Компрессия данных

Для повышения полезной скорости передачи данных в сетях применяется динамическая компрессия данных на основе различных алгоритмов. Коэффициент сжатия зависит от типа данных и применяемого алгоритма и может колебаться в пределах от 1:2 до 1:8.

Так как на выполнение компрессии и декомпрессии передатчиком и приемником соответственно тратится дополнительное время, то сокращение времени на передачу сжатых данных обычно бывает заметно только для низкоскоростных каналов со скоростью до 64 Кбит/с. Многие программные и аппаратные средства сети способны выполнять динамическую компрессию данных во время передачи. При статической компрессии данные предварительно компрессируются, а затем отсылаются в сеть.

На практике может использоваться ряд алгоритмов компрессии, каждый из которых применим к определенному типу данных. Интеллектуальные методы выполняют адаптивную компрессию, при которой в зависимости от передаваемых данных выбирается определенный алгоритм компрессии. Рассмотрим некоторые из общих алгоритмов компрессии данных.

Десятичная упаковка

В коде ASCII старшие три бита всех кодов десятичных цифр содержат комбинацию 011, поэтому, если данные состоят только из чисел, можно уменьшить количество кодирующих бит с 7 до 4, используя простое двоичное кодирование десятичных цифр вместо кода ASCII и помещая в заголовок кадра соответствующий управляющий символ.

Относительное кодирование

При передаче числовых данных с небольшими отклонениями между последовательными цифрами используется передача этих отклонений вместе с известным опорным значением.

Символьное подавление

Передаваемые данные могут содержать большое количество повторяющихся байт (например, черно-белое изображение). Последовательность из трех или более одинаковых байт заменяется специальной трехбайтовой последовательностью. Первый байт отмечает началоспециальным управляющим символом, в которой указывает значение байта, количество его повторений, а также отмечает начало этой последовательности.

Статическое кодирование

Символы в передаваемом кадре встречаются с различной частотой, поэтому во многих кодах часто встречающиеся символы заменяют кодами меньшей длины, а редко встречающихся - кодами большей длины. Из-за того, что символы имеют различную длину, для передачи кадра возможна только бит-ориентированная передача.

Вообще, неравномерное кодирование наиболее эффективно, когда неравномерность распределения частот передаваемых символов достаточно велика.

Одним из наиболее распространенных алгоритмов, на основе которых строятся неравномерные коды, является алгоритм Хаффмана.

ЛЕКЦИЯ 5

Назначение пакетов и их структура

Основной единицей информации в сетях ЭВМ является пакет.

Пакетная передача позволяет обеспечивать:

1. Приемлемое время доступа к сети (access time) - интервал между моментом го­товности абонента к передаче и моментом начала этой передачи. Таким образом, данный параметр представляет собой время ожидания абонентом начала своей передачи. Если абонент слишком долго будет ждать передачи, величина реальной, интегральной скорости передачи информации сильно уменьшится.

Задержка при передаче обусловлена тем, что по одному каналу связи не может происходить несколько передач одновременно. Всегда имеется только один передатчик и один или несколько приемников. При наличии нескольких передатчиков информация смешивается и искажается. В связи с этим абоненты должны передавать информацию по очереди. Время ожидания своей очереди и есть время доступа.

2. Отсутствие монопольных захватов сети на длительное время. Если бы информация передавалась абонен­том непрерывно, без разделения на пакеты, то это привело бы к захвату сети этим абонентом на довольно продолжительное время, когда остальные абоненты вынуждены были бы ждать окончания пе­редачи. Разделение информации на пакеты позволяет уравнять в правах всех абонентов - сделать примерно одинаковыми для всех величину времени доступа к сети и интегральную скорость передачи информации.

3. Приемлемую вероятность ошибки. Для больших массивов информации характерна высокая вероятность ошибки и сложность ее выявления. При обнаружении ошибки требуется заново повторить передачу всей информации. Так как при передаче большого массива высока вероятность ошибки, процесс может повторяться до бесконечности.

С другой стороны, передача информации достаточно большими пакетами имеет преимуще­ства перед побайтовой (пакет равен 8 битам) или пословной (пакет равен 16 или 32 битам) передачей. Это обусловлено тем, что каждый пакет помимо передаваемой информации, должен содержать некоторое количество служебной информации. Если пакет будет слишком маленьким, то доля служебной информации станет слишком высокой, что резко снизит интег­ральную скорость обмена информацией.

Для каждой технологии сети существует некоторая оптимальная длина пакета, при которой средняя скорость обмена информацией будет максимальна. Обычно пакеты имеют длину от нескольких десятков байт до нескольких килобайт.

