Физическая передача данных по каналам связи

Физическая передача данных по каналам связи

В цифровой технике для представления данных используется двоичный код. Внутри компьютера единицам и нулям данных соответствуют дискретные электрические сигналы. Представление данных в виде сигналов подаваемых на линию связи, называется кодированием (физическим или линейным).

Существуют различные способы кодирования двоичного числа:

- потенциальное кодирование, при котором единице 

 

Аналогичные методы используется для кодирования данных при передаче их между компьютерами по линиям связи. Но линии имеют большую протяженность, что приводит к значительным искажениям импульсов (затухание сигнала, воздействие электромагнитных помех).

Для устранения искажений применяют дополнительное кодирование – модуляцию.

При модуляции данные представляются сигналом той чистоты, которую хорошо передает имеющаяся линия (линия имеет определенный спектр или диапазон частот  в котором работает норм). Модуляция определенным образом изменяет форму колебаний и бывает нескольких видов. В радиосвязи используют:

-амплитудную (АМ, АМ – amplitude modulation)

-частотную модуляцию (ЧМ, FM – frequency modulation)

-фазовую (ФМ, PSK – Phase Shifty Key)

Амплитудная модуляция (АМ) – модуляция, при которой незатухающие колебания изменяются по амплитуде в соответствии с модулирующими его колебаниями более низкой частоты.

Частотная модуляция (ЧМ) – модуляция, при которой несущая частота сигнала изменяется в соответствии с модулирующими колебаниями.

Фазовая модуляция (ФМ) – модуляция, при которой изменяется фазовый сдвиг несущего сигнала в соответствии с модулирующим сигналом.

Несущая частота – основная частота передачи в линии.

Наиболее важными преимуществами цифровых систем связи перед аналоговыми являются:

-более высокое качество  передачи речи (хотя появляется  некоторая «металлизация» речи)

-большая защищенность  от посторонних сигналов

-стабильное качество связи  во всей зоне покрытия (и резкое  снижение на границах зоны)

-интегрированные возможности  по передаче данных и более  высокие скорости обмена данными

-расширенные возможности  сжатия данных

На способ передачи сигналов влияет количество проводов в линиях связи между компьютерами. Используется не параллельная передача всех битов одного или нескольких байт, а последовательная. Побитовая передача требует всего одной пары проводов. Пропускная способность линии характеризует максимально возможную скорость передачи данных по линиям связи. Пропускная способность измеряется в битах в секунду – бит/с.

При передаче данных по линиям связи важным является задача взаимной синхронизации передатчика одного компьютера с приемником другого. Эта задача решается разными способами:

-с помощью обмена специальными  тактовыми синхроимпульсами по  отдельной линии

-с помощью обмена специальными тактовыми импульсами синхронизации (заранее определенного кода или импульсами характерной форма, отличающейся от формы импульсов данных)

-это могут быть самосинхронизирующие коды (манчестерский код)

Для повышения надежности передачи данных часто используется стандартный прием, повышающий качество передачи – подсчет контрольной суммы и передача ее по линиям связи после каждого байта или после некоторого блока байтов.

Часто в протокол обмена данных включается как обязательный элемент сигнал-квитанция, который подтверждает правильность приема данных и посылает отправителю.

Итак, задача надежного обмена двоичными сигналами, представляемые соответствующими электромагнитными сигналами в вычислительных сетях решаются специальным оборудованием:

-в локальных сетях –  это сетевые адаптеры

-в глобальных сетях  – аппаратура передачи данных (например, модемы, коммутаторы)

Это оборудование

-кодирует и декодирует  информационные биты

-синхронизирует передачу  электромагнитных сигналов по  линиям связи

-проверяет правильность  передачи по контрольной сумме

Сетевые адаптеры рассчитаны на работу с определенной передающей средой (кабельная среда, беспроводной канал).

 

 

 

 

 

 

В многомодовых кабелях (Multi Mode Fiber, MMF)

-используются более широкие внутренние сердечники, которые легче изготовить технологически

-в стандартах определены два наиболее употребительных многомодовых кабеля:

-62.5/125 мкм

-50/125 мкм

Где 62.5 мкм или 50 мкм – это диаметр центрального проводника

125 мкм – диаметр внешнего  проводника

-во внутреннем проводнике  одновременно существуют несколько  сетевых лучей, отражающихся от  внешнего проводника под разными  углами (режим распространения каждой  моды имеет более сложный характер)

-имеет более узкую полосу  пропускания от 500 до 800 МГц/км

В качестве источников-приемников излучения света волоконно-оптических кабелях применяется:

-светодиоды

-полупроводниковые лазеры

Быстродействие современных лазеров позволяет формировать световой поток с частотами 10 ГГц и выше

Волоконно-оптические кабели обладают хорошими характеристиками всех типов:

-электромагнитными (низкий уровень шумов, высокая помехозащищенность)

-механическими (хорошо гнутся, а в соответствующей изоляции обладают хорошей механической прочностью)

Однако у них есть один серьезный недостаток – сложность соединения волокон с разъемами и между собой при необходимости наращивания длины кабеля

Преимущества ВОЛС

-высокая защищенность от несанкционированного доступа. Поскольку ВОК практически не излучает в радиодиапазоне, то передаваемую по нему информацию трудно подслушать, не нарушая приема-передачи

-длительный срок эксплуатации. Со временем волокно испытывает деградацию – что затухание в проложенном кабеле постепенно возрастает. Однако благодаря совершенству современных технологий производства оптических волокон, этот процесс значительно замедлен, и срок службы ВОК составляет примерно 25 лет

