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

Подождите немного. Документ загружается.

Раздел 2. Передача данных в компьютерных сетях

159

2.7. Выводы по разделу

1. В компьютерных сетях для передачи данных используются физиче-

ские линии (кабели), каналы связи и беспроводные линии. Проводные линии

связи бывают симметричные и несимметричные. Для повышения степени

симметричности параметров двухпроводной симметричной линии пары изо-

лированных проводников скручиваются (свиваются) между собой. Имеется

семь категорий кабеля на основе витых пар. К несимметричным линиям от-

носится коаксиальный кабель. Оптические линии позволяют передавать дан-

ные в одном направлении по одному волокну.

2. Канал – это тракт передачи, использующий часть ресурсов линии

связи (полоса частот или время использования). Каналы в свою очередь под-

разделяются на аналоговые и цифровые. Они образуются с помощью аппа-

ратуры уплотнения (мультиплексирования), использующей частотное или

временное разделение каналов. В широкополосных системах возможно ко-

довое разделение каналов.

3. Полоса пропускания физической линии начинается с нулевой час-

тоты и зависит от длины и качества линии. Непрерывный канал связи пред-

ставляет собой полосно-пропускающую систему, непрозрачную для сигна-

лов данных. Цифровые каналы характеризуются пропускной способностью,

величина которой стандартизирована и определяется типом канала.

4. Максимальная скорость передачи сигналов по линии или непре-

рывному каналу связи ограничивается полосой пропускания и уровнем шу-

мов в канале (линии). Допустимый уровень сигнала в линии (канале) огра-

ничивают из-за возникновения мешающих наводок в соседних парах кабеля,

либо по причине возможной перегрузки трактов в каналообразующей аппа-

ратуре. Максимальную пропускную способность имеют волоконно-

оптические линии связи.

5. Компьютерные данные отображаются сигналами постоянного тока,

в спектре которых содержится постоянная составляющая и низкочастотные

компоненты. Каналы связи не могут непосредственно пропустить такие сиг-

налы. Для согласования спектра сигналов данных с полосой пропускания ка-

налов применяется модуляция несущего колебания.

6. Лучшим способом модуляции является фазовая, так как она обеспе-

чивает максимальную помехозащищенность сигналов, а увеличение количе-

ства позиций ФМ сигналов не приводит к расширению их спектров.

7. В беспроводных компьютерных сетях для передачи данных с вы-

сокой скоростью и осуществления одновременной работы нескольких ис-

точников в одном частотном диапазоне, а также обеспечения скрытости пе-

редачи используются сигналы с растянутым спектром, обладающих свойст-

Компьютерные сети

160

вами шумоподобных колебаний.

8. Расширение спектра сигналов данных производится либо за счет

быстрого скачкообразного переключения по определенному алгоритму не-

сущей частоты радиопередатчика (способ FHSS), либо путем замены еди-

ничных элементов данных кодовыми последовательностями, состоящими из

множества импульсов "чипов" (способ DSSS). Чипы в свою очередь осуще-

ствляют фазовую модуляцию несущего колебания. В качестве кодовых по-

следовательностей чаще всего применяются последовательности Баркера,

или комплементарные последовательности типа ССК, обладающие хорошей

автокорреляционной функцией.

9. Эффективным способом повышения скорости передачи по каналам

с неравномерной частотной характеристикой, а также при наличии в канале

межсимвольных искажений является многоканальная передача сигналов с

частотным разделением каналов и с использованием ортогональных подне-

сущих (способ OFDM). Эффект повышения скорости достигается за счет од-

новременной передачи с относительно невысокой скоростью по множеству

независимых каналов. Дополнительно повышение скорости происходит за

счет использование в каждом из каналов многопозиционной фазовой моду-

ляции.

10. Передача данных на канальном уровне может производиться асин-

хронным (старт-стопным) и синхронным способом. В первом случае осуще-

ствляется передача отдельными байтами, причем передача очередного сим-

вола может начаться в произвольный момент времени. В промежутках меж-

ду передачей аппаратура находится "на стопе". Синхронная передача осуще-

ствляется непрерывно в виде отдельных блоков. В паузах между передачей

полезной информации по каналу производится передача синхронизирующих

блоков.

