Сети ЭВМ и телекоммуникации

Сети ЭВМ и телекоммуникации
•
•
•
•
Среда передачи
Кодирование данных
Пакетная передача данных
Стандарты Ethernet
Элементы систем цифровой связи
Клод Шеннон
Статья «Математическая теория связи» была опубликована в 1948 году. В
ней Шеннон изложил свои идеи, ставшие впоследствии основой
современных теорий и техник обработки, передачи и хранения
информации. Результаты его работ в области передачи информации по
каналам связи запустили огромное число исследований по всему миру.
Шеннон обобщил идеи Хартли и ввёл понятие информации,
содержащейся в передаваемых сообщениях. В качестве меры информации
передаваемого сообщения M, Хартли предложил использовать
логарифмическую функцию
Шеннон первым начал рассматривать передаваемые сообщения и шумы в
каналах связи с точки зрения статистики, рассматривая как конечные, так и
непрерывные множества сообщений. Развитая Шенноном теория
информации помогла решить главные проблемы, связанные с передачей
сообщений, а именно: устранить избыточность передаваемых сообщений,
произвести кодирование и передачу сообщений по каналам связи с
шумами.
Решение проблемы избыточности подлежащего передаче сообщения
позволяет максимально эффективно использовать канал связи.
Современные методы снижения избыточности в системах телевизионного
вещания на сегодняшний день позволяют передавать до шести цифровых
программ коммерческого телевидения, в полосе частот, которую занимает
обычный сигнал аналогового телевидения.
Полоса пропускания
• Полоса пропускания — диапазон частот, в
пределах которого амплитудночастотная характеристика (АЧХ)
акустического, радиотехнического,
оптического или механического
устройства достаточно равномерна для
того, чтобы обеспечить
передачу сигнала без существенного
искажения его формы.
Теорема Котельникова
Теорема Найквиста — Шеннона или теорема
отсчётов:
если аналоговый сигнал имеет конечный
(ограниченный по ширине) спектр, то он может быть
восстановлен однозначно и без потерь по
своим отсчётам, взятым с частотой, строго большей
удвоенной верхней частоты:
f>2fc
Скорость передачи информации
• Скорость передачи информации —
скорость передачи данных, выраженная
в количестве бит передаваемых за
единицу времени.
• Теоретическая верхняя граница скорости
передачи информации определяется
теоремой Шеннона-Хартли.
Канал с аддитивным шумом
• s(t) – передаваемый сигнал;
• n(t) – аддитивный шум;
• r(t) – принимаемый сигнал.
f(x) - тригонометрический ряд Фурье.
Теорема Шеннона-Хартли
Пропускная способность канала C (теоретическая верхняя граница скорости
передачи данных), на которой можно передать данные при средней мощности
сигнала S через аналоговый канал связи, подверженный аддитивному
белому гауссовскому шуму мощности N равна:
где
C— ёмкость канала бит в секунду;
B — полоса пропускания канала в герцах;
S — полная мощность сигнала над полосой пропускания, измеренной в
ваттах или вольтах в квадрате;
N — полная шумовая мощность над полосой пропускания, измеренной в
ваттах или вольтах в квадрате;
S/N — отношение сигнала к шуму, выраженное как отношение мощностей.
Методы аналоговой модуляции
Проблемы аналоговых сигналов
– Затухание;
– Искажение;
– Задержка;
– Шум.
Полоса пропускания среды
• Полоса пропускания среды – диапазон
частот, которые могут передаваться в этой
среде с минимальным затуханием.
• Это физическое свойство материала.
• Полоса варьируется обычно от 0 до какогото максимального значения и измеряется в
герцах (Гц).
Определения
• Скорость двоичной передачи, boud rate (в бодах) это число отсчетов (символов), совершаемых за
одну секунду.
• Битовой скоростью называется объем информации,
передаваемый по каналу за секунду.
• Все хорошие модемы используют
комбинированные методы модуляции сигналов
для передачи максимального количества бит в
одном боде.
Модуляция —
процесс изменения одного или нескольких
параметров высокочастотного несущего
колебания по закону низкочастотного
информационного сигнала (сообщения).
Виды модуляции
Цифровая модуляция
Аналоговая модуляция
• Амплитудная модуляция (АМ)
– Амплитудная модуляция с одной
боковой полосой (SSB — однополосная
АМ)
– Балансная амплитудная модуляция
(БАМ) — АМ с подавлением несущей
– Квадратурная модуляция (QAM)
• Угловая модуляция
– Частотная модуляция (ЧМ)
• Линейная частотная модуляция (ЛЧМ)
– Фазовая модуляция (ФМ)
• Сигнально-кодовая модуляция (СКМ), в
англоязычном варианте Signal Code
Modulation (SCM)
• Сигма-дельта модуляция (∑Δ)
Импульсная модуляция
• Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ или
PCM — Pulse Code Modulation)
– Дифференциальная импульсно-кодовая
модуляция (ДИКМ или DPCM — Differential
PCM)
• Адаптивная дифференциальная импульснокодовая модуляция (АДИКМ или ADPCM —
Adaptive DPCM)
•
•
•
•
•
•
•
Широтно-импульсная модуляция (ШИМ)
Амплитудно-импульсная модуляция (АИМ)
Частотно-импульсная модуляция (ЧИМ)
Скважностно-импульсная модуляция
Фазово-импульсная модуляция (ФИМ)
Дельта-модуляция (ДМ или Δ-модуляция)
Сигма-дельта-модуляция (ΣΔ)
Различные методы модуляции
• а) метод QPSK (Квадратурная фазовая манипуляция).
