Проблемы параллельного программирования

Программист, пишущий физически параллельную программу, обязательно должен иметь представление о следующих вещах:

•взаимные блокировки параллельных участков - возникают из-за невозможности одновременного доступа приложений на разных ядрах к таким ресурсам, как жесткий диск, некоторые устройства ввода/вывода, прикладные данные.

•несинхронный доступ или гонки - несколько задач одновременно попытаются изменить некоторую общую область данных, а конечное значение данных при этом будет зависеть от того, какая задача обратится к этой области первой.

•возможность зависания параллельных участков - бесконечная отсрочка – планирование, при котором одна или несколько задач должны ожидать до тех пор, пока не произойдет некоторое событие или не создадутся определенные условия. Взаимоблокировка — каждая из задач будет ожидать до тех пор, пока другая не освободит доступ к общим данным.

•трудности организации связи внутри процессора через адресное пространство для совместного использования переменных, параметров и значений возвращаемых функций. Для защиты разделяемых между несколькими потоками переменных вводятся специальные объекты синхронизации, которые позволяют заблокировать изменение того или иного объекта двумя потоками одновременно.

•опасность использования сторонних процедур и библиотек;

Языки программирования

Наиболее массовыми являются параллельные версии языков С и Фортран, работающие в основном через реализации MPI. Язык Си++ часто критикуют за то, что обращение к методу класса в нем реализовано как вызов функции, в то время как Симула и Смолток позволяли объектам обмениваться сообщениями. Симула и Смолток естественным образом поддерживают многозадачность, многопоточность и распараллеливают вычисления на уровне языка.

Microsoft работает над новым языком программирования, известным как Axum. Особенность новой разработки в том, что этот язык изначально предназначен для написания многопоточных параллельных приложений, оптимизированных для работы на современных многоядерных процессорах.

Язык параллельного программирования MC# предназначен для написания программ, работающих на всем спектре параллельных архитектур — от многоядерных процессоров до Grid-сетей. Язык MC# является адаптацией и развитием базовых идей языка Polyphonic C# на случай параллельных и распределенных вычислений. Язык Polyphonic C# был разработан в 2002 г. в Microsoft Research Laboratory (г. Кембридж, Великобритания). Целью его создания было добавление высокоуровневых средств асинхронного параллельного программирования в язык C# для использования в серверных и клиент-серверных приложениях на базе Microsoft.NET Framework.

Программирование для многоядерных платформ в NI LabVIEW

http://www.labview.ru/labview/what_is_labview/programming_for_multicore_platforms.php

Концепция графического программирования NI LabVIEW создана для пользователей систем с многоядерными процессорами и прочими

системами, позволяющими вести параллельные вычисления. LabVIEW позволяет инженерам и ученым представить распараллеливание вычислений и конвейеризацию задач в наиболее удобном для восприятия виде. Среда LabVIEW позволяет писать приложения для многоядерных систем с помощью интуитивно понятного интерфейса.

Программирование на LabVIEW подразумевает создание графического кода (G) в виде диаграммы, что является существенным отличием от традиционных текстовых языков. Подобный подход называется потоковым программированием. Вместо последовательности выполняющихся друг за другом команд, код на LabVIEW представляет данные и операции, которые соединяются между собой, а компилятор LabVIEW автоматически определяет последовательность выполнения команд. Это также означает, что если два параллельных участка кода (ветви диаграммы) независимы, они могут быть выполнены на разных ядрах процессора.

Потоковый код LabVIEW представляет собой одно из наиболее понятных средств коммуникации – блок-диаграмму. Среда разработки LabVIEW позволяет сразу организовать исходный код в виде графической блок-диаграммы и определить, какие участки кода могут быть выполнены параллельно на разных ядрах процессора.

Параллелизм задач подразумевает, что несколько операций могут быть выполнены независимо друг от друга. Операции фильтрации сигнала и БПФ (на рис.3) независимы, а следовательно могут быть выполнены на многоядерных процессорах одновременно. БПФ - быстрый алгоритм переноса сведений о функции, заданной 2m (m - целое число) отсчетами во временной области, в частотную область. Скользящее БПФ соответствует гребенке согласованных фильтров http://scask.ru/book_r_cos.php?id=247, http://www.exponenta.ru/educat/systemat/hanova/lab/LR8/LR8.asp

Рис. 3. Пример параллельных задач

Параллельные данные – это независимые секции одного набора данных, которые могут быть обработаны независимо друг от друга с последующим объединение результатов. На рис. 4. показан пример отдельной обработки правого и левого каналов аудиосигнала.

Рис. 4. Пример параллельных вычислений

Конвейеризация задач представляет собой метод обработки данных последовательностью функций, которые передают друг другу соответствующие блоки данных в разных итерациях цикла. Например, вы можете использовать конвейеризацию в нескольких параллельно выполняющихся циклах в своем приложении.

Рис. 5. Пример конвейеризации задач

Отладка - важная часть процесса разработки любого приложения, поэтому LabVIEW содержит как встроенные средства графической отладки, так и возможности интеграции дополнительных инструментов. Например, с помощью анимации выполнения кода в LabVIEW вы можете наблюдать перемещение данных от узла к узлу, а также одновременное выполнение параллельных участков кода, а набор инструментов LabVIEW Desktop Execution Trace позволяет непосредственно увидеть последовательность событий в приложении. Этот набор инструментов позволяет увидеть хронологию работы потоков приложения, включая детальную информацию о назначенных ядрах и времени выполнения.

Специализированные библиотеки

Intel IPP — это набор кросс-платформенных библиотек, содержащих большое количество высокопроизводительных функций, которые могут быть использованы для аудио- и видеокодеков (например, H.263, MPEG-4), сжатия изображений (JPEG и JPEG2000), обработки изображений (двумерных массивов), обработки сигналов (одномерных массивов или векторов), сжатия естественной речи, систем компьютерного зрения,

криптографических приложений . Необходимость создания такого набора функций напрямую вытекает из современных реалий разработки прикладного ПО. Примитивы в Intel IPP могут быть разделены на три основных группы по типу обрабатываемых данных:

•"сигналы" (термин условный и используется для обозначения одномерных данных);

•"изображения" (двумерные массивы цветовых данных);

•матрицы небольшой размерности (массивы NxM).

Каждая функция из Intel IPP имеет несколько вариантов, оптимизированных под различные архитектуры процессоров. В Intel IPP используются следующие типы оптимизаций: оптимизация кода на С (px); оптимизация кода для процессоров Intel Pentium III; оптимизация кода для процессоров Intel Pentium 4; оптимизация кода для процессоров Intel Xeon с использованием Intel EM64T (m7); оптимизация кода для процессоров Intel Itanium(i7).

Существует несколько способов включения функциональности Intel IPP в приложение: динамическая линковка, статическая линковка, смешанная линковка (продвинутая статическая), динамическая линковка с дополнительными возможностями.

Intel Math Kernel Library

Библиотека Intel Math Kernel Library (MKL) представляет собой набор функций линейной алгебры, быстрого преобразования Фурье и векторной математики для разработки научного и инженерного ПО. Она представлена в вариантах для Windows и Linux. Библиотеки MKL состоят из нескольких двоичных файлов, каждый из которых оптимизирован для определенного семейства процессоров Intel, включая Intel Itanium 2, Intel Xeon, Intel Pentium

III и Intel Pentium 4.

Взаключении ожно выделить несколько классов приложений, которые требуют значительных вычислительных ресурсов:

•2D/3D САПР;

•системы моделирования, средства работы с анимацией;

•средства обработки цифровых изображений;

•электронные издательские системы;

•средства видеомонтажа/рендеринга;

•компьютерные игры (на клиентских компьютерах и серверах);

•средства поиска/индексирования;

•системы потокового мультимедиа;

•средства защиты и криптографии.

Приложения, нуждающиеся в увеличенном адресном пространстве ОЗУ:

•финансовое моделирование;

•научные и технические расчеты;

•исполняющиеся на сервере приложения, обслуживающие множество пользователей настольных машин, или тонких клиентов.

Приложения, работающие с большими массами транзакций/пользователей:

•СУБД;

•веб-серверы;

•серверы электронной почты

Лекция 3.

Техническое обеспечение (ТО) САПР включает в себя различные технические средства (hardware), используемые для выполнения автоматизированного проектирования, а именно вычислительные системы, ЭВМ (компьютеры), периферийные устройства, сетевое оборудование, а также оборудование некоторых вспомогательных систем (например, измерительных), поддерживающих проектирование.

Используемые в САПР технические средства должны обеспечивать:

-выполнение всех необходимых проектных процедур, для которых имеется соответствующее ПО (при наличии ЭВМ и их систем) -взаимодействие между проектировщиками и ЭВМ (предполагает наличие интерактивного режима работы)

-взаимодействие между членами коллектива, выполняющими работу над общим проектом (объединение САПР в вычислительную сеть).

В результате общая структура ТО САПР представляет собой сеть узлов, связанных между собой средой передачи данных.

Узлами (станциями данных) являются компьютеры, контроллеры встроенного оборудования, рабочие места проектировщиков (АРМ) или рабочими станциями (WS — Workstation), ими могут быть также большие ЭВМ (мейнфреймы), отдельные периферийные и измерительные устройства и аппаратура сопряжения со средой передачи данных - сетевые контроллеры.

Среда передачи данных представлена каналами передачи данных, состоящими из линий связи и коммутационного оборудования.

Рис. 1. Среда передачи данных

Линия передачи данных — часть среды передачи данных, используемая для распространения сигналов в нужном направлении. Примерами линий передачи данных являются коаксиальный кабель, витая пара проводов, волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС).

Канал передачи данных это средства двустороннего обмена данными, включающие аппаратуру сопряжения и линию связи. Примером канала связи может быть полоса частот, выделенная одному передатчику при радиосвязи. В некоторой линии можно образовать несколько каналов связи, по каждому из которых передается своя информация. При этом говорят, что линия разделяется между несколькими каналами.

Мультиплексирование. Разработчики каналов связи сталкиваются с постоянной проблемой ограниченного ресурса среды передачи, будь то время, пространство, частота или код. Другими словами необходимо спроектировать такой алгоритм, чтобы лучшим образом организовать связь в имеющихся условиях, уплотнить потоки, что бы обеспечить множественный доступ (MAC) к среде передачи.

Пространственное разделение потоков можно считать относительно простым решением задачи. Заключается в использовании нескольких

проводных либо радиоканалов ( за счет антенн, диаграммы направленности которых обеспечивают пространственное разделение потоков информации между приемниками и передатчиками).

Более распространённой является методика частотного уплотнения или FDM (Frequency Division Multiplexing). Благодаря этой методике огромное количество устройств функционируют на одной территории.

Эта диаграмма показывает, как распределяется частотно-временной и энергетический ресурс между потоками, обозначенными разыми цветами. Одним из минусов является необходимость между потоками оставлять частотные промежутки, чтобы исключить взаимные помехи, что не лучшим образом использует частотный ресурс. Говорят, что при временном мультиплексировании каждому каналу периодически выделяется некоторый квант времени, а при частотном разделении — некоторая полоса частот.

Весьма гибкой является техника временного уплотнения или TDM (Time Division Multiplexing). При этом передатчик использует только одну частоту, но для каждого потока используется свой интервал времени. Данная методика очень требовательна к синхронизации между приёмником и передатчиком. TDM удобна для динамичного изменения потоков, например, если какому-нибудь потоку (абоненту) нужно повысить трафик, то достаточно лишь для него сделать интервал подлиннее. Наиболее известным стандартом, использующим TDM, является GSM.

Кодовое уплотнение или CDM (Code Division Multiplexing). Потоки сосуществуют в одном частотно-временном интервале. Для кодирования каждого потока применяются специальные коды. Коды CDM представляют собой ортогональные сигналы, на которые раскладываются символы первоначальной последовательности. Каждый «единичный» бит в передаваемых данных заменяется двоичной последовательностью из N бит, которая называется расширяющей последовательностью. Информацию принимает лишь владелец кода.

Существуют различные модификации методики CDM. К примеру, смесь CDM и FMD дают FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) которая применяется в Bluetooth.

Методики уплотнения с целью множественного доступа к среде нескольких пользователей именуют в англоязычной литературе как multiple access, поэтому такие техники называются FDMA, TDMA, CDMA, OFDMA и т.д.

В зависимости от способа представления информации электрическими сигналами различают аналоговые и цифровые каналы передачи данных. В аналоговых каналах передачи данных обычно используют частотное разделение сигналов (FDM), а для согласования параметров среды и сигналов применяют модуляцию. Для цифровых каналов передачи данных характерно временное мультиплексирование, т.е. разделение

каналов по времени (TDM), дискретные значения передаваемых данных представляют перепадами (фронтами) или импульсами (уровнями) электрического напряжения или тока.

Основными характеристиками канала или линии передачи данных являются пропускная способность, затухание сигнала, помехозащищенность,

АЧХ.

Амплитудно-частотная характеристика показывает, как затухает амплитуда синусоиды на выходе линии связи по сравнению с амплитудой на ее входе для всех возможных частот передаваемого сигнала. Чем больше несоответствие между полосой пропускания линии и шириной спектра передаваемых сигналов, тем больше сигналы искажаются и тем вероятнее ошибки в распознавании информации, а значит, скорость передачи информации на самом деле оказывается меньше, чем можно было предположить. Если основная гармоника сигнала не попадает в полосу пропускания канала связи, то цифровой сигнал практически невозможно восстановить.

Кодирование бита в CDMA m-последовательностью

Пропускная способность определяет возможность передачи информации в канале связи. Связь между полосой пропускания линии и ее максимально возможной пропускной способностью, вне зависимости от принятого способа физического кодирования, установил Клод Шеннон:

С = F log2 (1 + Рс/Рш),

например, для телефонного канала с полосой 3.1 кГц при отношении сигнал/шум 30 дБ максимальная пропускная способность примерно равна 30 кбит/с. Реальная пропускная способность зависит от ее характеристик линии связи, таких как АЧХ, и от спектра передаваемых сигналов.

Различают бодовую (модуляционную) и информационную скорости передачи данных. Бодовая скорость (измеряется в бодах), - число изменений дискретного сигнала в единицу времени, а информационная скорость определяется числом битов информации, переданных в единицу

времени. Бодовая скорость определяется полосой пропускания линии . Для АМ это указывает число полуволн максимальной частоты в единицу времени.

Информационная скорость связана с полосой пропускания канала связи формулой Хартли-Шеннона ,

где k — число возможных дискретных значений сигнала, которые могут нести информацию.

Заметим, что телефонный канал изначально для передачи цифры предназначен не был, а предназначен был для передачи голоса, то есть – звука в полосе частот от 300 до 3400 Гц (на цифровых каналах - до 4000 Гц). Чтобы "засунуть" внутрь цифру - нужно превратить цифру в звук (промодулировать), а на другом конце демодулировать - проанализировав дошедший туда звук понять, что же там хотели сказать. Ну, раз модуляция - поговорим о модуляции. Способ модуляции играет основную роль в достижении максимально возможной скорости передачи информации при заданной вероятности ошибочного приема.