11. Для защиты информации от ошибок применяют коды с исправле-

нием и коды с обнаружением ошибок. Во втором случае при обнаружении

ошибок приемник по каналу обратной связи осуществляет повторный запрос

искаженного блока. Существуют системы с ожиданием подтверждения и с

непрерывной передачей группы блоков.

12. В компьютерных сетях наиболее широко применяются циклические

коды с образующим полиномом не менее 16-й степени. Это позволяет обна-

руживать как одиночные, так и пачки ошибок с длиной, равной степени об-

разующего полинома. Для уменьшения потока одиночных ошибок и исклю-

чения дополнительных переспросов блоков, а также для снижения задержек

при декодировании используются сверточные коды. При этом применяется

эффективный алгоритм декодирования Витерби.

13. Более детально вопросы передачи данных рассмотрены в специаль-

ной литературе, в частности, параметры линий связи, их характеристики,

Раздел 2. Передача данных в компьютерных сетях

161

влияние на степень искажения сигналов – в [14,16,28,34], особенности пере-

дачи сигналов по физическим линиям и проводным каналам, спектры сигна-

лов – в [14,16,28,30], способы передачи сигналов в беспроводных сетях, ме-

тоды расширения спектра сигналов – в [13,28,31,35], способы помехоустой-

чивого кодирования, сжатия информации – в [8,15,28,30,33].

2.8. Контрольные вопросы

1. Каковы отличительные особенности кабеля и канала связи от линии свя-

зи?

2. Назовите первичные параметры кабельных линий. Какова связь их с

вторичными параметрами?

3. Рассчитайте затухание линии связи, если амплитуды сигналов на входе

и выходе равны 1В и 10мВ соответственно.

4. Определите защищенность линии от помех, если переходное затухание

составляет 70 дБ, а собственное затухание 30 дБ.

5. Почему пропускная способность многомодового оптического кабеля

ниже по сравнению с одномодовым?

6. В чем состоит отличие дуплексного четырехпроводного канала от дуп-

лексного двухпроводного?

7. Поясните принцип разделения направлений передачи дифференциаль-

ной системой трансформаторного типа.

8. Почему при передаче данных по кабельным линиям в сигналах должна

отсутствовать постоянная составляющая?

9. Зачем применяют манчестерское кодирование сигналов, если это приво-

дит к нежелательному расширению их спектра?

10. Как при передаче данных по оптическим линиям можно контролировать

целостность среды?

11. Почему нельзя для передачи данных непосредственно соединять после-

довательный порт компьютера с телефонным каналом, а при использо-

вании в качестве среды передачи физической линии – можно?

12. В чем отличие многопозиционной ФМ-16 от квадратурной АФМ-16

модуляции при одинаковом количестве значащих позиций сигнала?

13. Почему для повышения скорости передачи данных применяют многопо-

зиционную амплитудно-фазовую модуляцию, а не частото-фазовую или

амплитудно-частотную модуляцию?

14. Почему на практике применяется преимущественно дифференциальная

фазовая модуляция, а не абсолютная?

15. С какой целью в беспроводных компьютерных сетях используют сигна-

Компьютерные сети

162

лы с расширением спектра?

16. Каким образом могут быть выделены шумоподобные сигналы на фоне

шума аналогичной мощности?

17. Почему в системы с расширением спектра ввели ССК-

последовательности, если последовательность Баркера обладает лучшей

корреляционной функцией?

18. С какой целью в асинхронных системах передачи в качестве стопового

сигнала применяют сигнал единичного уровня, хотя использование ну-

левого уровня для стопового сигнала было бы более экономно?

19. Каким образом избегают ложного выделения синхронизирующей ком-

бинации из информационной последовательности, если в передаваемом

сообщении может находиться аналогичная комбинация?

20. Как на практике определить, с какой максимальной скоростью можно

передавать сигналы по данной линии (каналу) связи?

21. Почему для защиты информации от ошибок в компьютерных сетях

применяются преимущественно коды не исправляющие, а только обна-

руживающие ошибки?

22. Зачем в компьютерных системах связи применяют сверточное кодиро-

вание, если его избыточность выше, чем при блочном кодировании?

