Среда передачи данных – совокупность линий передачи данных и блоков взаимодействия (т. е. сетевого оборудования, не входящего в станции данных), предназначенных для передачи данных между станциями данных. Среды передачи данных могут быть общего пользования или выделенными для конкретного пользователя.

Линия передачи данных – средства, которые используются в информационных сетях для распространения сигналов в нужном направлении. Примерами линий передачи данных являются коаксиальный кабель, витая пара проводов, световод.

Характеристиками линий передачи данных выступают зависимости затухания сигнала от частоты и расстояния. Затухание принято оценивать в децибеллах, 1 дБ = 10 Ig (Р1/Р2), где Р1 и Р2 – мощности сигнала на входе и выходе линии соответственно.

При заданной длине можно определить полосу пропускания (полосу частот) линии. Полоса пропускания связана со скоростью передачи информации. Различают бодовую (модуляционную) и информационную скорости. Бодовая скорость измеряется в бодах, т. е. числом изменений дискретного сигнала в единицу времени, а информационная -п числом битов информации, переданных в единицу времени. Именно бодовая скорость определяется полосой пропускания линии.

Если на бодовом интервале (между соседними изменениями сигнала) передается N бит, то число градаций модулируемого параметра несущей равно 2N. Например, при числе градаций 16 и скорости 1200 бод одному боду соответствует 4 бит/с и информационная скорость составит 4800 бит/с.

Максимально возможная информационная скорость V связана с полосой пропускания F канала связи формулой Хартли–Шеннона (предполагается, что одно изменение величины сигнала приходится на Iog 2 k бит, где k – число возможных дискретных значений сигнала), бит/с,

V = 2 F Iog 2 k,

где k = 1 + А; А – отношение мощности сигнала/мощности помехи.

Канал (канал связи) – средство односторонней передачи данных. Примером канала может быть полоса частот, выделенная одному пере­датчику при радиосвязи. В некоторой линии можно образовать несколь­ко каналов связи, по каждому из которых передается своя информация, т. е. линия разделяется между несколькими каналами. Существуют два метода разделения линии передачи данных: временное мультиплекси­рование (иначе разделение по времени, или TDM), при котором каждому каналу выделяется некоторый квант времени, и частотное разделение (FDM – Frequency Division Method), при котором каналу выделяется не­которая полоса частот.

Канал передачи данных – средства двустороннего обмена данными, включающие АКД и линию передачи данных.

По природе физической среды передачи данных (ПД) различают каналы передачи данных на оптических линиях связи, проводных (медных) линиях связи и беспроводные. В свою очередь, медные каналы могут быть представлены коаксиальными кабелями и витыми парами, а беспроводные – радио- и инфракрасными каналами.

В зависимости от способа представления информации электриче­скими сигналами различают аналоговые и цифровые каналы передачи данных. В аналоговых каналах для согласования параметров среды и сигналов применяют амплитудную, частотную, фазовую и квадратурно-амплитудную модуляции. В цифровых каналах для передачи данных используют самосинхронизирующиеся коды, а для передачи аналоговых сигналов – кодово-импульсную модуляцию.

Первые сети ПД были аналоговыми, поскольку использовали распространенные телефонные технологии. