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

Подождите немного. Документ загружается.

Раздел 5. Глобальные сети связи

369

Интернет. По конструкции представляет собой внутреннюю интерфейсную

плату, вставляемую в слот компьютера и поддерживающая технологию plug

and play. Максимальная скорость передачи 1,5 Мбит/с. Стоимость таких уст-

ройств не превышает стоимости обычных модемов для коммутируемых ли-

ний.

Сверхскоростная цифровая абонентская линия (VDSL) позволяет пе-

редавать нисходящие потоки со скоростями до 51 Мбит/с, а восходящие – от

1,5 до 2,3 Мбит/с на расстояния 100…300 метров. VDSL ориентирована на

поддержку передачи данных в АТМ-сетях.

ISDN-цифровая абонентская линия (ISDL) предназначена для передачи

данных в цифровых сетях интегрального обслуживания (ISDN) со скоростью

128 кбит/с.

Принцип организации связи при использовании ADSL-технологии ил-

люстрируется рисунком 5.11.

Рисунок 5.11 – Схема организации связи при ADSL-технологии

Услуги ADSL организуется с помощью модема ADSL, расположенно-

го у пользователя и модуля (стойки) модемов ADSL на автоматической те-

лефонной станции (АТС) или у провайдера сети. Эта стойка называется DSL

Access Module (DSLAM). Практически все DSLAM оснащаются портом ло-

кальной сети Ethernet, что позволяет использовать на узлах обычные концен-

траторы, коммутаторы и маршрутизаторы. На участке между DSL-модемом

и DSLAM циркулируют три потока: высокоскоростной поток к ПЭВМ, ме-

нее интенсивный с запросами ПЭВМ к серверам сети и двунаправленный

Компьютерные сети

370

речевой (в стандартном диапазоне канала ТЧ).

Реализация цифровых каналов осуществляется путем использования

DSL-модемов, DSL-мультиплексоров и другого вспомогательного оборудо-

вания. Обход оборудования телефонных каналов ТФОП реализуется путем

применения частотного разделителя, который представляет собой фильтр

нижних частот (ФНЧ), отделяющий высокоскоростной цифровой поток дан-

ных от низкочастотных аналоговых сигналов.

Принципы построения модемов с xDSL рассмотрим на примере по-

строения модема АDSL, регламентируемого рекомендацией ITU-T G.992.1.

Особенностью построения модема ADSL является то, что наряду с асиммет-

ричной скоростью передачи (к абоненту – до 6,144 Мбит/с и от абонента – до

640 кбит/с), в нем используется способ многоканальной передачи с ортого-

нальным разделением сигналов OFDM (см. п.2.4.5). В качестве ортогональ-

ных сигналов применяются гармонические функции

sink



t и cos k



t при k =1, 2, …, N; и 0  t  T; 

= 2F

, (5.1)

ортогональные на интервале 

= 1/ F

Длительность тактового интервала Т

ти

выбирается несколько большей,

чем интервал ортогональности τ

. Их разность составляет защитный времен-

ной интервал τ

между последовательно передаваемыми единичными элемен-

тами группового сигнала, вводимого для повышения защищенности OFDM

от интерференционных помех. Система ортогональных сигналов (5.1) имеет

существенное преимущество по сравнению с другими: во-первых, высокая

концентрация энергии k-го сигнала в области частот от (k–1)ω

до (k+1)ω

быстрое убывание энергии вне этого диапазона и, во-вторых, существование

эффективных методов реализации алгоритмов их модуляции и демодуляции.

Каждая из пар сигналов (5.1) образует двумерную систему координат.

Независимая модуляция каждой из ортогональных составляющих передавае-

мыми информационными сигналами реализует соответствующее КАМ-

созвездие (КАМ – квадратурная амплитудная модуляция). На передающей

стороне п пар несущих (0 < п < N – 1) одновременно и независимо модули-

руются передаваемыми на i-м тактовом интервале информационными сигна-

лами. Модулированные сигналы суммируются, порождая групповой сигнал

гр

, который на i-м тактовом интервале описывается выражением

)2.5(.)(sin)(cos)(

iTtkBiTtkAiTtS

kikiãð











Значения амплитуд A

и B

определяются передаваемой информацией.

