Конспект лекций

скоростью 64 Кбит/с, 32 каналов постоянной связи (9.6 Кбит/с), 265 каналов, работающих в пакетном режиме (9.6 Кбит/с), и сети телевизионных каналов.

. Методы доступа

В связи с тем, что среда передачи является единым и общим ресурсом переноса информации для всех узлов сети, необходимы некий регламент или совокупность правил, по которым узлы будут иметь доступ к этому общему ресурсу. Такой метод называется методом доступа. Методы доступа можно разделить на два класса:

детерминированные;

недетерминированные.

При детерминированном методе доступа передающая среда распределяется между узлами с помощью специального управляющего механизма, гарантирующего передачу данных узла в течение достаточно малого интервала времени.

При недетерминированном (или случайном) методе доступа все узлы сети функционируют в режиме конкуренции за среду передачи. Возможны одновременные попытки передачи нескольких различных станций, в результате которых наступает коллизия, разрешаемая теми или иными способами.

Детерминированные методы доступа. Наиболее известными де-

терминированными методами доступа в ЛВС являются:

метод опроса;

метод передачи права;

метод кольцевых слотов.

Метод опроса (Polling) используется чаще всего (но необязательно) в звездообразных сетях, так как он базируется на наличии центрального узла сети. При этом методе узел сети получает к ней доступ по следующим правилам:

все узлы сети могут осуществлять передачу информации только тогда, когда получат разрешение от центрального узла;

центральный узел последовательно опрашивает каждый периферийный узел на наличие у него информации для передачи;

если у опрашиваемого в данный момент узла есть информация для передачи, он извещает об этом центральный узел;

в ответ на заявку передачи центральный узел предоставляет станции монопольное право на использование среды передачи. По завершении передачи центральный узел возобновляет опрос периферийных узлов.

Метод передачи права используется в сетях кольцевой топологии (IBM Token Ring Network), шинной топологии (ARCnet-Bus), звездообразной топологии (ARCnet-STAR). Этот метод основан на последовательной циркуляции в сети специального пакета, называемого маркером (Token), который регламентирует право передачи в сети. Маркер имеет два состояния: «свободно» и «занято» и циркулирует по кругу от узла к узлу. Поэтому подобные сети, даже если они не принадлежат кольцевой топологии, называют логическими кольцами.

Метод передачи права состоит из следующих этапов.

1. Станция, желающая передавать данные, ожидает свободный маркер, при получении которого устанавливает признак его занятости, добавляет к маркеру пакет данных (максимальная длина которого составляет 2 Кбайт), содержащий сетевые адреса получателя и отправителя, и отправляет такой кортеж (маркер + пакет) в сеть.

2.Маркер + пакет последовательно передаются от узла к узлу. Каждый узел осуществляет проверку адресов пакета. Кортеж, адресованный другому узлу, отправляется дальше.

3.Принимающий узел распознает адресованный ему пакет и, если он может, принимает его, устанавливает специальный бит подтверждения приема в маркере и отправляет кортеж отправителю по оставшемуся пути кольца.

4.После того, как отправитель получит свой кортеж обратно, он освобождает маркер и посылает его в сеть.

Метод кольцевых слотов используется только в кольцевых топологиях. Другими альтернативными названиями этого метода являются: «метод сегментирования кольца», «метод кольцевых сегментов». Наиболее яркими его представителями являются английские сети Cambridge Ring и TransRing-3000.

В отличие от метода передачи права данный метод разрешает одновременную передачу информации по сети более чем одному узлу. При этом методе вместо одного маркера в сети циркулирует некоторое количество слотов (обычно от 2 до 8) фиксированной длины. В отличие от управляющего маркера к одному такому слоту можно присоединить очень ограниченное количество информации (как правило, от 8 до 32 байт). Каждый слот, так же, как и маркер, имеет два состояния: «свободно» и «занято».

Алгоритм функционирования этого метода следующий.

1.Узел, желающий передать информацию, разделяет ее на пакеты с длиной, соответствующей длине, которую может принять слот.

