Конспект лекцій. Чернівці 2015 2



Pdf просмотр
Сторінка4/12
Дата конвертації14.07.2017
Розмір5.01 Kb.
ТипКонспект
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12
Тема 4. Основи передачі даних у комп’ютерних мережах.
4.1

Фізичне середовище передачі даних та характеристики каналів
зв’язку
4.2

Кодування даних, методи кодування.
4.3

Просування даних каналами зв’язку. Комутація каналів і пакетів.

4.1 Фізичне середовище передачі даних та характеристики
каналів зв’язку
Лінія зв'язку (line) в загальному випадку - це фізичне середовище, по якому передаються інформаційні сигнали, пристрої передачі даних та проміжне мережне обладнання.

53
Лінії зв'язку використовують різне фізичне середовище. Це можуть бути кабель «скручена пара» чи коаксіальний кабель (носієм є метал, в основному мідь), оптоволоконний кабель (носієм є надпрозоре скло, кварц чи пластик) та навколишній простір (носієм є ефір).
В одній лінії зв'язку можна створити декілька каналів зв'язку (віртуальних або логічних каналів), наприклад шляхом частотного або часового розділення каналів.
Якщо канал зв'язку монопольно використовує лінію зв'язку, тоді лінію зв'язку називають каналом зв'язку (channel). Канал зв'язку - це засіб односторонньої передачі даних.
Канали передачі даних - це засоби двостороннього обміну даними, які містять лінії зв'язку і апаратуру передачі (прийому) даних. Канали передачі даних об’єднують між собою джерело інформації і приймач інформації.
Роздільне середовище (моноканал) – фізичне середовище передачі даних, до якого безпосередньо підключено декілька передавачів вузлів мережі. При чому в кожен момент часу тільки один з передавачів отримує доступ до роздільного середовища.
Фізичні канали зв'язку діляться на декілька типів залежно від того, можуть вони передавати інформацію в обох напрямах або ні.


Дуплексний канал забезпечує одночасну передачу інформації в обох напрямах. Дуплексний канал може складатися з двох фізичних середовищ, кожне з яких використовується для передачі інформації тільки в одному напрямі.
Можливий варіант, коли одне середовище служить для одночасної передачі зустрічних потоків, в цьому випадку застосовують додаткові методи виділення кожного потоку з сумарного сигналу.


Напівдуплексний канал також забезпечує передачу інформації в обох напрямах, але не одночасно, а по черзі. Тобто впродовж певного періоду часу
інформація передається в одному напрямі, а протягом наступного періоду — в зворотному.


Симплексний канал дозволяє передавати інформацію тільки в одному напрямі. Часто дуплексний канал складається з двох симплексних каналів.
Характеристики фізичних каналів
Існує велика кількість характеристик, пов'язаних з передачею трафіку через фізичні канали.
Трафік - це об'єм інформації, що передається по комп’ютерній мережі за певний період часу, зазвичай, за добу чи місяць. Трафік часто поділяють на вхідний та вихідний. Вхідний трафік, це інформація, що надходить на комп'ютер користувача. Вихідний трафік це, відповідно, інформація, що відправляється до мережі з комп’ютера користувача.

54
Запропоноване навантаження — це потік даних, що поступає від користувача на вхід мережі. Запропоноване навантаження можна характеризувати швидкістю вступу даних в мережу — у бітах в секунду (чи кілобітах, мегабітах і т. д.).
Швидкість передачі даних (information rate або throughput, обидва англійські терміни використовуються рівноправно) — це фактична швидкість потоку даних, що пройшов через мережу. Ця швидкість може бути менша, ніж швидкість запропонованого навантаження, оскільки дані в мережі можуть спотворюватися або втрачатися.


Місткість каналу зв'язку (сарасitу), що називається також пропускною
спроможністю, є максимально можливою швидкістю передачі інформації по каналу.
Специфікою цієї характеристики є те, що вона відбиває не лише параметри
фізичного середовища передачі, але і особливості вибраного способу передавання дискретної інформації по цьому середовищу. Наприклад, місткість каналу зв'язку в мережі Ethernet на оптичному волокні дорівнює 10 Мбіт/с. Ця швидкість являється гранично можливою для поєднання технології Ethernet і оптичного волокна. Проте для того ж самого оптичного волокна можна розробити і іншу технологію передачі даних, що відрізняється способом кодування даних, тактовою частотою і іншими параметрами, яка матиме іншу місткість. Так, технологія Fast Ethernet забезпечує передачу даних по тому ж оптичному волокну з максимальною швидкістю 100 Мбіт/с, а технологія Gigabit Ethernet - 1000
Мбіт/с. Передавач комунікаційного пристрою повинен працювати зі швидкістю, рівній пропускній спроможності каналу. Ця швидкість іноді називається бітовою
швидкістю передавача (bit rate of transmitter).


Смуга пропускання (bandwidth) — цей термін може ввести в оману, тому що він використовується в двох різних значеннях. По-перше, з його допомогою можуть характеризувати середовище передачі. В цьому випадку він означає ширину смуги частот, яку лінія передає без істотних спотворень. З цього визначення зрозуміле походження терміну. По-друге, термін «смуга пропускання» використовується як синонім терміну «місткість каналу зв'язку». У першому випадку смуга пропускання вимірюється в герцах (Гц), в другому — у бітах в секунду. Розрізняти значення цього терміну треба по контексту, хоча іноді це зробити важко. Звичайно, краще було б використовувати різні терміни для різних характеристик, але існують традиції, які змінити важко. Таке подвійне використання терміну «смуга пропускання» вже увійшло до багатьох стандартів і книг, тому і в цій лекції ми наслідуватимемо підхід, що склався. Треба також враховувати, що цей термін в його другому значенні є навіть поширенішим, ніж

