связи используются в компьютерных сетях?
4. Какие линии связи являются наиболее перспективными?
5. Как передаются двоичные сигналы в сети? Что такое модуляция?
6. Для чего используется модем?
7. Что такое последовательная и параллельная передача данных?
8. Что такое симплексное, полудуплексное и дуплексное соединение?
9. Что такое коммутация соединения?
10. Какие существуют два основных способа коммутации соединения?
11. Что такое пакетная коммутация и в чем ее преимущество?
12. Когда целесообразно использовать коммутацию каналов?
13. Поясните понятия асинхронной и синхронной передачи данных?
Каналом связи называется совокупность технических средств и физической среды, способной к передаче посылаемых сигналов, которая обеспечивает передачу сообщений от источника информации к получателю.
Каналы принято делить на непрерывные и дискретные.
В наиболее общем случае всякий дискретный канал включает в себя непрерывный как составную часть. Если влиянием мешающих факторов на передачу сообщений в канале можно пренебречь, то такой идеализированный канал называется каналом без помех . В таком канале каждому сообщению на входе однозначно соответствовало определенное сообщение на выходе и наоборот. Если влиянием помех в канале пренебречь нельзя, то при анализе особенностей передаваемых сообщений по такому каналу используются модели характеризующие работу канала при наличии помех.
Под моделью канала понимается математическое описание канала, позволяющие рассчитать или оценить его характеристики, на основании которых исследуются способы построения систем связи без проведения экспериментальных исследований.
Канал в котором вероятности отождествления первого сигнала со вторым и второго с первым одинаковы называется симметричным .
Канал, алфавит сигналов на входе которого отличается от алфавита сигналов на его выходе называется каналом со стиранием.
Канал передачи сообщения от источника к получателю, дополненный обратным каналом, служит для повышения достоверности передачи называется каналом с обратной связью.
Канал связи считается заданным, если известны данные по сообщению на его входе, а также ограничения которые накладываются на входные сообщения физическими характеристиками каналов.
Для характеристики каналов связи используют два понятия скорости передач:
1 – техническая скорость передачи, которая характеризуется числом элементарных сигналов, передаваемых по каналу связи в единицу времени, она зависти от свойств линий связи и от быстродействия аппаратуры канала:
2 – информационная скорость, которая определяется средним количеством информации, передающимся по каналу связи в единицу времени:
Пропускной способностью канала называется максимальная скорость передачи информации по этому каналу, достигаемая при самых совершенных способах передачи и приема.
Лекция №8
Согласование физических характеристик канала связи и сигнала
Каждый конкретный канал связи обладает физическими параметрами, определяющими возможности передачи по этому каналу тех или иных сигналов. Независимо от конкретного типа и назначения каждый канал может быть охарактеризован тремя основными параметрами:
Т К – время доступа канала [с];
F K – полоса пропускания каналов [Гц];
Н К – допустимое превышение сигнала над помехами в канале.
На основании этих характеристик используется интегральная характеристика – объем канала.
Рассмотрим следующие случаи:
а)
Чтобы оценить возможность передачи данного сигнала по конкретному каналу нужно соотнести характеристики канала с соответствующими характеристиками сигнала:
T C – длительность сигнала [с];
F C – полоса частот (ширина спектра) сигнала [Гц];
H C – уровень превышения сигнала над помехой.
Тогда можем ввести понятие объема сигнала :
а)
- необходимое условие согласования
канала и сигнала связи;
б) достаточное условие согласования канала и сигнала связи:
Если
канал связи имеет полосу пропускания
F K
меньшую чем ширина спектра сигнала F C ,
то есть F K Если
широкополостнйо канал имеет ограниченное
время доступа T K 1.Отличие ТКС от компьютерных сетей.
