ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ В системах передачи данных, телеграфной и факсимильной связи передача сообщений осуществляется с помощью электрических сигналов. Сигнал (в теории информации и связи) — носитель информации, используемый для передачи сообщений в системе связи. Виды сигналов: 1) По физической среде носителя данных: электрический сигнал, оптический сигнал, акустический сигнал электромагнитный сигнал. 2) По способу задания: регулярные сигналы нерегулярные сигналы. 3) В зависимости от функций, которые описывают все параметры сигнала, методы передачи данных: Аналоговый (или непрерывный) сигнал представляет собой физический процесс, информационная характеристика которого изменяется плавно. Например, плавно изменяющийся электрический сигнал (рис. 1) Дискретный сигнал представляет собой физический процесс, информационная характеристика которого изменяется скачкообразно и может принимать только некоторый ограниченный набор значений (рис. 2). Например, лампа, включенная в электрическую цепь. Лампа может либо гореть, либо не гореть. Если лампа горит, это служит сигналом о том, что в цепи есть ток. Если не горит – тока нет Цифровой сигнал – это частный случай дискретного сигнала, когда информационная характеристика принимает только два возможных значения: либо есть сигнал, либо нет сигнала (рис.3).Устройства, использующие для передачи информации цифровые сигналы, называются цифровыми устройствами. Внутри таких устройств передача производится чаще всего с помощью электрического сигнала. Его два возможных значения: либо нет напряжения (когда передаётся 0), либо есть напряжение определенной величины (когда передаётся 1). Зарегистрированные сигналы представляют собой данные. Данные – это информация, представленная в формализованном виде и предназначенная для обработки ее техническими средствами, например, ПК. Для преобразования аналогового сигнала (речь, изображение) в цифровую форму применяется кодирование. Процесс представления дискретных данных в виде физических сигналов для их передачи по каналам связи называется физическим кодированием. Основные типы физического кодирования: на основе непрерывного (аналогового) синусоидального несущего сигнала (аналоговая модуляция); на основе последовательности прямоугольных импульсов (цифровое кодирование). Аналоговая модуляция Аналоговая модуляция - способ представления дискретных (цифровых) данных в виде непрерывного синусоидального сигнала (несущей). Аналоговая модуляция применяется для передачи дискретных данных в виде непрерывных сигналов по каналам с узкой полосой частот, например по каналам тональной частоты (ТЧ) в телефонных сетях с полосой пропускания 3100 Гц. Устройство, выполняющее функции модуляции несущей синусоиды на передающей стороне и демодуляции на приемной стороне, называется модемом (модулятор-демодулятор). В простейшем случае двоичные данные могут быть представлены потенциалами высокого уровня для «1» и потенциалами низкого уровня для «0» (рис.4,а). Такой способ кодирования называется потенциальным и используется обычно при передаче данных между блоками компьютера. Основные методы аналоговой модуляции (рис.4): · амплитудная модуляция (рис.4,б): для представления «1» и «0» используются разные уровни амплитуды несущей; из-за низкой помехоустойчивости этот способ на практике обычно применяется в сочетании с другими видами модуляции, например фазовой модуляцией; · частотная модуляция (рис.4,в): значения «0» и «1» передаются синусоидами с различной частотой – f0 и f1; этот способ модуляции прост в реализации и обычно применяется в низкоскоростных модемах; · фазовая модуляция (рис.4,г): значениям «0» и «1» соответствуют синусоиды одинаковой частоты, но с различной фазой, например 0 и 180 градусов. В скоростных модемах обычно используются комбинированные методы модуляции, например амплитудная модуляция в сочетании с фазовой. Рис.4 - Методы аналоговой модуляции Цифровое кодирование 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. Наиболее распространенными являются следующие цифровые коды: 1) NRZ-код (Non Return to Zero – без возврата к нулю); NRZ-код использует следующее представление битов: биты 0 представляются нулевым напряжением (0 В); биты 1 представляются напряжением +U В. 2) RZ-код (Return to Zero – код с возвращением к нулю); Цифровые данные в этом коде представляются следующим образом: биты 0 представляются нулевым напряжением (0 В); биты 1 представляются значением +U В в первой половине бита и нулевым напряжением (0 В) – во второй половине бита. 3) PE-код (Phase Encode – фазовое кодирование) или манчестерский код; При фазовом кодировании используется следующее представление битов: биты 1 представляются значением +U в первой половине и напряжением –U – во второй половине; биты 0 представляются значением –U в первой половине и напряжением +U – во второй половине. Аналогичный манчестерский код, в котором символ 1 передается двоичной парой 10, а символ 0 – парой 01. 