Реферат. Учебное пособие санктПетербург 2012 министерство образования и науки российской федерации
 Скачать 1.04 Mb.
|
Рис. 3.5. Физическая связь коммутаторовИдея работы коммутатора пакетов очень проста: он принимает посылаемые любой точкой доступа (сетевым адаптером), подключенной к коммутатору, пакеты данных и направляет их только на тот свой выход, к которому подключена точка доступа получателя того или иного пакета. Для этого каждый отправляемый пакет содержит уникальный, так называемый MAC-адрес получателя. Впрочем, сами MAC-адреса могут быть не только индивидуальными, но также групповыми и широковещательными. В последнем случае это означает «сообщение для всех». Коммутаторы отличаются технологией коммутации и способом использования таблицы MAC-адресов. Одна технология – запомнить и переслать (Store-End-Forward), - предусматривает запоминание всего пакета, оценку его правильного принятия на участке отправитель-коммутатор, например, по контрольной сумме, и по ее результату либо передать пакет по назначению либо отбросить его. В любом случае коммутатор «гарантирует» задержку передачи. Другая технология - гнать насквозь (Cut-Trough), - не занимается оценкой качества принятого пакета, а распознает лишь заголовок с MAC-адресами отправителя и получателя и немедленно коммутирует и передает пакет в назначенный адрес в том виде, в каком был принят. Преимущества и недостатки каждой из технологий очевидны. Поэтому первая технология применяется повсеместно, а вторая – в линиях с заведомо большим трафиком. Пока говорят А и В, С не может соединиться с D, хотя они оба не заняты. Да и сами коммутаторы были “не умными” при осуществлении коммутации каналов - физических линий связи. Современные коммутаторы намного “умнее” и коммутируют даже части сообщений – пакеты. Скорость пропускания через себя потока данных – основное требование к коммутаторам. Задержка в них соизмерима со временем прохождения сигнала по короткому проводнику. Это стало возможным благодаря тому, что коммутатор может перенаправлять пакет без промежуточного хранения. Достаточно прочитать идущий первым адрес назначения. Для этого требуется не более 4,8 мкс. Если сравнить с задержкой моста, то для контроля короткого пакета длиной 3 Кбайт необходимо 1,2 мкс, а за это время на той же скорости 10 Мбит/с сигнал преодолеет 363 км. Задержка коммутатора без промежуточного хранения “отпускает” сигнал лишь на 146 м! Однако если в передаче обнаружатся ошибки, то это будет означать пустую трату ресурса канала связи. Именно поэтому мост отбросит такой пакет. Но коммутатор без буферизации не сможет этого сделать. В дискуссии о структуре коммутаторов были сторонники буферизации и противники. В результате появился новый класс устройств, поддерживающий оба режима, причем с адаптацией. Это означает, что сначала действует режим без буферизации. При частом повторении ошибочных передач коммутатор автоматически переключается в режим с буферизацией. При снижении частоты ошибочных передач выполняется обратный переход. Следует отметить, что при работе в любом режиме коммутатор ЛВС вынужден применить промежуточное хранение (буферизацию), если порт, в который требуется передать пакет, в данный момент используется. Коммутаторы ЛВС вообще чувствительны к перегрузкам. Это особенно проявляется в том случае, если множество абонентов осуществляют доступ к одному и тому же целевому устройству. В таком положении могут оказаться и сервер с базами данных и принтер. С такими ситуациями можно бороться по-разному. Например, комплектовать коммутатор портами с разной скоростью передачи данных или наращивать емкость буфера (но до каких пределов и как распределять память между портами?). Можно имитировать коллизию, при которой передающий адаптер замолкает на некоторое время. Часто этого времени достаточно для освобождения части буфера. Кстати, аналогичный прием применяется для защиты брони танков от снарядов кумулятивного действия и для активной защиты ракет. Такая “интеллектуализация” коммутатора, связанная с исполнением функции по организации и обслуживанию очередей, и делает его устройством третьего, сетевого уровня модели ВОС/МОС. Следует упомянуть еще об одном способе увеличения трафика в каналах связи. Имеется в виду мультиплексирование. Оно позволяет объединить много потоков данных или каналов для передачи по общей физической среде, т. е. одновременно передавать несколько независимых сигналов, которые комбинируются в устройстве, называемом мультиплексор. Для обеспечения целостности каждого сигнала в канале сигналы могут разделяться посредством пространственного разделения каналов, частотным разделением каналов и мультиплексирования с разделением времени. Первый способ – механический. Можно проложить кабель с 24 парами и говорить по каждой паре отдельно, даже между собою. Во втором - полоса пропускания среды выходного канала делится на подканалы с более узкой полосой пропускания (лучше не только без пересечений, но и с “мертвой” зоной), которые закрепляются за одним или несколькими входными каналами (рис.3.6).  