55 місткість, тому з цих двох синонімів ми використовуватимемо смугу пропускання.
Залежно від фізичного середовища передачі даних канали зв'язку можна розділити на провідні та безпровідні.
До провідних каналів належать:
- Повітряні лінії зв'язку без ізолюючого і екрануючого обплетення.
- Кабельні лінії зв'язку. Використовуються кабелі "скручена пара", коаксіальні кабелі або оптоволоконні кабелі.
Повітряні (провідні) лінії зв'язку використовуються для передачі телефонних і телеграфних сигналів, а також для передачі комп'ютерних даних. Ці лінії зв'язку застосовуються як магістральні лінії зв'язку.
За повітряними лініями зв'язку можуть бути організовані аналогові і цифрові канали передачі даних. Швидкість передачі по повітряних лініях "простої старої телефонної лінії" (POST - Primitive Old Telephone System) є дуже низькою. Крім того, до недоліків цих ліній відносяться низька завадостійкість і можливість простого несанкціонованого під’єднання до мережі.
Кабельні лінії зв'язку мають досить складну структуру. Кабель складається з провідників, що поміщені в кілька прошарків ізоляції. В комп'ютерних мережах використовуються три типи кабелів.
Скручена пара (twisted pair)
Кабель, що містить кілька скручених пар мідних проводів, зазвичай чотири, що поміщені в екрановану оболонку. Пара проводів скручується між собою щоб зменшити електричні наведення. Скручена пара є достатньо завадостійкою.
Це кабель, що містить кілька мідних проводів, зазвичай вісім, що поміщені в
ізолюючу оболонку. Для зменшення електричних наведень проводи скручуються між собою парами.
В залежності від наявності мідної оплетки або алюмінієвої фольги навколо скручених пар, визначають різновиди кабелю «скручена пара»:

Рис. 4.1. Незахищена
«скручена пара».
Незахищена «скручена пара»:
1.
Неекранована скручена пара (UTP,
Unscreened Тwisted Рair) — екранування відсутнє.
2.
Фольгована скручена пара (FTP,
Foiled Тwisted Рair) - присутній один загальний зовнішній екран.
3.
Фольгована екранована скручена
пара (SFTP, Shielded Foiled Тwisted Рair)
— відрізняється від FTP наявністю

56 додаткового зовнішнього екрану з мідної оплетки.

Рис.4.2. Захищена
«скручена пара».
Захищена «скручена пара»:
4.
Захищена скручена пара (STP,
Shielded Twisted Pair) — присутній екран для кожної пари.
5.
Захищена екранована скручена пара
(SSTP, Screened Shielded Twisted Pair) — відрізняється від
STP наявністю додаткового загального зовнішнього екрану.

Рис. 4.3. Кабельний
роз'єм RJ45.
Кабель під’єднується до мережних пристроїв за допомогою роз'єму RJ45
(рис.4.3).Кабель використовується для передачі даних зі швидкістю 10 Мбіт/с і
100 Мбіт/с. Скручена пара зазвичай використовується для зв'язку на відстані не більше кількох сотень метрів.
Характерним для кабелю є простота монтажу, він є дешевим і популярним видом зв'язку, який широко застосовується в локальних мережах з топологією «зірка». Скручена пара є достатньо завадостійкою. До недоліків кабелю «скручена пара» можна віднести можливість простого несанкціонованого під’єднання до мережі.
Коаксіальний кабель (coaxial cable)

Рис. 4.4 Коаксіальний
кабель
Це кабель з центральним мідним дротом, який оточено шаром
ізолюючого матеріалу для відокремлення центрального провідника від зовнішнього провідного екрану (мідної оплетки або прошарку алюмінієвої фольги). Зовнішній провідний екран кабелю покривається ізоляцією (рис.
4.4).

57

Рис.4. 5. Тонкий та
товстий коаксіальний
кабель.
Існує два типи коаксіального кабелю: тонкий коаксіальний кабель діаметром 5 мм
і товстий коаксіальний кабель діаметром 10 мм. Товстий коаксіальний кабель має менше загасання сигналу, ніж в тонкого (рис.4. 5). Коаксіальний кабель є більш завадостійким за кабель «скручена пара» і має менше власне випромінювання.
Пропускна здатність складає 50-100 Мбіт/с.
Допустима довжина лінії зв'язку – кілька кілометрів. Несанкціоноване під’єднання до коаксіального кабелю є складнішим, ніж до кабелю «скручена пара». Раніше, коаксіальний кабель був досить популярним для прокладання локальних мережах з топологією «загальна шина».
Натепер, він використовується у разі передавання даних через мережу кабельного телебачення.
Вартість коаксіального кабелю є вищою за вартість кабелю «скручена пара», виконання монтажу мережі є складнішим, ніж при монтажі «скрученою парою».
Оптоволоконний кабель
Рис. 4.6. Будова
оптоволоконного
кабелю.
Оптоволоконний кабель – це оптичне волокно на кремнієвій чи пластмасовій основі, що поміщено в матеріал з низьким коефіцієнтом заломлення світла і покрито зовнішньою оболонкою
(рис. 4.6)
Рис.4. 7. Оптоволоконний
кабель.
Оптичне волокно передає оптичні сигнали і лише в одному напрямку, тому кабель містить кілька волокон (рис. 4.7).
На передавальному кінці оптоволоконного кабелю застосовується перетворення електричного сигналу в світловій, а на приймальному кінці зворотне

58 перетворення.
Основною перевагою цього типу кабелю є надзвичайно високий рівень завадозахищеності та відсутність випромінювання. Несанкціоноване під’єднання
є дуже складним. Швидкість передачі даних до 3 Гбіт/c. Основним недоліком оптоволоконного кабелю є складність його монтажу, невелика механічна міцність
і чутливість до іонізуючих випромінювань.
Безпровідні канали зв'язку (радіоканали наземного і супутникового зв'язку)
Використовують для передачі сигналів електромагнітні хвилі, які розповсюджуються по ефіру.
Технології безпровідної передачі даних дозволяє розбудовувати мережі, що повністю відповідають стандартам звичайних провідних мереж, без використання кабельної проводки. Безпровідні мережі використовуються там, де прокласти кабель вкрай складно або неможливо.
Носієм інформації в таких мережах виступають радіохвилі СВЧ-діапазону.
Радіоканали наземного і супутникового зв'язку утворюються за допомогою передавача і приймача радіохвиль (рис.4.8.).