Раздел 5. Глобальные сети связи

371

Количество несущих задается адаптивно в зависимости от скорости и на-

правления (вверх либо вниз) передачи и характеристик канала. Демодуляция

группового сигнала (5.2) выполняется вычислением коэффициентов корре-

ляции принимаемого колебания с опорными сигналами (5.1). При цифровой

реализации ADSL-модемов операции модуляции (5.2) и демодуляции выпол-

няются методами быстрого дискретного преобразования Фурье (ДПФ).

Существует два исполнения модема: станционное и абонентское.

Структурная схема алгоритмов преобразования сигналов в передатчике

станционного модема ADSL (ATU-C) изображена на рисунке 5.12.

Функционально передатчик ATU-C и передатчик абонентского моде-

ма ATU-R реализуются по одним и тем же алгоритмам. Существующие ме-

жду ними незначительные различия обусловлены разными скоростями пере-

дачи "вниз" и "вверх", различным числом используемых несущих сигналов, а

также режимом работы "ведущий"

–

"ведомый".

Рассмотрим назначение блоков передатчика, а также содержание вы-

полняемых алгоритмов. Так как принятый вид многочастотной модуляции

OFDM вносит значительные задержки в передачу сигналов (определяются

длительностью тактового интервала и нормируются), то Рекомендацией

G.992.1 предусмотрены специальные меры по ограничению задержки сигна-

лов, вносимой ADSL-системой.

С этой целью передаваемые данные разбиваются в передатчике на два

потока: один обрабатывается в так называемом быстром буфере, а второй – в

перестановочном.

Соответствующие биты данных, обрабатываемые в быстром или пере-

становочном буфере, также называются быстрыми или перестановочными.

Для выполнения требований по задержке быстрые и перестановочные данные

обрабатываются по-разному: для быстрых данных длина блока кодирования

меньше, отсутствует операция сверточной перестановки данных. Нормативная

задержка быстрых данных составляет до 2 мс, а перестановочных — до 20

миллисекунд.

Блок мультиплексирования объединяет до четырех симплексных кана-

лов (AS0…AS3) с суммарной скоростью передачи до 6,144 Мбит/с и до трех

дуплексных каналов (LS0…LS2) с суммарной скоростью до 640 кбит/с,

синхронизированных тактовой частотой 4 кГц, а также сигналами управле-

ния, администрирования и эксплуатации в два отдельных потока данных:

быстрый и перестановочный. Каждый из потоков подвергается независимо-

му кодированию циклическим кодом с образующим полиномом седьмой сте-

пени.

Компьютерные сети

372

Остаток от деления передается на противоположную сторону и служит

для обнаружения ошибок при декодировании принятого сигнала. Цикличе-

ское кодирование является внутренней функцией ADSL-модема, которое

введено для оценки качества образуемого канала передачи (оценки вероятно-

сти ошибки при передаче информации).

Затем быстрые и перестановочные кодированные данные независимо

скремблируются с целью придания передаваемым сигналам свойств статисти-

ческой независимости. Далее быстрые и перестановочные данные кодируются

кодом Рида-Соломона, одним из наиболее эффективных линейных кодов,

корректирующих ошибки. Кодированию подвергаются не биты, а байты.

Рисунок 5.12 – Структурная схема передающей части ADSL-модема

Раздел 5. Глобальные сети связи

373

Используемые параметры кода позволяют исправлять до 64 одиночных оши-

бок в блоке максимального размера 119 000 битов (минимальный блок состав-

ляет 530 битов).

После этого, с целью декорреляции порождаемых при передаче оши-

бок, данные только перестановочного потока подвергаются специальной опе-

рации сверточной перестановки. По определенному закону на передаче изме-

няется порядок следования данных, а на приеме восстанавливается изначаль-

ный порядок следования. В случае появления пакета ошибок в принятой по-

следовательности, в результате обратной сверточной перестановки ошибки

распределяются равномерно по последовательности и характеризуются как

одиночные. Эта процедура повышает эффективность коррекции ошибок ли-

нейным кодом.