-удаленное электропитание. В некоторых случаях требуется удаленное электропитание узла информационной сети. В этих случаях можно использовать смешанный кабель, когда наряду с оптическими волокнами кабель оснащается медным проводящим элементом

Параметры спецификации физического уровня для стандарта Ethernet

Параметр	10Base-5	10Base-2	10Base-T	10Base-F
Кабель	Толстый коаксиальный кабель RG-8 или RG-11	Тонкий коаксиальный кабель RG-58	Неэкранированная витая пара категории 3,4,5	Много-модовый волоконно-оптический кабель
Максимальная длина сегмента, м	500	185	100	2000
Максимальное расстояние между узлами сети при использовании повторителей, м	2500	925	500	2500
Максимальное число узлов в сегменте	100	30	1024	1024
Максимальное число повторителей между любыми узлами сети	4	4	4	4

 

Технология Ethernet

Ethernet – это сетевой стандарт, основанный на экспериментальной сети Ethernet Network, которую фирма Xerox разработала и реализовала в 1975 году.

В 1980 году фирмы DEC, Intel, Xerox совместно разработали и опубликовали стандарт Ethernet версии II для сетей, построенных на основе коаксиального кабеля.

На основе стандарта Ethernet был разработан стандарт IEEE 802.3

IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers (институт инженеров по электротехнике и электроники)

Данный стандарт использует в качестве среды две неэкранированные витые пары

Метод доступа CSMA/CD

CSMA/CD – carrier-sense-multiply-access with collision detection – метод коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий

Применяется в сетях с логической общей шиной

Простота схемы подключения к среде – все узлы работают в режиме коллективного доступа (Multiply Access, MA)

При наличии нескольких клиентов, обращающихся друг с другом, передача кадров может иметь три ситуации:

-успешная передача (канал  не занят)

-переход в режим ожидания (если канал занят)

-передача с возникновением  коллизии

Наличие коллизий –  неотъемлемое свойство сетей Ethernet, которое  является следствием принятого случайного метода доступа.  Возможность четкого распознавания коллизий обусловлена правильным выбором параметров сети (не превышение стандартов, рекомендуемых при эксплуатации).

 

 

 

Коллизию остальные узлы чувствуют по искажению сигнала. Пауза после коллизии для того чтобы исключить возможность захвата среды каким либо узлом, на основании того, что узел для которого требуется передача, был готов и вошел в режим передачи. Возникновение коллизии носит вероятностный характер. Эта вероятность зависит от частоты использования канала передачи данных (а эта вероятность будет определятся количеством узлов и типом передаваемых данных).

Домен коллизии – часть сети Ethernet, все узлы которой распознают коллизию независимо от того, в какой части сети коллизия возникла.

Домен коллизии соответствует одной разделяемой среде. В случае витой пары или топологии звезды, но если в качестве соединяющего устройства будет использоваться концентратор или хаб, это будет не домен коллизии, разделяемая среда (технология передачи от узла к узлу).

Для разделения сети Ethernet на несколько доменов коллизии используют коммутаторы и маршрутизаторы.

 

 

Сети с коммутацией каналов

Перед передачей данных всегда необходимо выполнить процедуру установления соединения, в процессе которой и создается составной канал

Коммутаторы, а также соединяющие их каналы должны обеспечивать одновременную передачу данных нескольких абонентских каналов

Для этого они должны быть высокоскоростными и поддерживать какую-либо технику мультиплексирования абонентских каналов

Составной канал формируется только для 2х абонентов и только на время сеанса

Скорость будет соизмерима как скорость передачи данных в канале

Соединение пользователей осуществляется на основе определенной идентификации по адресу или по номеру.

Сети с коммутацией пакетов

Технология коммутации абонентов, которая была специально разработана для эффективной передачи компьютерного трафика

Комп трафик – это пульсирующая и достаточно долгая информация

Все передаваемые пользователем сети сообщения разбиваются в исходном узле на сравнительно небольшие части, называемые пакетами

Пакеты сообщений\данных имеют фиксированную длину.

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 в 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 (пропускная способность будет не постоянна, будет зависеть от востребованности сети, ее загруженности)

Коммутация пакетов предполагает независимую маршрутизацию каждого пакета

Такой режим работы сети называется дейтаграммным, коммутатор может изменить маршрут какого-либо пакета в зависимости от состояния сети – работоспособности каналов и других коммутаторов, длины очередей пакетов в соседних коммутаторах и т.п.

Бывает 2 варианта передачи пакетных данных: без установления соединения и с установлением соединения

Без установления соединения протоколы не проверяют, дошли пакеты до места назначения или нет

Виртуальные каналы в сетях с коммутацией пакетов

Virtual circuit или virtual channel

Предварительно установленный, единственный канал между двумя узлами

Виртуальный канал может быть динамическим или постоянным

Динамический виртуальный канал устанавливается при передаче в сеть специального пакета – запроса на установление соединения

Пакет проходит через коммутаторы и «прокладывает» виртуальный канал

Коммутаторы запоминают этот маршрут для данного соединения и при поступлении последующих пакетов данного соединения отправляют их всегда по проложенному маршруту

Преимущества стека TCP/IP

Сетевой уровень:

• Основа всей архитектуры TCP/IP
• Обеспечивает перемещение пакетов в составной сети
• Основным является межсетевой протокол (Internet Protocol – IP)
• Задача – продвижение пакетов между сетями – между маршрутизаторами до тех пор,

 

Локальный (аппаратный адрес) – такой тип адреса, который используется средствами базовой технологии для доставки данных в пределах подсети