Таким образом, процесс информационного обмена в сети представляет собой чередование пакетов. В частном случае все пакеты могут передаваться одним абонентом, когда другие абоненты не нуждаются в передаче, но обычно в се­ти чередуются пакеты, посланные разными абонентами.

Структура и размеры пакета в каждой сети определены стандартом на данную сеть, но существуют некоторые общие принципы формирования струк­туры пакета. Чаще всего пакет содержит в себе следующие основные поля или части (рис. 4.30):

Рис. 4.30 - Типичная структура пакета

1. Стартовая комбинация битов или преамбула, которая обеспечивает предварительную настройку аппаратуры сетевого устройства на прием и обработку пакета. Это поле может полностью отсутствовать или же сводиться к единственному стартовому биту.

2. Сетевой адрес (идентификатор) принимающего абонента, позволяющий данному абоненту принять решение о необходимости приема данного пакета.

3. Сетевой адрес (идентификатор) передающего абонента, информирующий принимающего абонента, откуда пришел пакет.

4. Служебная (управляющая) информация, которая может указывать на тип пакета, его номер, размер, формат, маршрут его доставки и т.д.

5. Данные (поле данных) - это та информация, ради передачи которой используется пакет. В отличие от всех остальных полей пакета поле данных имеет переменную длину. Пакеты, включающие поле данных, называются информационными пакетами. Существуют специальные управляющие паке­ты, которые не имеют поля данных. Их можно рассматривать как сетевые команды – они могут выполнять функцию начала и окончания сеанса связи, подтверждения приема информационного пакета, запроса информационного пакета и т.д.

6. Контрольная сумма пакета - это числовой код, формируемый пере­датчиком по определенным правилам и содержащий в свернутом ви­де информацию обо всем пакете. Приемник, производя вычисления с принятым пакетом, сравнивает резуль­тат с контрольной суммой и делает вывод о правильности или оши­бочности передачи пакета. Если пакет ошибочен, то приемник запра­шивает его повторную передачу.

Алгоритмы вычисления контрольной суммы:

1. Контроль по паритету – вычисляется сумма по модулю 2 всех бит кадра. Результат представляет собой 1 бит. Это наиболее простой, но не мощный метод. При наличии двойных ошибок данные будут приняты как корректные. Применяется к небольшим порциям данных (к байтам). Коэффициент избыточности 1/8 – 12,5%.

2. Вертикальный и горизонтальный контроль по паритету - данные представляются матрицей, каждая строка которой является байтом, контрольный разряд подсчитывается для строк и столбцов. Этот метод позволяет обнаруживать двойные ошибки.

3. Циклический избыточный контроль - пакет представляется многоразрядным двоичным числом. Вычисляется остаток от деления на известный делитель R. Делителем является 17-ти или 33-х разрядное число. При этом остаток будет иметь длину 16 или 32 разряда. При получении пакета снова вычисляется остаток от деления, но при этом к данным добавлялась и контрольная сумма. Если остаток равен нулю - ошибки нет. Данный метод позволяет обнаруживать одиночные и двойные ошибки, а также ошибки в нечетном числе бит. Коэффициент избыточности при длине кадра в 1024 байта и длине контрольной суммы 4 байта равен 0,4%. Это наиболее распространенный метод. Циклическая контрольная сумма называется также CRC-суммой.

7. Стоповая комбинация служит для информирования аппаратуры принимающего абонента об окончании пакета, обеспечивает выход его аппаратуры из состояния приема. Это поле может отсут­ствовать.

Нередко в структуре пакета выделяют всего три поля:

1. Начальное управляющее поле пакета (или заголовок пакета) - поле, включающее в себя стартовую комбинацию, сетевые адреса приемника и передатчика, а также служебную информацию.

2. Поле данных пакета

3. Конечное управляющее поле пакета (заключение, трейлер), куда вхо­дят контрольная сумма и стоповая комбинация.

ЛЕКЦИЯ 6

Коммуникационное оборудование

Коммуникационное оборудование (сommunication equipment) - оборудование, обеспечивающее обмен информацией между абонентами сети.

К активному коммуникационному оборудованию относятся устройства, потребляющие энергию: сетевые карты, модемы, трансиверы, мультиплексоры, повторители (репитеры), концентраторы (многопортовые повторители), мосты, коммутаторы, маршрутизаторы, шлюзы.

Трансивер (TRANsmitter + receiver, приемопередатчик) – устройство, обеспечивающее передачу информации между сетевым адаптером и кабелем сети или между двумя сегментами сети. Трансивер соединяется с сетевым адаптером интерфейсным кабелем AUI (Attachment Unit Interface).