Результирующие последовательности данных быстрого и перестановоч-

ного буферов объединяются в кадр, передаваемый в течение длительности

единичного элемента группового сигнала ADSL. Общее число бит в кадре,

распределение их между быстрым и перестановочным буферами изменяются

в соответствии с условиями передачи. Двоичные данные передаваемого кад-

ра распределяются по несущим (каналам) передатчика, определяя значения

амплитуд A

и B

в соответствии с (5.2). При этом адаптивно задается не

только вид созвездия КАМ (число битов по каждой координате), но и коэф-

фициент усиления в каждом канале.

Значение коэффициента усиления и вид созвездия в приемнике опре-

деляются в процессе тестирования канала, осуществляемого на этапе инициа-

лизации модема. При инициализации передатчик станционного модема пере-

дает по всем каналам немодулированные несущие. Приемник удаленной стан-

ции, принимая эти сигналы, измеряет их уровень, с помощью специальных ал-

горитмов вычисляет коэффициент усиления и вид сигнального созвездия для

каждого канала и отправляет эту информацию на передающую сторону. В ре-

зультате число битов передаваемой информации распределяется так, что скорость

передачи данных по каналу связи максимизируется. Если какой-либо канал не

может быть использован для передачи данных, он выключается. Энергия и ко-

личество передаваемых битов для различных каналов перераспределяются в за-

висимости от отношения сигнал/шум в рабочей части полосы частот.

Максимальное число несущих, которое может быть использовано для пере-

дачи "вниз", равно 255, "вверх" — 31. Практически число несущих при фильтро-

вом способе разделения сигналов встречных направлений передачи для модема

ATU-C достигает порядка 200. Несущие с номерами 64 и 16 (276 и 69 кГц) реко-

мендованы в качестве пилот-сигналов для передачи синхронизирующей инфор-

мации соответственно "вниз" и "вверх". Для повышения помехозащищенности

ADSL-модема рекомендуется использовать решетчатый код с шестнадцатью

состояниями.

Компьютерные сети

374

В результате на выходе кодирующего устройства формируется дискретный

комплексный вектор размерностью 256, который преобразуется процессором об-

ратного ДПФ (ОДПФ) в отрезок дискретного группового сигнала, содержащий

512 отсчетов. В блоке формирования группового сигнала полученная последова-

тельность отсчетов дополняется первыми 32-мя отсчетами, соответствующими пе-

риодическому продолжению группового колебания на защитный интервал. Допол-

ненный групповой сигнал последовательно считывается из буфера с тактовой час-

тотой 2,208 МГц и преобразуется в аналоговую форму посредством ЦАП. Анало-

говый интерфейс обеспечивает фильтрацию выходного колебания и согласование с

линией связи. В соответствии с Рекомендацией ITU-T разделение сигналов

встречных направлений передачи может осуществляться либо с помощью

фильтров, либо эхокомпенсатором. Структурная схема приемной части модема

изображена на рисунке 5.13.

На вход приемника поступает сумма аналогового сигнала S(t) передатчи-

ка удаленной станции и эхо-сигнала S

(t) собственного передатчика. Эта смесь

предварительно усиливается, фильтруется и преобразуются в цифровую форму в

блоке АЦП. Фильтрация призвана ограничить полосу частот принимаемого

группового сигнала ADSL диапазоном 26...1104 кГц с целью подавления помех

от сигналов аналогового телефонного аппарата и высокочастотных помех вне

рабочего диапазона частот. Коэффициент усиления этой цепи близок к единице.

Аналого-цифровой преобразователь имеет не менее 12-ти разрядов, что

определяется необходимым динамическим диапазоном преобразования, обуслов-

ленным требованиями эхокомпенсации. Эхокомпенсатор (ЭК) представляет

собой адаптивный фильтр (см. рисунок 2.9), включаемый между выходом пе-

редатчика и входом приемника параллельно дифсистеме, разделяющей вход-

ные и выходные системы приемной части. Коэффициенты фильтра адаптиру-

ются таким образом, чтобы его частотная характеристика повторяла передаточ-

ную функцию цепи, по которой сигнал передатчика поступает на вход своего

приемника. В результате на входы вычитающего устройства эхокомпенсатора

поступают близкие по форме сигналы с выхода фильтра и дифсистемы, кото-

рые вычитаются. Одно из требований, выдвигаемых системой ЭК, заключается в

равенстве частот дискретизации сигналов передатчика и приемника каждого из

модемов до момента компенсации эхосигнала. Условием же оптимального

приема является когерентность принимаемых и опорных сигналов.

