Лекции Компьюторные сети. Физический уровень
Физический уровень занимается реальной передачей необработанных битов по
каналу связи.
Пересылка данных в вычислительных сетях от одного компьютера к другому осуществляется последовательно, бит за битом. Физически биты данных передаются по каналам передачи данных в виде аналоговых или цифровых сигналов.
Совокупность средств (линий связи, аппаратуры передачи и приема данных), служащая для передачи данных в вычислительных сетях, называется каналом передачи данных. В зависимости от формы передаваемой информации каналы передачи данных можно разделить на аналоговые (непрерывные) и цифровые (дискретные).
Так как аппаратура передачи и приема данных работает с данными в дискретном виде (т.е. единицам и нулям данных соответствуют дискретные электрические сигналы), то при их передаче через аналоговый канал требуется преобразование дискретных данных в аналоговые (модуляция).
При приеме таких аналоговых данных необходимо обратное преобразование – демодуляция. Модуляция/демодуляция – процессы преобразования цифровой информации в аналоговые сигналы и наоборот. При модуляции информация представляется синусоидальным сигналом той частоты, которую хорошо передает канал передачи данных.
К способам модуляции относятся:
· амплитудная модуляция;
· частотная модуляция;
· фазовая модуляция.
При передаче дискретных сигналов через цифровой канал передачи данных используется кодирование:
· потенциальное;
· импульсное.
Таким образом, потенциальное или импульсное кодирование применяется на каналах высокого качества, а модуляция на основе синусоидальных сигналов предпочтительнее в тех случаях, когда канал вносит сильные искажения в передаваемые сигналы.
Обычно модуляция используется в глобальных сетях при передаче данных через аналоговые телефонные каналы связи, которые были разработаны для передачи голоса в аналоговой форме и поэтому плохо подходят для непосредственной передачи импульсов.
В зависимости от способов синхронизации каналы передачи данных вычислительных сетей можно разделить на синхронные и асинхронные. Синхронизация необходима для того, чтобы передающий узел данных мог передать какой-то сигнал принимающему узлу, чтобы принимающий узел знал, когда начать прием поступающих данных.
Синхронная передача данных требует дополнительной линии связи для передачи синхронизирующих импульсов. Передача битов передающей станцией и их прием принимающей станцией осуществляется в моменты появления синхроимпульсов.
При асинхронной передаче данных дополнительной линии связи не требуется. В этом случае передача данных осуществляется блоками фиксированной длины (байтами). Синхронизация осуществляется дополнительными битами (старт-битами и стоп-битами), которые передаются перед передаваемым байтом и после него.
При обмене данными между узлами вычислительных сетей используются три метода передачи данных:
симплексная (однонаправленная) передача (телевидение, радио);
полудуплексная (прием/передача информации осуществляется поочередно);
дуплексная (двунаправленная), каждый узел одновременно передает и принимает данные (например, переговоры по телефону).
| | | следующая лекция ==> | |
При передаче дискретных данных по каналам связи применяются два основных типа физического кодирования - на основе синусоидального несущего сигнала и на основе последовательности прямоугольных импульсов.
Первый способ часто называется также модуляцией или аналоговой модуляцией, подчеркивая тот факт, что кодирование осуществляется за счет изменения параметров аналогового сигнала. Второй способ обычно называют цифровым кодированием. Эти способы отличаются шириной спектра результирующего сигнала и сложностью аппаратуры, необходимой для их реализации.
Аналоговая модуляция
применяется для передачи дискретных данных по каналам с узкой полосой частот, типичным представителем которых является канал тональной частоты, предоставляемый в распоряжение пользователям общественных телефонных сетей. Типичная амплитудно-частотная характеристика канала тональной частоты представлена на рис. 2.12. Этот канал передает частоты в диапазоне от 300 до 3400 Гц, таким образом, его полоса пропускания равна 3100 Гц. Устройство, которое выполняет функции модуляции несущей синусоиды на передающей стороне и демодуляции на приемной стороне, носит название модем (модулятор - демодулятор).
Методы аналоговой модуляции
Аналоговая модуляция является таким способом физического кодирования, при котором информация кодируется изменением амплитуды, частоты или фазы синусоидального сигнала несущей частоты.
На диаграмме (рис. 2.13, а) показана последовательность бит исходной информации, представленная потенциалами высокого уровня для логической единицы и потенциалом нулевого уровня для логического нуля. Такой способ кодирования называется потенциальным кодом, который часто используется при передаче данных между блоками компьютера.
При амплитудной модуляции (рис. 2,13, б) для логической единицы выбирается один уровень амплитуды синусоиды несущей частоты, а для логического нуля - другой. Этот способ редко используется в чистом виде на практике из-за низкой помехоустойчивости, но часто применяется в сочетании с другим видом модуляции - фазовой модуляцией.
При частотной модуляции (рис. 2.13, в) значения 0 и 1 исходных данных передаются синусоидами с различной частотой - f0 и f1. Этот способ модуляции не требует сложных схем в модемах и обычно применяется в низкоскоростных модемах, работающих на скоростях 300 или 1200 бит/с.
При фазовой модуляции значениям данных 0 и 1 соответствуют сигналы одинаковой частоты, нос различной фазой, например 0 и 180 градусов или 0,90,180 и 270 градусов.
В скоростных модемах часто используются комбинированные методы модуляции, как правило, амплитудная в сочетании с фазовой.
При использовании прямоугольных импульсов для передачи дискретной информации необходимо выбрать такой способ кодирования, который одновременно достигал бы нескольких целей:
· имел при одной и той же битовой скорости наименьшую ширину спектра результирующего сигнала;
· обеспечивал синхронизацию между передатчиком и приемником;
· обладал способностью распознавать ошибки;
· обладал низкой стоимостью реализации.
Более узкий спектр сигналов позволяет на одной и той же линии (с одной и той же полосой пропускания) добиваться более высокой скорости передачи данных. Кроме того, часто к спектру сигнала предъявляется требование отсутствия постоянной составляющей, то есть наличия постоянного тока между передатчиком и приемником. В частности, применение различных трансформаторных схем гальванической развязки препятствует прохождению постоянного тока.
Синхронизация передатчика и приемника нужна для того, чтобы приемник точно знал, в какой момент времени необходимо считывать новую информацию с линии связи.
Распознавание и коррекцию искаженных данных сложно осуществить средствами физического уровня, поэтому чаще всего эту работу берут на себя протоколы, лежащие выше: канальный, сетевой, транспортный или прикладной. С другой стороны, распознавание ошибок на физическом уровне экономит время, так как приемник не ждет полного помещения кадра в буфер, а отбраковывает его сразу при распознавании ошибочных бит внутри кадра.
Требования, предъявляемые к методам кодирования, являются взаимно противоречивыми, поэтому каждый из рассматриваемых ниже популярных методов цифрового кодирования обладает своими преимуществами и своими недостатками по сравнению с другими.
Тема 2. Физический уровень
План
Теоретические основы передачи данных
Информация может передаваться по проводам за счет изменения какой-либо физической величины, например напряжения или силы тока. Представив значение напряжения или силы тока в виде однозначной функции времени, можно смоделировать поведение сигнала и подвергнуть его математическому анализу.Ряды Фурье
В начале XIX столетия французский математик Жан-Батист Фурье (JeanBaptiste Fourier) доказал, что любая периодическая функция с периодом Т может быть разложена в ряд (возможно, бесконечный), состоящий из сумм синусов и косинусов:(2.1)
где - основная частота (гармоника), и - амплитуды синусов и косинусов n-й гармоники, а с - константа. Подобное разложение называется рядом Фурье. Разложенная в ряд Фурье функция может быть восстановлена по элементам этого ряда, то есть если период T и амплитуды гармоник известны, то исходная функция может быть восстановлена с помощью суммы ряда (2.1).
Информационный сигнал, имеющий конечную длительность (все информационные сигналы имеют конечную длительность), может быть разложен в ряд Фурье, если представить, что весь сигнал бесконечно повторяется снова и снова (то есть интервал от Т до 2Т полностью повторяет интервал от 0 до Т, и т. д.).
Амплитуды могут быть вычислены для любой заданной функции. Для этого нужно умножить левую и правую стороны уравнения (2.1) на, а затем проинтегрировать от 0 до Т. Поскольку:
(2.2)
остается только один член ряда. Ряд исчезает полностью. Аналогично, умножая уравнение (2.1) на и интегрируя по времени от 0 до Т, можно вычислить значения. Если проинтегрировать обе части уравнения, не изменяя его, то можно получить значение константы с . Результаты этих действий будут следующими:
(2.3.)
Управляемые носители информации
Назначением физического уровня сети является передача необработанного потока битов от одной машины к другой. Для передачи могут использоваться различные физические носители информации, называемые также средой распространения сигнала. Каждый из них имеет характерный набор полос пропускания, задержек, цен и простоты установки и использования. Носители можно разделить на две группы: управляемые носители, такие как медный провод и оптоволоконный кабель, и неуправляемые, например радиосвязь и передача по лазерному лучу без кабеля.Магнитные носители
Один из самых простых способов перенести данные с одного компьютера на другой - записать их на магнитную ленту или другой съемный носитель (например, перезаписываемый DVD), физически перенести эти ленты и диски к пункту назначения и там прочитать их.Высокая пропускная способность. Стандартная кассета с лентой Ultrium вмещает 200 Гбайт. В коробку размером 60x60x60 помещается около 1000 таких кассет, что дает общую емкость 1600 Тбит (1,6 Пбит). Коробка с кассетами может быть доставлена в пределах США в течение 24 часов службой Federal Express или другой компанией. Эффективная полоса пропускания при такой передаче составляет 1600 Тбит/86 400 с, или 19 Гбит/с. Если же пункт назначения находится всего в часе езды, то пропускная способность составит свыше 400 Гбит/с. Ни одна компьютерная сеть пока не в состоянии даже приблизиться к таким показателям.
Экономичность. Оптовая цена кассеты составляет около $40. Коробка с лентами обойдется в $4000, при этом одну и ту же ленту можно использовать десятки раз. Прибавим $1000 на перевозку (а на самом деле, гораздо меньше) и получим около $5000 за передачу 200 Тбайт или 3 цента за гигабайт.
Недостатки. Хотя скорость передачи данных с помощью магнитных лент отличная, однако величина задержки при такой передаче очень велика. Время передачи измеряется минутами или часами, а не миллисекундами. Для многих приложений требуется мгновенная реакция удаленной системы (в подключенном режиме).
Витая пара
Витая пара состоит из двух изолированных медных проводов, обычный диаметр которых составляет 1 мм. Провода свиваются один вокруг другого в виде спирали. Это позволяет уменьшить электромагнитное взаимодействие нескольких расположенных рядом витых пар.Применение – телефонная линия, компьютерная сеть. Может передавать сигнал без ослабления мощности на расстояние, составляющее несколько километров. На более дальних расстояниях требуются повторители. Объединяются в кабель, с защитным покрытием. В кабеле пары проводов свиты, для избежание наложения сигнала. Могут использоваться для передачи как аналоговых, так и цифровых данных. Полоса пропускания зависит от диаметра и длины провода, но в большинстве случаев на расстоянии до нескольких километров может быть достигнута скорость несколько мегабит в секунду. Благодаря довольно высокой пропускной способности и небольшой цене витые пары широко распространены и, скорее всего, будут популярны и в будущем.
Витые пары применяются в нескольких вариантах, два из которых особенно важны в области компьютерных сетей. Витые пары категории 3 (CAT 3) состоят из двух изолированных проводов, свитых друг с другом. Четыре такие пары обычно помещаются вместе в пластиковую оболочку.
Витые пары категории 5 (CAT 5) похожи на витые пары третьей категории, но имеют большее число витков на сантиметр длины проводов. Это позволяет еще сильнее уменьшить наводки между различными каналами и обеспечить улучшенное качество передачи сигнала на большие расстояния (рис. 1).
Рис. 1. UTP категории 3 (а), UTP категории 5 (б).
Все эти типы соединений часто называются UTP (unshielded twisted pair - неэкранированная витая пара)
Экранированные кабели из витых пар корпорации IBM не стали популярными за пределами фирмы IBM.
Коаксиальный кабель
Другим распространенным средством передачи данных является коаксиальный кабель. Он лучше экранирован, чем витая пара, поэтому может обеспечить передачу данных на более дальние расстояния с более высокими скоростями. Широко применяются два типа кабелей. Один из них, 50-омный, обычно используется для передачи исключительно цифровых данных. Другой тип кабеля, 75-омный, часто применяется для передачи аналоговой информации, а также в кабельном телевидении.Вид кабеля в разрезе показан на рисунке 2.
Рис. 2. Коаксиальные кабель.
Конструкция и специальный тип экранирования коаксиального кабеля обеспечивают высокую пропускную способность и отличную помехозащищенность. Максимальная пропускная способность зависит от качества, длины и соотношения сигнал/шум линии. Современные кабели имеют полосу пропускания около 1 ГГц.
Применение – телефонные системы (магистрали), кабельное телевиденье, региональные сети.
Волоконная оптика
Существующая ныне оптоволоконная технология, может развивать скорость передачи данных вплоть до 50 000 Гбит/с (50 Тбит/с), и при этом много специалистов занято поиском более совершенных материалов. Сегодняшний практический предел в 10 Гбит/с обусловлен неспособностью быстрее преобразовывать электрические сигналы в оптические и обратно, хотя в лабораторных условиях уже достигнута скорость 100 Гбит/с на одинарном волокне.Оптоволоконная система передачи данных состоит из трех основных компонентов: источника света, носителя, по которому распространяется световой сигнал, и приемника сигнала, или детектора. Световой импульс принимают за единицу, а отсутствие импульса - за ноль. Свет распространяется в сверхтонком стеклянном волокне. При попадании на него света детектор генерирует электрический импульс. Присоединив к одному концу оптического волокна источник света, а к другому - детектор, получается однонаправленная система передачи данных.
При передачи светового сигнала используется свойство отражения и преломления света при переходе из 2-х сред. Таким образом при подаче света под определенным углом на границу сред световой пучок полностью отражается и запирается в волокне (рис. 3).
Рис. 3. Свойство преломления света.
Существует 2 типа оптоволоконного кабеля: многомодный - передает пучок света, одномодный - тонкий до предела нескольких длин волны, действует практически как волновод, свет двигается по прямой без отражения. Сегодняшние одномодовые волоконные линии могут работать со скоростью 50 Гбит/с на расстоянии до 100 км.
В системах связи используются три диапазона длин волн: 0,85, 1,30 и 1,55 мкм соответственно.
Структура оптоволоконного кабеля схожа с структурой коаксиального провода. Разница состоит лишь в том, что в первом нет экранирующей сетки.
В центре оптоволоконной жилы располагается стеклянная сердцевина, по которой распространяется свет. В многомодовом оптоволокне диаметр сердечника составляет 50 мкм, что примерно равно толщине человеческого волоса. Сердечник в одномодовом волокне имеет диаметр от 8 до 10 мкм. Сердечник покрыт слоем стекла с более низким, чем у сердечника, коэффициентом преломления. Он предназначен для более надежного предотвращения выхода света за пределы сердечника. Внешним слоем служит пластиковая оболочка, защищающая остекление. Оптоволоконные жилы обычно группируются в пучки, защищенные внешней оболочкой. На рисунке 4 показан трехжильный кабель.
Рис. 4. Трехжильный оптоволоконный кабель.
При обрыве соединение отрезков кабеля может осуществляться тремя способами:
- На конец
кабеля может прикрепляться специальный
разъем, с помощью которого кабель вставляется
в оптическую розетку. Потеря - 10-20 % силы
света, зато позволяет легко изменить
конфигурацию системы.
Сращивание - два аккуратно отрезанных конца кабеля укладываются рядом друг с другом и зажимаются специальной муфтой. Улучшение прохождения света достигается выравниванием концов кабеля. Потеря - 10 % мощности света.
Сплавление. Потеря практически отсутствуют.
Таблица
1.
Сравнительная
таблица использования светодиода
и полупроводникового лазера
Приемный
конец оптического кабеля представляет
собой фотодиод, генерирующий электрический
импульс, когда на него падает свет.
Сравнительная характеристика оптоволоконного кабеля и медного провода.
Оптическое волокно обладает рядом преимуществ:- Высокая скорость.
Меньше ослабление сигнала, вывод меньше повторителей (один на 50км, а не на 5)
Инертен к внешним электромагнитным излучениям, химически нейтрально.
Легче по весу. 1000 медных витых пар длиной в 1 км весит около 8000 кг. Пара оптоволоконных кабелей весит всего 100 кг при большей пропускной способности
Низкие затраты на прокладку
- Сложность
и компетентность при монтаже.
Хрупкость
Дороже медного.
передачи в режиме simplex, между сетями требуется минимум 2 жилы.
Беспроводная связь
Электромагнитный спектр
Движение электронов порождает электромагнитные волны, которые могут распространяться в пространстве (даже в вакууме). Число колебаний электромагнитных колебаний в секунду называется частотой, и измеряется в герцах. Расстояние между двумя последовательными максимумами (или минимумами) называется длиной волны. Эта величина традиционно обозначается греческой буквой (лямбда).Если в электрическую цепь включить антенну подходящего размера, то электромагнитные волны можно с успехом принимать приемником на некотором расстоянии. На этом принципе основаны все беспроводные системы связи.
В вакууме все электромагнитные волны распространяются с одной и той же скоростью, независимо от их частоты. Эта скорость называется скоростью света, - 3*108 м/с. В меди или стекле скорость света составляет примерно 2/3 от этой величины, кроме того, слегка зависит от частоты.
Связь величин, и:
Если частота () измеряется в МГц, а длина волны () в метрах то.
Совокупность всех электромагнитных волн образует так называемый сплошной спектр электромагнитного излучения (рис. 5). Радио, микроволновый, инфракрасный диапазоны, а также видимый свет могут быть использованы для передачи информации с помощью амплитудной, частотной или фазовой модуляции волн. Ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучения были бы даже лучше благодаря их высоким частотам, однако их сложно генерировать и модулировать, они плохо проходят сквозь здания и, кроме того, они опасны для всего живого. Официальное название диапазонов приведено в таблице 6.
Рис. 5. Электромагнитный спектр и его применение в связи.
Таблица 2.
Официальные названия диапазонов по ITU
Количество информации, которое может переносить электромагнитная волна связана с частотным диапазоном канала. Современные технологии позволяют кодировать несколько бит на герц на низких частотах. При некоторых условиях это число может возрастать восьмикратно на высоких частотах.
Зная ширину диапазона длин волн, можно вычислить соответствующий ей диапазон частот и скорость передачи данных.
Пример: Для 1,3 микронного диапазона оптоволоконного кабеля получается, то. Тогда при 8 бит/с получается можно получить скорость передачи 240 Тбит/с.
Радиосвязь
Радиоволны легко генерировать, преодолевают большие расстояния, проходят сквозь стены, огибают здания, распространяются во всех направлениях. Свойство радиоволн зависят от частоты (рис. 6). При работе на низких частотах радиоволны хорошо проходят сквозь препятствия, однако мощность сигнала в воздухе резко падает по мере удаления от передатчика. Соотношение мощности и удаленности от источника выражается примерно так: 1/r2. На высоких частотах радиоволны вообще имеют тенденцию распространяться исключительно по прямой линии и отражаться от препятствий. Кроме того, они поглощаются, например, дождем. Радиосигналы любых частот подвержены помехам со стороны двигателей с искрящими щетками и другого электрического оборудования.Рис. 6. Волны диапазонов VLF, LF, MF огибают неровности поверхности земли (а), волны диапазонов HF и VHF отражаются от ионосферы, поглощаются землей (б).
Связь в микроволновом диапазоне
На частотах выше 100 МГц радиоволны распространяются почти по прямой, поэтому могут быть сфокусированы в узкие пучки. Концентрация энергии в виде узкого пучка при помощи параболической антенны (вроде всем известной спутниковой телевизионной тарелки) приводит к улучшению соотношения сигнал/шум, однако для подобной связи передающая и принимающая антенны должны быть довольно точно направлены друг на друга.В отличие от радиоволн с более низкими частотами, микроволны плохо проходят сквозь здания. Микроволновая радиосвязь стала настолько широко использоваться в междугородной телефонии, сотовых телефонах, телевещании и других областях, что начала сильно ощущаться нехватка ширины спектра.
Данная связь имеет ряд преимуществ перед оптоволокном. Главное из них состоит в том, что не нужно прокладывать кабель, соответственно, не нужно платить за аренду земли на пути сигнала. Достаточно купить маленькие участки земли через каждые 50 км и установить на них ретрансляционные вышки.
Инфракрасные и миллиметровые волны
Инфракрасное и миллиметровое излучения без использования кабеля широко применяется для связи на небольших расстояниях (пример дистанционные пульты). Они относительно направленные, дешевые и легко устанавливаемые, но не проходит сквозь твердые объекты.Связь в инфракрасном диапазоне применяется в настольных вычислительных системах (например, для связи ноутбуков с принтерами), но все же не играет значимой роли в телекоммуникации.
Спутники связи
Используются е типа спутников: геостационные (GEO), средневысотные (MEO) и низкоорбитальные (LEO) (рис. 7).Рис. 7. Спутники связи и их свойства: высота орбиты, задержка, число спутников, необходимое для покрытия всей поверхности земного шара.
Коммутируемая телефонная сеть общего пользования
Структура телефонной системы
Структура типичного маршрута телефонной связи на средние дистанции представлена на рисунке 8.Рис. 8. Типичный маршрут связи при средней дистанции между абонентами.
Местные линии связи: модемы, ADSL, беспроводная связь
Так как компьютер работает с цифровым сигналом, а местная телефонная линия представляет собой передачу аналогового сигнала для выполнения преобразования цифрового в аналоговый и обратно используется устройство - модем, а сам процесс называется модуляцией/демодуляцией (рис. 9).Рис. 9. Использование телефонной линии при передачи цифрового сигнала.
Существует 3 способа модуляции (рис. 10):
- амплитудная
модуляция - используются 2 разные амплитуды
сигнала (для 0 и 1),
частотная - используются несколько разных частот сигнала (для 0 и 1),
фазовая - используются сдвиги фаз при переходе между логическими единицами (0 и 1). Углы сдвига - 45, 135, 225, 180.
Рис. 10. Двоичный сигнал (а); амплитудная модуляция (б); частотная модуляция (в); фазовая модуляция.
Все современные модемы позволяют передавать данные в обоих направлениях, такой режим работы называется дуплексным. Соединение с возможностью поочередной передачи называется полудуплексным. Соединения при котором происходит передача только в одном направлении называется симплексным.
Максимальная скорость модемов которая может быть достигнута на текущий момент равна 56Кб/с. Стандарт V.90.
Цифровые абонентские линии. Технология xDSL.
После того, как скорость через модемы достигла своего предела телефонные компании стали искать выход из данной ситуации. Таким образом появилось множество предложений под общим названием xDSL. xDSL (Digital Subscribe Line) - цифровая абонентская линия, где вместо x могуть быть другие буквы. Наиболее известная технология из данных предложений является ADSL (Asymmetric DSL).Причина ограничения скорости модемов заключалась в том, что они для передачи данных использовали диапазон передачи человеческой речи - 300Гц до 3400Гц. Вместе с пограничными частотами, полоса пропускания составляла не 3100 Гц, а 4000 Гц.
Хотя сам спектр местной телефонной линии составляет 1,1Гц.
Первое предложение технологии ADSL использовало весь спектр местной телефонной линии, который разделяется на 3 диапазона:
- POTS - диапазон
обычной телефонной сети;
исходящий диапазон;
входящий диапазон.
Альтернативный метод под названием дискретная мультитональная модуляция, DMT (Discrete MultiTone) состоит в разделении всего спектра местной линии шириной 1,1 МГц на 256 независимых каналов по 4312,5 Гц в каждом. Канал 0 - это POTS. Каналы с 1 по 5 не используются, чтобы голосовой сигнал не имел возможности интерферировать с информационным. Из оставшихся 250 каналов один занят контролем передачи в сторону провайдера, один - в сторону пользователя, а все прочие доступны для передачи пользовательских данных (рис. 11).
Рис. 11. Работа ADSL с использованием дискретной мультитональной модуляции.
Стандарт ADSL позволяет принимать до 8 Мб/с, а отправлять до 1Мб/с. ADSL2+ - исходящий до 24Мб/с, входящий до 1,4 Мб/с.
Типичная конфигурация оборудования ADSL содержит:
- DSLAM - мультиплексор
доступа к DSL;
NID - устройство сопряжения с сетью, разделяет владения телефонной компании и абонента.
Разветвитель (сплиттер) - разделитель частот, отделяющий полосу POTS и данные ADSL.
Магистрали и уплотнения
Экономия ресурсов играет важную роль в телефонной системе. Стоимость прокладки и обслуживания магистрали с высокой пропускной способностью и низкокачественной линии практически одна и та же (то есть львиная доля этой стоимости уходит на рытье траншей, а не на сам медный или оптоволоконный кабель).По этой причине телефонные компании совместно разработали несколько схем передачи нескольких разговоров по одному физическому кабелю. Схемы мультиплексирования (уплотнения) могут быть разделены на две основные категории FDM (Frequency Division Multiplexing -частотное уплотнение) и TDM (Time Division Multiplexing - мультиплексирование с временным уплотнением) (рис. 13).
При частотном уплотнении частотный спектр делится между логическими каналами ри этом каждый пользователь получает в исключительное владение свой поддиапазон. При мультиплексировании с временным уплотнением пользователи по очереди (циклически) пользуются одним и тем же каналом, и каждому на короткий промежуток времени предоставляется вся пропускная способность канала.
В оптоволоконных каналах используется особый вариант частотного уплотнения. Он называется спектральным уплотнением (WDM, Wavelength-Division Multiplexing).
Рис. 13. Пример частотного уплотнения: исходные спектры 1 сигналов (а), спектры, сдвинутые по частоте (б), уплотненный канал (в).
Коммутация
С точки зрения среднего телефонного инженера, телефонная система состоит из двух частей: внешнего оборудования (местных телефонных линий и магистралей, вне коммутаторов) и внутреннего оборудования (коммутаторов), расположенного на телефонной станции.Любые сети связи поддерживают некоторый способ коммутации (связи) своих абонентов между собой. Практически невозможно предоставить каждой паре взаимодействующих абонентов свою собственную некоммутируемую физическую линию связи, которой они могли бы монопольно «владеть» в течение длительного времени. Поэтому в любой сети всегда применяется какой-либо способ коммутации абонентов, который обеспечивает доступность имеющихся физических каналов одновременно для нескольких сеансов связи между абонентами сети.
В телефонных системах используются два различных приема: коммутации каналов и коммутации пакетов.
Коммутация каналов
Коммутация каналов подразумевает образование непрерывного составного физического канала из последовательно соединенных отдельных канальных участков для прямой передачи данных между узлами. В сети с коммутацией каналов перед передачей данных всегда необходимо выполнить процедуру установления соединения, в процессе которой и создается составной канал (рис. 14).Коммутация пакетов
При коммутации пакетов все передаваемые пользователем сети сообщения разбиваются в исходном узле на сравнительно небольшие части, называемые пакетами. Каждый пакет снабжается заголовком, в котором указывается адресная информация, необходимая для доставки пакета узлу назначения, а также номер пакета, который будет использоваться узлом назначения для сборки сообщения. Пакеты транспортируются в сети как независимые информационные блоки. Коммутаторы сети принимают пакеты от конечных узлов и на основании адресной информации передают их друг другу, а в конечном итоге - узлу назначения (рис. 14).и т.д.................
При передаче дискретных данных по каналам связи применяются два основных типа физического кодирования -на основе синусоидального несущего сигнала и на основе последовательности прямоугольных импульсов. Первый способ часто называется такжемодуляцией илианалоговой модуляцией, подчеркивая тот факт, что кодирование осуществляется за счет изменения параметров аналогового сигнала. Второй способ обычно называютцифровым кодированием. Эти способы отличаются шириной спектра результирующего сигнала и сложностью аппаратуры, необходимой для их реализации.
При использовании прямоугольных импульсов спектр результирующего сигнала получается весьма широким. Это не удивительно, если вспомнить, что спектр идеального импульса имеет бесконечную ширину. Применение синусоиды приводит к спектру гораздо меньшей ширины при той же скорости передачи информации. Однако для реализации синусоидальной модуляции требуется более сложная и дорогая аппаратура, чем для реализации прямоугольных импульсов.
В настоящее время все чаще данные, изначально имеющие аналоговую форму - речь, телевизионное изображение, -передаются по каналам связи в дискретном виде, то есть в виде последовательности единиц и нулей. Процесс представления аналоговой информации в дискретной форме называетсядискретной модуляцией. Термины «модуляция» и «кодирование» часто используют как синонимы.
При цифровом кодировании дискретной информации применяют потенциальные и импульсные коды. В потенциальных кодах для представления логических единиц и нулей используется только значение потенциала сигнала, а его перепады, формирующие законченные импульсы, во внимание не принимаются. Импульсные коды позволяют представить двоичные данные либо импульсами определенной полярности, либо частью импульса -перепадом потенциала определенного направления.
При использовании прямоугольных импульсов для передачи дискретной информации необходимо выбрать такой способ кодирования, который одновременно достигал бы нескольких целей: имел при одной и той же битовой скорости наименьшую ширину спектра результирующего сигнала; обеспечивал синхронизацию между передатчиком и приемником;
Обладал способностью распознавать ошибки; обладал низкой стоимостью реализации.
В сетях применяются так называемые самосинхронизирующиеся коды, сигналы которых несут для передатчика указания о том, в какой момент времени нужно осуществлять распознавание очередного бита (или нескольких бит, если код ориентирован более чем на два состояния сигнала). Любой резкий перепад сигнала -так называемый фронт -может служить хорошим указанием для синхронизации приемника с передатчиком. Распознавание и коррекцию искаженных данных сложно осуществить средствами физического уровня, поэтому чаще всего эту работу берут на себя протоколы, лежащие выше: канальный, сетевой, транспортный или прикладной. С другой стороны, распознавание ошибок на физическом уровне экономит время, так как приемник не ждет полного помещения кадра в буфер, а отбраковывает его сразу при распо- . знавании ошибочных бит внутри кадра.
Потенциальный код без возвращения к нулю, метод потенциального кодирования, называемый также кодированием без возвращения к нулю (Non Return to Zero , NRZ ). Последнее название отражает то обстоятельство, что при передаче последовательности единиц сигнал не возвращается к нулю в течение такта (как мы увидим ниже, в других методах кодирования возврат к нулю в этом случае происходит). Метод NRZпрост в реализации, обладает хорошей распознаваемостью ошибок (из-за двух резко отличающихся потенциалов), но не обладает свойством самосинхронизации. При передаче длинной последовательности единиц или нулей сигнал на линии не изменяется, поэтому приемник лишен возможности определять по входному сигналу моменты времени, когда нужно в очередной раз считывать данные. Даже при наличии высокоточного тактового генератора приемник может ошибиться с моментом съема данных, так как частоты двух генераторов никогда не бывают полностью идентичными. Поэтому при высоких скоростях обмена данными и длинных последовательностях единиц или нулей небольшое рассогласование тактовых частот может привести к ошибке в целый такт и, соответственно, считыванию некорректного значения бита.
Метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией. Одной из модификаций метода NRZявляется методбиполярного кодирования с альтернативной инверсией (Bipolar Alternate Mark Inversion , AMI ). В этом методе используются три уровня потенциала -отрицательный, нулевой и положительный. Для кодирования логического нуля используется нулевой потенциал, а логическая единица кодируется либо положительным потенциалом, либо отрицательным, при этом потенциал каждой новой единицы противоположен потенциалу предыдущей. Так, нарушение строгого чередования полярности сигналов говорит о ложном импульсе или исчезновении с линии корректного импульса. Сигнал с некорректной полярностью называетсязапрещенным сигналом (signal violation ). В кодеAMIиспользуются не два, а три уровня сигнала на линии. Дополнительный уровень требует увеличение мощности передатчика примерно на 3дБ для обеспечения той же достоверности приема бит на линии, что является общим недостатком кодов с несколькими состояниями сигнала по сравнению с кодами, которые различают только два состояния.
Потенциальный код с инверсией при единице. Существует код, похожий на AMI, но только с двумя уровнями сигнала. При передаче нуля он передает потенциал, который был установлен в предыдущем такте (то есть не меняет его), а при передаче единицы потенциал инвертируется на противоположный. Этот код называетсяпотенциальным кодом с инверсией при единице (Non Return to Zero with ones Inverted , NRZI ). Этот код удобен в тех случаях, когда использование третьего уровня сигнала весьма нежелательно, например в оптических кабелях, где устойчиво распознаются два состояния сигнала -свет и темнота.
Биполярный импульсный код Кроме потенциальных кодов в сетях используются и импульсные коды, когда данные представлены полным импульсом или же его частью -фронтом. Наиболее простым случаем такого подхода являетсябиполярный импульсный код, в котором единица представлена импульсом одной полярности, а ноль -другой. Каждый импульс длится половину такта. Такой код обладает отличными самосинхронизирующими свойствами, но постоянная составляющая может присутствовать, например, при передаче длинной последовательности единиц или нулей. Кроме того, спектр у него шире, чем у потенциальных кодов. Так, при передаче всех нулей или единиц частота основной гармоники кода будет равна NГц, что в два раза выше основной гармоники кода NRZи в четыре раза выше основной гармоники кодаAMIпри передаче чередующихся единиц и нулей. Из-за слишком широкого спектра биполярный импульсный код используется редко.