Трансиверы усиливают сигнал, преобразуют его уровни или форму (например, электрическую в световую). Трансиверами также часто называют встроенные в сетевой адаптер приемопередатчики.

Мультиплексоры – устройства, выполняющие мультиплексирование (multiplexing), т.е. разделение одного выходного канала между по нескольким входным каналам.

Существует три метода мультиплексирования:

• Частотное мультиплексирование (Frequency Division Multiplexing, FDM),

• Синхронное временное мультиплексирование (Time Division Multiplexing, TDM),

• Асинхронное временное мультиплексирование.

При частотном мультиплексировании полоса пропускания выходного канала разделяется между несколькими входными каналами с меньшей шириной. Каждый канал передает информацию в своей полосе частот и на своей несущей частоте.

Данный вид мультиплексирования используется в аналоговых каналах. Наглядным примером может послужить радиовещание, где в пределах одного канала (радиоэфира) размещено множество радиоканалов в разных частотных полосах.

При синхронном временном мультиплексировании каждому входному каналу выделяется фиксированный промежуток времени передачи по выходному каналу (тайм-слот). При этом используется вся полоса пропускания канала.

При асинхронном временном мультиплексировании каждому узлу выделяется часть пропускной способности канала. Если канал имеет пропускную способность M бит/с, из кадров узлов мультиплексор формирует один суперкадр, состоящий из N кадров, который отправляется по каналу со скоростью N*M бит/с. После приема суперкадра необходимо разделить суперкадр и отправить составляющие его кадры по нужным каналам.

Временное мультиплексирование используется в цифровых сетях.

В сети имеется также пассивное коммуникационное оборудование, которое не потребляет энергию: кабели, разъемы, розетки, патч-панели, коммутационные шкафы и стойки, пассивные концентраторы и т.д.

Кабели являются средой передачи данных. Для их соединения предназначены разъемы и розетки, для перекомутации - патч-панели.

Коммутационные шкафы и стойки служат для крепления активного и пассивного оборудования.

ЛЕКЦИЯ 7

Передающие среды в сетях ЭВМ

Передача данных в сетях ЭВМ может осуществляться по кабелю (ограниченная, или кабельная среда передачи) и с помощью электромагнитных волн, распространяющихся в пространстве (неограниченная среда передачи).

Сети, использующие первый тип среды передачи, называются кабельными, или проводными, использующие второй тип – бескабельными, или беспроводными.

Ограниченной кабельная среда передачи называется, по причине того, что для каждого ее типа определено максимальное число абонентов в сети. При беспроводной передаче, к сети может подключаться неограниченное число абонентов.

В большинстве случаев предпочтительно использование кабельных сред. По сравнению с неограниченными средами, они обладают следующими преимуществами:

• более высокой надежностью,

• более высокой скоростью передачи,

• меньшей стоимостью кабелей и сопутствующего сетевого оборудования по сравнению с оборудованием для беспроводных сетей (если расстояния между абонентами сети не слишком значительные)

Использование беспроводных сетей может быть предпочтительнее в следующих случаях:

• прокладка кабеля технически затруднена (например, из-за водных преград),

• при значительных расстояниях между абонентами, когда стоимость кабеля и его прокладки высока, а большая скорость передачи не требуется,

• есть необходимость подключения к сети пользователей, часто меняющих местонахождение,

• имеются организационные проблемами (например, необходимо проложить траншею через оживленную магистраль в центре города, на что очень сложно получить согласие городских властей).

В сетях ЭВМ в настоящее время используются три типа кабелей:

• кабели на основе витых пар (или просто витая пара),

• коаксиальный кабель,

• волоконно-оптический кабель.

Витая пара (twisted pair)

Кабели на основе витых пар являются самим простым и широко распространенным видом сред передачи в сетях ЭВМ.

Витая пара представляет собой два перевитых изолированных медных провода.

Скручивание позволяет свести к минимуму индуктивные наводки проводов друг на друга и снизить влияние переходных процессов. Качество пары тем лучше, чем плотнее скрутка (количество витков на единицу длины).

Кабели на основе витых пар представляют собой одну или несколько витых пар, помещенных в единую диэлектрическую (пластиковую) оболочку (рис. 4.31).

Рис. 4.31 – Кабели на основе витых пар а) неэкранированных б) экранированных

Толщина провода в витой паре составляет 0,4 - 0,6 мм, толщина изоляции - около 0,2 мм. В наиболее распространенных 4-х парных кабелях в основном используются проводники диаметром 0,51 мм, а внешняя оболочка имеет толщину 0,5 - 0,9 мм.

В зависимости от наличия экранирования существуют два вида витых пар:

• неэкранированная витая пара (unshielded twisted pair – UTP) рис. 4.31 а,

• экранированная витая пара (shielded twisted pair – STP) рис. 4.31 б.