На вход

корректора поступает дискретизированный сигнал S(qτ), q = 0, 1, 2, ... , пред-

ставляющий собой групповой сигнал ADSL, прошедший через канал связи.

Реализация корректора в частотной области предполагает выполнение

операций разбиения входной дискретной последовательности на секции дли-

тельности L отсчетов (блок секционирования), вычисление спектра полу-

ченных отрезков сигнала

умножение его на передаточную функцию коррек-

тора канала, выполнение обратного ДПФ и "сшивание" полученных отрезков

Раздел 5. Глобальные сети связи

375

сигнала. Для первоначальной настройки корректора передается настроечный

(известный на приеме) сигнал. Настроечная последовательность используется

для адаптации параметров корректора канала.

Методы коррекции линейных искажении АЧХ и ФЧХ канала связи в

ADSL не гарантируют идеальность частотных характеристик в пределах полосы

частот каждого индивидуального канала системы передачи. Это приводит к то-

му, что демодулированные сигналы отличаются от сигналов, сформированных

передатчиком как по амплитуде, так и по фазе. Для устранения этой неопре-

деленности, вносимой каналом связи, с целью реализации оптимального

Рисунок 5.13 – Структурная схема приемной части ADSL-модема

Компьютерные сети

376

приема в каждом канале ADSL по специальным алгоритмам оцениваются

отклонения коэффициента усиления и фазы, а затем они компенсируются.

Поэтому демодулятор ADSL наряду с корректором частотных характеристик

канала связи содержит также компенсатор линейных искажений индивидуальных

сигналов, включаемый на выходе блока ДПФ демодулятора. Практически алго-

ритм компенсации реализуется в виде двух независимых цепей автоматического ре-

гулирования: отдельно коэффициента усиления (АРУ) и отдельно фазы. Каждому

из принимаемых векторов сигнала решающее устройство ставит в соответст-

вие двоичный кодовый символ. Кодовые символы всех каналов объединяются

в общую последовательность, которая подвергается операциям декодирова-

ния, дескремблирования и разделения на стандартизованные потоки. Эти

операции являются обратными по отношению к тем, что применялись в пе-

редатчике ADSL.

Как уже отмечалось, система передачи многочастотных ортогональных

сигналов способна распределять число бит передаваемой информации таким

образом, что скорость передачи информации по каналу связи максимизиру-

ется. На этапе инициализации системы приемник оценивает отношения сиг-

нал/помеха в каждом канале модема с помощью специальных алгоритмов.

Затем на основании этих данных рассчитывает оптимальный спектр переда-

ваемого группового сигнала и оптимальное распределение передаваемой по

каналам информации. Результаты этих расчетов посылаются на передатчик.

Схема распределения частотного диапазона линии связи при использо-

вании ADSL-модема показана на рисунке 5.14.

Рекомендации ITU-Т регламентируют параметры передаваемых систе-

мами передачи сигналов и алгоритмы их формирования, не ограничивая воз-

можности разработчиков в области применения алгоритмов обработки сигна-

лов на приеме.

Рисунок 5.14

–

Использование частотного диапазона линии связи в

ADSL

Раздел 5. Глобальные сети связи

377

5.2.4. Модемные протоколы передачи файлов

Наиболее часто применяемой функцией сетевого программного обес-

печения является передачи файлов. Она осуществляется с помощью специ-

альных протоколов передачи файлов. Выбор и использование протокола пе-

редачи файлов может производиться пользователем в явном виде, как это

делается в терминальных программах, так и в неявном, например, в игровых

программах, поддерживающих модемную связь. Основными задачами про-

токолов передачи файлов являются:

 обеспечение безошибочной передачи данных;

 управление потоком передаваемых данных;

 передача вспомогательной информации;

 защита соединения.