Следует различать компьютерные и терминальные сети. Компьютерные сети связывают компьютеры, каждый из которых может работать и автономно. Терминальные сети обычно связывают мощные компьютеры (мэйнфреймы) с терминалами (устройствами ввода - вывода информации). Примером терминальных устройств и сетей может служить сеть банкоматов или касс продажи билетов. Но осуществляется постоянное проникновение технологий LAN в WAN и наоборот, что значительно повышает качество сетей и расширяет спектр предоставляемых услуг. Таким образом, различия между LAN и WAN постепенно сглаживаются. Тенденция сближения (конвергенция) характерна не только для LAN и WAN, но и для телекоммуникационных сетей других типов, к которым относятся радиосети, телефонные и телевизионные сети. Телекоммуникационные сети состоят из следующих компонентов: сети доступа, магистрали, информационные центры. Компьютерную сеть можно представить многослойной моделью, состоящей из слоев: В компьютерных сетях используются различные типы и классы компьютеров. Компьютеры и их характеристики определяют возможности компьютерных сетей. К коммуникационному оборудованию относятся: модемы, сетевые карты, сетевые кабели и промежуточная аппаратура сетей. К промежуточной аппаратуре относятся: приемопередатчики или трансиверы (traceivers), повторители или репитеры (repeaters), концентраторы (hubs), мосты (bridges), коммутаторы, маршрутизаторы (routers), шлюзы (gateways). 2. СИНХРОННАЯ И АСИНХРОННАЯ ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ
При обмене данными по каналам связи используются три метода
передачи данных: 1) Симплексная (однонаправленная) - TV, радио; 2) Полудуплексная передача - (приём и передача данных осуществляются поочерёдно); 3) Дуплексная (двунаправленная) – каждая станция одновременно передаёт и принимает данные. Для передачи данных в информационных системах наиболее часто применяется последовательная (полудуплексная) передача. Она разделяется на два метода:
а) Асинхронная передача; б) Синхронная передача. а) При асинхронной передаче каждый символ передаётся отдельной посылкой. Стартовые биты предупреждают о начале передачи. Затем передаётся символ. Для определения достоверности передачи используется бит чётности (бит чётности равен 1, если количество единиц в символе нечётно, и равен 0 в противном случае). Последний бит сигнализирует об окончании передачи. Преимущества:
1) Несложная отработанная система; 2) Недорогое интерфейсное оборудование. Недостатки:
1) Третья часть пропускной способности теряется на передачу служебных битов; 2) Невысокая скорость передачи данных по сравнению с синхронной; 3) При множественной ошибке с помощью бита чётности невозможно определить достоверность полученной информации. Асинхронная передача
используется в системах, где обмен данными происходит время от времени, и не требуется высокая скорость передачи данных. б) При использовании синхронного метода
данные передаются блоками. Для синхронизации работы приёмника и передатчика в начале блока передаются биты синхронизации. Затем передаются данные, код обнаружения ошибки и символ окончания передачи. Код обнаружения ошибки вычисляется по содержимому поля данных и позволяет однозначно определить достоверность принятой информации. Преимущества:
1) Высокая эффективность передачи данных; 2) Высокая скорость передачи данных; 3) Надёжный встроенный механизм обнаружения ошибок. Недостатки:
3. Способы передачи цифровой информации
Цифровые данные по проводнику передаются путем смены текущего напряжения: нет напряжения ≈ "0", есть напряжение - "1". Существуют два способа передачи информации по физической передающей среде: цифровой и аналоговый. Примечания:
1. Если все абоненты компьютерной сети ведут передачу данных по каналу на одной частоте, такой канал называется узкополосным
(пропускает одну частоту). 2. Если каждый абонент работает на своей собственной частоте по одному каналу, то такой канал называется широкополосным
(пропускает много частот). Использование широкополосных каналов позволяет экономить на их количестве, но усложняет процесс управления обменом данными. При цифровом
или узкополосном способе передачи
(рис. 6.10) данные передаются в их естественном виде на единой частоте. Узкополосный способ позволяет передавать только цифровую информацию, обеспечивает в каждый данный момент времени возможность использования передающей среды только двумя пользователями и допускает нормальную работу только на ограниченном расстоянии (длина линии связи не более 1000 м). В то же время узкополосный способ передачи обеспечивает высокую скорость обмена данными - до 10 Мбит/с и позволяет создавать легко конфигурируемые вычислительные сети. Подавляющее число локальных вычислительных сетей использует узкополосную передачу. Рис.6.10.
