Чернега В., Платтнер Б. Компьютерные сети. Учебное пособие для вузов

Подождите немного. Документ загружается.

Раздел 2. Передача данных в компьютерных сетях

129

для минимизации искажения сигнала в пределах отдельного канала, а с дру-

гой — достаточно широкой для обеспечения требуемой скорости передачи.

Кроме того, для экономного использования всей полосы канала, разделяемо-

го на подканалы, желательно как можно более плотно расположить частот-

ные подканалы, но при этом избежать межканальной интерференции, чтобы

обеспечить полную независимость каналов друг от друга.

Для исключения межканальной интерференции частотные поднесущие

отдельных каналов (а точнее, функции, описывающие эти сигналы) должны

быть ортогональными. Хотя спектры сигналов в отдельных каналах и пере-

крываются, огибающая спектра любой из поднесущих F

имеет нулевое зна-

чение для центральной частоты спектра соседней поднесущей F

i–1

и F

i+1

(ри-

сунок 2.27).

Сигналы являются ортогональными, если разнос по частоте ΔF=F

i+1

–

= 1/τ

. Здесь τ

– длительность единичного элемента сигнала, которая опре-

деляет интервал ортогональности.

Одним из важных преимуществ способа OFDM является сочетание

высокой скорости передачи с эффективным противостоянием многолучево-

му распространению. Следует заметить, что сама по себе технология OFDM

не устраняет многолучевого распространения, но создает предпосылки для

устранения эффекта межсимвольной интерференции.

Длительность тактового интервала Т

ти

системы передачи выбирается

несколько большей, чем интервал ортогональности τ

. Их разность составля-

ет защитный временной интервал τ

между последовательно передаваемыми

единичными элементами группового сигнала, вводимый для повышения за-

щищенности систем передачи с OFDM от интерференционных помех. За-

щитный интервал несколько снижает эффективную скорость передачи, од-

нако он служит защитой от возникновения межсимвольной интерференции.

Во время действия защитного интервала передатчиком добавляется избы-

точная информация в начале передаваемого единичного элемента путем

циклического повторения его окончания, которая отбрасывается при обра-

ботке сигнала в приемнике.

Рисунок 2.27 –

Перекрывающиеся частотные каналы с ортогональными

несущими

Компьютерные сети

130

Наличие защитного интервала создает временные паузы между от-

дельными элементами, и если длительность защитного интервала превышает

максимальное время задержки сигнала в результате многолучевого распро-

странения, то межсимвольной интерференции не возникает. В компьютер-

ных беспроводных сетях при использовании технологии OFDM длитель-

ность защитного интервала составляет одну четвертую длительности самого

сигнала. При этом сам сигнал имеет длительность 3,2 мкс, а защитный ин-

тервал — 0,8 мкс. Таким образом, длительность сигнала вместе с защитным

интервалом составляет 4 мкс.

Для локальных компьютерных сетей в соответствии с международным

стандартом в диапазоне частот 5,2 ГГц выделено 12 неперекрывающихся ка-

налов с одинаковой полосой пропускания 20 МГц. Каждый из этих каналов

разделен на 64 подканала с полосой пропускания 20000/64=312,5 кГц. Из них

для передачи собственно данных используется 48 подканалов. Четыре под-

канала служат для передачи опорных колебаний, а по 6 подканалов слева и

справа остаются незанятыми и выполняют функции защитных полос (рису-

нок 2.28).

В любом из каналов может осуществляться передача данных с резуль-

тирующей скоростью 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 или 54 Мбит/с. Для обеспечения

такого диапазона скоростей применяются различные способы фазовой и ам-

плитудно-фазовой манипуляции. На нижнем уровне используется BPSK, ко-

торая позволяет организовать подканал со скоростью 125 кбит/с. Это обес-

печивает суммарную пропускную способность канала, состоящего из 48

подканалов, 6 Мбит/с. За счет применения QPSK пропускная способность

канала удваивается (12 Мбит/с). Ее можно удвоить еще в 2 раза, используя

16-уровневую квадратурную амплитудную модуляцию QAM-16. Таким об-

разом, модуляция QAM-64 обеспечивает скорость передачи данных в канале

54 Мбит/с.