Рис.4. 8. Безпровідні лінії зв’язку.
Кожен вузол має антену, яка одночасно є передавачем та приймачем електромагнітних хвиль. Хвилі розповсюджуються в атмосфері або вакуумі зі швидкістю 3*10 8
м/с з певним типом напрямку, що залежить від типу антени.
Типи антен

Параболічна антена (скерована). Поширення електромагнітних хвиль відбувається в певному напрямку.

Ізотропна антена (нескерована). Електромагнітні хвилі заповнюють весь простір в межах певного радіусу, що визначається затуханням сигналу. Такі антени використовують в автомобілях та портативних пристроях.
Для комп’ютерних мереж навколишній простір може використовуватися як роздільне середовище, хоча тут є певні особливості:

Простір не належить до певної організації як у кабельних мережах.

Провідне середовище визначає напрямок розповсюдження сигналів, а у безпровідному поширення хвиль є нескерованим.
Для передачі за допомогою безпровідної лінії зв’язку потрібно модулювати електромагнітні коливання передавача у відповідності до потоку бітів, що передається.

59
Функції перетворення дискретної інформації в електромагнітні коливання виконує DCE-пристрій (модем), що розташований між антеною та DTE пристроєм
(комп’ютером, комутатором чи маршрутизатором).
Діапазони електромагнітного спектру
Основні характеристики безпровідної лінії зв’язку, такі як відстань між вузлами, територія охоплення, швидкість передачі – залежать від частоти електромагнітного спектру, що використовується (рис. 4. 9.).

Рис. 4.9. Діапазони електромагнітного спектру.
Діапазон до 300 ГГерц
Радіодіапазон є розділений на частини від екстра низьких частот до екстра високих. На них працюють радіостанції (від 20 КГерц до 300 МГерц).
Тут використовують радіо модеми, що з’єднують 2 сегменти локальної мережі на швидкостях 2 400, 9 600 або 19 000 біт/с.
Діапазон від 300 МГерц до 3 000 ГГерц
Використовуються мікрохвильовими системами:

Супутникові канали.

Безпровідні локальні мережі.

Системи фіксованого безпровідного доступу.
Інфрачервоний діапазон
Широко використовується у безпровідному зв’язку. Оскільки інфрачервоне випромінювання не може проходити скрізь стіни, то інфрачервоні системи використовують для утворення невеликих сегментів локальних мереж в межах

60 одного приміщення.
Видиме світло (лазер)
Системи видимого світла використовуються для організації доступу на невеликих відстанях.
Поширення електромагнітних хвиль

Чим вищою є поточна частота, тим вищою є швидкість передачі
інформації.

Чим вищою є частота, тим гірше сигнал проходить через завади
(стіни). (АМ-радіо – на кімнатну антену, TV – потрібна зовнішня антена, видиме світло взагалі не проходить)

Чим вищою є частота, тим швидше зменшується енергія сигналу у відповідності до відстані від джерела.

Низькі частоти (до 2 МГерц) розповсюджуються вздовж поверхні
Землі (тому АМ-радіо передається на сотні кілометрів).

Сигнали частот від 2 до 30 МГерц відбиваються іоносферою Землі, тому, за наявності потужного передавача вони розповсюджуються на відстані до
1 000 кілометрів.

Сигнали в діапазоні більше за 20 МГерц є сигналами прямої видимості і розповсюджуються лише по прямій.

Сигнали більше за 4 ГГерц поглинаються водою і дощ може бути завадою при передачі.

Всі сучасні системи безпровідного зв’язку працюють на високочастотних діапазонах (від 800 МГерц).
Проблеми безпровідного зв’язку
Для успішного застосування мікрохвильового діапазону потрібно врахувати на проблеми, що пов’язані з поведінкою сигналів, які поширюються в режимі прямої видимості і зустрічають на своєму шляху завади (рис.4. 10.).

61

Рис. 4.10. Основні завади при безпровідному зв’язку.
Відбивання. Якщо сигнал зустрічається з завадою, яка частково є прозорою для даної довжини хвиль, але її розміри є набагато більшими за довжину хвилі, тоді частина енергії сигналу відбивається від завади. Хвилі мікрохвильового діапазону є довжиною в кілька сантиметрів, тому вони частково відбиваються від стін будинків при передачі сигналів в місті.
Дифракція. Якщо сигнал зустрічає непроникну для нього заваду (наприклад, металеву пластину), то сигнал оминає заваду і його можна отримати, навіть не знаходячись в зоні прямої видимості.
Розсіювання. Коли сигнал зустрічає заваду, розміри якої є співмірними з довжиною хвилі (дерево, паркан), він розсіюється і поширюється під різними кутами.
В результаті подібних явищ, які повсюдно зустрічаються для безпровідного зв’язка в місті, приймач може отримати кілька копій одного сигналу. Такий ефект називається багатопроменевим поширенням сигналу і часто виявляється негативним, оскільки один з сигналів може прийти із зворотною фазою і подавити основний сигнал.
Оскільки час поширення сигналу вздовж різних шляхів в загальному випадку буде різним, то може спостерігатися ситуація, коли сигнали, що кодують сусідні біти даних, внаслідок затримки, доходять до приймача одночасно.
Всі ці спотворення сигналу складаються із зовнішніми електромагнітними завадами, яких в місті є багато. Наприклад, мікрохвильові печі, що працюють в діапазоні 2,4 Ггц.
Для безпровідного зв’язку існує багато завад, які долають в різні способи:

Спеціальні методи кодування, що розподіляють енергію сигналу у широкому діапазоні частот.

62

Передавачі сигналу (і приймачі, якщо це можливо) прагнуть розміщати на високих спорудах, щоб уникнути багаторазових віддзеркалень.