Рис.3.6. Схема частотного мультиплексирования (уплотнения) Частотное мультиплексирование FDM (Frequency Division Multiplexing) применяется для аналоговых сигналов. При цифровой передаче каждый прямоугольный импульс содержит бесконечное число частот - гармоник. Поэтому нужна вся ширина полосы пропускания широкополосного канала. Тогда можно “нарезать широкополосный канал поперек” и за каждым низкоскоростным каналом закрепить свой интервал времени. Получится мультиплексирование с разделением времени TDM (Time Division Multiplexing), схема которого изображена на рис.3.7.  Рис.3.7. Схема уплотнения с разделением времени Эти две технологии могут быть объединены: низкоскоростные каналы сначала мультиплексируются с разделением времени (например, 1,9,17; 2,10, 18…), а затем применяется частотное мультиплексирование. Именно применение мультиплексоров и позволяет выполнять на базе одной сети так много функций – АТС, технологии, управление предприятием, охрана… Вопросы для самопроверки: Чем ограничивается длина параллельного интерфейса? Почему целесообразно следовать стандарту Структурированной Кабельной Системы? Что мешает применить сетевую карту (сетевой адаптер) одной ЛВС для работы в другой? Например, Ethernet в Token Ring? О чем “договариваются” два сетевых адаптера перед обменом данными? Назовите способы поддержания высокой скорости обмена в ЛВС при увеличении числа узлов. Укажите пути повышения пропускной способности коммутатора и способы защиты от переполнений буфера. Назовите средства увеличения трафика в каналах связи. Что объединяет или отличает сетевые адаптеры, работающие на мультиплексоры с частотным уплотнением и мультиплексоры с разделением времени? Устройством какого уровня модели ВОС/МОС является мультиплексор? Какое явление городской жизни похоже на TDM? ТЕМА 4. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ В КАНАЛАХ СВЯЗИ Как уже отмечалось, любая линия связи структурно может быть представлена в таком виде (рис.4.1):  Рис.4.1. Структура линии связи В зависимости от того, какие сигналы передаются по каналу связи, различают аналоговые и цифровые каналы. В аналоговых каналах передатчик осуществляет согласование отправителя с каналом, т.е. преобразует непрерывное или дискретное сообщение в непрерывный сигнал (этим непосредственно занимается трансивер) с такими характеристиками, которые обеспечивают прохождение сигнала по каналу связи – несущая заданной полосы, генератор светового пучка. В этих каналах для наполнения сигнала информацией применяется модуляция различного вида, так как чистая несущая не содержит информации. В цифровых каналах циркулируют дискретные сигналы, а для передачи данных и аналоговых сигналов используются самосинхронизирующиеся коды и кодово-импульсная модуляция, соответственно. Рассмотрим основные типы модуляции, начиная с аналоговых каналов и сигналов. Сигнал в виде электромагнитных колебаний описывается как  .В качестве параметров для вариации при модуляции могут использоваться амплитуда А, частота w, начальная фаза  или их комбинации.Амплитудная модуляция (рис. 4.2). Сигнал несущей частоты изменяется по мощности или амплитуде. Амплитудная модуляция широко применялась в воспроизведении звука и радиовещании. В чистом виде в системах передачи данных не используется.  Рис. 4.2. Амплитудная модуляция Частотная модуляция (рис. 4.3). Изменяется частота несущей, при которой логическому “0” и логической “1” соответствуют разные и легко различаемые частоты.  Рис.4.3. Частотная модуляция Этот метод широко применяется в оконечных устройствах канала - модемах. Название есть сокращение содержания основных функций устройства – модуляции и демодуляции. Модуляция выполняется устройством при направлении сигнала в канал, а демодуляция - при приеме из канала. Модемы используются для подключения цифровых устройств к линии передачи аналоговых сигналов, например, к телефонной линии. Большинство модемов разрабатывается применительно к международным и специфическим национальным стандартам таким образом, чтобы оборудование систем связи одного производителя могло взаимодействовать с оборудованием другого производителя. Вот почему есть модемы, работающие на разных скоростях и по разным протоколам. Фазовая модуляция (рис.4.4). Ее содержание – изменение фазы волны сигнала несущей частоты. Логическая “1” кодируется