Цифровой способ передачи Аналоговый
способ
передачи цифровых данных (рис. 6.11) обеспечивает широкополосную передачу за счет использования в одном канале сигналов различных несущих частот. При аналоговом способе передачи происходит управление параметрами сигнала несущей частоты для передачи по каналу связи цифровых данных. Сигнал несущей частоты представляет собой гармоническое колебание, описываемое уравнением: X = X max sin (w
t+j 0) где X max - амплитуда колебаний; w
-частота колебаний; t
- время; j 0 - начальная фаза колебаний. Передать цифровые данные по аналоговому каналу можно, управляя одним из параметров сигнала несущей частоты: амплитудой, частотой или фазой. Так как необходимо передавать данные в двоичном виде (последовательность единиц и нулей), то можно предложить следующие способы управления (модуляции):
амплитудный, частотный, фазовый. Проще всего понять принцип амплитудной
рис. 6.11.а). Частотная
рис. 6.11.б). Наиболее сложной для понимания является фазовая
рис 6.11.в). В сетях высокого уровня иерархии - глобальных и региональных используется также и широкополосная передача
, которая предусматривает работу для каждого абонента на своей частоте в пределах одного канала. Это обеспечивает взаимодействие большого количества абонентов при высокой скорости передачи данных. Широкополосная передача позволяет совмещать в одном канале передачу цифровых данных, изображения и звука, что является необходимым требованием современных систем мультимедиа.
Наиболее сложной для понимания является фазовая
модуляция. Суть ее в том, что при переходе от 0 к 1и от 1 к 0 меняется фаза колебаний, т.е. их направление (рис 6.11.в).
4.Состав и виды линии связи.
В зависимости от среды передачи данных линии связи разделяются на следующие (рис. 2.2.): Проводные (воздушные) линии
связи
представляют собой провода без каких-либо изолирующих или экранирующих оплеток, проложенные между столбами и висящие в воздухе. По таким линиям связи традиционно передаются телефонные или телеграфные сигналы, но при отсутствии других возможностей эти линии используются и для передачи компьютерных данных. Скоростные качества и помехозащищенность этих линий оставляют желать много лучшего. Сегодня проводные линии связи быстро вытесняются кабельными. Кабельные линии
представляют собой достаточно сложную конструкцию. Кабель состоит из проводников, заключенных в несколько слоев изоляции: электрической, электромагнитной, механической, а также, возможно, климатической. Кроме того, кабель может быть оснащен разъемами, позволяющими быстро выполнять присоединение к нему различного оборудования. В компьютерных сетях применяются три основных типа кабеля: кабели на основе скрученных пар медных проводов, коаксиальные кабели с медной жилой, а также волоконно-оптические кабели. Скрученная пара проводов называется витой парой
(twisted pair)
. Витая пара существует в экранированном варианте (Shielded Twistedpair, STP),
когда пара медных проводов обертывается в изоляционный экран, и неэкранированном (Unshielded Twistedpair, UTP)
, когда изоляционная обертка отсутствует. Скручивание проводов снижает влияние внешних помех на полезные сигналы, передаваемые по кабелю. Коаксиальный кабель (coaxial)
имеет несимметричную конструкцию и состоит из внутренней медной жилы и оплетки, отделенной от жилы слоем изоляции. Существует несколько типов коаксиального кабеля, отличающихся характеристиками и областями применения - для локальных сетей, для глобальных сетей, для кабельного телевидения и т. п. Волоконно-оптический кабель (optical fiber)
состоит из тонких (5-60 микрон) волокон, по которым распространяются световые сигналы. Это наиболее качественный тип кабеля - он обеспечивает передачу данных с очень высокой скоростью (до 10 Гбит/с и выше) и к тому же лучше других типов передающей среды обеспечивает защиту данных от внешних помех. Радиоканалы наземной и спутниковой связи
