КАНАЛ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

ЛЕКЦИЯ 11
КАНАЛ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Классификация каналов передачи данных
Функциональная структура канала передачи данных
Синхронизация
Модуляция
Кодирование
Протоколы передачи файлов
Помехи искажения*
Основной
пpактический
pезультат:
как
выбрать
методл
модуляции
Основной теоретический pезультат: теоретические основы построения канала
передачи данных
Самостоятельная работа
1. Лабораторная работа 9: Модемы и модемная связь
2. Ознакомиться с Глоссарием.
3. Подготовить реферат " Помехи искажения"
1 Классификация каналов передачи данных
Организация процедур обмена данными в СиСТОД требует по крайней мере 2-х
основных задач:
1 Дистанционная транспортировка данных.
2 Перераспредение данных информационных потоков по адресам.
Первая задача решается с помощью организации трактов ТОД на базе
коммуникационных
средств.
Вторая задача решается аппаратно-программными средствами коммутации, а также
управлением потоками данных.
Реализация коммутационных процессов осуществляется с помощью каналов ТОД.
В СиСТОД различают 4 типа каналов, через которые организуется взаимодействие
прикладных процессов пользователей.Это каналы:
 логический;
 транспортный;
 информационный;
 физический.
Логический канал организует взаимодействие процессов и должен обеспечивать
полную
или
частичную
прозрачность
пользовательских
процессов.
Прозрачность - возможность системы обеспечивать передачу данных асобого типа.
Транспортный канал - условное соединение верхних и нижних уровней,
реализующих взаимодействие процессов обмена данными между абонентскими
системами. Имеется 3 фазы: фаза запроса, фаза передачи, фаза разъединения. Является
абстрактной
связью
между
верхними
и
нижними
блоками.
Организация управления - реализация какой-либо процедуры по управлению.
Информационный канал - условное логическое соединение, предназначенное для
информационного взаимодействия между процессами смежных сетевых уровней.
Физический канал - канал передачи данных (КПД).
Рис. 1. Классификация каналов
2 Функциональная структура канала передачи данных
Рис.2 - Структура средств передачи данных
Рис.3 - Структура канала передачи данных
АПД и КС образуют КПД.
УПС и КС (среда распространения) образуют непрерывный канал связи.
КПД может быть симплексным, дуплексным и полудуплексным.
ИИ - источник информации и устройство сопряжения (УС), является составной
частью оконечного оборудования данных (ООД). В качестве ООД могут выступать
ЭВМ, абонентские пункты, абонентские системы, терминалы. Устройство защиты от
ошибок (УЗО) обеспечивает защиту передаваемой информации с помощью
помехоустойчивого кодирования. Устройство преобразования сигналов (УПС)
выполняет функции по преобразованию сигналов пригодных для распространения по
заданным каналам связи (КС). Бывают 2 типа : для телефонных каналов (модемы), для
телеграфных каналов (телекс).
КС - среда распространения сигналов (эфир, кабельные линии).
УЗО и УПС образуют аппаратуру передачи данных (АПД). В современных
системах (модемах, факсах) УЗО и УПС совмещение часто входит в состав ООД.
ПС - получатель сообщений.
По направлению и порядку передачи линии последовательной связи
подразделяются на симплексные , дуплексные и полудуплексные.
Симплексная линия - передача данных происходит только в одном направлении
(например от ЭВМ к ПУ ).
Дуплексная линия - передача данных осуществляется в обоих направлениях
независимо и одновременно ( связь двух ЭВМ ). Пример: для ПЭВМ класса IBM
IPC(XT) канал "стык" (RS 232).
Полудуплексная линия - передача данных осуществляется в обоих направлениях ,
но при этом в каждый момент времени данные могут передаваться только в одном
направлении ( в терминальном оборудовании под полудуплексным понимают такой
режим работы , при котором вводимые символы выводятся на экран дисплея локально).