Застосування протоколів зі встановленням з’єднань та повторними передачами кадрів. Ці протоколи дозволяють швидше корегувати помилки.
Ліцензування електромагнітного спектру
Електромагнітні хвилі поширюються у всіх напрямках на значні відстані і долають численні завади, такі як, наприклад, стіни будинків. Тому, використання електромагнітного спектру потребує централізованого регулювання. В кожній країні є спеціальний державний орган, який видає ліцензії операторам зв'язку на використання певної частини спектру, що є достатньою для передачі інформації за певною технологією. Ліцензія видається на певну територію, в межах якої оператор використовує монопольно закріплений за ним діапазон частот.
Частотними діапазонами для міжнародного використання без ліцензування є
900 Мгц, 2,4 Ггц та 5 Ггц.
Ці діапазони відведено для промислових товарів безпровідного зв'язку загального призначення, наприклад для пристроїв блокування дверей автомобілів, наукових і медичних пристроїв. Відповідно до призначення ці діапазони отримали назву ISM-діапазонів (Industrial, Scientifiс, Medical — промисловість, наука, медицина).
Найбільш зайнятим є діапазон 900 Мгц. Це і зрозуміло, бо низькочастотна техніка завжди була дешевшою. Сьогодні активно освоюється діапазон 2,4 Ггц, наприклад, в технологіях Bluetooth та діапазон 5 Ггц.
Обов'язковою умовою тут є обмеження максимальної потужності переданих сигналів , що передаються на рівні 1 Вт. Це обмежує радіус дії пристроїв, щоб їх сигнали не стали завадами для інших користувачів, які, можливо, працюють в тому ж діапазоні частот в інших районах міста.
Для зменшення взаємного впливу пристроїв, які працюють в ISM-діапазонах розробляються і втілюються спеціальні методи кодування.
Типи безпровідних каналів зв’язку
Радіорелейні канали зв'язку
Радіорелейні канали зв'язку складаються з послідовності станцій, що є ретрансляторами. Зв'язок здійснюється в межах прямої видимості, відстань між сусідніми станціями - до 50 км. Цифрові радіорелейні лінії зв'язку застосовують як регіональні чи місцеві системи зв'язку та передачі даних, а також для зв'язку між базовими станціями мобільного зв'язку.
Супутникові канали зв'язку.
В супутникових системах використовуються антени СВЧ-діапазону частот для прийому радіосигналів від наземних станцій і ретрансляції цих сигналів назад до

63 наземних станцій. В супутникових мережах використовуються три основні типи супутників, які знаходяться на геостаціонарних орбітах, середніх або низьких орбітах. Супутники запускаються, як правило, групами. Рознесені один від одного вони можуть забезпечити обхват майже всієї поверхні Землі.

Рис. 4.11. Супутниковий канал передачі даних.
Супутниковий зв'язок доцільно використовувати для організації каналу зв'язку між станціями, що розташовані на дуже великих відстанях, і можливості обслуговування абонентів у важкодоступних місцях.
Пропускна здатність є високою – кілька десятків Мбіт/c.
Мобільні канали зв'язку
Радіоканали мобільного зв'язку створюють за принципами мобільних телефонних мереж. Мобільний зв'язок - це безпровідна телекомунікаційна система, що складається з мережі наземних базових станцій, які працюють на прийом/передачу і мобільного комутатора (або центру комутації мобільного зв'язку).
Базові станції під’єднані до центру комутації, який забезпечує зв'язок, як між базовими станціями, так і між іншими телефонними мережами та глобальною мережею Інтернет. За своїми функціями центр комутації є аналогічним до звичайної АТС провідного зв'язку.
LMDS (Local Multipoint Distribution System) - це стандарт мобільних мереж безпровідної передачі інформації для фіксованих абонентів. Система розбудовується за мобільним принципом, одна базова станція дозволяє охопити район радіусом в кілька кілометрів (до 10 км.) і під’єднати кілька тисяч абонентів. Самі станції об'єднуються між собою високошвидкісними наземними каналами зв'язку або радіоканалами. Швидкість передачі даних до 45 Мбіт/c.
Радіоканали WIMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) аналогічні Wi-Fi
WIMAX, на відміну від традиційних технологій радіодоступу, працює на відбитому сигналі, поза зони прямої видимості базової станції. Експерти вважають, що мобільні мережі WIMAX відкривають набагато цікавіші

64 перспективи для користувачів, ніж фіксований WIMAX, призначений для корпоративних замовників. Інформацію можна передавати на відстані до 50 км. зі швидкістю до 70 Мбіт/с.
Радіоканали MMDS (Multichannel Multipoint Distribution System)
Ці системи здатні обслуговувати територію в радіусі 50—60 км., при цьому пряма видимість передавача оператора не є обов'язковою. Середня гарантована швидкість передачі даних складає 500 Кбіт/с — 1 Мбіт/с, але можна забезпечити до 56 Мбіт/с на один канал.
Радіоканали для локальних мереж
Стандартом безпровідного зв'язку для локальних мереж є технологія Wi-Fi.
Wi-Fi забезпечує під’єднання в двох режимах: «точка-точка» (для об’єднання двох комп’ютерів) і багатоточкове з'єднання (для під’єднання кількох комп’ютерів до одної точки доступу). Швидкість обміну даними до 11 Мбіт/с при з'єднанні «точка-точка» і до 54 Мбіт/с при інфраструктурному з'єднанні.
Радіоканали Bluetooht
Це технологія передачі даних на короткі відстані (не більше 10 м) і може бути використана для створення домашніх мереж. Швидкість передачі даних не перевищує 1 Мбіт/с.
4.2 Кодування даних, методи кодування
Як відомо, у обчислювальній техніці для представлення даних використовується двійковий код. Усередині комп'ютера одиницям і нулям даних відповідають дискретні електричні сигнали.
Представлення даних у вигляді електричних або оптичних сигналів називається кодуванням.
Існують різні способи кодування двійкових цифр, наприклад потенційний
спосіб, при якому одиниці відповідає один рівень напруги, а нулю — інший, або
імпульсний спосіб, коли для представлення цифр використовуються імпульси різної полярності.
Аналогічні підходи застосовані для кодування даних і при передачі їх між двома комп'ютерами по лініях зв'язку. Проте ці лінії зв'язку відрізняються за своїми характеристиками від ліній усередині комп'ютера. Головна відмінність зовнішніх ліній зв'язку від внутрішніх полягає в їх набагато більшій протяжності, а також в тому, що вони проходять поза екранованим корпусом по просторах, частенько схильних до дії сильних електромагнітних завад. Усе це призводить до
істотно великих спотворень прямокутних імпульсів (наприклад, «заваленню» фронтів), чим усередині комп'ютера. Тому для надійного розпізнавання імпульсів на приймальному кінці лінії зв'язку при передачі даних усередині і поза