Рисунок 2.28 – Схема распределения подканалов в системе OFDM

Раздел 2. Передача данных в компьютерных сетях

131

2.5. Способы передачи данных на канальном уровне

2.5.1. Асинхронная и синхронная передача

Данные в компьютере представлены в параллельном виде (байтами,

словами, двойными словами и пр.). Передача сообщений на удаленные пунк-

ты с целью экономии линий связи и линейного оборудования осуществляет-

ся побитно, т.е. последовательным способом. При этом возникает проблема

нахождения на приемной стороне начала передаваемой последовательности

и границ байтов. Кроме того, приемник для правильной регистрации еди-

ничных элементов сигналов должен знать расположение их границ.

Существуют два способа передачи сигналов данных: асинхронный и

синхронный. При асинхронном способе сообщение передается посимвольно,

причем символы выдаются в канал в произвольный момент времени, по мере

поступления их от компьютера (отсюда и название способа). Длина символа

может содержать от 5 до 8 бит. В отсутствие передачи информации передат-

чик и приемник остановлены, т.е. находятся "на стопе". Для информирова-

ния приемника об этом состоянии и контроля целостности линии связи пе-

редатчик постоянно выдает в линию стоповый сигнал – напряжение, соот-

ветствующее уровню логической единицы. В случае необходимости переда-

чи очередного байта передающее устройство сначала выдает стартовый сиг-

нал (нулевой уровень) продолжительность которого равна длине единичного

элемента 

, затем следуют 5…8 информационных бит, отображающих соб-

ственно передаваемый символ (рисунок 2.29). Биты символа обычно пере-

даются, начиная с младшего значащего разряда.

За информационными битами на 9-й временной позиции следует бит

контроля четности (паритета). Значение бита паритета передатчик выбира-

ет так, чтобы полное число единиц в символе, включая бит четности, было

четным или нечетным, в зависимости от задания вида контроля при началь-

ной инициализации системы передачи. Завершает последовательность сто-

повый элемент, минимальная длина которого при начальной инициализации

Рисунок 2.29 – Формат асинхронной передачи символа

Компьютерные сети

132

устанавливается от 1 до 2 бит, максимальная его продолжительность не рег-

ламентируется. При передаче равномерного потока байтов интервал между

символами постоянен и равен длине стопового элемента.

Достоинством асинхронной передачи является ее простота. На прием-

ной стороне можно использовать несложные схемы формирования тактовых

сигналов, от которых не требуется жесткой стабильности, поскольку такто-

вые импульсы вырабатываются на коротком интервале времени передачи

одного знака. При приеме следующего байта схема формирователя тактовых

импульсов запускается заново с момента его начала (по фронту стартовой

посылки).

Чтобы предотвратить ложный запуск схемы синхронизации при воз-

действии кратковременных импульсных помех, на приемной стороне произ-

водится опрос состояния канала передачи данных в момент перехода его в

“0”. Если в середине единичного интервала (в момент времени 

/2) состоя-

ние канала также равно “0”, то принимается решение о поступлении старто-

вого сигнала и разрешается формирование тактовых импульсов с частотой f

=1/

. В противном случае схема генерирования тактовых импульсов запира-

ется. С целью уменьшения величины ошибки определения момента поступ-

ления стартовой посылки частота опроса f

состояния канала выбирается

значительно выше тактовой частоты передачи (обычно f

=16f

). Рисунок

2.30 иллюстрирует процесс синхронизации при использовании повышенной

частоты опроса.

Синхронность работы приемника с передатчиком при асинхронном

способе передачи достигается сравнительно просто за счет установки и под-

держания одинаковых тактовых частот на обеих сторонах. Расхождение ко-

лебаний генераторов по фазе устраняется путем запуска работы приемного

распределителя по срезу стартового сигнала. Точность такого способа син-

хронизации сравнительно невысокая, однако достаточная при скорости пе-

редачи данных до сотни кбит/с.

Существенный недостаток асинхронной передачи – высокая избыточ-

Рисунок 2.30 – Временная диаграмма процесса синхронизации

старт–стопного приемника

Раздел 2. Передача данных в компьютерных сетях

133

ность (около 25%) за счет передачи с каждым символом стартового и стопо-

вого битов. Другим недостатком этого способа является невысокая скорость

передачи, которая ограничивается невозможностью обеспечения требуемой

помехоустойчивости приема единичных элементов при относительно низкой

точности синхронизации. Более высокую эффективность передачи обеспе-

чивает синхронный способ передачи.