Преобразование данных осуществляется в соответствии со схемой рис. 4
Рис. 4 - Схема преобразования информации
Пусть B 10111101 , A 10111001
1 - ввели В ООД
2 - поизведено кодиpование в двоичные коды
3 - пpоизведеноа кодо-импульсная модуляция ( амплитудная)
4 - пpоизведена синусоидальная модуляция (непpеpавная )
5 - скоppектиpована полоса частот сигнала ( база сигнала)
6 - искажение информации при прохождении среды
7- демодуляция сигнала и фильтpация
8 - восстановление сигнала ( pегистpация)
9 - декодиpование пpинятого символа
10 - выбоp символа из таблицы кодиpовок
3 Синхронизация
Пpи пpиеме инфоpмации важно, чтобы моменты начала и конца пpинимаемых
сигналов были точно опpеделены. Иначе возможны ошибки pегистpации.
Чтобы этих ошибок не возникало коммуникационное оборудование олжно быть
синхронизировано.
С и н х p о н н ы м и называют две последовательности, если соотвествующие события
наступают одновpеменно.
Если синхpонизация абсолютно точная, т.е. полностью совпадают события, то
такие последовательности называют синфазными.
С и н ф а з н ы м и называют две последовательности, если идентичные события
наступают одновpеменно.
Если последовательности синфазны, то они обязательно и синхpонны, но не
наобоpот.
По способу передачи линии подразделяются на синхронные и асинхронные. При
синхронной передаче вместе с данными передается сигнал синхронизации, частоты
работы приемника и передатчика точно совпадают, промежутки между данными четко
регламентированы и в ряде случаев заполняются передачей специального символа. При
асинхронной передачи сигнал синхронизации отсутствует, частоты передатчика и
приемника могут несколько различаться , т.к. при приеме каждого символа происходит
ресинхронизация приемника, промежутки между данными произвольные. Однако, для
достижения этих возможностей при асинхронной передаче в каждый передаваемый
элемент вводится дополнительная информация.
Стандартный формат асинхронной передачи показан на Рис.1. В режиме молчания
на линии сохраняется уровень маркера сигнала. Передача инициируется в любой
момент посылкой стартового бита которая переводит линию в состояние пробела на
время , точно равное времени передачи бита. Затем происходит передача битов данных
начиная с младшего, затем передается дополнительный бит контроля по четности или
нечетности ( обеспечивая четное или нечетное общее количество единиц в битах
данных), завершает посылку сигнал маркера в течении 1, 1.5, 2 времен передачи бита
стоп-бит. Промежуток времени от начала стартового бита до конца стоп-битов
называется кадром.
В линиях последовательной передачи передатчик и приемник должны быть
согласованы по всем параметрам формата данных включая время передачи бита ( с
точностью до нескольких процентов).
4 Модуляция
Она позволяет передавать сигнал на неограниченные растояния. При этом
происходит переход от дискретного вида сигнала к непрерывному. Т.о. модуляция
делится на два типа:
- аналоговая;
- дискретная.
Тип модуляции зависит от того, что выбирается в качестве носителя информации:
- амплитуда Uo(t);
- частота w;
- фаза t.
Модуляция делится на:
- амплитудную;
- частотную;
- фазовую.
Часто значение w и t выбирается в виде дискретных величин.
Возможна смешанная модуляция для повышения помехозащищенности. Сейчас
широко используется частотная и фазовая модуляции.
1. Модуляция со сдвигом частоты ( Frequency Shift Keying - FSK )
основана на том, что информация представляется несущей со сдвигами частоты
передаваемого сигнала на одну из небольшого набора частот.
2. Фазонепрерывная модуляция сдвигом частоты ( Phase-continuous FSK). PFSK
При ней изменение частоты сигнала осуществляется непрерывно (плавный переход от
низкой
к
высокой
частоте).
Для
этого
используется
генератор.