2.Узел погружает пакет в каждый свободный слот (занимая его) до тех пор, пока не передаст всю информацию; при этом каждый занятый слот содержит адреса получателя и отправителя, а также признак завершения/продолжения передачи, т. е. последний ли это слот с информацией или надо ожидать следующего слота.

3.Принимающий узел распознает «свои» слоты, копирует в себя содержащуюся в них информацию и отмечает факт приема установкой специального бита в слоте; так он делает до тех пор, пока не придет слот с признаками завершения информации.

4.Обработанный слот возвращается к передавшему его узлу, который освобождает его, делая доступным для других узлов сети.

Случайный метод доступа. Наиболее распространенным недетерминированным методом доступа является множественный метод доступа с контролем несущей частоты и обнаружением коллизий –

CSMA/CD (Carrier-Sense Multiрle Access / Collision Detection).

Этот метод основывается на следующем алгоритме.

1.Узел, желающий передать информацию, прослушивает среду передачи, дожидаясь ее освобождения (если она занята, значит, идет чужая передача). Это и есть контроль несущей.

2.Дождавшись освобождения канала, узел передает свой информационный пакет (в нем содержатся адреса получателя и отправителя), продолжая одновременно с передачей прослушивание передающей среды своим приемником.

3.Если приемник слышит только свой собственный пакет, акт передачи считается нормально завершенным.

4.Все другие узлы сети одновременно получают отправленный пакет, но воспринимает его только тот узел, которому он адресован. После этого с помощью другого специального пакета получатель извещает отправителя о приеме пакета.

5.Если приемник начинает слышать не только свой собственный пакет, но и чей-то чужой, он воспринимает этот факт как коллизию передачи с другим узлом (решившим передавать в то же самое время) и немедленно останавливает свою передачу. Точно так же поступает другой узел (другие узлы), участвующий в коллизии. В этом случае вся переданная до коллизии информация воспринимается другими узлами сети как «шум» и игнорируется.

6.Узлы, участвовавшие в коллизии, выжидают случайный промежуток времени, по исчерпании которого им разрешается повторная попытка передачи.

Существует ряд разновидностей протокола CSMA/CD. Приведем только две их них.

Протокол CSMA – старая разновидность этого протокола, при котором сеть прослушивается только до начала передачи, а коллизия обнаруживается на логическом уровне получением или неполучением подтверждения на прием пакета от получателя. К сетям, использующим этот протокол,

можно отнести IO-Net, PC NET.

Последние годы получила распространение новая разновидность этого протокола – CSMA/CA (Carrier-Sense Multiрle Access/Collision Avoidance),

т. е. избежание коллизий. При такой разновидности протокола узел, который хочет передать данные, ожидает освобождения сети, но после этого передает не сами данные, а специальный сигнал (Intention), извещающий другие станции о его намерении передавать информацию. Если в сети нет искажения этого сигнала (что устанавливает прослушивание), значит, он воспринят другими станциями, и можно без помех передавать данные. Таким образом, при указанном методе возможна коллизия только специальных сигналов, а не информационных пакетов. Эта дисциплина используется, например в сети Omninet фирмы «Corvus».

Лекция 15. Модемы и модуляция.

Поскольку исторически основным видом коммуникации являются телефонные аналоговые сети, а компьютер — это чисто цифровое устройство, то для их сопряжения и понадобилось устройство, которое переводит цифровые сигналы в аналоговые, «модулируя» нули и единицы разным образом.

При работе модем входит в соединение с другим модемом по схеме точка - точка. Это означает, что никакой третий модем не может "вклиниться в разговор". Данные, подлежащие передаче, преобразуютcя в аналоговый cигнал модулятором модема «передающего» компьютера. Принимающий модем, находящийcя на противоположном конце линии, «cлушает» передаваемый cигнал и преобразует его обратно в цифровой с помощью демодулятора.

Телефонные каналы, разработанные специально для передачи голоса, не очень эффективны для передачи данных, но их преимущество заключается в том, что они густой сетью опутали весь мир и доступны. Практический предел физической скорости при передаче по стандартному телефонному каналу равен примерно 32 Кбит/с. Современные модемы уже подошли к этому пределу. За счет упаковки данных эффективную скорость передачи

можно несколько поднять, но ясно, что много мегабайт быстро передать нельзя (это в принципе возможно на других устройствах и каналах).