Манчестерский код. В локальных сетях до недавнего времени самым распространенным методом кодирования был так называемыйманчестерский код. Он применяется в технологияхEthernetиTokenRing. В манчестерском коде для кодирования единиц и нулей используется перепад потенциала, то есть фронт импульса. При манчестерском кодировании каждый такт делится на две части. Информация кодируется перепадами потенциала, происходящими в середине каждого такта. Единица кодируется перепадом от низкого уровня сигнала к высокому, а ноль -обратным перепадом. В начале каждого такта может происходить служебный перепад сигнала, если нужно представить несколько единиц или нулей подряд. Так как сигнал изменяется по крайней мере один раз за такт передачи одного бита данных, то манчестерский код обладает хорошими самосинхронизирующими свойствами. Полоса пропускания манчестерского кода уже, чем у биполярного импульсного. В среднем ширина полосы манчестерского кода в полтора раза уже, чем у биполярного импульсного кода, а основная гармоника колеблется вблизи значения 3N/4. Манчестерский код имеет еще одно преимущество перед биполярным импульсным кодом. В последнем для передачи данных используются три уровня сигнала, а в манчестерском -два.
Потенциальный код 2В 1Q. Потенциальный код с четырьмя уровнями сигнала для кодирования данных. Это код2В 1 Q , название которого отражает его суть -каждые два бита (2В) передаются за один такт сигналом, имеющим четыре состояния (1Q). Паре бит 00соответствует потенциал -2,5В, паре бит 01соответствует потенциал-0,833В, паре 11 -потенциал +0,833В, а паре 10 -потенциал +2,5В. При этом способе кодирования требуются дополнительные меры по борьбе с длинными последовательностями одинаковых пар бит, так как при этом сигнал превращается в постоянную составляющую. При случайном чередовании бит спектр сигнала в два раза уже, чем у кода NRZ,так как при той же битовой скорости длительность такта увеличивается в два раза. Таким образом, с помощью кода 2В 1Qможно по одной и той же линии передавать данные в два раза быстрее, чем с помощью кодаAMIилиNRZI. Однако для его реализации мощность передатчика должна быть выше, чтобы четыре уровня четко различались приемником на фоне помех.
Логическое кодирование Логическое кодирование используется для улучшения потенциальных кодов типаAMI,NRZIили 2Q.1B. Логическое кодирование должно заменять длинные последовательности бит, приводящие к постоянному потенциалу, вкраплениями единиц. Как уже отмечалось выше, для логического кодирования характерны два метода -. избыточные коды и скрэмблирование.
Избыточные коды основаны на разбиении исходной последовательности бит на порции, которые часто называют символами. Затем каждый исходный символ заменяется на новый, который имеет большее количество бит, чем исходный.
Для обеспечения заданной пропускной способности линии передатчик, использующий избыточный код, должен работать с повышенной тактовой частотой. Так, для передачи кодов 4В/5В со скоростью 100Мб/с передатчик должен работать с тактовой частотой 125МГц. При этом спектр сигнала на линии расширяется по сравнению со случаем, когда по линии передается чистый, не избыточный код. Тем не менее спектр избыточного потенциального кода оказывается уже спектра манчестерского кода, что оправдывает дополнительный этап логического кодирования, а также работу приемника и передатчика на повышенной тактовой частоте.
Скрэмблирование. Перемешивание данных скрэмблером перед передачей их в линию с помощью потенциального кода является другим способом логического кодирования. Методы скрэмблирования заключаются в побитном вычислении результирующего кода на основании бит исходного кода и полученных в предыдущих тактах бит результирующего кода. Например, скрэмблер может реализовывать следующее соотношение:
Асинхронная и синхронная передачи
При обмене данными на физическом уровне единицей информации является бит, поэтому средства физического уровня всегда поддерживают побитовую синхронизацию между приемником и передатчиком. 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 (обычно это относится к телефонным коммутируемым каналам) для удешевления аппаратуры и повышения надежности передачи данных вводят дополнительные средства синхронизации на уровне байт.
Такой режим работы называется асинхронным илистарт-стопным. В асинхронном режиме каждый байт данных сопровождается специальными сигналами «старт» и «стоп». Назначение этих сигналов состоит в том, чтобы, во-первых, известить приемник о приходе данных и, во-вторых, чтобы дать приемнику достаточно времени для выполнения некоторых функций, связанных с синхронизацией, до поступления следующего байта. Сигнал «старт» имеет продолжительность в один тактовый интервал, а сигнал «стоп» может длиться один, полтора или два такта, поэтому говорят, что используется один, полтора или два бита в качестве стопового сигнала, хотя пользовательские биты эти сигналы не представляют.
При синхронном режиме передачи старт-стопные биты между каждой парой байт отсутствуют. Выводы
При передаче дискретных данных по узкополосному каналу тональной частоты, используемому в телефонии, наиболее подходящими оказываются способы аналоговой модуляции, при которых несущая синусоида модулируется исходной последовательностью двоичных цифр. Эта операция осуществляется специальными устройствами -модемами.
Для низкоскоростной передачи данных применяется изменение частоты несущей синусоиды. Более высокоскоростные модемы работают на комбинированных способах квадратурной амплитудной модуляции (QAM), для которой характерны 4уровня амплитуды несущей синусоиды и 8уровней фазы. Не все из возможных 32сочетаний методаQAMиспользуются для передачи данных, запрещенные сочетания позволяют распознавать искаженные данные на физическом уровне.
На широкополосных каналах связи применяются потенциальные и импульсные методы кодирования, в которых данные представлены различными уровнями постоянного потенциала сигнала либо полярностями импульса или его фронта.
При использовании потенциальных кодов особое значение приобретает задача синхронизации приемника с передатчиком, так как при передаче длинных последовательностей нулей или единиц сигнал на входе приемника не изменяется и приемнику сложно определить момент съема очередного бита данных.
Наиболее простым потенциальным кодом является код без возвращения к нулю (NRZ), однако он не является самосинхронизирующимся и создает постоянную составляющую.
Наиболее популярным импульсным кодом является манчестерский код, в котором информацию несет направление перепада сигнала в середине каждого такта. Манчестерский код применяется в технологиях EthernetиTokenRing.