Модуляция "дискретно-частотная" (FSK, frequency shift keying), каждый бит передается своей частотой. Поскольку в телефонной розетке всего два провода, чтобы отличить передачу удаленной стороны от своей собственной используется четыре частоты: две "туда" и две "обратно"(+ полосы разделения). Скорость модемного протокола v.21 была 300 бит/с или 300 бод (максимальная до 600 бод)..

Модуляция "дискретная фазо-разностная" (DPSK, differential phase shift keying), то есть бит кодируется "переворотом" фазы несущей на 180 градусов, в остальном все на месте - частотное разделение каналов, один бит за один "элемент модуляции", рабочая скорость 600 бод, максимальная 1200. На этом возможности простых видов модуляции заканчиваются.

При "простых" видах модуляции, когда у сигнала просто переворачивается фаза или меняется частота, скорость жестко ограничена только частотной полосой. Даже если мы на своем конце попытаемся "перевернуть" фазу, скажем, 5000 раз в секунду - на другой конец придет неразличимая "каша", полученная после обрезания полосы сигнала. Практический предел скорости передачи находится где-то в районе 1000 бод из-за обрезания спектра и из-за необходимости формирования двух каналов (туда-обратно).

Однако, если нарезать фазу на четыре положения, 0,90, 180 и 270 градусов и передавать ими по два бита – 00, 01, 10,11 это позволит передавать данные в два раза быстрее - при бодовой скорости 600 бод иметь 1200 бит/с канальную.

Тот факт, что за "один акт модуляции" (сдвиг фазы/амплитуды/частоты/еще чего) можно передать более одного бита информации, если передавать их блоками, стимулировал идеи, развитие которых постепенно привело к скоростям вроде 33600 бит/c в рассматриваемом звуковом канале. Частота этих самых "актов модуляции" ограничена частотной полосой канала, а скорость передачи данных зависит и от соотношения сигнал/шум, определяющим, насколько мелко можно нарезать единицу модуляции, не боясь, что разница потонет в шумах.

Нарезаем фазу по 45 градусов (на 8 кусочков), амплитуду - на четыре уровня (итого 32 комбинации фазы и амплитуды записываются 5 разрядным битовым числом=5 бит на бод), и получаем информационную скорость в 3+2=5 раз больше бодовой, 600*5=3000бит/c. Маловато для интернета, но достаточна для почты, а простота протокола определяет его неприхотливость.

Давайте теперь нарежем амплитуду на, ... 32 уровня, и фазу на 32 уровня - и получим сразу 5 + 5=10 бит за бод и скорость 600*10=6000 бит/с ! Ан нет….. При малых амплитудах шумы будут сильно мешать определению точной фазы отсчета, и как следствие – нарезку и по фазе и амплитуде придется уменьшить…

Но шумы воздействуют не на амплитуду и фазу "по отдельности", а на это число целиком, по действительной и мнимой части нашего комплексного числа. А если попроще... на листке бумаги рисуются оси координат, вокруг центра рисуется окружность единичного радиуса. Точка внутри окружности соответствует сигналу с амплитудой, равной расстоянию от начала координат, фаза - углу между отрезком от точки до нуля и осью абсцисс. Шумовая составляющая при отношении Pс/Pш= 20 dB представляется в виде окружности с радиусом 1/10.

Voila - мы имеем так называемую "квадратурную" (QAM - quadrature-amplitude modulation) модуляцию, практически идеально использующую шумовые характеристики звукового канала. На самом деле все чуть сложней - например, перед передачей битового потока он прогоняется через специальный алгоритм, что бы QAM-кодер не "запутался" в точках, соответствующих малой амплитуде. В настоящее время используются способы модуляции, в которых число кодируемых на одном бодовом интервале информационных бит может достигать 8...9, а число позиций сигнала в сигнальном пространстве - 256...512. Квадратурное представление заключается в выражении колебания линейной комбинацией двух ортогональных составляющих — синусоидальной и косинусоидальной: S(t)=x(t)sin(wt+(p))+y(t)cos(wt+(p)), где x(t) и y(t) — биполярные дискретные величины. Такая дискретная модуляция (манипуляция) осуществляется по двум каналам на несущих, сдвинутых на 90° друг относительно друга, т.е. находящихся в квадратуре (отсюда и название представления и метода формирования сигналов).

Следующий шаг - введение эхогашения. Если мы имеем полосу в 3кГц в среднем шириной и хотим передавать информацию в обе стороны - придется либо делить полосу на две половинки ("туда" и "обратно"), либо... пытаться устранить собственное эхо, то есть, попытаться "вычесть" из входа приемника сигнал собственного передатчика, орущего ему "в ухо". Вычитание собственного сигнала делается в DigitalSignalProcessor, и "настройка эхогашения" становится обязательным этапом установки соединения. В результате скорость достигает 6000 бит/с.

Протокол с нормальной QAM + эхогашение + ретрейн (адаптивность) - выбор «живой полосы» в пределах 3100Гц - из 10-11 полос и предкоррекция АЧХ в каждой полосе + Треллис-кодирование (избыточность и возможность быстрого восстановления потерянного кода ) быстро привели к скоростям 9600 (все кратны 2400) bit/s, потом до 19200бит/c (V32bis) и далее до 33600 – модем V34bis – все это в полосе 3100 Гц!

Идея тpеллискодов состоит в том, что pазpешенными являются не все последовательности гpупп битов (последовательность – это несколько последовательных бодов), а лишь некотоpое вполне конкpетное подмножество таких последовательностей.

Модемы исчезают, но идеи остаются в применении к цифровым абонентским линиям xDSL на примере провайдера Стрим:

В цифровых абонентских линиях используется телефонный кабель (медь), но не телефонная аппаратура. Значительно большие скорости передачи данных по сравнению с телефонными технологиями достигаются использованием другой полосы сигнала, эффективных линейных кодов( 2B1Q)

и адаптивных методов коррекции искажений линии и специальных методов модуляции.

Нижняя граница диапазона частот находится на уровне 26 кГц. Верхняя же граница, исходя из требований к скорости передачи данных и возможностей телефонного кабеля, составляет 1,1 МГц. Эта полоса пропускания делится на две части — частоты от 26 кГц до 138 кГц отведены исходящему потоку данных, а частоты от 138 кГц до 1,1 МГц — входящему. Полоса частот от 26 кГц до 1,1 МГц была выбрана не случайно. Начиная с частоты 20кГц и выше, до 1 МГц, затухание имеет практически линейную зависимость от частоты.

К специальным методам модуляции относятся амплитудно-фазовой модуляция без несущей (CAP - вариант квадратурной амплитудной модуляции QAM) и дискретная многотоновая модуляции (DMT).

Модуляционная диаграмма сигнала САР (Carrierless Amplitude Phase) напоминает диаграмму сигнала модемов для телефонных каналов, работающих по протоколам V.32 или V.34. Несущая частота модулируется по амплитуде и фазе, создавая кодовое пространство с 64 или 128

состояниями, при этом перед передачей в линию сама несущая, не передающая информацию, но содержащая наибольшую энергию, "вырезается" из сигнала, а затем восстанавливается микропроцессором приемника.

В случае DMT имеющаяся полоса частот делится на 256 подканалов по 4 кГц каждый. Проводится тестирование подканалов и в зависимости от его результатов подканалы загружаются в разной степени. В свою очередь в подканалах используется рассмотренная квадратурная амплитудная модуляция. В случае линии ADSL используется одна пара проводов, данные кодируются на основе методов CAP или DMT, достигаются скорости до 8-10 Мбит/с (в направлении от роутера в полосе 1 МГц) и 1 Мбит/с ( в полосе 100 кГц). Технология аDSL использует одновременную передачу TV сигнала абоненту с числом каналов до 256. Как и в случае с модемами, выигрыш от применения современного кодирования и модуляции примерно равен 10.