3. Фазокогерентная модуляция сдвигом частоты - (Phase-coherent FSK) разновидность
FSK-модуляции. Две частоты используются совместно для одной скорости передачи, а
переход между частотами осуществляется при пересечении нулевого уровня сигнала
несущей. Мерой интенсивности изменения состояния среды передачи и управляющих
устройств является скорость, измеряемая в бодах. Таким образом, скорость в бодах в
системе амплитудной модуляцией определяет скорость, с которой амплитуда сигнала
меняется от одного значения к другому. В простых системах, где каждый из
возможных уровней модулированного сигнала служит для представления одной
двоичной цифры (0 или 1), скорость передачи данных в бодах равна значению
максимальной скорости передачи последовательности бит. Для пользователей и
проектировщиков ЭВМ представляет большой интерес скорость пересылки бит, а не
скорость, с которой может меняться состояние среды передачи. Скорость передачи
последовательности бит можно повысить по сравнению со скоростью обмена в бодах,
если просто использовать каждый из возможных уровней сигнала для одновременного
представления более чем одного бита. Хотя этот прием и не часто применяется в
системах с амплитудной модуляцией, с помощью четырех различных уровней
амплитуды можно представить четыре пары сочетаний бит: 00, 01, 10 и 11. Возможно
использование более чем четырех уровней для переноса соответственно большего
количества информации, но по мере увеличения числа используемых уровней
усложняется конструкция модемов, которые должны различать уровни сигнала среди
всех шумов, появляющихся в сетях связи. По этим причинам для обеспечения больших
скоростей передачи данных прибегают к частотной и фазовой модуляции.
4. Двубинарная амплитудно-фазовая модуляция ( Doubinary AM/PSK modulation) данные предварительно кодируют и передают в виде двубинарных импульсов, а затем
осуществляется
модуляция
и
по
амплитуде
и
по
фазе.
5. Многоуровневая двубинарная амплитудно-фазовая модуляция - ( Multi-level
doubinary AM/PSK) -это двубинарная амплитудно-фазовая модуляция, которая
использует больше чем 2 уровня амплитудной модуляции.
Модуляция
дискретного
сигнала.
Дискретный сигнал может быть модулирован и
ределяется формой переносчика информации. До и
имеем дискретную последовательность и дискретный сигнал
Различают:
1) Амплитудноимпульсную;
2) Частотноимпульсную;
3) Фазоимпульсную;
4) Широтноимпульсные ( Шириной импульса ).
Широтно импульсная модуляция имеет вид:
его модуляция
после модуляции
опмы
3) Использование манчестерского кода.
В месте ошибки, обозначенном "*" (Рис. 6.3.2), происходит сдвиг фазы.
При демодуляции (декодировании) информация снимается в точках перехода (точках
несовпадения фаз), т.е. фиксируются моменты изменения фазы, в которые происходит
изменение 1 на 0 и в приемном устройстве должен быть точно известен период
следования. Модуляция pеализуется в модеме.
5 Кодирование
Кодирование - замена одного набора информационных символов другим набором.
Информационные
символы
преобразуются
двоичным
кодом.
Различают
инфоpмационное кодиpование, помехоустойчивое и компpессионное. В системах
передачи данных (СПД) существует 4 способа кодирования.
1)
Проверка
на
четность
или
нечетность.
Например, магнитная лента делится на 8 дорожек 7 из которых информационные, а
восьмая проверочная. В ней записывается результат проверки на четность столбца (
Рис. 6.3.1 ). Через несколько таких инфомационных столбцов, например через 7,
ставится восьмой, который содержит проверку на четность впереди идущих семи
битов. Таким образом, информация записывается матрицами 8 на 8 и проверяются
только проверочные строки и столбцы. Если бит в информационной части
соответствующей матрицы был записан не правильно, то он однозначно
идентифицируется как пересечение неправильных элементов в проверочных строке и
столбце.
На рис. 6.3.1 информационный блок А был принят с ошибкой в первой позиции
первого столбца, а блок В был принят без ошибок. Данный алгоритм проверки,
конечно, не может гарантировать 100% -ю правильность приема, но вероятность
правильного приема существенно увеличивает. Добавляет 1 бит
2) Использование циклической суммы. Добавляет 1 байт.
3) Процедуры исправления и обнаружения ошибок. Все возможные комбинации
кодов символов разделяют на разрешенные и запрещенные.
4) Использование циклического кода. Добавляет 1-2 байта.
5) Использование дpугого алфавита - для копpессии.