образуются с помощью передатчика и приемника радиоволн. Существует большое количество различных типов радиоканалов, отличающихся как используемым частотным диапазоном, так и дальностью канала. Диапазоны коротких, средних и длинных волн (KB, СВ и ДВ), называемые также диапазонами амплитудной модуляции (Amplitude Modulation, AM) по типу используемого в них метода модуляции сигнала, обеспечивают дальнюю связь, но при невысокой скорости передачи данных. Более скоростными являются каналы, работающие на диапазонах ультракоротких волн (УКВ), для которых характерна частотная модуляция (Frequency Modulation, FM), а также диапазонах сверхвысоких частот (СВЧ или microwaves). В диапазоне СВЧ (свыше 4 ГГц) сигналы уже не отражаются ионосферой Земли и для устойчивой связи требуется наличие прямой видимости между передатчиком и приемником. Поэтому такие частоты используют либо спутниковые каналы, либо радиорелейные каналы, где это условие выполняется. Достоверность передачи данных
характеризует вероятность искажения для каждого передаваемого бита данных. Иногда этот же показатель называют интенсивностью битовых ошибок (Bit Error Rate, BER)
. Величина BER для каналов связи без дополнительных средств защиты от ошибок (например, самокорректирующихся кодов или протоколов с повторной передачей искаженных кадров) составляет, как правило,10 -4 - 10 -6 , в оптоволоконных линиях связи - 10 -9 . Значение достоверности передачи данных, например, в 10 -4 говорит о том, что в среднем из 10000 бит искажается значение одного бита. Искажения бит происходят как из-за наличия помех на линии, так и по причине искажений формы сигнала ограниченной полосой пропускания линии. Поэтому для повышения достоверности передаваемых данных нужно повышать степень помехозащищенности линии, снижать уровень перекрестных наводок в кабеле, а также использовать более широкополосные линии связи. 5.Протокл. Стек протоколов. Интерфейс
Протокол
– это набор правил, обеспечивающих передачу данных в сетях. Протоколы характеризуются
: 1
. Протоколы работают на разных уровнях моделей OSI. 2
. Функции протокола определяются уровнем, на котором он работает. 3
. Несколько протоколов могут работать совместно. В этом случае они образуют стек.
Стек протоколов
– набор протоколов смежных уровней моделей OSI. 7.Прикладной
-инициация или приём запроса. 6.Представительский
- добавление в пакет формирующей и шифрующей информации. 5.Сеансовый
- добавление информации о трафике (с указанием времени времени отправки пакета). 4.Транспортный
- добавление информации для обработки ошибок. 3.Сетевой
- добавление адресной информации и информации о месте пакета в последовательности передаваемых пакетов. 2.Канальный
- добавление информации для проверки ошибок и подготовка данных для передачи по физическому соединению. 1.Физический
- передача пакета как потока битов. Стандартные стеки протоколов различных фирм
:
1.Набор протоколов ISO - ISO / OSI 2.Набор протоколов IBM - SNA 3. Набор протоколов Digital - DEC Net 4. Набор протоколов Novell - IPX / SPX 5. Набор протоколов Apple - Apple Talk 6. Набор протоколов Microsoft - TCP / IP Частным случаем декомпозиции задачи является многоуровневое представление, при котором все множество модулей, решающих подзадачи, разбивается на иерархически упорядоченные группы - уровни. Для каждого уровня определяется набор функций-запросов, с которыми к модулям данного уровня могут обращаться модули выше лежащего уровня для решения своих задач. Такой формально определенный набор функций, выполняемых данным уровнем для выше лежащего уровня, а также форматы сообщений, которыми обмениваются два соседних уровня в ходе своего взаимодействия, называется интерфейсом
.
Интерфейс определяет совокупный сервис, предоставляемый данным уровнем выше лежащему уровню. Локальные сети Для построения компьютерных сетей применяются линии связи, использующие различную физическую среду. В качестве физической среды в коммуникациях используются: металлы (в основном медь), сверхпрозрачное стекло (кварц) или пластик и эфир. Физическая среда передачи данных может представлять собой кабель "витая пара", коаксиальные кабель, волоконно-оптический кабель и окружающее пространство. Линии связи или линии передачи данных - это промежуточная аппаратура и физическая среда, по которой передаются информационные сигналы (данные). В одной линии связи можно образовать несколько каналов связи (виртуальных или логических каналов), например путем частотного или временного разделения каналов. Канал связи - это средство односторонней передачи данных. Если линия связи монопольно используется каналом связи, то в этом случае линию связи называют каналом связи. Канал передачи данных - это средства двухстороннего обмена данными, которые включают в себя линии связи и аппаратуру передачи (приема) данных. Каналы передачи данных связывают между собой источники информации и приемники информации. В зависимости от физической среды передачи данных линии связи можно разделить на: Проводные (воздушные) линии связи используются для передачи телефонных и телеграфных сигналом, а также для передачи компьютерных данных. Эти линии связи применяются в качестве магистральных линий связи. По проводным линиям связи могут быть организованы аналоговые и цифровые каналы передачи данных. Скорость передачи по проводным линиям "простой старой телефонной линии" (POST - Primitive Old Telephone System) является очень низкой. Кроме того, к недостаткам этих линий относятся помехозащищенность и возможность простого несанкционированного подключения к сети. Кабельные линии связи имеют довольно сложную структуру. Кабель состоит из проводников, заключенных в несколько слоев изоляции. В компьютерных сетях используются три типа кабелей. Витая пара
(twisted pair) - кабель связи, который представляет собой витую пару медных проводов (или несколько пар проводов), заключенных в экранированную оболочку. Пары проводов скручиваются между собой с целью уменьшения наводок. Витая пара является достаточно помехоустойчивой. Существует два типа этого кабеля: неэкранированная витая пара UTP и экранированная витая пара STP. Характерным для этого кабеля является простота монтажа. Данный кабель является самым дешевым и распространенным видом связи, который нашел широкое применение в самых распространенных локальных сетях с архитектурой Ethernet, построенных по топологии типа “звезда”. Кабель подключается к сетевым устройствам при помощи соединителя RJ45. Кабель используется для передачи данных на скорости 10 Мбит/с и 100 Мбит/с. Витая пара обычно используется для связи на расстояние не более нескольких сот метров. К недостаткам кабеля "витая пара" можно отнести возможность простого несанкционированного подключения к сети. Коаксиальный кабель
(coaxial cable) - это кабель с центральным медным проводом, который окружен слоем изолирующего материала для того, чтобы отделить центральный проводник от внешнего проводящего экрана (медной оплетки или слой алюминиевой фольги). Внешний проводящий экран кабеля покрывается изоляцией. Существует два типа коаксиального кабеля: тонкий коаксиальный кабель диаметром 5 мм и толстый коаксиальный кабель диаметром 10 мм. У толстого коаксиального кабеля затухание меньше, чем у тонкого. Стоимость коаксиального кабеля выше стоимости витой пары и выполнение монтажа сети сложнее, чем витой парой. Коаксиальный кабель применяется, например, в локальных сетях с архитектурой Ethernet, построенных по топологии типа “общая шина”. Коаксиальный кабель более помехозащищенный, чем витая пара и снижает собственное излучение. Пропускная способность – 50-100 Мбит/с. Допустимая длина линии связи – несколько километров. Несанкционированное подключение к коаксиальному кабелю сложнее, чем к витой паре. Кабельные оптоволоконные каналы связи
. Оптоволоконный кабель (fiber optic) – это оптическое волокно на кремниевой или пластмассовой основе, заключенное в материал с низким коэффициентом преломления света, который закрыт внешней оболочкой. Оптическое волокно передает сигналы только в одном направлении, поэтому кабель состоит из двух волокон. На передающем конце оптоволоконного кабеля требуется преобразование электрического сигнала в световой, а на приемном конце обратное преобразование. Основное преимущество этого типа кабеля – чрезвычайно высокий уровень помехозащищенности и отсутствие излучения. Несанкционированное подключение очень сложно. Скорость передачи данных 3Гбит/c. Основные недостатки оптоволоконного кабеля – это сложность его монтажа, небольшая механическая прочность и чувствительность к ионизирующим излучениям. Радиоканалы наземной (радиорелейной и сотовой) и спутниковой связи образуются с помощью передатчика и приемника радиоволн и относятся к технологии беспроводной передачи данных. Радиорелейные каналы передачи данных