65 комп'ютером не завжди можна використовувати одні і ті ж швидкості і способи кодування. Наприклад, повільне наростання фронту імпульсу через високе
ємнісне навантаження лінії вимагає, щоб імпульси передавалися з меншою швидкістю (щоб передній і задній фронти сусідніх імпульсів не перекривалися, і
імпульс встиг «дорости» до необхідного рівня).
У обчислювальних мережах застосовують як потенційне, так і імпульсне кодування дискретних даних, а також специфічний спосіб представлення даних, який ніколи не використовується усередині комп'ютера, — модуляцію. При модуляції дискретна інформація представляється синусоїдальним сигналом тієї частоти, яку добре передає наявна лінія зв'язку.
Потенційне, або імпульсне, кодування застосовується на каналах високої
якості, а модуляція на основі синусоїдальних сигналів прийнятніша у тому випадку, коли канал вносить сильні спотворення в передавані сигнали.
Наприклад, модуляція використовується в глобальних мережах при передачі даних через аналогові телефонні канали зв'язку, які були розроблені для передачі голосу в аналоговій формі і тому погано підходять для безпосередньої передачі
імпульсів.
На спосіб передання сигналів впливає і кількість дротів в лініях зв'язку між комп'ютерами. Для зниження вартості ліній зв'язку в мережах зазвичай прагнуть до скорочення кількості дротів і через це використовують не паралельну передачу усіх бітів одного байта або навіть декількох байтів, як це робиться усередині комп'ютера, а послідовну побітну передачу, що вимагає всього однієї пари дротів.
Ще однією проблемою, яку треба вирішувати при передачі сигналів, є проблема взаємної синхронізації передавача одного комп'ютера з приймачем
іншого. При організації взаємодії модулів усередині комп'ютера ця проблема вирішується дуже просто, оскільки в цьому випадку усі модулі синхронізуються від загального тактового генератора. Проблема синхронізації при зв'язку комп'ютерів може вирішуватися різними способами, як шляхом обміну спеціальними тактовими синхроімпульсами по окремій лінії, так і шляхом періодичної синхронізації заздалегідь обумовленими кодами або імпульсами характерної форми, що відрізняється від форми імпульсів даних.
Незважаючи на заходи (вибір відповідної швидкості обміну даними, ліній зв'язку з певними характеристиками, способу синхронізації приймача і передавача), що робляться, існує імовірність спотворення деяких бітів передаваних даних. Для підвищення надійності передачі даних між комп'ютерами часто використовується стандартний прийом — підрахунок контрольної суми і передача її по лініях зв'язку після кожного байта або після деякого блоку байтів.
Часто в протокол обміну даними включається як обов'язковий елемент сигнал-

66
квитанція, який підтверджує правильність прийому даних і посилається від одержувача відправникові.
1. NRZ (Non-Return to Zero – без повернення до нуля) – потенційний код, стан якого прямо або інверсно відображає значення біта даних;
2. диференціальний NRZ – стан міняється на початку бітового інтервалу для "1‖ і не міняється при "0‖;
3. NRZI (Non-Return to Zero Inverted – без повернення до нуля з інверсією) – стан міняється на початку бітового інтервалу при передачі "0‖ і не міняється при передачі "1‖. Використовується в FDDI, 100BaseFX;
4. RZ (Return to Zero – з поверненням до нуля) – біполярний імпульсний код, що самосинхронізується, що представляє "1‖ і "0‖ імпульсами протилежної полярності, що тривають половину такту (в другу половину такту стан встановлюється в нуль); усього використовується три стани;
5. AMI (Bipolar Alternate Mark Inversion – біполярне кодування з альтернативною інверсією) – використовується три стани: 0, + і –, для кодування логічного нуля використовується стан 0, а логічна одиниця кодується по черзі станами + і –. Використовується в ISDN, DSx;
6. Манчестерске кодування (manchester encoding) – двофазне полярне кодування, що самосинхронізується, логічна одиниця кодується перепадом потенціалу в середині такту від низького рівня до високого, логічний нуль - зворотним перепадом (якщо необхідно представити два однакових значення підряд, на початку такту відбувається додатковий службовий перепад потенціалу). Використовується в Ethernet;
7. Диференціальне манчестерске кодування (differential manchester
encoding) – двофазне полярне кодування, що самосинхронізується, логічний нуль кодується наявністю перепаду потенціалу на початку такту, а логічна одиниця - відсутністю перепаду; у середині такту перепад є завжди (для синхронізації). В
Token Ring застосовується модифікація цього методу, крім "0‖ і "1‖, що використовує службові біти "J‖ і "K‖, що не мають перепаду в середині такту ("J‖ не має перепаду на початку такту, "K‖ – має);
8. MLT-3 – трьохрівневе кодування зі скремблюванням без самосинхронізації, логічний нуль кодується збереженням стану, а логічна одиниця кодується по черзі наступними станами: +V, 0, -V, 0, +V і т.д. Використовується в FDDI і 100BaseTX;
9. PAM5 (Pulse Amplitude Modulation) – п'ятирівневе біполярне кодування, при якому кожна пара біт даних представляється одним з п'яти рівнів потенціалу.
Застосовується в 1000BaseT;