Типовая система передачи данных

Любая система передачи данных (СПД) может быть описана через три основных компонента: передатчик (источник передачи информации), канал передачи данных и приемник (получатель информации). При двухсторонней (дуплексной передаче) источник и получатель могут быть объединены так, что их оборудование может передавать и принимать данные одновременно. В простейшем случае СПД между точками А и В состоит из следующих основных семи частей:

•оконечного оборудования данных в точке А и B;

•интерфейса (или стыка С2) между оконечным оборудованием данных и аппаратурой канала данных;

•аппаратуры канала данных в точке А и B;

•канала связи между точками А и В;

•интерфейса (или стыка С1) аппаратуры канала данных;

Оконечное оборудование данных (ООД) - это обобщенное понятие,

используемое для описания оконечного прибора пользователя или его части. ООД может являться источником информации, ее получателем или тем и другим одновременно. ООД передает и (или) принимает данные посредством использования аппаратуры канала данных (АКД) и канала связи. В литературе для оконечного оборудования данных часто употребляется соответствующий международный термин - DTE (Data Terminal Equipment). Часто в качестве DTE может выступать персональный компьютер, большая ЭВМ (Mainframe Computer), терминал, устройство сбора данных, кассовый аппарат, приемник сигналов глобальной навигационной системы или любое другое оборудование, способное передавать или принимать данные.

Аппаратуру канала данных также называют аппаратурой передачи данных (АПД), или используется англоязычный термин DCE (Data Communications Equipment),

который и будем употреблять в дальнейшем. Функция DCE состоит в обеспечении возможности передачи информации между двумя

или большим числом DTE по каналу определенного типа, например телефонному. Для этого DCE должен обеспечить соединение с DTE с одной стороны, и с каналом связи - с другой. DCE может являться аналоговым модемом, если используется аналоговый канал.

Каналы связи

Под каналом связи понимают совокупность среды распространения и технических средств передачи между двумя канальными интерфейсами или стыками типа С1. По этой причине стык C1 часто называется канальным стыком. В зависимости от типа передаваемых сигналов различают два больших класса каналов связи: цифровые и аналоговые.

Цифровой канал является битовым трактом с цифровым (импульсным) сигналом на входе и выходе канала. На вход аналогового канала поступает непрерывный сигнал, и с его выхода также снимается непрерывный сигнал. Как известно, сигналы характеризуются формой своего представления. Параметры сигналов могут быть непрерывными или иметь только дискретные значения. Сигналы могут содержать информацию либо в каждый момент времени (непрерывные во времени, аналоговые сигналы), либо

только в определенные, дискретные моменты времени (цифровые, дискретные, импульсные сигналы)

Цифровыми являются каналы систем ИКМ, ISDN, каналы типа Т1/Е1 и многие другие. Вновь создаваемые СПД строят, в основном, на основе цифровых каналов, обладающих рядом преимуществ перед аналоговыми.

Аналоговые каналы наиболее распространены по причине длительной истории развития и относительной простоты их реализации. Типичным примером аналогового канала является канал тональной частоты (ТЧ).

Коммутируемые и выделенные каналы

Коммутируемые каналы предоставляются потребителям на время соединения по их требованию (звонку). Такие каналы принципиально содержат в своем составе коммутационное оборудование телефонных станций (АТС). Обычные телефонные аппараты используют коммутируемые каналы ТфОП.

Выделенные (арендованные) каналы арендуются у телефонных компаний или (очень редко) прокладываются заинтересованной организацией. Такие каналы являются принципиально двухточечными. Их качество выше, чем у коммутируемых каналов, так как на них не влияет коммутационная аппаратура АТС.

Двух- и четырехпроводные каналы

Каналы, как правило, имеют двухпроводное или четырехпроводное окончание. Их называют, соответственно, двухпроводными и четырехпроводными.

Четырехпроводные каналы предоставляют два провода для передачи сигнала и еще два провода для приема. В таких каналах практически полностью отсутствует влияние сигналов, передаваемых во встречном направлении.