Неэкранированная витая пара не имеет индивидуального экрана.

Достоинствами неэкранированной витой пары являются невысокая стоимость и простота монтажа.

Недостатками неэкранированных витых пар является:

• слабая защищенность от внешних электрических помех,

• перекрестные наводки пар друг на друга,

• излучение кабеля (может стать причиной перехвата передаваемой информации).

Причем действие перечисленных факторов увеличивается с ростом длины кабеля. Для уменьшения их действия применяется экранирование кабелей.

При экранировании витая каждая витая пара и кабель помещается в экран в виде металлической сетки.

Достоинствами экранированной витой пары по сравнению с неэкранированной являются:

• Более высокая защищенность от помех,

• Меньшая степень влияния перекрестных наводок,

• Меньшее излучение кабеля.

Недостатками экранированной витой пары по сравнению с неэкранированной являются более высокая стоимость и сложность для монтажа (требуется заземление экрана).

Экранированные витые пары применяются значительно реже, чем неэкранированные.

В зависимости от диапазона частот передаваемых сигналов существует восемь категорий кабелей на основе витых пар (табл. 4.2). Данные категории описываются в стандарте EIA/TIA 568 (новая редакция EIA/TIA 568A) и в международном стандарте ISO 11801.

Таблица 4.2 – Категории кабелей на основе витых пар.

Категория	Полоса частот, МГц	Применение	Максимальная скорость передачи данных	Количество витых пар в кабеле
1	0.1	Стандартный телефонный кабель. Использовался для передачи голоса или данных при помощи модема по телефонным каналам. В настоящее время считается устаревшим (не включен в новую редакцию стандарта).	20 Кбит/с	1
2	1	Использовался в сетях Token Ring и ARCnet. В настоящее время считается устаревшим (не включен в новую редакцию стандарта).	4 Мбит/с	2
3	16	Ethernet (10Base-T), Fast Ethernet (100BASE-T4 при расстояниях не более 100 м) и Token Ring.	10 Мбит/с, 100 МБит/с (100BASE-T4)	4
4	20	Использовался в сетях Ethernet (10Base-T) и Token Ring. Сейчас не используется.	16 Мбит/с	4
5	100	Fast Ethernet (100Base-TX) и для телефонных линий, поддерживающих скорость передачи данных до 100 Мбит/с при использовании 2 пар.	100 Мбит/с	4
5e	125	Gigabite Ethernet (1000Base-TX). Самая распространенная категория.	100 Мбит/с (при использовании двух пар), 1000 Мбит/с (при использовании четырех пар)	4
6	250	Fast Ethernet (100Base-TX) и Gigabit Ethernet (1000Base-TX). Добавлен в стандарт в июне 2002 г.	1000 Мбит/с	4
6а	500	Ethernet. Добавлен в стандарт в феврале 2008 года	10 Гбит/с
7	600-700	Ethernet. Утвержден только международным стандартом ISO 11801	100 Гбит/с	4

Коаксиальный кабель (coaxial cable)

Коаксиальный кабель состоит из медной проводящей жилы, покрытой изоляцией, экранирующей металлической оплеткой и внешней диэлектрической оболочкой (рис.4.42).

Рисунок 4.42 - Конструкция коаксиального кабеля

По жиле передаются электрические сигналы. Кабель может быть одножильным и многожильным.

Экран защищает кабель от действия помех, перекрестных наводок и снижает излучение. При сильных помехах возможна дополнительная экранизация в виде слоя фольги. Может также использоваться два слоя фольги и две оплетки.

Коаксиальный кабель хорошо защищен от помех и перекрестных наводок, имеет меньшее излучение. При этом он сравнительно недорогой, легкий, гибкий и простой в установке.

Существует два вида коаксиального кабеля:

Тонкий коаксиальный кабель (thin coaxial cable),

Толстый коаксиальный кабель (thick coaxial cable).

Коаксиальный кабель использовался только в устаревших сетевых технологиях Ethernet 10Base5, 10Base2 и ARCnet. Кроме того. Он используется в кабельном телевидении и в качестве антенного кабеля.

Таблица 4.3 – Типы коаксиального кабеля и их примение

Тип	Применение
RG-6 (тонкий)	Кабельное телевидение
RG-8 (толстый)	10Base5
RG-11 (толстый)	Кабельное телевидение
RG-58 (тонкий)	10Base2
RG-59 (тонкий)	Кабельное телевидение, ARCnet

Стандарт EIA/TIA-568 описывает требования к коаксиальному кабелю, но в стандарт 568A он не вошел, как устаревший.