Радиорелейные каналы связи состоят из последовательности станций, являющихся ретрансляторами. Связь осуществляется в пределах прямой видимости, дальности между соседними станциями - до 50 км. Цифровые радиорелейные линии связи (ЦРРС) применяются в качестве региональных и местных систем связи и передачи данных, а также для связи между базовыми станциями сотовой связи. Спутниковые каналы передачи данных
В спутниковых системах используются антенны СВЧ-диапазона частот для приема радиосигналов от наземных станций и ретрансляции этих сигналов обратно на наземные станции. В спутниковых сетях используются три основных типа спутников, которые находятся на геостационарных орбитах, средних или низких орбитах. Спутники запускаются, как правило, группами. Разнесенные друг от друга они могут обеспечить охват почти всей поверхности Земли. Работа спутникового канала передачи данных представлена на рисунке Целесообразнее использовать спутниковую связь для организации канала связи между станциями, расположенными на очень больших расстояниях, и возможности обслуживания абонентов в самых труднодоступных точках. Пропускная способность высокая – несколько десятков Мбит/c. Сотовые каналы передачи данных
Радиоканалы сотовой связи строятся по тем же принципам, что и сотовые телефонные сети. Сотовая связь - это беспроводная телекоммуникационная система, состоящая из сети наземных базовых приемо-передающих станций и сотового коммутатора (или центра коммутации мобильной связи). Базовые станции подключаются к центру коммутации, который обеспечивает связь, как между базовыми станциями, так и с другими телефонными сетями и с глобальной сетью Интернет. По выполняемым функциям центр коммутации аналогичен обычной АТС проводной связи. LMDS (Local Multipoint Distribution System) - это стандарт сотовых сетей беспроводной передачи информации для фиксированных абонентов. Система строится по сотовому принципу, одна базовая станция позволяет охватить район радиусом несколько километров (до 10 км) и подключить несколько тысяч абонентов. Сами БС объединяются друг с другом высокоскоростными наземными каналами связи либо радиоканалами. Скорость передачи данных до 45 Мбит/c. Радиоканалы передачи данных WiMAX
(Worldwide Interoperability for Microwave Access) аналогичны Wi-Fi. WiMAX, в отличие от традиционных технологий радиодоступа, работает и на отраженном сигнале, вне прямой видимости базовой станции. Эксперты считают, что мобильные сети WiMAX открывают гораздо более интересные перспективы для пользователей, чем фиксированный WiMAX, предназначенный для корпоративных заказчиков. Информацию можно передавать на расстояния до 50 км со скоростью до 70 Мбит/с. Радиоканалы передачи данных MMDS
(Multichannel Multipoint Distribution System). Эти системы способна обслуживать территорию в радиусе 50-60 км, при этом прямая видимость передатчика оператора является не обязательной. Средняя гарантированная скорость передачи данных составляет 500 Кбит/с - 1 Мбит/с, но можно обеспечить до 56 Мбит/с на один канал. Радиоканалы передачи данных для локальных сетей
. Стандартом беспроводной связи для локальных сетей является технология Wi-Fi. Wi-Fi обеспечивает подключение в двух режимах: точка-точка (для подключения двух ПК) и инфраструктурное соединение (для подключения несколько ПК к одной точке доступа). Скорость обмена данными до 11 Mбит/с при подключении точка-точка и до 54 Мбит/с при инфраструктурном соединении. Радиоканалы передачи данных Bluetooht
- это технология передачи данных на короткие расстояния (не более 10 м) и может быть использована для создания домашних сетей. Скорость передачи данных не превышает 1 Мбит/с. Для передачи информации по каналам связи используются специальные коды. Они стандартизованы и определены рекомендациями ISO (International Organization for Standardization) – Международной организации по стандартизации (МОС) или Международного консультативного комитета по телефонии и телеграфии (МККТТ). Наиболее распространенным кодом передачи по каналам связи является код KOI-7, принятый для обмена информацией практически во всем мире. KOI-7 позволяет кодировать 128-символьные таблицы, т. е. фактически кодирует только англоязычные и числовые данные. Для кодирования символов национальных алфавитов применяют модификацию кода KOI-7, которую называют KOI-8. Это восьмибитная кодовая таблица, кодирующая 2 8 =256 символов английского и национальных алфавитов, а также числовые данные. Для русского языка применяют таблицу KOI-8R, украинского – KOI-8U и т.д. Кроме того, в последние годы широкое развитие получила также передача данных в кодовых таблицах ASCII, Win-1251, Unicode. Следует обратить внимание еще на один способ связи между ЭВМ, когда ЭВМ объединены в комплекс с помощью интерфейсного кабеля и с помощью двухпроводной линии связи. Примечание.