23. Как передающая станция в случае переспроса на повторную передачу

блока определяет, что блок принят с ошибкой из-за помех в канале, или

по причине нарушения цикловой синхронизации? В последнем случае

ей следовало бы переключиться из режима передачи данных в режим

синхронизации по циклам.

Раздел 3

ЛОКАЛЬНЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ

Каким образом, имея только один отрезок двухпроводного кабеля, обеспечить

связь между всеми компьютерами локальной сети? В каких случаях локальную сеть с

явной шинной топологией называют логическим кольцом? По какой причине пауза по-

сле коллизии имеет случайную длительность? Как сохраняется целостность "кольца"

при обесточенном приемопередатчике одного из компьютеров сети Token Ring? Ка-

ким образом на витой паре кабеля третьей категории удается обеспечить передачу

данных со скоростью 100 Мбит/с? Как функционирует беспроводная компьютерная

сеть? На эти и другие вопросы Вы найдете ответ, изучив данный раздел.

3.1. Топология сетей и методы доступа к среде

3.1.1. Топология локальных компьютерных сетей

Локальные компьютерные сети (ЛКС) представляет собой такую раз-

новидность сетей, в которой все ее компоненты, включая ЭВМ различных

классов, расположены на ограниченной территории одного предприятия или

учреждения и соединены через единую физическую среду. Расстояния меж-

ду компьютерами локальной сети составляют от сотен метров до десятков

(10…20) км. В локальных сетях сетевые компьютеры называют рабочими

станциями. Ограниченность территории создает предпосылки для исполь-

зования специфических способов передачи данных, отличных от традицион-

ных, применяемых в глобальных сетях. Благодаря этому в ЛКС удается реа-

лизовать значительно более высокую скорость передачи (до тысяч Мбит/с) и

на несколько порядков более низкую вероятность ошибок при существенно

меньших затратах. Расположение локальной сети на ограниченной террито-

рии влияет также на способы административного сетевого управления, а

технические характеристики ЛКС приводят к необходимости введения но-

вых протоколов.

В качестве физической среды ЛКС наибольшее распространение полу-

чили электрические кабели типа “витая пара”, коаксиальные и волоконно-

оптические кабели. В последнее время все большую популярность получают

беспроводные линии связи. В дальнейшем, при описании ЛКС понятия "сре-

да", "линия" и "канал" используются как синонимы.

Компьютерные сети

164

Основные отличия архитектуры ЛКС от архитектуры глобальных се-

тей связаны с нижними тремя уровнями. Использование единой физической

среды позволяет существенно упростить функции уровня маршрутизации.

Нижние два уровня ЛКС имеют свою специфику, связанную с топологией

сети и методами доступа к физической среде.

Различают линейную (а), звездообразную (б), кольцевую (в), шинную

(г) и древовидную (д) топологию ЛКС (рисунок 3.1). Все структуры сети,

кроме шинной, представляют собой двухточечные звенья. В линейной

структуре сети сообщения должны пройти через несколько узлов, прежде

чем они достигнут цели. Поэтому в случае повреждения одного из звеньев

сообщение не может быть доставлено адресату, что является существенным

недостатком такой сети.

Топология "звезда" характеризуется наличием центрального узла ком-

мутации (УК), к которому подключаются все остальные рабочие станции

(РС). Через этот узел циркулирует весь сетевой трафик, поэтому нагрузка на

узел очень высокая. Сетевое оборудование центрального узла оказывается

намного сложнее, чем оборудование абонентов сети. К достоинствам "звез-

ды" относится достаточно высокая надежность сети в целом. Так, обрыв од-

ного сетевого кабеля или короткое замыкание в нем нарушает работу только

одного компьютера, а все остальные могут продолжать работу. Положитель-

ным свойством является также наличие на каждой линии связи только одно-

го передатчика и приемника, что заметно упрощает сетевое оборудование по

сравнению с "шиной". Недостаток звездообразной структуры состоит в низ-

кой скорости обработки информации и большой суммарной протяженности

линий связи. При этом при выходе центрального узла из строя отказывает

вся сеть.