Помехоустойчивость линии определяет уровень защиты линии от внешних помех. Перекрестные наводки на ближнем конце (Near End Cross

Talk - NEXT) определяют помехоустойчивость кабеля к внутренним источникам помех. Показатель NEXT обычно используется применительно к кабелю, состоящему из нескольких витых пар, так как в этом случае взаимные наводки одной пары на другую могут достигать значительных величин. Чем меньше значение NEXT, тем лучше кабель. Достоверность передачи данных характеризует вероятность искажения для каждого передаваемого бита данных. Иногда этот 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. Искажения бит происходят как из-за наличия помех на линии, так и по причине искажений формы сигнала.

Взависимости от физической природы среды передачи данных различают проводные и беспроводные каналы.

Взависимости от направления передачи различают симплексные каналы (односторонняя передача), полудуплексные

каналы (возможность попеременной передачи в двух направлениях) и дуплексные каналы (возможность одновременной передачи в обоих направлениях). Соответственно выделяют симплексные, полудуплексные и дуплексные протоколы.

Среды передачи данных (и соответственно каналы передачи данных) могут быть коммутируемыми (общего пользования) или выделенными. Канал общего пользования попеременно используется для соединения разных узлов. Выделенный канал монопольно используется одной организацией и обслуживает соединение двух определенных двух узлов коммутации.

Под коммутацией понимается попеременное использование среды передачи данных между различными пунктами информационной сети. Различают следующие способы коммутации данных:

-коммутация каналов — осуществляется соединение двух или более станций данных и обеспечивается монопольное использование канала передачи данных до тех пор, пока соединение не будет разомкнуто;

-коммутация сообщений — характеризуется тем, что создание физического канала между оконечными узлами необязательно и пересылка сообщений происходит без нарушения их целостности. Вместо физического канала имеется виртуальный канал, состоящий из физических

участков, и между участками возможна буферизация сообщения.

- коммутация пакетов — сообщение передается по виртуальному каналу, но оно разделяется на пакеты, при этом канал передачи данных занят только во время передачи пакета (без нарушения его целостности) и по ее завершении освобождается для передачи других пакетов.

В случае коммутации пакетов увеличивается задержка из-за появления заголовков у всех пакетов, за счет буферизации пакетов и ожидания в очередях в коммутаторах и за счет потерь времени на пакетизацию. Однако, при этом паузы, характерные для коммутации каналов, заполняются передачей пакетов других сообщений, т.е. линии связи разделяются многими узлами более эффективно.

Коммутация пакетов возможна с установлением и без установления соединения. При коммутации с установлением соединения пакеты одного и того же сообщения направляются по одному и тому же маршруту, выбираемому маршрутизаторами предварительно во время процедуры установления соединения. Маршрутизация без установления соединения, называемая также дейтаграммной, выполняется без предварительного выбора маршрута. Дейтаграммами называются пакеты, которые передаются независимо друг от друга каждая по своему маршруту, выбираемому маршрутизаторами в зависимости от текущего состояния сети. Поэтому дейтаграммы одного и того же сообщения могут поступать к адресату в произвольной последовательности, что требует дополнительных операций по их сборке сообщения в узле-получателе.

Сети также различают в зависимости от используемых в них протоколов. Под протоколом понимается набор семантических и синтаксических правил, определяющий поведение функциональных блоков информационной системы при ее функционировании.

Проводные каналы.

Для организации проводных каналов в сетях передачи данных используют коаксиальные кабели двух видов, чаще всего это "толстый" (thick) кабель диаметром 12,5 мм и "тонкий" (thin) кабель диаметром 6,25 мм. "Толстый" кабель имеет меньшее затухание, лучшую помехозащищенность, что обеспечивает возможность работы на больших расстояниях, но он плохо гнется, что затрудняет прокладку соединений в помещениях, и дороже "тонкого".

Преимущественное применение в ВТ находят витые пары проводов. Среди витых пар различают экранированные и неэкранированные пары. Экранированные пары сравнительно дороги, их используют реже. Неэкранированные пары подразделяют на несколько категорий (типов). Обычный телефонный кабель — пара категории 1. Пара категории 2 может использоваться в сетях с пропускной способностью до 4 Мбит/с. Для сетей

Ethernet (точнее, для ее варианта с названием 10Base-T) была разработана пара категории 3 (10Mbit/c), а для сетей Token Ring — пара категории 4.

В высокоскоростных каналах используют более совершенную витую пару категории 5, которая применима при частотах до 100 МГц на расстояниях в десятки метров. Кабели категории 6 имеют частоту до 200 МГц, а кабели категории 7 до 600МГц и обязательно экранируются. Стоимость такой кабельной системы получается выше ВОЛС, а характеристики хуже.

Оптические линии связи реализуются в виде волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). ВОЛС являются основой высокоскоростной передачи данных, особенно на большие расстояния.

Конструктивно ВОЛС представляет собой кварцевый сердечник, заключенный в отражающую оболочку с внешним диаметром 125...200 мкм. Различают одно- и многомодовые ВОЛС. В одномодовых ВОЛС диаметр сердечника составляет 5...10 мкм. Когерентное излучение от лазера распространяется по сердечнику практически без отражений от оболочки, что обусловливает малое затухание сигнала и возможности связи без ретрансляции на расстояниях до 50 км. Используются длины волн 1300 или 1550 нм.

В многомодовых ВОЛС в качестве источников излучения используются светодиоды с длиной волны 850 нм. Многомодовость означает наличие многих лучей, которые при своем распространении вдоль сердечника многократно отражаются от оболочки, что увеличивает затухание. Но многомодовый оптический кабель значительно дешевле одномодового, так как имеет диаметр сердечника 50...62,5 мкм и, следовательно, его легче изготовить и проще осуществить соединение с источником излучения. Предельное расстояние передачи данных без ретрансляции составляет около 5 км.

Cигнал, соответствующий логической единице, формируется оптическим импульсом, длительность которого равна периоду следования символов = T =1/B (где B – скорость передачи). Нулю соответствует отсутствие оптического сигнала или сигнал меньшего уровня (до скорости <2.5Гбит/с ). В формате с «возвращением к нулю» (RZ три уровня - отсутствие света, «слабый» свет, «сильный» свет) скорости > 2.5 Гбит/с.

Примером среды передачи данных между мейнфреймами, рабочими станциями, пулами периферийных устройств может служить среда Fiber Channel на ВОЛС, обеспечивающая скорости от 133 до 1062 Мбит/с на расстояниях до 10 км. Реализуется проект кругосветного канала передачи данных на ВОЛС длиной в 27,3 тыс. км, кабель должен пройти по дну трех океанов, Средиземного и Красного морей, информационная скорость 5,3 Гбит/с.

Беспроводные каналы

В беспроводных каналах передача информации осуществляется на основе распространения электромагнитных колебаний в эфире. В радиоканалах практически не передаются последовательности импульсов из-за большой ширины спектра таких сигнала и для передачи информации используются различные виды модуляции.

Поток битов (Base Station) -> QAM с представлением групп бит комплексными числами на заданной частоте –> поток битов (Mobail Station)

Радиоканалы входят необходимой составной частью в спутниковые и радиорелейные системы связи, применяемые в территориальных сетях, в сотовыx системах мобильной связи, используются в качестве альтернативы кабельным системам в локальных сетях, при объединении сетей отдельных офисов и предприятий в корпоративные сети, в качестве соединений "последней мили". Во многих случаях применение радиоканалов оказывается

более дешевым решением по сравнению с другими вариантами. Чем выше рабочая частота, тем больше емкость системы связи, но тем меньше предельные расстояния, на которых возможна прямая передача между двумя пунктами без ретрансляторов.