При синхронной передаче символов стартовые и стоповые биты между

ними отсутствуют, а передаваемые знаки могут, как и прежде, дополняться

битом паритета. Все сообщение или его часть передается на протяжении

фиксированного временного интервала, называемого циклом передачи. Со-

вокупность символов, передаваемых в течение цикла, носит название блока,

кадра или фрейма. Для обозначения начала блока часто используются

управляющий символ СИН (SYN), входящий в таблицу ASCII, либо двоич-

ная, так называемая флаговая, комбинация вида 01111110. В ряде случаев

для повышения помехоустойчивости обнаружения начала блока символ

СИН дублируется.

С целью обеспечения безошибочной передачи данных по каналу связи в

текст сообщения включается служебная информация, состоящая из заголов-

ка и управляющих символов (рисунок 2.31).

В заголовке обычно указываются адреса передающей и принимающей

станции, длина и порядковый номер блока, время ввода сообщения в канал,

способ защиты от ошибок и др. Допускается использовать заголовок пере-

менной длины. В таком случае в формате блока должно содержаться поле,

указывающее длину заголовка. Поле "Данные" может содержать фиксиро-

ванное либо произвольное число символов. Обычно в конкретных сетях оп-

ределяется максимальное значение длины поля данных. Эта величина назы-

вается максимальной единицей передачи данных MTU (Maximum Transfer

Unit).

В конце блока передается контрольная последовательность (КПБ), фор-

мируемая в соответствии с принятой процедурой защиты от ошибок (цикли-

ческое кодирование, контрольное суммирование и т.д.).

Для определения начала цикла приемное устройство непрерывно ана-

Рисунок 2.31 – Формат блока при синхронной передаче данных

Компьютерные сети

134

лизирует последовательность поступающих на его вход битов. В момент

совпадения анализируемой последовательности с кодовой комбинацией

СИН выключается схема поиска символа синхронизации и начинается прием

сообщения. Синхронизация по битам осуществляется с помощью схемы фа-

зовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) путем оценки тактовой частоты пе-

редатчика на основе информационной последовательности.

Процесс приема продолжается до тех пор, пока не будет обнаружен

знак окончания блока, после чего включается синхронизация, и приемник

переходит в режим поиска нового символа СИН. Если передача сообщения

не закончилась, то в паузах между передачей блоков для поддержания син-

хронизма приемника с передатчиком последний непрерывно посылает в ка-

нал синхронизирующую последовательность вида 10101… .

Управление таким сложным процессом, как передача данных в вычис-

лительных сетях, в котором участвует многочисленная и разнообразная ап-

паратура, требует формализации процедур установления и разъединения со-

единений, передачи информации и защиты ее от ошибок, выделения и осво-

бождения ресурсов ЭВМ и т.д. Эти задачи решаются с помощью стандарт-

ных правил, называемых протоколами связи, реализующих процедуры

взаимодействия элементов сети при установлении–разъединении связи и пе-

редаче данных.

При синхронной передаче различают два вида протоколов: знак-

ориентированный (байт-ориентированный) и бит-ориентированный.

2.5.2. Байт-ориентированная передача данных

При байт-ориентированной передаче управление обменом данных

обеспечивают специальные управляющие знаки (байты), которые вклю-

чаются в общий информационный поток. Байт-ориентированные протоколы

используются преимущественно для обмена отображаемыми символами

ASCII-кода. Они относятся к классу универсальных протоколов как для ком-

мутируемых, так и выделенных двух- и многоточечных каналов, для пакет-

ного и диалогового режимов работы. Однако применение их для диалогово-

го режима не очень эффективно по причине достаточно высокой избыточно-

сти. Обмен данными при байт-ориентированной передаче осуществляется

преимущественно полудуплексным способом. В двухпунктовых звеньях лю-

бая станция может быть управляющей, либо подчиненной. В многопункто-

вых соединениях одна станция задается в качестве управляющей, а осталь-

ные – подчиненные.

Для управления передачей данных в байт-ориентированных протоко-

лах применяются специальные управляющие символы кода ASCII (КОИ-7).

Раздел 2. Передача данных в компьютерных сетях

135

Кроме синхронизации блоков эти символы обеспечивают переключение

станций из режима управления в режим передачи текста, изменения направ-

ления передачи и т.д.

Рассмотрим некоторые наиболее часто встречающиеся символы

управления. При обозначении символов в скобках приводится их междуна-

родное обозначение на английском языке.