Преимуществом “кольца” является возможность использования одно-

направленной линии связи. На каждом участке к линии связи подключены

Рисунок 3.1 – Топология локальных компьютерных сетей

Раздел 3. Локальные компьютерные сети

165

только один передатчик и один приемник. По этой причине нет необходимо-

сти использовать согласующие сопротивления (терминаторы). Недостатком

кольцевой топологии является загрузка узлов всей той информацией, кото-

рая передается по сети.

Шинная топология является одной из простейших по способу подклю-

чения рабочих станций. В такой структуре отсутствует центральный узел,

через который передается вся информация. Это увеличивает надежность се-

ти. Однако она предполагает идентичность сетевого оборудования компью-

теров, а также равноправие всех абонентов. При таком соединении компью-

теры могут передавать данные только по очереди, так как линия связи одна

на всех (моноканал). На концах линии связи должны устанавливаться согла-

сующие сопротивления (терминаторы) для исключения появления отражен-

ных волн, вызывающих искажение сигналов. Обрыв или замыкание в линии

выводит из строя всю сеть. К существенным недостаткам шинной структуры

также относится возможность возникновения сетевых коллизий. Коллизия

возникает всякий раз, когда одновременно ведут передачу две или несколько

рабочих станций сети, что приводит к разрушению информации. Разработа-

ны специальные протоколы связи, позволяющие исключить потери инфор-

мации при возникновении коллизий, либо исключающие их возникновение.

Древовидная топология представляет собой иерархическую звезду.

Она имеет достоинства, присущие звездной топологии. Используется для

увеличения количества рабочих станций сети при ограниченном числе пор-

тов узловой станции.

3.1.2. Шина со случайным доступом

Характерной чертой многих локальных сетей является коллективное

использование ресурсов среды передачи данных – линии связи, которая яв-

ляется моноканалом. Через такую среду в заданный промежуток времени

может передавать информацию только один сетевой компьютер. Поэтому

возникает проблема разделения ресурсов среды передачи данных, которая

решается различными методами доступа к среде. Под доступом к среде по-

нимают взаимодействие рабочей станции (узла сети) со средой передачи

данных для обмена информацией с другими станциями. Различают случай-

ные и детерминированные методы доступа. Среди случайных наиболее ши-

роко используется метод множественного доступа с распознаванием несу-

щей и обнаружением конфликтов CSMA/CD (Carrier Sence Multi Ac-

cess/Collision Detecting). К детерминированным относятся методы доступа с

передачей маркеров.

Компьютерные сети

166

Метод доступа CSMA/CD. При использовании этого метода станции

могут передавать сообщения, только если канал связи свободен. В случае

одновременной передачи информации несколькими станциями возникает

конфликтная ситуация (коллизия), в результате чего происходит разрушение

передаваемых данных. Поэтому станции должны прекратить передачу, вы-

ждать некоторое время и продолжить ее по одной только при наличии сво-

бодного канала. Для определения занятости канала используется контроль

уровня несущей в среде. Чтобы избежать повторения коллизий, время ожи-

дания включения станций выбирается различным. Если одна из станций на-

чала передачу, то канал оказывается занятым и все другие станции должны

ждать его освобождения. На рисунке 3.2 показана диаграмма состояний, ил-

люстрирующая схему управления CSMA/CD.

Большую часть времени схема канального уровня находится в режиме

прослушивания канала связи. В этом состоянии анализируются все кадры,

передаваемые в канале. Если заголовок кадра содержит адрес назначения,

совпадающий с адресом узла, то схема канального уровня переходит в со-

стояние приема, во время которого осуществляется прием кадра.

После завершения приема кадра выдается сообщение на сетевой уро-

вень сети, а приемник переключается в режим прослушивания. Возможно,

что коллизия произойдет во время приема кадра. В этом случае прием кадра

прерывается и приемник канального уровня переключается в состояние про-

слушивания.

Канал свободен

Коллизия

Канал занят

Собственный

адрес

принят

Сброс –

запуск

Кадр

принят

Запрос на

передачу кадра

Передача

завершена

Время

задержки

истекло

Прослушивание

Прием кадра

Передача Ожидание

Задержка

Коллизия

Рисунок 3.2 – Диаграмма состояний метода доступа CSMA/CD

Раздел 3. Локальные компьютерные сети

167

Передача кадра в среду может быть произведена только по запросу се-

тевого уровня. Если станция во время этого запроса не находится в состоя-

нии приема, то схема канального уровня переходит в состояние ожидания. В

этом состоянии узел ждет освобождения канала и начинает передачу пакета.