При использования радиоканалов для связи центрального и периферийного узлов, центральный пункт имеет ненаправленную антенну, а терминальные используют направленные антенны. Дальность связи составляет также десятки метров, а вне помещений — сотни метров. Пример многоточечной системы: ненаправленная антенна по горизонтали, угол 30 градусов по вертикали, 5,8 ГГц — к терминалам, 2,4 ГГц — к центральному узлу, до 62 терминалов, дальность — 80 м без прямой видимости.

В качестве магистральных каналов в территориальных сетях часто используются радиорелейные линии связи (коммутация каналов, диапазон частот 5...23 ГГц, связь в пределах прямой видимости, что ограничивает дальность между соседними станциями — до 50 км при условии размещения антенн на строениях типа башен).

Вычислительные сети

Современное проектирование является коллективным процессом, этот процесс поддерживается вхождением технического обеспечения САПР в корпоративную вычислительную сеть. Участники процесса находятся на своих рабочих местах, каждый из них может работать за пультом своего компьютера, являющегося клиентским узлом, подключенным к локальной вычислительной сети (ЛВС) в своем подразделении. Разработчики обмениваются информацией между собой, периодически отсылая в базу данных (БД) результаты своей работы и извлекая из нее нужные для продолжения проектирования данные.

Для связи ЛВС между собой и с корпоративными серверами служит опорная (транспортная) сеть. Подключение ЛВС к опорной сети выполняется с помощью серверов доступа (мостов или коммутаторов). Если предприятие имеет несколько площадок на территории одного города или в разных городах, то связь между площадками должна осуществляться с помощью территориальных сетей (WAN). При этом аренда выделенной линии связана с большими затратами средств, поэтому чаще используют связь между удаленными территориями через Internet. Для этого предприятие должно быть связано с узлом магистральной сети одного из провайдеров абонентской линией или радиоканалом.

Доступ к Web-серверам необходим для информационного обслуживания сотрудников, организации Web-конференций, дистанционного обучения персонала и т.п. Сокращение временных задержек при доступе в Web-серверу достигается использованием дублирующих серверов (зеркал) и использованием кэширования данных в промежуточных proxy-серверах.

Вариант архитектуры вычислительной сети крупного предприятия имеет вид, представленный на рис. 2 Клиенты К извлекают нужные файлы из кэша прокси-сервера П. Если в кэше запрошенного файла не оказалось, то П обращается к Web-серверу через Internet. Балансировщик Бл распределяет клиентские запросы на обслуживание между однотипными серверами С, т.е. выбирает один из Web-серверов, который с помощью одного из серверов приложений и сервера базы данных формирует ответ клиенту. Брандмауэр выполняет функции защиты информации, пропуская только разрешенные сообщения.

Многоуровневый подход. Организация взаимодействия между устройствами в сети является сложной задачей. Как известно, для решения сложных задач используется универсальный прием - декомпозиция, то есть разбиение одной сложной задачи на несколько более простых задач. При декомпозиции часто используют многоуровневый подход. Уровни образуют иерархию, то есть имеются выше и нижележащие уровни. Модули более высокого уровня организуют транспортировку сообщений в пределах всей сети, пользуясь для этого средствами нижележащего уровня.

Примером системного подхода к проблемам сетевого взаимодействия является эталонная модель взаимосвязи открытых систем (ЭМВОС). Структуризация распределенных информационных систем (сетей) выполнена в виде разделения функций систем на группы, называемые уровнями ЭМВОС. Разделение на уровни позволяет вносить изменения в средства реализации одного уровня без перестройки средств других уровней, что значительно упрощает и удешевляет модернизацию средств по мере развития техники. ЭМВОС от ISO признана международными организациями как основа для стандартизации протоколов информационных сетей.

Передача данных через разветвленные сети происходит при использовании инкапсуляции/декапсуляции порций данных. Так, сообщение, пришедшее на транспортный уровень, делится на сегменты (по 10 000 байт), которые получают заголовки и передаются на сетевой уровень. На сетевом уровне сегмент может быть разделен на пакеты (по 1500 байт), если сеть не поддерживает передачу сегментов целиком. Пакет снабжается своим сетевым заголовком (т.е. происходит инкапсуляция сегментов в пакеты). При передаче между узлами промежуточной ЛВС происходит разделение пакетов на кадры (т.е. инкапсуляция пакетов в кадры, например, по 576 байт). Структура образующегося кадра представлена на рис. 1. В приемном узле сегменты декапсулируются и восстанавливается исходное сообщение.

Рис. Структура кадра

Поскольку среда передачи данных общая, а запросы на сетевые обмены у узлов появляются асинхронно, то возникает проблема разделения общей среды между многими узлами, проблема обеспечения доступа к сети - установление последовательности, в которой узлы получают право инициировать определенные действия.

Методы доступа могут быть случайными или детерминированными.

Основным методом случайного доступа является метод множественного доступа с контролем несущей и обнаружением конфликтов (МДКН/ОК) или соревновательный. Метод основан на контроле несущей в линии передачи данных (на слежении за наличием в линии электрических колебаний) и устранении конфликтов, возникающих из-за попыток одновременного начала передачи двумя или более станциями в шинной структуре узлов сети.

МДКН/ОК является децентрализованным широковещательным (broadcasting) методом. Все узлы имеют равные права по доступу к сети. Узлы, имеющие данные для передачи по сети, контролируют состояние линии передачи данных. Если линия свободна, то в ней отсутствуют электрические

колебания. Узел, желающий начать передачу, обнаружив в некоторый момент времени отсутствие колебаний, захватывает свободную линию, т.е. получает полномочия по использованию линии. Любая другая станция, желающая начать передачу в момент времени при обнаружении

электрических колебаний в линии, откладывает передачу до момента , где — задержка, причем является случайной величиной. В сетях Ethernet значения этой задержки выбираются в диапазоне от 9,6 до 51,2 мкс.

Вариант локальных сетей с использованием беспроводных каналов связи называется RadioEthernet и может использоваться в качестве канала "последней мили". Реальная протяженность может быть от нескольких сотен метров до 20-30 км и ограничена лишь наличием прямой видимости.

Применяется множественный доступ с контролем несущей и предотвращением (было –обнаружением) конфликтов

(модификация метода МДКН/ПК). Предотвращение конфликтов обеспечивается тем, что узел, запрашивающий связь, посылает в эфир специальный кадр запроса, а передачу информации он может начать только после истечения времени, равного длительности межкадрового промежутка T, если за это время в эфире не было других запросов. Любой узел может посылать кадр запроса, только если за время T перед этим в эфире не было других кадров запроса.

Аппаратура (рис. 2) шинных ЛВС с методом МДКН/ОК

Если длина кадра выбрана ниже некоторой пороговой величины , то не исключено, что передающая станция не "заметит" конфликта и будут переданы искаженные данные. Так, если максимальная длина линии связи составляет = 2,5 км при скорости передачи = 10 Мбит/с, то

минимальная длина кадра приблизительно равна (2·2,5·103·107) / (2·108) = 250 бит.

Основные виды соединений узлов в ЛВС — шинная (bus), кольцевая (ring), звездная (star). Шинная топология характерна тем, что связь между любыми двумя станциями устанавливается через один общий путь и данные, передаваемые любой станцией, одновременно становятся доступными для всех других станций. подключенных к этой же среде передачи данных. В сети кольцевой топологии узлы связаны кольцевой линией передачи данных и последние поочередно становятся доступными всем узлам сети. В случае звездной топологии имеется

центральный узел, от которого расходятся линии передачи данных к каждому из остальных узлов. Все перечисленные топологии обладают свойством однородности, то есть все компьютеры в такой сети имеют одинаковые права в отношении доступа к другим компьютерам.