67 10. 2B1Q (2 Binary 1 Quarternary) – пари біт даних представляються одним четвертинним символом, тобто одним із чотирьох рівнів потенціалу.
Застосовується в ISDN.
Рис. 4.12. Способи дискретного кодування даних
Як ви знаєте ше з шкільного курсу «Інформатики» дані в обчислювальній техніці представлені двійковими кодами. Числа з інших систем числення
(десяткової і шеснадцятирічної систем, які широко використовуються у складі даних) перетворюються у двійкову систему.
Переклад з десяткової системи числення у двійкову та шістнадцяткову: а) початкове ціле число ділиться на основу системи числення, в яку переводиться (на 2 - при перекладі в двійкову систему числення або на 16 - при перекладі в шістнадцятиричну); виходить частка і залишок;

68 б) якщо отримана частка менше основи системи числення, в яку виконується переклад, процес ділення припиняється, переходять до кроку в). Інакше над часткою виконують дії, описані в кроці а); в) усі отримані залишки і остання частка перетворяться відповідно до таблиці перекладу в цифри тієї системи числення, в яку виконується переклад; г) формується результуюче число: його старший розряд - отримана остання частка, кожен подальший молодший розряд утворюється з отриманих залишків від ділення, починаючи з останнього і кінчаючи першим. Таким чином, молодший розряд отриманого числа - перший залишок від ділення, а старший - остання частка.

4.3. Просування даних каналами зв’язку. Комутація каналів і пакетів
Як відомо, з'єднання кінцевих вузлів через мережу транзитних вузлів називають
комутацією. Послідовність вузлів, що лежать на шляху від відправника до одержувача, утворює маршрут.
Коли визначені маршрути передачі даних, записи про маршрути зроблені в таблицях усіх транзитних вузлів, усе готово до виконання основної операції — передачі даних між абонентами (комутації абонентів).
Для кожної пари абонентів ця операція може бути представлена декількома
(по числу транзитних вузлів) локальними операціями комутації. Передусім, відправник повинен виставити дані на той свій інтерфейс, з якого розпочинається знайдений маршрут, а усі транзитні вузли повинні відповідним чином виконати
«перекидання» даних з одного свого інтерфейсу на інший, іншими словами, виконати комутацію інтерфейсів. Пристрій, функціональним призначенням якого є комутація, називається комутатором.
Проте перш ніж виконати комутацію, комутатор повинен розпізнати потік.
Дані, що для цього поступили, аналізуються на предмет наявності в них ознак якого-небудь з потоків, заданих в таблиці комутації. Якщо стався збіг, то ці дані спрямовуються на інтерфейс, визначений для них в маршруті.
Комутатором може бути як спеціалізований пристрій, так і універсальний комп'ютер зі вбудованим програмним механізмом комутації, в цьому випадку комутатор називається програмним.
Мультиплексування і демультиплексування
Щоб визначити, на який інтерфейс слід передати дані, що поступили, комутатор повинен визначити, до якого потоку вони відносяться. Це завдання повинне вирішуватися незалежно від того, поступає на вхід комутатора тільки один «чистий» потік або «змішаний» потік, що є результатом агрегації декількох потоків. У останньому випадку до завдання розпізнавання потоків додається завдання демультиплексування, тобто розподілу сумарного агрегованого потоку

69 на декілька складових його потоків.
Як правило, операцію комутації супроводжує також зворотна операція —
мультиплексування. При мультиплексуванні з декількох окремих потоків утворюється загальний агрегований потік, який можна передавати по одному фізичному каналу зв'язку.
Операції мультиплексування/демультиплексування мають таке ж важливе значення у будь-якій мережі, як і операції комутації, тому що без них довелося б для кожного потоку передбачати окремий канал, що привело б до великої кількості паралельних зв'язків в мережі і звело б «нанівець» усі переваги неповнозв’язної мережі.
Одним з основних способів мультиплексування потоків є розподіл часу. При цьому способі кожен потік час від часу (з фіксованим або випадковим періодом) отримує фізичний канал в повне своє розпорядження і передає по ньому свої дані.
Поширений також частотний розподіл каналу, коли кожен потік передає дані у виділеному йому частотному діапазоні.
Технологія мультиплексування повинна дозволяти одержувачеві такого сумарного потоку виконувати зворотну операцію
— розподіл
(демультиплексування) даних на складові потоки. На кожному інтерфейсі можуть одночасно виконуватися обидві функції
— мультиплексування
і демультиплексування.
Серед безлічі можливих підходів до рішення задачі комутації абонентів в мережах виділяють два засадничих, до яких відносять комутацію каналів і комутацію
пакетів.-
Комутація пакетів
Техніка комутації пакетів була спеціально розроблена для ефективної передачі комп'ютерного трафіку. При комутації пакетів усі передавані користувачем мережі дані розбиваються в початковому вузлі на порівняно невеликі частини, що називаються пакетами, кадрами, або комірками, — у даному контексті відмінності в значенні цих термінів не істотні. Кожен пакет забезпечується заголовком, в якому вказується адреса, необхідна для доставки пакету вузлу призначення.
Наявність адреси в кожному пакеті є однією з найважливіших властивостей техніки комутації пакетів, оскільки кожен пакет може бути оброблений комутатором незалежно від інших пакетів інформаційного потоку. Окрім заголовка у пакеті є ще одно додаткове поле, яке зазвичай розміщується у кінці пакету і тому називається кінцевиком. У кінцевику поміщається контрольна сума, яка дозволяє перевірити, чи була спотворена інформація при передачі через мережу або ні.
Пакети поступають в мережу без попереднього резервування ліній зв'язку і не з