4) AMI (Alternate Mark Inversion) – биполярный код с поочередной инверсией уровня. AMI-код использует следующие представления битов: биты 0 представляются нулевым напряжением (0 В); биты 1 представляются поочередно значениями –U или +U (В). Возможность кодирования сообщения 1010011 с помощью перечисленных кодов иллюстрируется с помощью рис.5. Рис. 5 - Иллюстрация самосинхронизирующих кодов Коммутация каналов, пакетов, сообщений Коммутация — процесс создания последовательного соединения функциональных единиц, каналов передачи или каналов связи на то время, которое требуется для транспортировки сигналов. При передаче сообщений используются следующие основные способы коммутации: коммутация каналов (circuit switching); коммутация пакетов (packet switching); коммутация сообщений (message switching). Коммутация каналов подразумевает образование непрерывного составного физического канала из последовательно соединенных отдельных канальных участков для прямой передачи данных между узлами. Отдельные каналы соединяются между собой специальной аппаратурой коммутаторами, которые могут устанавливать связи между любыми конечными узлами сети. В сети с коммутацией каналов перед передачей данных всегда необходимо выполнить процедуру установления соединения, в процессе которой и создается составной канал. Время передачи сообщения при этом определяется пропускной способностью канала, длинной связи и размером сообщения. Коммутация сообщений – способ коммутации, при котором в каждой системе коммутации производится прием сообщения, его накопление и последующая передача в соответствии с адресом. Происходит разбиение информации на сообщения, каждый из которых состоит из заголовка и информации. Это способ взаимодействия, при котором создается логический канал, путем последовательной передачи сообщений через узлы связи по адресу указанному в заголовке сообщения. При этом каждый узел принимает сообщение, записывает в память, обрабатывает заголовок, выбирает маршрут и выдает сообщение из памяти в следующий узел. Время доставки сообщения определяется временем обработки в каждом узле, числом узлов и пропускной способности сети. Когда заканчивается передача информации из узла А в узел связи В, то узел А становится свободным и может участвовать в организации другой связи между абонентами, поэтому канал связи используется более эффективно, но система управления маршрутизации будет сложной. Сегодня коммутация сообщений в чистом виде практически не существует. Коммутация пакетов - все передаваемые пользователем сети сообщения разбиваются в исходном узле на сравнительно небольшие части, называемые пакетами. Пакет - единица информации, передаваемой по компьютерной сети. Компоненты пакета группируются по трем разделам: 1) заголовок - часть пакета, содержащий следующую информацию: адрес источника; адрес место назначения; информацию, синхронизирующую передачу. 2) данные - это часть пакета, содержащая собственно передаваемые данные. Для большинства сетей размер пакета составляет от 512 байт до 4 Кбайт; 3) трейлер - это часть пакета, содержащая информацию для проверки ошибок при приеме пакета. Содержимое трейлера зависит от протокола связи. Чаще всего трейлер содержит информацию для проверки ошибок, называемую избыточным циклическим кодом (Cyclical Redundancy Check, CRC). CRC – это число, получаемое в результате математических преобразований данных пакета и исходной информации. Когда пакет достигает места назначения, эти преобразования повторяются. Если результат совпадает с CRC – пакет принимается без ошибок. В противном случае передача пакета повторяется. 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. Формат и размер пакета зависят от типа сети. Максимальный размер пакета определяет количество пакетов, которое будет создано сетевой ОС для передачи большого блока данных. При разбиении данных на пакеты сетевая ОС добавляет к каждому пакету специальную управляющую информацию, которая обеспечивает передачу исходных данных небольшими блоками, сбор данных в определенном порядке (при их получении), проверку данных на наличие ошибок (после сборки). Cпособы передачи пакетов в сетях: Дейтаграммный способ – передача осуществляется как совокупность независимых пакетов. Каждый пакет двигается по сети по своему маршруту и пользователю пакеты поступают в произвольном порядке. Логический канал - это передача последовательности связанных в цепочки пакетов, сопровождающихся установкой предварительного соединения и подтверждением приема каждого пакета. Если i-ый пакет не принят, то все последующие пакеты не будут приняты. Виртуальный канал – это логический канал с передачей по фиксированному маршруту последовательности связанных в цепочки пакетов. Коммутаторы пакетной сети отличаются от коммутаторов каналов тем, что они имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов, если выходной порт коммутатора в момент принятия пакета занят передачей другого пакета. В компьютерных сетях применяется коммутация пакетов.