• б) QAM-16 (Quadrature Аmрlitudе Modulation) для передачи
9600 бит/с по линии с пропускной способностью 2400 бод.
• в) Метод QAM-64.
Стандарт v.32 bis
• Скорость передачи 33.6 Кбит
ADSL технология
• Разделение 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.
Развитие ADSL технологии
• Стандарт ADSL (ANSI Т1.413 и IТU G.992.1)
позволяет принимать входящий трафик со
скоростью 8 Мбит/с и отправлять
исходящий со скоростью 1 Мбит/с.
• Ограниченная пропускная способность в
сетях ADSL2+ до 29 Мбит/с .
• Тем не менее, лишь немногие провайдеры
обеспечивают работу с такими
параметрами.
Проблемы выбора кода
• Требуемая полоса пропускания кабеля при заданной
скорости передачи;
• Синхронизация приёма битов;
• Детектирование начала передачи;
• Детектирование окончания передачи;
• Требуемая аппаратура кодирования/декодирования;
• Количество уровней сигнала кода;
• Количество требуемых линий передачи;
• Возможности использования гальванической развязки;
• Возможности использования разных сред передачи.
Стандартные коды локальных сетей
Рассинхронизация приёма (NRZ)
Код NRZ
• Достоинства:
– Простота реализации;
– Минимальная пропускная способность канала.
• Недостатки NRZ:
– Плохая синхронизация;
– Фиксированная длина сообщений.
Код RZ
• Достоинство:
– Синхронизация при любой длине пакета.
• Недостатки:
– Большая полоса пропускания;
– Сложная передающая и принимающая аппаратура.
Манчестерский код
• Достоинства:
– Самосинхронизирующийся (не требует стартового и
конечного бита);
– двухуровневая система кодирования, соответствующая
ширина пропускания канала (50 МГц и 100МГц );
– легко убираются помехи в канале;
– это код используется в Ethernet.
Код 4В/5В (FDDI, Fast Ethernet)
Информация Код 4В/5В Информация
Код 4В/5В
0000
11110
1000
10010
0001
01001
1001
10011
0010
10100
1010
10110
0011
10101
1011
10111
0100
01010
1100
11010
0101
01011
1101
11011
0110
01110
1110
11100
0111
01111
1111
11101
Код 8В/6Т (100BASE-T4)
• 8 бит преобразуются в 6 трехуровневых сигналов, которые
передаются по трем парам одновременно (за 2 такта по 40 нс.).
• 12.5 МГц полоса пропускания (3 категория кабеля) пропускная
способность 100МГц.
Код 5В/6В (100VG-AnyLAN)
• 5 бит передаваемой информации передается
кодированием 6 бит по 4 витым парам (12 бит за 3
такта).
• Полоса пропускания 15 МГц (третья категория) для 100
Мбит в секунду.
Дополнительные коды NRZI и MLT-3
• Код NRZI: при нуле уровень не меняется, при единице — меняется на
противоположный (при кодировании 4b\5b дает хорошую
синхронизацию – нет больше трех нулей подряд).
• Код MLT-3: при нуле уровень не меняется, при единице — меняется
по цепочке: +U, 0, -U, 0 +U, 0, -U и т.д. (не трогает последовательности
нулей, будет хорошо синхронизироваться при 4b\5b кодировании).
Трёхуровневый
самосинхронизирующийся код
• Полоса пропускания как в NRZ, но есть
самосинхронизация в каждом бите.
Код PAM 5 (1000BASE-T)
• Код для Gigabin Ethrnet с пятью уровнями;
– средний уровень нет передачи;
– для двух бит есть синхронизация;
– постоянный уровень сигнала для двух бит.
•
Для гигабита требуется полоса пропускания 125 МГц. (используется по две
пары в каждую сторону и кабель пятой категории). Но хуже
помехоустойчивость.
Принципы создания новых кодов
• Обеспечение самосинхронизации:
– Введение дополнительных переходов:
• в пределах битового интервала;
• между битами;
– Введение дополнительных битов;
• Увеличение скорости передачи (или снижение
требований к среде передачи при заданной
скорости):
– Увеличение количества уровней сигнала (до 3-5);
– Увеличение количества линий передачи (до 2-4).
Ethernet
• Ethernét — стандарт пакетной технологии
компьютерных сетей.
• Стандарты Ethernet определяют проводные
соединения и электрические сигналы на
физическом уровне.
• Ethernet в описывается стандартами IEEE
группы 802.3.
• Ethernet стал самой распространённой
технологией ЛВС.
Формат кадра Ethernet