КТМ – кто там? (ENQ-Enquiry). Служит для установления контакта на

двухпунктовых звеньях или для запроса повторной передачи ответа на блок

сообщения, если принят неверный ответ, либо не было ответа. Он также ука-

зывает на конец последовательности выборки или опроса. НЗ – начало заго-

ловка (SOH – Start of Heading). Применяется, если текст содержит заголовок.

Указывает, что последующие кодовые комбинации, относящиеся к заголов-

ку, являются служебными символами, которые используются для дальней-

шей обработки сообщения, его маршрутизации и т.д. НТ – начало текста

(STX – Start of Text). Информирует, что за этим символом следует текст со-

общения. Если сообщение содержит заголовок, то НТ завершает заголовок и

обозначает начало текста. КБ – конец блока (ЕТВ – End of Transmission

Block) служит для указания конца блока текста (в случае разбивки его на

блоки). КТ – конец текста (ЕТХ – End of Text). Обозначает конец последнего

блока текста. ДА – подтверждение (АСК – Acknowleadge). Используется в

качестве положительного ответа на правильность принятия сообщения, го-

товность абонентского пункта и др. НЕТ – отрицание (NAK – Negative

Acknowleadge ). Обозначает отрицательный ответ (станция на готова к прие-

му, опрашиваемое устройство не имеет данных к передаче). КП – конец пе-

редачи (ЕОТ – End of Transmission). Индицирует завершение процесса пере-

дачи, используется для перевода станций в управляющий режим, а также в

начале передачи перед проведением опроса или выборки станции, подклю-

ченной к каналу связи. СИН – синхронизация (SYN – Synchronous Idle).

Применяется для установления и поддержания синхронизации.

Кроме этого, используются комбинации, служащие для изменения

значения следующих за ним знаков: АР – авторегистр (DLE – Data Link

Escape). Так например, АР1 КП означает необходимость выполнить разъе-

динение. Эта последовательность является признаком окончания процесса

передачи, при получении которой происходит разъединение коммутируемо-

го канала связи.

Иногда возникает необходимость исключить реагирование станции

данных на кодовые комбинации, являющиеся управляющими символами,

для чего используется специальный режим передачи, называемый "прозрач-

ным". При таком режиме передаваемый текст может содержать, кроме бук-

венных, цифровых и графических символов, еще и управляющие комбина-

ции. Для установления режима "прозрачной" передачи используется после-

Компьютерные сети

136

довательность АР1 НТ (DLE STX). Текст, передаваемый в этом режиме,

должен заканчиваться символами АР1 КБ и АР1 КТ, переводящими звено в

режим обычной передачи.

Данные по каналу связи передаются в форме блоков (кадров), что по-

зволяет использовать эффективные методы защиты от ошибок. Формат пе-

редаваемого блока изображен на рисунке 2.32. Здесь КПТ – контрольная по-

следовательность текста, содержащая проверочные биты в соответствии с

принятым методом защиты от ошибок. КПТ следует непосредственно за зна-

ком КТ, причем символ КТ учитывается процедурой формирования КПТ.

После передачи блока данных канал связи переключается для передачи

в обратном направлении сигналов подтверждения или отрицания приема. В

случае безошибочного приема блока получатель передает последователь-

ность подтверждения в виде: СИН СИН ДА. При обнаружении ошибок по-

сылается отрицательный ответ: СИН СИН НЕТ. По завершении формирова-

ния ответа вновь переключается направление передачи, и станция, иниции-

ровавшая передачу, передает следующий блок, либо повторяет предыдущий,

если получен отрицательный ответ. Направление передачи по каналу авто-

матически изменяется каждый раз, когда передаются знаки КТМ, КТ, КБ,

ДА или НЕТ.

Наиболее распространенным протоколом байт-ориентированного типа

является протокол BSC (Binary Synchronous Communications) фирмы IBM.

Он был разработан для реализации в системах телеобработки данных ЭВМ

серии IBM-360. Это универсальный протокол для коммутируемых и выде-

ленных двух- и многоточечных каналов, для пакетного и диалогового режи-

мов работы. Но так как эта процедура первично была разработана для пакет-

ной обработки, то применение ее для диалогового режима не очень эффек-

тивно.

Байт-ориентированные протоколы передачи характеризуется относи-

тельно большим объемом избыточной информации, служащей для управле-

ния передачей. Наличие управляющих символов заметно снижает эффектив-

ную пропускную способность канала связи.