70
фіксованою наперед заданою швидкістю, як це робиться в мережах з комутацією каналів, а в тому темпі, в якому їх генерує джерело. Передбачається, що мережа з комутацією пакетів на відміну від мережі з комутацією каналів завжди готова прийняти пакет від кінцевого вузла.
Процедура резервування пропускної спроможності може застосовуватися і в пакетних мережах. Проте основна ідея такого резервування принципово відрізняється від ідеї резервування пропускної спроможності в мережах з комутацією каналів. Різниця полягає в тому, що пропускна спроможність каналу мережі з комутацією пакетів може динамічно перерозподілятися між
інформаційними потоками залежно від поточних потреб кожного потоку, чого не може забезпечити техніка комутації каналів.
Мережа з комутацією пакетів, так само як і мережа з комутацією каналів, складається з комутаторів, пов'язаних фізичними лініями зв'язку. Проте комутатори функціонують в цих мережах по-різному. Головна відмінність полягає в тому, що пакетні комутатори мають внутрішню буферну пам'ять для тимчасового зберігання пакетів. Дійсно, пакетний комутатор не може прийняти рішення про просування пакету, не маючи у своїй пам'яті усього пакету.
Комутатор перевіряє контрольну суму, і тільки якщо вона говорить про те, що дані пакету не спотворені, починає обробляти пакет і за адресою призначення визначає наступний комутатор. Тому кожен пакет послідовно біт за бітом поміщається у вхідний буфер. Маючи на увазі цю властивість, говорять, що мережі з комутацією пакетів використовують техніку збереження з просуванням
(store - and - forward). Помітимо, що для цієї мети досить мати буфер розміром в один пакет.
Буферизація потрібна пакетному комутатору також для узгодження швидкості
прийняття пакетів із швидкістю їх комутації. Якщо комутуючий блок не устигає обробляти пакети, то на інтерфейсах комутатора виникають вхідні черги.
Очевидно, що для зберігання вхідної черги об'єм буфера повинен перевищувати розмір одного пакету. Існують різні підходи до побудови комутуючого блоку.
Традиційний спосіб заснований на одному центральному процесорі, який обслуговує усі вхідні черги комутатора. Такий спосіб побудови може призводити до великих черг, оскільки продуктивність процесора розділяється між декількома чергами. Сучасні способи побудови комутуючого блоку засновані на багатопроцесорному підході, коли кожен інтерфейс має свій вбудований процесор для обробки пакетів. Крім того, існує також центральний процесор, що координує роботу інтерфейсних процесорів. Використання інтерфейсних процесорів підвищує продуктивність комутатора і зменшує черги у вхідних інтерфейсах.
Проте такі черги все одно можуть виникати, оскільки центральний процесор як і

71 раніше залишається «вузьким місцем».
Нарешті, буфери потрібні для узгодження швидкостей передачі даних в
каналах, підключених до пакетного комутатора. Дійсно, якщо швидкість прийняття пакетів з одного каналу впродовж деякого періоду перевищує пропускну спроможність того каналу, в який ці пакети мають бути спрямовані, то щоб уникнути втрат пакетів на цільовому інтерфейсі необхідно організувати вихідну чергу.
У мережі з комутацією пакетів пульсації трафіку окремих абонентів відповідно до закону великих чисел розподіляються в часі так, що їх піки найчастіше не співпадають. Тому комутатори постійно і досить рівномірно завантажені роботою, якщо число обслуговуваних ними абонентів дійсно велике.
Буферизація згладжує пульсації, тому коефіцієнт пульсації на магістральних каналах набагато нижчий, ніж на каналах абонентського доступу.
Оскільки об'єм буферів в комутаторах обмежений, іноді відбувається втрата пакетів через переповнення буферів при тимчасовому перевантаженні частини мережі, коли співпадають періоди пульсації декількох інформаційних потоків.
Оскільки втрата пакетів є невід'ємною властивістю мережі з комутацією пакетів, то для нормальної роботи таких мереж розроблений ряд механізмів, які компенсують цей ефект. Ці механізми називаються методами забезпечення якості обслуговування і інжинірингу трафіку.
Рішення про те, на який інтерфейс передати пакет, що прийшов, приймається на підставі одного з трьох методів просування пакетів :


При дейтаграммній передачі з'єднання не встановлюється, і усі передавані пакети просуваються (передаються від одного вузла мережі іншому) незалежно
один від одного на підставі одних і тих же правил. Процедура обробки пакету визначається тільки значеннями параметрів, які він несе в собі, і поточним станом мережі (наприклад, залежно від її навантаження пакет може стояти в черзі на обслуговування більший або менший час). Проте ніяка інформація про вже передані пакети мережею не зберігається і в ході обробки чергового пакету до уваги не береться. Тобто кожен окремий пакет розглядається мережею як абсолютно незалежна одиниця передачі — дейтаграмма.
Вибір інтерфейсу, на який потрібно передати пакет, що поступив, відбувається тільки на підставі адреси призначення, що міститься в заголовку пакету.
Приналежність пакету до певного інформаційного потоку ніяк не враховується.
Рішення про просування пакету приймається на основі таблиці комутації, що містить набір адрес призначення і адресну інформацію, що однозначно визначає наступний по маршруту (транзитний або кінцевий) вузол. Таблиця комутації дейтаграмної мережі повинна містити записи про усі адреси, куди можуть бути

72 спрямовані пакети, що поступають на інтерфейси комутатора. А вони в загальному випадку можуть бути адресовані будь-якому вузлу мережі. На практиці використовуються прийоми, що зменшують число записів в таблиці, наприклад, ієрархічна адресація. В цьому випадку таблиця комутації може містити тільки старші частини адрес, які відповідають не окремим вузлам, а деякій групі вузлів (для їх позначення часто застосовують термін «підмережа»).
Незважаючи на застосування ієрархічної адресації в деяких великих мережах
(наприклад, в Інтернеті), комутатори можуть мати таблиці з числом входів, що перевищує декілька тисяч. У таблиці комутації для однієї і тієї ж адреси призначення може міститися декілька записів, що вказують відповідно на різні адреси наступного комутатора. Такий підхід називається
балансом
навантаження і використовується для підвищення продуктивності і надійності мережі. Деяка «розмитість» шляхів руху пакетів з однією і тією ж адресою призначення через мережу є прямим наслідком принципу незалежної обробки кожного пакету, властивого дейтаграммному методу. Пакети, які рухаються за однією і тому ж адресою призначення, можуть добиратися до нього різними шляхами також внаслідок зміни стану мережі, наприклад відмови проміжних комутаторів.
Дейтаграмний метод працює швидко, оскільки ніяких попередніх дій перед відправкою даних проводити не вимагається. Проте при такому методі важко перевірити факт доставки пакету вузлу призначення. Цей метод не гарантує доставку пакету, він робить це в міру можливості — для опису такої властивості використовується термін доставка з максимальними зусиллями (best effort).