Интерфейсный кабель – это набор проводов, по которым передаются сигналы от одного устройства компьютера к другому. Чтобы обеспечить быстродействие, для каждого сигнала выделен отдельный провод. Сигналы передаются в определенной последовательности и в определенных комбинациях. Для передачи кодовой комбинации используются столько линий, сколько битов эта комбинация содержит. Каждый бит передается по отдельному проводу. Это параллельная передача или передача параллельным кодом.
Предпочтение такой передаче отдается при организации локальных МВК, для внутренних связей ЭВМ и при небольших расстояниях между абонентами сети. Передача параллельным кодом обеспечивает высокое быстродействие, но требует повышенных затрат на создание физической передающей среды и обладает плохой помехозащищенностью. В вычислительных сетях передача параллельными кодами не используется. Для передачи кодовой комбинации по двухпроводной линии группа битов передается по одному проводу бит за битом. Это передача информации последовательным кодом.
Она, естественно, медленнее, так как требует преобразования данных в параллельный код для дальнейшей обработки в ЭВМ, но экономически более выгодна для передачи сообщений на большие расстояния
Основное отличие LAN от WAN состоит в качестве, использованных линий связи и в том, что в ЛВС существует только один путь передачи данных между компьютерами, а в WAN их множество (существует избыточность каналов связи). Так как линии связи в ЛВС более качественные, то скорость передачи информации в LAN гораздо выше, чем в WAN.Узкополосная и широкополосная передачи сигналов
В современных компьютерных сетях для передачи кодированных сигналов по сетевому кабелю
наибольшее применение находят две наиболее распространенные технологии:
-узкополосная передача сигналов;
-широкополосная передача сигналов.
Узкополосные (baseband)
системы передают данные в виде цифрового сигнала одной
частоты (рис. 4.9).
Рис. 4.9. Узкополосная передача.
Сигналы представляют собой дискретные электрические или световые импульсы. При таком способе
вся емкость коммуникационного канала используется для передачи одного сигнала или, другими
словами, цифровой сигнал использует всю полосу пропускания кабеля. Полоса пропускания - это
разница между max и min частотой, которая может быть передана по кабелю. Каждое устройство в
таких сетях посылает данные в обоих направлениях, а некоторые могут одновременно их передавать и
принимать.
Широкополосные (broadband)
системы передают данные в виде аналогового сигнала, который
использует некоторый интервал частот (рис. 4.10). Сигналы представляют собой непрерывные (а не
дискретные) электронные или оптические волны. При таком способе сигналы передаются по физической
среде в одном направлении.
Если обеспечить необходимую полосу пропускания, то по одному сетевому кабелю одновременно
можно передавать несколько сигналов (например, кабельного телевидения, телефона и передача
данных).
Рис. 4.10. Широкополосная передача
Каждой передающей системе выделяется часть полосы пропускания. Все устройства (в. т. ч. и
компьютеры) настраиваются так, чтобы работать с выделенной им частью полосы пропускания.
В широкополосной системе сигнал передается только в одном направлении. Для возможности приема
и передачи каждым из устройств необходимо обеспечить два пути прохождения сигнала. Для этого
можно:
-использовать два кабеля;
-разбить полосу пропускания кабеля на два канала, которые работают с разными частотами:
один канал на передачу, другой - на прием.
Типы модуляции.
амплитудной
модуляции: "0" - отсутствие сигнала, т.е. отсутствие колебаний несущей частоты; "1"- наличие сигнала, т.е. наличие колебаний несущей частоты. Есть колебания - единица, нет колебаний - нуль (рис. 6.11.а). Частотная
модуляция предусматривает передачу сигналов 0 и 1 на разной частоте. При переходе от 0 к 1 и от 1 к 0 происходит изменение сигнала несущей частоты (рис. 6.11.б). Модель OSI и уровни протоколов (функции):
Тема 1.4: Основы локальных сетей
Тема 1.5: Базовые технологии локальных сетей
Тема 1.6: Основные программные и аппаратные компоненты ЛВС
1.2. Среда и методы передачи данных в вычислительных сетях
1.2.2. Линии связи и каналы передачи данных
Проводные линии связи
Кабельные линии связи
Беспроводные (радиоканалы наземной и спутниковой связи) каналы передачи данных
Рис. 1.