Для улучшения свойств потенциального кода NRZиспользуются методы логического кодирования, исключающие длинные последовательности нулей. Эти методы основаны:
На введении избыточных бит в исходные данные (коды типа 4В/5В);
Скрэмблировании исходных данных (коды типа 2В 1Q).
Улучшенные потенциальные коды обладают более узким спектром, чем импульсные, поэтому они находят применение в высокоскоростных технологиях, таких как FDDI,FastEthernet,GigabitEthernet.
Страница 27 из 27 Физические основы передачи данных (Линии связи,)
Физические основы передачи данных
Любая сетевая технология должна обеспечить надежную и быструю передачу дискретных данных по линиям связи. И хотя между технологиями имеются большие различия, они базируются на общих принципах передачи дискретных данных. Эти принципы находят свое воплощение в методах представления двоичных единиц и нулей с помощью импульсных или синусоидальных сигналов в линиях связи различной физической природы, методах обнаружения и коррекции ошибок, методах компрессии и методах коммутации.
Линии связи
Первичные сети, линии и каналы связи
При описании технической системы, которая передает информацию между узлами сети, в литературе можно встретить несколько названий: линия связи, составной канал, канал, звено. Часто эти термины используются как синонимы, и во многих случаях это не вызывает проблем. В то же время есть и специфика в их употреблении.
Звено (link) - это сегмент, обеспечивающий передачу данных между двумя соседними узлами сети. То есть звено не содержит промежуточных устройств коммутации и мультиплексирования.
Каналом (channel) чаще всего обозначают часть пропускной способности звена, используемую независимо при коммутации. Например, звено первичной сети может состоять из 30 каналов, каждый из которых обладает пропускной способностью 64 Кбит/с.
Составной канал (circuit) - это путь между двумя конечными узлами сети. Составной канал образуется отдельными каналами промежуточных звеньев и внутренними соединениями в коммутаторах. Часто эпитет «составной» опускается и термин «канал» используется для обозначения как составного канала, так и канала между соседними узлами, то есть в пределах звена.
Линия связи может использоваться как синоним для любого из трех остальных терминов.
На рис. показаны два варианта линии связи. В первом случае (а) линия состоит из сегмента кабеля длиной несколько десятков метров и представляет собой звено. Во втором случае (б) линия связи представляет собой составной канал, развернутый в сети с коммутацией каналов. Такой сетью может быть первичная сеть или телефонная сеть.
Однако для компьютерной сети эта линия представляет собой звено, так как соединяет два соседних узла, и вся коммутационная промежуточная аппаратура является прозрачной для этих узлов. Повод для взаимного непонимания на уровне терминов компьютерных специалистов и специалистов первичных сетей здесь очевиден.
Первичные сети специально создаются для того, чтобы предоставлять услуги каналов передачи данных для компьютерных и телефонных сетей, про которые в таких случаях говорят, что они работают «поверх» первичных сетей и являются наложенными сетями.
Классификация линий связи
Линия связи состоит в общем случае из физической среды, по которой передаются электрические информационные сигналы, аппаратуры передачи данных и промежуточной аппаратуры. Физическая среда передачи данных (физические носители информации) может представлять собой кабель, то есть набор проводов, изоляционных и защитных оболочек и соединительных разъемов, а также земную атмосферу или космическое пространство, через которые распространяются электромагнитные волны.
В первом случае говорят о проводной среде, а во втором - о беспроводной.
В современных телекоммуникационных системах информация передается с помощью электрического тока или напряжения, радиосигналов или световых сигналов - все эти физические процессы представляют собой колебания электромагнитного поля различной частоты.
Проводные (воздушные) линии связи представляют собой провода без каких-либо изолирующих или экранирующих оплеток, проложенные между столбами и висящие в воздухе. Еще в недалеком прошлом такие линии связи были основными для передачи телефонных или телеграфных сигналов. Сегодня проводные линии связи быстро вытесняются кабельными. Но кое-где они все еще сохранились и при отсутствии других возможностей продолжают использоваться и для передачи компьютерных данных. Скоростные качества и помехозащищенность этих линий оставляют желать много лучшего.
Кабельные линии имеют достаточно сложную конструкцию. Кабель состоит из проводников, заключенных в несколько слоев изоляции: электрической, электромагнитной, механической и, возможно, климатической. Кроме того, кабель может быть оснащен разъемами, позволяющими быстро выполнять присоединение к нему различного оборудования. В компьютерных (и телекоммуникационных) сетях применяются три основных типа кабеля: кабели на основе скрученных пар медных проводов - неэкранированная витая пара (Unshielded Twisted Pair, UTP) и экранированная витая пара (Shielded Twisted Pair, STP), коаксиальные кабели с медной жилой, волоконно-оптические кабели. Первые два типа кабелей называют также медными кабелями.
Радиоканалы наземной и спутниковой связи образуются с помощью передатчика и приемника радиоволн. Существует большое разнообразие типов радиоканалов, отличающихся как используемым частотным диапазоном, так и дальностью канала. Диапазоны широковещательного радио (длинных, средних и коротких волн), называемые также АМ-диапазонами, или диапазонами амплитудной модуляции (Amplitude Modulation, AM), обеспечивают дальнюю связь, но при невысокой скорости передачи данных. Более скоростными являются каналы, использующие диапазоны очень высоких частот (Very High Frequency, VHF), для которых применяется частотная модуляция (Frequency Modulation, FM). Для передачи данных также используются диапазоны ультравысоких частот (Ultra High Frequency, UHF), называемые еще диапазонами микроволн (свыше 300 МГц). При частоте свыше 30 МГц сигналы уже не отражаются ионосферой Земли, и для устойчивой связи требуется наличие прямой видимости между передатчиком и приемником. Поэтому такие частоты используют либо спутниковые каналы, либо радиорелейные каналы, либо локальные или мобильные сети, где это условие выполняется.