При построении больших сетей однородная структура связей превращается из преимущества в недостаток - порождаются различные ограничения,

важнейшими из которых являются ограничения на длину связи между узлами, ограничения на количество узлов в сети, ограничения на интенсивность трафика. Если компьютеры интенсивно обмениваются информацией между собой, иногда приходится снижать число подключенных к кабелю компьютеров до 20, а то и до 10, чтобы каждому компьютеру доставалась приемлемая доля общей пропускной способности сети.

Для снятия этих ограничений используются специальные методы структуризации сети - физическая (понимается конфигурация связей, образованных отдельными частями кабеля), и логическая - конфигурация информационных потоков между компьютерами сети. Для логической структуризации сети используются такие коммуникационные устройства, как мосты, коммутаторы, маршрутизаторы и шлюзы.

Абонентские линии «последней мили».

Для подключения клиентов к узлам магистральной сети применяют модемы и цифровые абонентские л инии (xDSL) на основе обычного телефонного кабеля, радиоканалы WiMAX и Wi-Fi и технологии LTE.

- Коммутируемый доступ является - один из первых общедоступных способов удаленного подключения к сетям передачи данных. Пользователи используют единый телефонный номер для доступа в свои корпоративные сети (или доступ через GPRS в Internet), а определение их принадлежности

ктой или иной компании осуществляется на основе уникального имени и пароля.

-Для связи офисов всегда использовались выделенные линии связи. Скорости, обеспечиваемые на телефонных каналах, колебались от 9,6 кбит/с

(модемы) до 2 Мбит/с при появлении xDSL-технологий. Все это - временные решения, на смену которым в долгосрочной перспективе должно прийти оптическое волокно.

Ключевой технологией для интегрированных телекоммуникационных сетей и высокоскоростных сетей передачи данных является технология спектрального уплотнения (Wavelength Division Multiplexing, WDM). В рекомендациях Международного телекоммуникационного союза G.692 в области 1550 нм предусматривается 40 каналов DWDM (плотное спектральное уплотнение), ширина полосы каждого из них составляет 100 ГГц (приблизительно 0,8 нм). Каждая длина волны (лямбда) несет нагрузку в 2,5 либо 10 Гбит/с. Так как оптическое волокно имеет свойство поглощать

оптические сигналы, без регенерации или усиления они передаются только на ограниченное расстояние (обычно от 70 до 300 км). При использовании волоконно-оптических каналов связи выделенная линия перестает быть узким местом корпоративной сети передачи данных.

Оптическая транспортная платформа, состоящая из оптического волокна, систем DWDM и устройств передачи, является основой для различных технологий передачи данных. К ним относятся SDH/SONET, ATM, Ethernet и семейство протоколов IP (TCP/IP).

Из современных технологий беспроводной передачи информации наибольшее распространение получили Wi-Fi и WiMAX и технологии LTE.

Технология WiMAX предназначена для организации широкополосной связи вне помещений и для организации крупномасштабных сетей. Это технология быстрого беспроводного интернета, которая обеспечивает высокую скорость доступа в сеть — до 75 Мбит/с в теории (10 Мбит/с на практике), в любое время, в любом месте зоны покрытия и поддерживает соединение даже в движении, на скорости до 120 км/ч. WiMAX разрабатывался как городская вычислительная сеть (MAN). У WiMAX лучше качество связи, чем у WiFi. Когда несколько пользователей подключены к точке доступа Wi-Fi, они буквально «дерутся» за доступ к каналу связи. Технология WiMAX обеспечивает каждому пользователю постоянный доступ. Когда базовая станция WiMAX приближается к максимуму своего потенциала, она автоматически перенаправляет «избыточных» пользователей на другую базовую станцию.

Принцип действия сети на базе WiMAX очень похож на принцип работы сотовой связи. Существуют абонентские станции, то есть базовые станции, пользовательское и прочее коммуникационное оборудование оператора, связанное с Интернетом. Базовые станции установлены на расстоянии нескольких (а то и десятков) километров друг от друга. Одна «перекидывает» сигнал другой в условиях прямой видимости в частотных диапазонах 2.4- 3.5 -5.8 ГГц (скорость передачи данных может быть очень высокой). По крайней мере одна базовая станция должна соединяться с сетью провайдера при помощи проводов. На практике же к проводной сети подсоединяют довольно много передатчиков, что позволяет повысить скорость прохождения данных и надежность всей системы. Максимальная скорость - до 1 Гбит/сек. Структура сетей WiMax схожа с традиционными GSM сетями (базовые станции действуют на расстояниях до десятков километров), для их установки не обязательно строить вышки — допускается установка на крышах домов при соблюдении условия прямой видимости между станциями.

Однако, внедрение WiMAX требует создание новой сети приемопередатчиков в новом, более высокочастотном диапазоне, при наличии сотовой структуры GSM в диапазоне 890МГц.

Yota - провайдер беспроводного интернета по технологии Mobile WiMAX в Москве.

Wi-Fi это система более короткого действия, обычно покрывающая десятки метров, которая использует нелицензированные диапазоны частот для обеспечения доступа к сети. Обычно Wi-Fi используется пользователями для доступа к их собственной локальной сети, которая может быть и не подключена к Интернету. Если WiMAX и LTE можно сравнить с мобильной связью, то Wi-Fi скорее похож на стационарный беспроводной телефон. Из-за дешевизны и простоты установки, Wi-Fi часто используется для предоставления клиентам быстрого доступа в Интернет различными организациями. Например, в некоторых кафе, отелях, вокзалах и аэропортах можно обнаружить бесплатную точку доступа Wi-Fi.

WiMAX и Wi-Fi имеют совершенно разный механизм Quality of Service (QoS). WiMAX использует механизм, основанный на установлении соединения между базовой станцией и устройством пользователя. Каждое соединение основано на специальном алгоритме планирования, который может гарантировать приоритет для каждого соединения. Wi-Fi, в свою очередь, использует механизм QoS подобный тому, что используется в Ethernet, при котором пакеты получают различный приоритет (как получится).

Bluetooth

Технология Bluetooth реализована в диапазоне 2,4—2,48 ГГц с использованием метода частотных скачков FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) по строго заданному алгоритму для каждого приемника. В соответствии с методом FHSS в Bluetooth несущая частота сигнала скачкообразно меняется 1600 раз в секунду (всего выделяется 79 рабочих частот). Рабочая частота каждые 625 мкс (один временной слот) синхронно перестраивается с одной

несущей на другую. Последовательность переключения между частотами для каждого соединения является псевдослучайной и известна только передатчику и приёмнику. При этом возможна одновременная передача данных нескольким приемникам в одном и том же диапазоне.

Мобильные системы GSM используют принцип временного кодирования сигналов с множественным доступом. Это значит, что при разговоре абонента сигналы от его телефона передаются короткими пачками импульсов — пакетами, которые включают помимо передаваемой информации и служебную. Соответственно, аналоговые сигналы перед подачей их на модулятор должны быть оцифрованы, и все сигналы — обработаны процессором, чтобы занять свое, определенное для них в пакете место. На одном частотном канале (в GSM частотный диапазон 890-915 МГц (обратный 935-960 МГц), полосы частот делятся на 124 канала, ширина полосы в каждом составляет 200 кГц) могут вести переговоры несколько абонентов одновременно. В пределах одной соты может быть задействовано несколько таких каналов. Скорость передачи, применяемая в пакетах GSM до 22,8 кбит/с. Протокол EDGE (2.5G), относящийся к GSM, имеет скоростной предел передачи до 400 Кбит/с, потоки данных различных пользователей объединяются в 64-кбит/с каналы.