Двухпроводные каналы используют два провода как для передачи, так и для приема сигналов. Такие каналы позволяют экономить на стоимости кабелей, но требуют усложнения каналообразующей аппаратуры и аппаратуры пользователя. Двухпроводные каналы требуют разделения принимаемого и передаваемого сигналов, что реализуется при помощи дифференциальных систем, обеспечивающих необходимое затухание по встречным направлениям передачи.

При передаче данных на входе аналогового канала должно находиться устройство, которое преобразовывало бы цифровые данные, приходящие от DTE, в аналоговые сигналы, посылаемые в канал. Приемник должен содержать устройство, которое преобразовывало бы обратно принятые непрерывные сигналы в цифровые данные. Этими устройствами являются модемы. Аналогично, при передаче по цифровым каналам данные от DTE приходится приводить к виду, принятому для данного конкретного канала. Этим преобразованием занимаются цифровые модемы, очень часто называемые адаптерами ISDN, адаптерами каналов Е1/Т1, линейными драйверами и так далее (в зависимости от конкретного типа канала или среды передачи).

Термин модем используется достаточно широко. При этом сейчас уже необязательно подразумевается какой-то конкретный вид модуляции, а часто просто указывается на определенные операции преобразования сигналов, поступающих от DTE для их дальнейшей передачи по используемому каналу. Таким образом, в широком смысле понятия модем и аппаратура канала данных (DCE) можно считать синонимами.

Полоса пропускания

Полоса пропускания является основополагающим понятием в области связи. Единицей измерения является Герц (Гц, Hz). Полоса пропускания или ширина полосы пропускания определяется как диапазон между нижней и верхней частотами,

используемыми конкретной СПД. Более строгое определение данного понятия дается через мощность сигнала. Для электромагнитного оборудования границы полосы пропускания определяются как точки, в которых уровень сигнала (его средняя мощность) падает на 3 дБ, т.е. в два раза относительно максимального значения. Применительно к ТфОП полоса телефонного канала тональной частоты определена ITU-T как диапазон от 300 до 3400 Гц, т.е. ширина канала ТЧ равна 3100 Гц.

Соотношение между скоростью передачи и шириной полосы

В первом приближении часто считают, что для передачи одного двоичного символа в секунду (бит/с) достаточно полосы частот в 1 Гц. Исходя из этого предположения в телефонном канале с шириной 3100 Гц можно передать не более 3100 бит/с. В то же время известно, что по тем же каналам современные модемы успешно работают до скорости 56 кбит/с. Очевидно, что спектральная эффективность применяемых при этом технологий значительно выше, чем 1 бит/(с-Гц).

Найквист теоретически доказал, что в полосе частот 1 Гц аналогового канала можно организовать безошибочную передачу данных со скоростью 2 бит/с. Этот результат часто называют скоростью или границей Найквиста. Другими словами по телефонному каналу возможна безошибочная передача со скоростью 6200 бит/с. Утверждение Найквиста учитывало только эффект межсимвольной интерференции при передаче двоичных символов через фильтр нижних частот (ФНЧ). Если имеется ФНЧ с верхней частотой среза fв (Гц), то согласно Найквисту без искажений возможна передача двоичных символов со скоростью, численно Равной 2fв (бит/с).

Клод Шеннон предложил другую модель для оценки возможностей передачи данных по каналу с белым шумом и ограниченной энергетикой. Предельные возможности системы передачи можно оценить с помощью известной формулы Шеннона, определяющей зависимость пропускной способности С непрерывного канала с белым гауссовским шумом от используемой полосы частот AF и отношения мощностей сигнала и шума

PS/PN:

C = ΔF • log2(1 + Ps / PN),

где Ps = EbV - средняя мощность сигнала; Eb - энергия, затрачиваемая на передачу одного бита информации; V- скорость передачи информации; PN=N0ΔF- средняя мощность шума в полосе частот ΔF; N0/2 - спектральная плотность мощности шума. Отношение сигнал/шум (PS/PN) принято измерять в децибелах (dB, дБ). Данная единица является логарифмической, и в свое время была введена Александром Беллом (Alexander Graham Bell). Выражается через отношение:

PS/PN [дБ]= 10log10 PS/PN

Пропускная способность определяется как верхняя граница реальной скорости передачи информации V. Приведенное выше выражение позволяет найти максимальное значение скорости передачи, которое может быть достигнуто в гауссовском канале с заданными значениями ΔF и PS/PN. Например, если отношение сигнал/шум равно 20 дБ, т.е. мощность сигнала на входе модема в 100 раз выше мощности шума, и используется полная полоса телефонного канала тональной частоты (3100 Гц), то максимально достижимая скорость не может превышать 20640 бит/с.