Передача зі встановленням логічного з'єднання розпадається на так звані сеанси, або логічні з'єднання. Процедура обробки визначається не для окремого пакету, а для усієї безлічі пакетів, що передаються у рамках кожного з'єднання.
Для того, щоб реалізувати диференційоване обслуговування пакетів, що належать різним з'єднанням, мережа повинна, по-перше, присвоїти кожному з'єднанню
ідентифікатор, по-друге, запам'ятати параметри з'єднання, тобто значення, що визначають процедуру обробки пакетів у рамках цього з'єднання. Ця інформація називається інформацією про стан з'єднання. Фіксований маршрут не є обов'язковим параметром з'єднання. Пакети, що належать одному і тому ж з'єднанню, можуть переміщатися по різних незалежних один від одного маршрутах.
Передача зі встановленням логічного з'єднання грунтується на знанні
«передісторії» обміну. Це дозволяє раціональніше в порівнянні з дейтаграммным способом обробляти пакети. Наприклад, при втраті декількох попередніх пакетів може бути понижена швидкість відправки подальших. Чи завдяки нумерації

73 пакетів і відстежуванню номерів відправлених і прийнятих пакетів можна підвищити надійність шляхом відкидання дублікатів, впорядковування тих, що поступили і повторення передачі втрачених пакетів.
Параметри з'єднання можуть бути як постійними впродовж усього з'єднання
(наприклад, максимальний розмір пакету), так і змінними, що динамічно відбивають поточний стан з'єднання (наприклад, згадані вище послідовні номери пакетів). Коли відправник і одержувач фіксують початок нового з'єднання, вони, передусім, «домовляються» про початкові значення параметрів процедури обміну
і тільки після цього починають передачу власне даних.
Передача зі встановленням з'єднання надійніша, але вимагає більше часу для передачі даних і обчислювальних витрат від кінцевих вузлів.
Помітимо, що, на відміну від передачі дейтаграмного типу, в якій підтримується тільки один тип кадру, — інформаційний, передача зі встановленням з'єднання повинна підтримувати як мінімум два типи кадрів —
інформаційні, переносячі власне призначені для користувача дані, і службові, призначені для встановлення (розриву) з'єднання.


Передача зі встановленням віртуального каналу. Якщо до числа параметрів з'єднання входить маршрут, то усі пакети, що передаються у рамках цього з'єднання, повинні проходити по вказаному шляху. Такий єдиний заздалегідь прокладений фіксований маршрут, що сполучає кінцеві вузли в мережі з комутацією пакетів, називають віртуальним каналом (virtual circuit, або virtual channel).
Віртуальні канали (virtual circuit, або virtual channel) — це стійкі шляхи дотримання трафіку, що створюються в мережі з комутацією пакетів. Віртуальні канали є базовою концепцією технологій Х.25, Frame Relay і АТМ.
Техніка віртуальних каналів враховує існування в мережі потоків даних. Для того, щоб виділити потік даних із загального трафіку, кожен пакет цього потоку позначається міткою. Так само як в мережах зі встановленням логічних з'єднань, прокладення віртуального каналу розпочинається з відправки з вузла-джерела запиту, що називається також пакетом встановлення з'єднання. У запиті вказується адреса призначення і мітка потоку, для якого прокладається цей віртуальний канал. Запит, проходячи по мережі, формує новий запис в кожному з комутаторів, розташованих на шляху від відправника до одержувача. Запис говорить про те, яким чином комутатор повинен обслуговувати пакет, що має задану мітку. Створений віртуальний канал ідентифікується тією ж міткою.
Після прокладення віртуального каналу мережа може передавати по ньому відповідний потік даних. У усіх пакетах, які переносять призначені для користувача дані, адреса призначення вже не вказується, його роль грає мітка

74 віртуального каналу. При вступі пакету на вхідний інтерфейс комутатор читає значення мітки із заголовка пакету, що прийшов, і переглядає свою таблицю комутації, по якій визначає, на який вихідний порт передати пакет, що прийшов.
Таблиця комутації в мережах, що використовують віртуальні канали, відрізняється від таблиці комутації в дейтаграмних мережах. Вона містить записи
тільки про ті, віртуальні канали, що проходять через комутатор, а не про усі можливі адреси призначення, як це має місце в мережах з дейтаграмним алгоритмом просування. Зазвичай у великій мережі кількість прокладених через вузол віртуальних каналів істотно менше загальної кількості вузлів, тому і таблиці комутації в цьому випадку набагато коротше, а, отже, аналіз такої таблиці займає у комутатора менше часу. З цієї ж причини мітка коротша за адресу кінцевого вузла, і заголовок пакету в мережах з віртуальними каналами переносить по мережі замість довгої адреси компактний ідентифікатор потоку.
У одній і тій же мережевій технології можуть бути задіяні різні способи обміну даними. Так, дейтаграмний протокол IР використовується для передачі даних між окремими мережами, що становлять Інтернет. В той же час забезпеченням надійної доставки даних між кінцевими вузлами цієї мережі займається протокол ТСР, що встановлює логічні з'єднання без фіксації маршруту. І нарешті, Інтернет є прикладом мережі, що використовує техніку віртуальних каналів, оскільки до складу Інтернету входить немало мереж АТМ і
Frame Relay, що підтримують віртуальні канали.
На закінчення приведемо таблицю, в якій зведені властивості обох видів мереж. На підставі цих даних можна аргументовано стверджувати, в яких випадках рациональніше використовувати мережі з комутацією каналів, а в яких
— з комутацією пакетів.













75
Таблиця 4.1. Порівняння мереж з комутацією каналів і пакетів



Поділіться з Вашими друзьями:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12


База даних захищена авторським правом ©divovo.in.ua 2017
звернутися до адміністрації

войти | регистрация
    Головна сторінка


загрузить материал