Кодиpование исползуют в модеме для защиты от помех и для компpессии.
Для защиты от ошибок используют CRC ( Cyclic Redundacy Chek )-циклический
избыточный код.
CRC-12 X12 + X11 + X3 + X2 + X1 + 1, используется пpи длине символов 6 бит
CRC-16 X16 + X15 + X2 + 1, используется пpи длине символов 8 бит. Обнаpуживает
все одиночные и двойные ошибки, все ошибки с нечетным числом бит, все гpупповые
ошибки длиной 16 бит и меньше. 99.97% 17 битовых ошибок, 99.98% 18 битовых
гpупповых ошибок.
CRC-CCITT X16 + X12 + X5 + 1
CRC-32 X32+ X26+ X23+ X16+ X12+ X11+ X10+ X8 + X7+ X5+ X4+ X2+ X1 + 1
Компрессия
Lempel-Ziv алгpитм для компpессии данных, двухмеpное адаптивное.
Компрессия (сжатие) данных включает различные методы, подобные кодированию
Хаффмана или групповому кодированию (run length coding). Первый метод испоьзует
кодирование часто встречающихся символов короткими последовательностями бит, а
редких символов - длинными последовательностями. Во втором методе передается
значение бита и длина цепочки одинаковых битов вместо передачи всей цепочки.
Главной чертой протоколов компрессии является буферизация данных с последующим
их сжатием и передачей другому модему. Получивший сжатые данные модем должен
выпонить обратное преобразование. Алгоритмы сжатия данных подобны алгоритмам,
используемым программами сжатия ARC, ZIP и ARJ. Код программы компрессии
хранится в ПЗУ модема и обеспечивает компрессию в реальном времени. Степень
сжатия зависит от характера данных. Например, исполняемые файлы PC могут быть
сжаты на 40-50%. Сжатие текстовых файлов может достигать 100% (вдвое).
Протоколы V.42 и V.42bis.
Протокол с коррекцией ошибок и преобразованием асинхронный-синхронный.
Протокол использует метод компрессии, при котором определяется частота появления
отдельных символьных строк и происходит их замена на последовательности символов
меньшей длины. Этот метод компрессии носит название Lempel-Ziv. Данный метод
компрессии обеспечивает 50% сжатие текстовых файлов. Вместе с 20% выигрышем от
синхронного преобразования это увеличивает эффективность на 60%
Метод кодирования 4B/5B
10 Мб/с версии Ethernet используют манчестерское кодирование для представления
данных при передаче по кабелю. Метод кодирования 4B/5B определен в стандарте
FDDI, и он без изменений перенесен в спецификацию PHY FX/TX. При этом методе
каждые 4 бита данных MAC-подуровня (называемых символами) представляются 5
битами. Использование избыточного бита позволяет применить потенциальные коды
при представлении каждого из пяти бит в виде электрических или оптических
импульсов. Потенциальные коды обладают по сравнению с манчестерскими кодами
более узкой полосой спектра сигнала, а, следовательно, предъявляют меньшие
требования к полосе пропускания кабеля. Однако, прямое использование
потенциальных кодов для передачи исходных данных без избыточного бита
невозможно из-за плохой самосинхронизации приемника и источника данных: при
передаче длинной последовательности единиц или нулей в течение долгого времени
сигнал не изменяется, и приемник не может определить момент чтения очередного
бита.
При использовании пяти бит для кодирования шестнадцати исходных 4-х битовых
комбинаций, можно построить такую таблицу кодирования, в которой любой исходный
4-х битовый код представляется 5-ти битовым кодом с чередующимися нулями и
единицами. Тем самым обеспечивается синхронизация приемника с передатчиком. Так
как исходные биты MAC-подуровня должны передаваться со скоростью 100Мб/c, то
наличие одного избыточного бита вынуждает передавать биты результирующего кода
4B/5B со скоростью 125 Мб/c, то есть межбитовое расстояние в устройстве PHY
составляет 8 наносекунд.
Так как из 32 возможных комбинаций 5-битовых порций для кодирования порций
исходных данных нужно только 16, то остальные 16 комбинаций в коде 4В/5B
используются в служебных целях.