В случае, если передача завершается успешно (без коллизий), состояние ап-

паратуры канального уровня вновь изменяется на состояние прослушивания.

Если же во время передачи кадра появляется конфликтная ситуация, то пе-

редача прерывается и затем, после прослушивания, возобновляется снова.

Время задержки включения станции после коллизии вычисляется различны-

ми способами. Наиболее часто это время выбирается случайно.

Одним из важнейших в сетях с алгоритмом CSMA/CD является во-

прос: какое максимальное время t

ок

требуется для обнаружения коллизий пе-

редающей станцией в наиболее неблагоприятном случае и какой должна

быть длина пакета N

, если длина сегмента кабеля равна d?

Коллизия происходит в том случае, если одна из станций А начала пе-

редачу, но сигнал, распространяющийся по линии связи с конечной скоро-

стью, еще не успел дойти до другой станции Б, которая, обнаружив, что ли-

ния свободна, также начинает передачу (рисунок 3.3).

Наиболее неблагоприятная ситуация имеет место в случае, когда ин-

тервал времени t



между началом момента передачи станцией Б и временем

достижения сигналом станции А точки подключения станции Б к линии ста-

новится пренебрежимо мал, т.е. t



0.

В момент появления коллизии происходит изменение состояния линии

связи в точке коллизии (при манчестерском кодировании изменяется посто-

янная составляющая напряжения в линии). Это изменение доходит до стан-

ции А через интервал времени, равный времени распространения сигнала t

по кабелю длиной d. Следовательно, время обнаружения сигнала коллизии в

сети CSMA/CD в наиболее неблагоприятном случае равно удвоенному вре-

мени распространения сигнала между двумя станциями, наиболее удален-

Рисунок 3.3 – Схема возникновения коллизии в самом неблагоприятном случае

Компьютерные сети

168

ными друг от друга, т.е.

ок

= 2t

= 2d/v. (3.1)

При расчетах принимается, что скорость распространения сигнала в

кабеле связи v в среднем равна 200 000 км/с. Интервал t

ок

называется време-

нем двойного оборота PDV (Path Delay Value).

При передаче слишком короткого кадра станция может завершить его

передачу до обнаружения коллизии. Отправитель посчитает, что передача

прошла без коллизии и не станет пытаться повторить кадр. Для исключения

такой ситуации станции, участвующие в передаче, вынуждены были бы

ожидать по окончании передачи пакета до тех пор, пока не истечет время,

требуемое для обнаружения коллизии в наиболее неблагоприятном случае.

Очевидно, что это привело бы к простаиванию линии и, следовательно, не-

эффективному использованию канала. Поэтому минимальная длина кадра

выбирается таким образом, чтобы при возникновении коллизии на макси-

мальном удалении от передатчика, т.е. в месте подключения самой дальней

станции, и достижении сигнала коллизии передающей станции, передача

кадра не была бы завершена. Следовательно, минимальное количество битов

в кадре можно определить из соотношения

П мин

= Bt

ок

= 2Bd / v. (3.2)

Максимальная длительность кадра также ограничивается. Это вызвано

тем, что если станции используют очень длинные кадры, то при захвате ка-

нала одной из них другие пользователи сети вынуждены будут долго ожи-

дать освобождения линии, что существенно увеличивает общую задержку

передачи сообщений в сети и тем самым снижает качество обслуживания.

Кроме этого, увеличение длины кадра приводит к повышению вероятности

поражения его помехой и необходимости повторной передачи. Ограничение

длины кадра вызвано также стремлением уменьшить размер буфера для

промежуточного хранения информации. На практике максимальная длина

кадра содержит около 1500 байт.

Из рассмотренного способа доступа к среде видно, что он имеет слу-

чайный характер. Вероятность получения станцией в монопольное пользо-

вание линии связи зависит от загруженности сети, то есть от интенсивности

трафика каждого из компьютеров, подключенных к общей шине.