Сети третьего поколения мобильной связи 3G. Cтандарт IMT-2000 дает четкое определения сетей 3G – под мобильной сетью третьего поколения понимается интегрированная мобильная сеть, которая обеспечивает: для неподвижных абонентов скорость обмена информацией не менее 2048 кбит/с, для абонентов, движущихся со скоростью не более 3 км/ч – 384 кбит/с, для абонентов, перемещающихся со скоростью не более 120 км/ч – 144 кбит/с. При глобальном спутниковом покрытии сети 3G должны обеспечивать скорость обмена не менее 64 кбит/с. Такие высокие скорости обмена информацией позволяют в корне пересмотреть понятия о мобильной связи и обеспечить новые возможности – видеозвонки, высокоскоростной доступ к сети Интернет с мобильных устройств, реализовать различные мультимедийные сервисы.

CDMA (Code Division Multiple Access — множественный доступ с кодовым разделением) — технология радиосвязи, при которой каналы передачи имеют общую полосу частот, но разную кодовую модуляцию. При кодовом разделении каналов каждому индивидуальной каналу назначается свой характерный ключевой признак (код). Таким признаком может быть номер приемника получателя информации. Затем индивидуальные каналы объединяются в передатчике в групповой сигнал, который передается по каналу связи. Каждому индивидуальному каналу выделяется одна и та же самая широкая полоса частот, так что во время передачи каналы накладываются друг на друга, но поскольку их коды отличаются, они могут быть легко выделены на приемной стороне. В результате работы нескольких передатчиков эфир в данном частотном диапазоне становится ещё более шумоподобным. Передатчик модулирует сигнал с применением присвоенного в данный момент каждому пользователю отдельного числового кода. Приёмник, настроенный на аналогичный код, вычленяет из общей какофонии радиосигналов ту часть сигнала, которая предназначена данному приёмнику. В явном виде отсутствует временное или частотное разделение каналов, каждый абонент постоянно использует всю ширину канала. Широкополосные каналы приёма и передачи находятся на разных частотных диапазонах и не мешают друг другу. Данная технология известна достаточно давно, однако до середины 80-х годов прошлого века она была засекреченной и использовалась исключительно военными и спецслужбами.

Кодовое разделение позволяет обслуживать больше абонентов на той же полосе частот, чем другие виды разделения (TDMA, FDMA). При кодовом разделении нет строгого ограничения на число каналов. С увеличением числа абонентов постепенно возрастает вероятность ошибок декодирования, что ведёт к снижению качества канала, но не к отказу обслуживания. Выделить нужный канал без знания его кода весьма трудно. Вся полоса частот

равномерно заполнена шумоподобным сигналом. Телефоны CDMA имеют меньшую пиковую мощность излучения и потому, возможно, менее вредны. Важное преимущество — более мягкое переключение между сотами в движении. По мере удаления от одной базовой станции клиента «подхватывает» другая. Она начинает передавать всё больше и больше информации, в то время как первая станция передаёт всё меньше и меньше, пока клиент вообще не покинет её зону обслуживания. Это отличается от поведения систем с частотным и временным разделением каналов (GSM), в которых переключение между станциями «жёсткое», и может приводить к задержкам в передаче и даже обрывам соединения.

Стандарт W-CDMA, известный также как UMTS (Universal Mobile Telecommunication System – универсальная система мобильной связи) это стандарт, применяемый в Европе и Японии, преемник GSM/GPRS/EDGE. Стандарт UMTS теоретически обеспечивает обмен информацией на скоростях до 2048 кбит/с, однако, на практике, скорость может быть несколько ниже. В сетях W-CDMA используют разделение сигнала по кодовочастотному принципу, т.е. идентификация пакетов информации передаваемых абонентами производится не только по уникальному идентификатору,

но и по частоте. Для передачи данных протоколы UMTS использует диапазоны 900 МГц и 1900 МГц. В ряде стран дополнительно задействованы частоты 1885 МГц – 2025 МГц для передачи данных в режиме от мобильного терминала к базовой станции и 2110 МГц – 2200 МГц для передачи данных в режиме от станции к терминалу.

LTE (Long Term Evolution) – дальнейшая эволюция мобильных сетей стандартов UMTS/CDMA. Внедрение LTE является эволюционной, а не революционной вехой, поскольку осуществляется стремление полностью использовать возможности существующей инфраструктуры на давно освоенных частотах. LTE позволяет модифицировать существующие сети, увеличив качество и скорость передачи данных. В России используется освоенный диапазон GSM, т.е. для обеспечения высокоскоростной мобильной связи требуется доработка ретрансляторов сотовых сетей только в части замены плат обработки информации.

Сети LTE полностью основаны на IP-протоколе и поддерживают передачу данных только в цифровой форме. По сравнению с WiMAX, LTE на современном этапе не требует освоения новых частотных диапазонов, а идет по пути ускорения обмена информацией за счет использования сложных сигналов и новых методов фильтрации, обеспечивая межсетевое взаимодействие 2G/3G /4G (GSM, UMTS/HSPA, TD-SCDMA, CDMA2000) со скоростью передачи данных до 100 Мбит/с.

Асинхронная и синхронная передачи Асинхронная связь применяется тогда, когда два устройства никак не синхронизированы. Отправитель может отправлять данные в любое время, а

принимающая сторона должна быть все время готова к приему. Обычно для передачи больших объемов данных используют синхронную связь, а для малых объемов – асинхронную. При обмене данными на физическом уровне единицей информации является бит, поэтому средства физического уровня всегда поддерживают побитовую синхронизацию между приемником и передатчиком.

Канальный уровень оперирует кадрами данных и обеспечивает синхронизацию между приемником и передатчиком на уровне кадров. В обязанности приемника входит распознавание начала первого байта кадра, распознавание границ полей кадра и распознавание признака окончания кадра. Обычно достаточно обеспечить синхронизацию на указанных двух уровнях - битовом и кадровом, - чтобы передатчик и приемник смогли обеспечить устойчивый обмен информацией. Однако при плохом качестве линии связи для повышения надежности передачи данных вводят дополнительные средства синхронизации на уровне байт. Такой режим работы называется асинхронным или старт-стопным. Клавиатура дисплея генерируют байты данных в случайные моменты времени.

Асинхронные протоколы. Эти протоколы оперируют не с кадрами, а с отдельными символами, которые представлены байтами со стартстоповыми символами. Асинхронные протоколы ведут свое происхождение от тех времен, когда два человека связывались с помощью телетайпов по каналу «точка-точка». В асинхронных протоколах применяются стандартные наборы символов, чаще всего ASCII или EBCDIC. Постепенно асинхронные протоколы усложнялись и стали наряду с отдельными символами использовать целые блоки данных, то есть кадры.

Например, популярный протокол XMODEM передает файлы между двумя компьютерами по асинхронному модему. Принимающая сторона постоянно передает символ ASCII NAK. Передающая сторона, приняв NAK, отправляет очередной блок файла, состоящий из 128 байт данных, заголовка и концевика. Приемная сторона, получив новый блок, проверяла его номер и контрольную сумму. В случае совпадения этих параметров с ожидаемым, приемник отправлял символ АСК, а в противном случае - символ NAK, после чего передатчик должен был повторить передачу данного блока.