Задача безошибочной передачи данных по каналам связи с помехами и

по сегодняшний день остается одной из основных в компьютерных сетях.

Для защиты информации передаваемые данные разбиваются на блоки (кад-

ры) определенной длины, и в каждый из них включается проверочная ком-

бинация для обнаружения ошибок. Эта комбинация формируется по опреде-

ленному правилу на основе передаваемых информационных битов блока. На

приемной стороне производится повторное вычисление проверочной комби-

нации по тому же правилу и сравнение ее с принятой. При совпадении про-

верочных комбинаций принимающая сторона посылает подтверждение пра-

вильного приема блока, а при несовпадении – запрос на повторную передачу

данного блока.

Перед непосредственной передачей файла необходимо установить со-

единение на уровне канала данных (уровень 2 модели ВОС), передать ин-

формацию о имени файла, его размере, дате последней его модификации и

т.п., а после передачи - произвести разъединение канала данных. Все это

осуществляется при помощи вспомогательной служебной информации, пе-

редаваемой по каналу связи.

В последние годы в функции протоколов передачи файлов включают

защиту соединения, например проверку пароля. Среди протоколов, рассчи-

танных на отсутствие аппаратной защиты от ошибок можно выделить ши-

роко распространенные протоколы Xmodem, Xmodem-CRC, Xmodem- 1K,

Ymodem, Kermit и ряд других.

Если же применяются модемы с аппаратной коррекцией ошибок (под-

держивающие протоколы типа MNP или V.42), то предпочтительней исполь-

зовать протоколы передачи файлов типа Ymodem–g и Zmodem. В этом слу-

чае исключается потеря времени на повторный запрос данных, передавае-

мых с ошибками. Протоколы типа Zmodem допускают оба варианта приме-

Компьютерные сети

378

нения.

Известны специализированные протоколы, предназначенные для оп-

ределенных служб и сетей, такие как SEALink, Telnet, Compuserve Quik B.

Практически все они являются модификациями протокола Xmodem. Рас-

смотрим подробнее наиболее распространенные протоколы передачи фай-

лов.

Протокол Xmodem, благодаря широкому использованию в справоч-

ных службах и введению в недорогие связные программы для РС, стал фак-

тически стандартом для связи между персональными компьютерами.

Компьютер-источник начинает передачу файла только после приема от

удаленного компьютера знака NAK (Negative AcKnowledge), представляю-

щего собой последовательность 0010101 в кодировке ASСII. Принимающая

станция передает эту последовательность несколько раз, пока не начинается

передача собственно файла. Однако если передано 9 знаков NAK, а передача

файла не началась, процесс прерывается.

После приема знака NAK источник передает знак начала блока SOH

(Start Of Header), код 01h, два номера блока (сам номер и его двоичное до-

полнение до единицы), блок данных из 128 байтов и контрольную сумму

блока CS (Check Sum). Блоки нумеруются по модулю 256. Контрольная сум-

ма в 1 байт представляет собой остаток от деления на 255 суммы значения

кодов ASCII знаков, входящих в блок данных. Формат передаваемого кадра

протокола Xmodem показан на рисунке 5.15.

Принимающий компьютер тоже вычисляет контрольную сумму и

сравнивает ее с принятой. Если сравниваемые значения различны, либо

прошло 10 секунд, а прием блока не завершен, принимающий компьютер

посылает передатчику знак NAK, означающий запрос на повторную переда-

чу последнего блока. Если блок был принят правильно, приемник передает

подтверждение правильности приема знаком ACK (Acknowledge, кодовая

комбинация 16h). В случае, если последующий блок не поступил в течении

10 с, то передача знака ACK повторяется несколько раз, пока блок не будет

принят правильно. После девяти неудачных попыток передачи блока связь

прерывается. Перерыв в передаче блока свыше 10 секунд считается переры-

вом связи.

В протоколе используется двукратная передача номера блока. Это ис-

ключает повторную выдачу получателю одного и того же блока из-за потери

Рисунок 5.15 – Формат блока протокола XModem