Вероятность ошибочного приема бита в конкретной системе передачи

определяется отношением Eb / N0. ИЗ формулы Шеннона следует, что возрастание удельной скорости передачи V/ΔF требует увеличения энергетических затрат Eb на один бит.

Любая система передачи может быть описана точкой, лежащей ниже приведенной на рисунке кривой (область В). Эту кривую часто называют границей или пределом Шеннона. Для любой точки в области В можно создать такую систему связи, вероятность ошибочного приема у которой может быть настолько малой, насколько это требуете.

История развития как систем связи в целом, так и модемной техники, в частности, представляет собой непрекращающуюся серию попыток приблизить их к границе Шеннона, сохраняя при этом низкую вероятность ошибочного приема информационного бита (такие системы используют современные способы модуляции и кодирования).

Современные прикладные процессы, т.е. DTE, требуют от систем передачи данных обеспечения вероятности необнаруженной ошибки не выше величины 10-7...10-12. Такие значения обеспечивают протоколы исправления ошибок.

Следует заметить, что модель Шеннона не учитывает никаких других помех, кроме белого гауссовского (теплового) шума и не дает конструктивных предложений по тем методам передачи, при помощи которых можно достичь таких скоростей.

Для достижения высоких значений спектральной эффективности (более чем 2 бит/(с-Гц)) широкое распространение получили многоуровневые (или многопозиционные) методы модуляции.

Модуляция

Основная функция модема - преобразование несущего гармонического колебания (одного или нескольких его параметров) в соответствии с законом изменения передаваемой информационной последовательности. Такое преобразование аналогового сигнала называется модуляцией.

Если не касаться достаточно сложных вариантов, осуществляемых только на волновом уровне (поляризационная, пространственная модуляция), то в арсенале разработчика системы связи присутствуют три традиционные разновидности модуляции: амплитудная, частотная, фазовая со всеми их комбинациями и частными версиями. Способ модуляции играет основную роль в достижении максимально возможной скорости передачи информации при заданной вероятности ошибочного приема (вспоминаем формулу Шеннона).

Способы модуляции

1. Амплитудная модуляция.

Сигнал в амплитудной манипуляции (amplitude shift keying - ASK) описывается выражением:

Где амплитудный член может принимать М дискретных значений, а фазовый член - произвольная константа.

На рисунке даны соответствующие пространственные диаграммы сигналов для М= 2, М= 4, М= 8.

В бинарном случае ASK амплитуда сигнала изменяется в соответствии с цифровой информационной

последовательностью. При передаче «1» используется синусоида с одной амплитудой, при передаче «0» - с другой.

Особым видом ASK является ООК (On/Off Keying), при которой амплитуда сигнала нулевая во время передачи «0». Такая модуляция находит применение в приложениях, связанных с телеуправлением. Популярность этого вида модуляции связанна с простотой и низкой стоимостью ее реализации. ООК позволяет передатчику бездейст-

вовать во время передачи «0», сберегая таким образом энергию. Недостатки ООК проявляются при наличии мешающих сигналов. Поэтому все более широкое распространение телекоммуникационных устройств ограничивает использование этого вида модуляции. ASK менее подвержена влиянию интерференционной помехи, чем ООК, и, оставаясь при этом простой и дешевой в реализации, может в некоторых случаях конкурировать с другими видами модуляции.

2. Частотная модуляция

Общее аналитическое выражение для сигнала в частотной манипуляции

(frequency shift keying — FSK) имеет следующий вид:

Здесь частота принимает M дискретных значений, а фаза является произвольной константой. При двоичной частотной модуляции

(BFSK – Binary Frequency Shift Keying) значениям 0 и 1 инфор-