Рисунок 2.32 – Формат блока байт-ориентированного протокола

Раздел 2. Передача данных в компьютерных сетях

137

2.5.3. Бит-ориентированная передача данных

Более универсальной и эффективной для компьютерных сетей являет-

ся бит-ориентированная передача данных. Ее преимуществом является

сравнительно малый объем избыточной служебной информации и более

простое обеспечение режима "прозрачной" передачи, то есть возможность

передачи текстов, содержащих произвольные кодовые комбинации. Суще-

ствует ряд аналогичных стандартных процедур для управления передачей

данных на канальном уровне, к которым относятся SDLC, HDLC, ADCCP и

LAPB.

Первый бит-ориентированный протокол был разработан и применен

фирмой IBM для систем телеобработки на базе ЭВМ типа IBM-370. Этот

протокол имеет сокращенное название SDLC (Synchronous Data Link Control

– управление синхронным звеном передачи данных). На базе этого протоко-

ла, с некоторыми изменениями, в международной организации по стандарти-

зации (ISO) был разработан протокол HDLC (High-level Data Link Control –

управление звеном передачи данных высокого уровня). Аналогичная проце-

дура явилась основой протокола LAPB (Balanced Link Access Procedures –

балансная процедура доступа к линии), разработанного МККТТ (рекомен-

дация Х.25) для канального уровня сетей коммутации пакетов. Бит-

ориентированный протокол ADCCP разработан Американским националь-

ным институтом стандартов.

В соответствии с протоколом HDLC передача между станциями дан-

ных осуществляется кадрами (блоками) в полудуплексном или дуплексном

режимах. Формат кадра показан на рисунке 2.33.

Рисунок 2.33 – Формат кадра HDLC-протокола

Во избежание ложного выделения флага внутри кадра в случае посту-

пления от источника символа, совпадающего с флаговой комбинацией, на

передающей стороне производится специальное преобразование знаков. Оно

состоит в том, что после формирования кадра вся последовательность, под-

лежащая передаче, просматривается. Если в ней встречается подряд 5 еди-

ниц, то за ними автоматически вставляется дополнительный служебный бит

"0". Эта операция называется "бит-стаффингом" и выполняется обычно ап-

паратным способом. На приемной стороне после регистрации подряд пяти

"1" следующий за ним "0" исключается. Благодаря таким преобразованиям

Компьютерные сети

138

обеспечивается передача любых кодовых комбинаций, т. е. процедура пере-

дачи становится "прозрачной".

Область адреса кадра представляет собой 8-битовую комбинацию,

которая используется для выбора абонента, если передача ведется по много-

пунктовым линиям. Передача адреса, как и всех последующих символов

кадра, производится, начиная с младшего разряда. Область управления

обычно представляет собой 8-битовую комбинацию, хотя процедура HDLC

допускает использование при расширенном формате 16-разрядной комбина-

ции. Управляющий символ (задается программно) содержит команды и от-

веты для управления данными, а также определяет один из трех типов кад-

ров:

Информационный (I-кадр) – является единственным кадром, который

используется для переноса информации от источника;

Служебный нумерованный (супервизорный S-кадр);

Служебный ненумерованный (U- кадр).

Структура области управления для трех типов кадров нерасширенного

формата приведена в таблице 2.2. Первый бит области определяет, является

ли кадр информационным (бит равен 0) или кадром команды ответа (бит ра-

вен 1). Биты 2…4 и 6…8 используются для задания порядковых номеров

кадров NS на передаче и NR на приеме, которые формируются и обрабаты-

ваются на каждой станции для переданных и принятых I-кадров. В расши-

ренном формате для передачи номеров NS и NR используются биты соответ-

ственно 2…8 и 10…16. С каждым переданным I-кадром NS увеличивается

на 1, а увеличение NR на 1 происходит только при безошибочном приеме и

в правильной очередности I-кадра.

Таблица 2.2 – Формат кадра бит-ориентированного протокола

Тип

кадра

Порядок передачи битов в области управления в канал

8 7 6 5 4 3 2 1

I-кадр NR P/F NS 0

S-кадр NR P/F s s 0 1

U-кадр u u u P/F u U 1 1

Каждая вторичная станция имеет свои собственные счетчики NS и NR

по кадрам, принятым от первичной станции, которая в свою очередь ведет

отдельный счет NS и NR для каждой вторичной станции звена. Нумерация

принятых кадров предназначена для указания другой станции ожидаемого

номера следующего кадра NR, что является подтверждением (квитанцией)