изменением фазы сигнала, например, на 180º; логический “0” – сохранением фазы от предыдущего тактового интервала. Чем больше градаций изменения фазы (например, 45º, 90º, 135º, 180º…), тем труднее их распознать при демодуляции (детектировании). Поэтому фазовая модуляция часто сочетается с амплитудной. Например, квадратурно-амплитудная модуляция. И это весьма продуктивно:  Рис.4.4. Применение фазовой модуляции Спектральная модуляция. В этом варианте волна несущей частоты модулируется по частоте аналоговым или цифровым сигналом в сочетании с третьим, кодовым сигналом. Применяется этот тип модуляции в военной технике, в радиосетях с пакетной коммутацией. Кодовый сигнал позволяет отстроиться от другого передатчика, работающего одновременно на той же частоте. Импульсно-кодовая модуляция. В этом способе модуляции аналоговый сигнал кодируется сериями импульсов в дискретном потоке. Эта модуляция является основным видом преобразования аналогового сигнала в цифровой и обратно (при модуляции), осуществляемого устройствами АЦП и ЦАП. При импульсно-кодовой модуляции (ИКМ) осуществляется дискретизация передаваемого сигнала во времени. Сформированные при дискретизации отсчеты преобразуются в группы кодовых сигналов. В каждой группе содержится одинаковое число символов, каждый символ – разряд в группе. Если каждый символ группы может принимать любое из r значений {1, 2, 3, … r-1,0}, а кодовая группа содержит n символов (разрядов), то можно сформировать rn различных кодовых групп, где r – основание кода, n – число разрядов. На практике r = 2, а разрядность определяется диапазоном двоичных чисел. Аналоговые сигналы на входе цифровой системы передачи непрерывно принимают произвольные значения в пределах заданного (известного) амплитудного диапазона. Используя n-разрядные кодовые группы, можно зафиксировать и передать информацию не более, чем о rn различных значениях сигнала. Поэтому дискретный сигнал должен быть квантован по уровню для передачи, а затем только значение этого уровня может быть передано в виде кода. Таким образом, при ИКМ осуществляются три вида преобразований: дискретизация во времени исходного сигнала, квантование амплитуд дискретных отсчетов и кодирование, т.е. собственно формирование кодовых групп. Структура ИКМ представляется так (рис. 4.5):  Рис.4.5. Технологические операции в ИКМ Временная диаграмма первого этапа очень походит на прямоугольную аппроксимацию площади под кривой при определении интеграла. Интервал дискретизации устанавливается по критерию Найквиста. При полосе пропускания канала w частота дискретизации υ ≥ 2w гарантирует сохранение всей информации, содержащейся в аналоговом сигнале. Диаграмма всех этапов кодирования – на рис. 4.6. Закон, устанавливающий соответствие между величиной уровня квантования (или, что то же, его номером) и структурой кодовой группы, называется кодом. Код может быть задан как аналитически, так и в виде кодовой таблицы. Наибольшее распространение получили равномерные двоичные коды. В них каждая кодовая группа состоит из постоянного числа кодовых символов, каждый из которых может принимать значение “0” (пробел) или “1” (импульс).  Рис. 4.6. Этапы ИКМ В натуральном двоичном коде группы соответствуют двоичной записи номера уровня квантования. Кодовая таблица имеет вид а. В натуральном двоичном коде кодовые группы, соответствующие соседним уровням квантования, могут различаться в большом числе разрядов. Особенно велико это различие в центре амплитудного диапазона. Например, при переходе от 7-го к 8-му уровню квантования изменяются все символы кодовой группы. Колебания величины отсчета (дискретизации) во время кодирования могут вызывать переход от одного уровня квантования к другому. При этом могут возникать ошибки кодирования. При передаче двуполярных аналоговых сигналов типа речевых преобразование в центре амплитудного диапазона должно выполняться с наибольшей точностью. Поэтому при кодировании таких сигналов используются симметричные двоичные коды, в которых символ старшего разряда кодовой группы определяется полярностью передаваемого отсчета, а символы остальных разрядов определяют величину отсчета как показано на кодовой таблице б. Здесь при кодировании малых значений сигнала используются лишь младшие разряды кода, что снижает ошибки преобразования в центральной зоне размаха амплитуды, так как соотношение между “весами” младших разрядов кода могут поддерживаться с большей точностью, нежели соотношения между “весами” всех разрядов кодовой группы. При использовании кода, соответствующего табл. б, входные сигналы или шумы, величина которых меньше половины шага квантования, не передаются на выход кодера – мертвая зона. В цифровых системах передачи широкополосных сигналов используется рефлексный двоичный код – код Грея, представленный таблицей в. В этом коде группы, соответствующие соседним уровням, во всем диапазоне изменения отличаются лишь одним разрядом. Использование кода Грея позволяет значительно снизить искажения из-за ошибок кодирования, которые моментально выявляются. Достаточно, чтобы соседние уровни отличались более, чем в одном разряде. Дифференциальная ИКМ. В этом варианте передаче подлежит не сам квантовый сигнал, а только приращение к предыдущему значению. И здесь уже при малых временах дискретизации особенно важна точность передачи именно малых приращений. Для кодирования приращения используется вся разрядная сетка. Существует и вариация дифференциальной модуляции – дельта-модуляция, при которой для кодирования каждого дискретного значения сигнала (приращения) используется единственный бит, отражающий единичное изменение значения сигнала в ту или другую сторону. На этом рассмотрение кодирования аналоговых сигналов закончим. При цифровом кодировании дискретной информации применяются потенциальные и импульсные коды. В первом случае логические состояния определяются значением потенциала, а его перепады не учитываются. Импульсные же коды позволяют представить двоичные цифры либо импульсами определенной полярности, либо фронтом импульса – перепадом потенциала в определенном направлении. К способу кодирования предъявляются требования, носящие противоречивый характер: минимизация спектра результирующего сигнала при отсутствии постоянной составляющей (тока между передатчиком и приемником) для повышения скорости передачи данных; получение самосинхронизирующегося кода для синхронизации работы передатчика и приемника (например, фронт или резкое изменение амплитуды несущей); способность распознавать ошибки передачи; низкая стоимость реализации. Обычно исправлением ошибок занимается канальный уровень, но если ошибка будет обнаружена на физическом уровне, то ошибочный пакет (кадр) заблокируется моментально, не дожидаясь помещения его в буфер памяти полностью. Рассмотрим популярные методы цифрового кодирования, каждый из которых обладает своими преимуществами и недостатками (рис.4.7). Диаграмма а – метод потенциального кодирования без возврата к нулю (NRZ). Метод прост в реализации, позволяет хорошо распознать ошибки, но не обладает самосинхронизацией. При передаче длинной последовательности одинаковых цифр сигнал в среде передачи не меняется, что не позволяет приемнику определить моменты времени для считывания данных по входному сигналу.  Рис.4.7. Методы цифрового кодирования В сетях применяют модификации этого кода, устраняющие отсутствие синхронизации. Одной из них является метод биполярного кодирования, с альтернативной инверсией (RZ) – диаграмма б. Для синхронизации может использоваться перепад в последовательности “единиц”. Однако длинные последовательности “нулей” чреваты утратой синхронизации. Кроме того, в этом методе используются три уровня сигнала на линии, а это требует увеличения мощности передатчика. Последнее неудобство характерно для всех кодов с числом состояний сигнала больше двух. В локальных сетях до недавнего времени самым распространенным методом кодирования был так называемый манчестерский код (диаграмма в). Его применяют в сетях Ethernet и Token Ring. Для кодирования “нулей” в манчестерском коде используется перепад сверху вниз в середине такта, а для кодирования “единиц” – снизу вверх, т. е. отрицательный и положительный фронты, соответственно. Манчестерский код отличается хорошей самосинхронизацией (1 раз за 1 такт), нет проблем с передачей длинных последовательностей “нулей” или “единиц”. В последующих стандартах Ethernet (начиная с Fast Ethernet) для улучшения потенциальных кодов применяется так называемый избыточный код. Формирование избыточного кода сводится к разбиению исходной последовательности битов на группы, например, по 4 бита (4В) или 8 битов (8В), и замене этих групп на другие с большим числом битов. Передача выполняется группами с увеличенным числом битов. Так формируются логические коды, например, 4В/5В и 8В/9В. Поскольку передаваемые группы содержат избыточные биты, то общее количество битовых комбинаций в них больше, чем в исходных. Так, в коде 4В/5В передаваемые группы могут содержать 32 битовых комбинации, в то время как на самом деле передать надо лишь 16 битовых комбинаций. Это позволяет исключить неподходящие комбинации, например, с большим числом нулей. Что останется после одного варианта такого исключения, показано в табл. 4.1. Таблица 4.1 Соответствие исходных и передаваемых кодов 4В/5В
Собственно передача выполняется с помощью простого метода потенциального кодирования (даже при его чувствительности к длинным последовательностям нулей, так как код 4В/5В гарантирует отсутствие более трех нулей подряд). Отдельного рассмотрения заслуживают способы повышения эффективности использования канала. При кодировании и декодировании могут появиться ошибки. Возможны три причины их возникновения: ошибки кодирования (мы уже отмечали на с.32), шум в линии передачи и ошибка самого декодера, которая может появиться, например, в результате неудачной попытки исправления принятого кода, содержащего ошибку. Сумма этих видов ошибок называется канальной ошибкой. Применение цифрового кодирования, имеющего алгоритмический характер (в отличие от кодирования при тайнописи или телеграфного кода Морзе), существенно снижает вероятность появления канальной ошибки. Объясняется это тем, что цифровой сигнал может быть передан с большей скоростью и допускает уплотнение, что повышает коэффициент использования среды передачи. Кодеры телефонных систем (а сейчас практически вся телефонная сеть стала цифровой) работают со скоростью 8000 отсчетов в секунду, что вполне достаточно для аналоговых речевых сигналов полосы 4 кГц. Кроме того, кодеры на выходе могут добавлять в канал свои сигналы для образования кодов с исправлением ошибок при декодировании. Это хорошо работает даже при использовании зашумленных каналов связи, например, спутниковых. Повышение эффективности использования канала достигается разными способами, в частности, уже упоминавшимся на с. 27 частотным уплотнением. Согласно этому способу отведенная каналу связи полоса частот делится на логические каналы для одновременной передачи ряда сообщений. Частотное уплотнение широко применяется для объединения речевых телефонных сигналов. При ширине каждого логического канала 4000 Гц для сигнала отводится 3000 Гц, а остаток делится на две защитные полосы по 500 Гц сверху и снизу. Спектр каждого сигнала содержит все частоты, начиная с нулевой, однако все сигналы накладываются на разные несущие частоты и поэтому в частотной области не перекрываются. Но несмотря на наличие защитных полос (а от сигнала до сигнала не 500, а 1000 Гц), спектральные компоненты достаточного уровня из одного сигнала могут попадать в полосу соседнего сигнала, вызывая в нем помехи. Другой способ повышения эффективности использования канала связи – временное уплотнение, мультиплексирование. Этот метод разделения канала передачи между несколькими источниками посредством закрепления за каждым из них определенного временного окна (интервала). Применяется как синхронное, так и асинхронное временное мультиплексирование. При синхронном временном уплотнении в любой момент времени принимающее устройство “знает”, от какого передатчика может идти посыл. Для идентификации передающего устройства при наступлении его временного окна применяются опрос и синхронизация. В процессе опроса центральное устройство опрашивает каждый передатчик при начале его временного окна, имеет ли он что передавать. Если нет – переходит к следующему передатчику, ждет наступления следующего окна, если есть - организует передачу. При синхронизации каждое передающее устройство генерирует синхроимпульс и предваряет передачу последовательностью сигналов, известной всем приемникам. В этом случае окно также может оказаться пустым. Более сложные реализации режима синхронизации предусматривают резервирование временного окна в будущем цикле или занятие свободных окон. При асинхронном временном уплотнении каждый передатчик отправляет сообщение по мере готовности, но сообщение снабжается “обратным адресом” для идентификации отправителя. Здесь возможны конфликтные ситуации. Для их разрешения применяются протоколы управления передачей данных. Временное мультиплексирование и частотное уплотнение применяются в сетях передачи данных с широкополосной передачей (коаксиальный кабель может иметь полосу частот 300 МГц) и в сетях передачи данных в полосе модулирующих частот без несущей, например, в Ethernet и в большинстве учрежденческих сетей. Вопросы для самопроверки: Какие виды преобразования аналоговых сигналов для передачи по каналу связи получили широкое применение? Зачем нужно квантование при ИКМ? К чему приведет кодирование не в двоичной системе, а в троичной? Каково главное преимущество кода Грея перед натуральным двоичным и симметричным двоичным кодами? Чем лучше манчестерский код по сравнению с потенциальным кодированием без возврата к нулю и чем хуже? Из чего складывается канальная ошибка? Какими способами повышается эффективность использования канала? В чем сходство и отличие вариантов временного уплотнения? Как изменится число битовых комбинаций при формировании логического кода 7В/9В? А-8В/10В? |