Синхронные символьно-ориентированные и бит-ориентированные протоколы

При синхронном режиме передачи старт-стопные биты между каждой парой байт отсутствуют. Пользовательские данные собираются в кадр, который предваряется байтами синхронизации (рис. б). Байт синхронизации - это байт, содержащий заранее известный код, например 0111110,

который оповещает приемник о приходе кадра данных. При его получении приемник должен войти в байтовый синхронизм с передатчиком, то есть правильно понимать начало очередного байта кадра.

Кадр имеет в общем случае заголовок, поле данных и концевик. Все биты кадра передаются непрерывным синхронным потоком, что значительно ускоряет передачу данных. Приемник должен найти начало и конец кадра, а также определить границы каждого поля кадра - адреса назначения, адреса источника, других служебных полей заголовка, поля данных и контрольной суммы, если она имеется. Обычно протоколы определяют максимальное и минимальное значение, которое может иметь длина поля данных.

Например, протокол Ethernet требует, чтобы поле данных содержало по крайней мере 46 байт данных (если приложение хочет отправить меньшее количество байт, то оно обязано дополнить их до 46 байт любыми значениями). Существуют также протоколы с кадрами фиксированной длины, например, в протоколе АТМ кадры фиксированного размера 53 байт, включая служебную информацию 5 байт. Для таких протоколов необходимо решить только первую часть задачи - распознать начало кадра.

Символьно-ориентированные протоколы используются в основном для передачи блоков отображаемых символов, например текстовых файлов. Синхронизация достигается за счет того, что передатчик добавляет два или более управляющих символа, называемых символами SYN, перед каждым блоком символов. После того как приемник начал отделять один символ от другого, можно задавать границы границы кадра с помощью символов STX (Start of TeXt, ASCII 0000010)- начало и ЕТХ (End of TeXt, ASCII 0000011) окончание кадра.

Что бы отличить эти от подобных символов внутри кадра перед управляющими символами STX и ЕТХ всегда вставлялся символ DLE (Data Link Escape). Такая процедура называется стаффингом символов (stuff - всякая всячина, заполнитель).

Бит-ориентированные протоколы. Сегодня используется более универсальная бит-ориентированная передачей как двоичных, так и символьных данных. Начало и конец каждого кадра отмечается одной и той же 8-битовой последовательностью - 01111110, называемой флагом. Чтобы флаг не присутствовал в поле данных кадра, используется бит-стаффинг. Если обнаруживается, что подряд передано пять 1, то автоматически вставляется дополнительный 0 (даже если после этих пяти 1 шел 0). Поэтому последовательность 01111110 никогда не появится в поле данных кадра. Бит-стаффинг гораздо более экономичен, чем байт-стаффинг, так как вместо лишнего байта вставляется один бит, следовательно, скорость передачи пользовательских данных в этом случае замедляется в меньшей степени.

На (рис.) показаны 3 различные схемы бит-ориентированной передачи. Они отличаются способом обозначения начала и конца каждого кадра.

Передача с установлением соединения и без установления соединения

При передаче кадров данных на канальном уровне используются как дейтаграммные процедуры, работающие без становления соединения, так и процедуры с предварительным установлением логического соединения. При дейтаграммной передаче кадр посылается в сеть «без предупреждения», и никакой ответственности за его утерю протокол не несет.

Передача с установлением соединения более надежна, но требует больше времени для передачи данных и вычислительных затрат от конечных узлов. В этом случае узлу-получателю отправляется служебный кадр специального формата с предложением установить соединение.

Если узел-получатель согласен с этим, то он посылает в ответ другой служебный кадр, подтверждающий установление соединения и предлагающий для данного логического соединения некоторые параметры, например идентификатор соединения, максимальное значение поля данных кадров и т. п.. Узел-инициатор соединения может завершить процесс установления соединения отправкой третьего служебного кадра, в котором сообщит, что предложенные параметры ему подходят. На этом логическое соединение считается установленным, и в его рамках можно передавать информационные кадры с пользовательскими данными. После передачи некоторого законченного набора данных, например определенного файла, узел инициирует разрыв данного логического соединения, посылая соответствующий служебный кадр.

Процедура установления соединения может использоваться для достижения различных целей.

•Для взаимной аутентификации либо пользователей, либо оборудования (маршрутизаторы тоже могут иметь имена и пароли, которые нужны для уверенности в том, что злоумышленник не подменил корпоративный маршрутизатор и не отвел поток данных в свою сеть для анализа).

•Для согласования изменяемых параметров протокола: MTU, различных тайм-аутов и т. п.

•Для обнаружения и коррекции ошибок. Установление логического соединения дает точку отсчета для задания начальных значений номеров кадров. При потере нумерованного кадра приемник, во-первых, получает возможность обнаружить этот факт, а во-вторых, он может сообщить передатчику, какой в точности кадр нужно передать повторно.

•В некоторых технологиях процедуру установления логического соединения используют при динамической настройке коммутаторов сети для маршрутизации всех последующих кадров. Так работают сети технологий Х.25, frame relay и АТМ.

Кодирование — процесс преобразования сигнала из формы, удобной для непосредственного использования информации, в форму, удобную для передачи, хранения или автоматической переработки. При цифровом кодировании дискретной информации применяют потенциальные и импульсные коды. В цифровых каналах передачи данных для представления двоичной информации преимущественно используют самосинхронизирующиеся коды. Примером такого кода может служить манчестерский код, в котором единица представлена положительным, а ноль отрицательным перепадом. Самосинхронизация обеспечивается благодаря формированию синхроимпульсов из перепадов, имеющихся в каждом такте манчестерского кода. Самосинхронизация избавляет от необходимости иметь дополнительную линию связи для передачи синхронизирующих импульсов.

Пример манчестерского кодирования

Однако платой за самосинхронизацию является в два раза более высокие требования к полосе пропускания канала передачи данных, поскольку при передаче последовательностей из одних нулей или одних единиц на один бит приходится два перепада. Скрэмблирование = Перемешивание данных скрэмблером перед передачей их в линию с помощью потенциального кода для исключения длинных последовательностей из нулей или единиц.

Для распознания искаженных бит на физическом уровне применяют избыточные коды, например 4B/5B или 8B/10B. Запись 4B/5B означает, что каждые 4 бита исходного кода передаются 5 битами. Общее количество битовых комбинаций 5В равно 32 по сравнению с исходными 16. Если принимается запрещенная комбинация, значит на линии произошло искажение сигнала. Некоторые методы позволяют из 16 запрещенных комбинаций восстановить сразу истинные. Платой является уменьшение скорости передачи.

От выбранного способа кодирования зависит спектр сигналов и, соответственно, пропускная способность линии. Например, витая пара категории 3 может передавать данные с пропускной способностью 10 Мбит/с при способе кодирования 10Base-T и 33 Мбит/с при способе кодирования стандарта

100 Base-T4.

Для передачи аналоговых сигналов по цифровым каналам связи (цифровое вещание) применяют импульсно-кодовую модуляцию (ИКМ). Этот вид модуляции сводится к измерению амплитуды аналогового сигнала в моменты времени, отстоящие друг от друга на , и к кодированию этих

амплитуд цифровым кодом. Согласно теореме Котельникова величину определяют следующим образом: для неискаженной передачи должно

быть не менее двух отсчетов на период колебаний, соответствующий высшей составляющей в частотном спектре сигнала.

Так, в телефонных каналах требуемую пропускную способность определяют, исходя из условия обеспечения передачи голоса с частотным диапазоном до 4 кГц при кодировании восемью (или семью) битами. Отсюда получаем, что частота отсчетов (передачи байтов) равна 8 кГц, т.е. биты передаются с частотой 64 кГц (или 56 кГц при семибитовой кодировке).