8B\6T
В 100Base-T4 вместо кодирования 4B/5В
используется кодирование 8B/6T.
Каждые 8 бит информации MAC-уровня кодируются 6-ю троичными цифрами (ternary
symbols), то есть цифрами, имеющими три состояния. Каждая троичная цифра имеет
длительность 40 наносекунд. Группа из 6-ти троичных цифр затем передается на одну
из трех передающих витых пар, независимо и последовательно. Четвертая пара всегда
используется для прослушивания несущей частоты в целях обнаружения коллизии.
Скорость передачи данных по каждой из трех передающих пар равна 33.3 Мб/c,
поэтому общая скорость протокола 100Base-T4 составляет 100 Мб/c. В то же время изза принятого способа кодирования скорость изменения сигнала на каждой паре равна
всего 25 Мбод, что и позволяет использовать витую пару категории 3.
NRZ
Рассмотрим метод NRZI - Non Return to Zero Invert to ones - метод без возврата к
нулю с инвертированием для единиц. Этот метод представляет собой модификацию
простого потенциального метода кодирования, называемого Non Return to Zero (NRZ),
когда для представления 1 и 0 используются потенциалы двух уровней. В методе NRZI
также используется два уровня потенциала сигнала, но потенциал, используемый для
кодирования текущего бита зависит от потенциала, который использовался для
кодирования предыдущего бита (так называемое дифференциальное кодирование).
Если текущий бит имеет значение 1, то текущий потенциал представляет собой
инверсию потенциала предыдущего бита, независимо от его значения. Если же
текущий бит имеет значение 0, то текущий потенциал повторяет предыдущий.
Из описания метода NRZI видно, что для обеспечения частых изменений сигнала, а
значит и для поддержания самосинхронизации приемника, нужно исключить из кодов
слишком длинные последовательности нулей. Коды 4B/5B построены так, что
гарантируют не более трех нулей подряд при любом сочетании бит в исходной
информации. На рисунке 1.11 приведен пример кодирования последовательности бит
методами NRZ и NRZI.
Рис. 1.11. Сравнение методов кодирования NRZ и NRZI
Основное преимущество NRZI кодирования по сравнению с NRZ кодированием в
более надежном распознавании передаваемых 1 и 0 на линии в условиях помех.
6 Протоколы передачи файлов
Протоколы, используемые модемами для передачи файлов. Широко
растпространены протоколы передачи файлов Xmodem, Ymodem, Zmodem, в
мэйнфреймах используется также протокол Kermit.
Протокол Xmodem делит данные на блоки, каждый из которых содержит 128 байт
данных и 4-байтовую контрольную сумму. На приемном конце контрольная сумма
блока (128 байт) вычисляется заново и сравнивается с полученным в блоке значением.
Если суммы не совпадают, запрашивается повторная передача блока.
Zmodem - это быстрый протокол передачи данных, использующий окна. Zmodem
осуществляет передачу данных пакетами по несколько штук в окне. При этом
принимающий данные компьютер не передает сигнал подтверждения или сигнал
переспроса неправильного пакета, пока не получит все пакеты в окне. Протокол
Zmodem, так же как и протокол 1K Xmodem, может изменять длину пакета (блока) от
64 до 1024 байт в зависимости от качества линии. Кроме того, протокол обладает
следующей полезной особенностью: если при передаче файла произошел сбой на
линии и вы не успели передать весь файл, то в следующий раз при передаче этого же
файла он автоматически начнет передавать с того же места, где произошел обрыв
связи. Таким образом, очень большие файлы вы можете передавать по частям. Из всех
протоколов верхнего уровня, описанных выше, этот протокол самый быстрый и
удобный.
Используемая литеpатуpа:
1. Олифер В., Олифер Н. Компьютерные сетию -С-т Пб.:Питер, -2001. - 672 с.
2. Челиз Д, Перкинс Ч., Стриб М. Основы построения сетей. Учебное руководство
для специалистов MCSE. Microsoft Press.- M: Лорри, -1997. - 310 с.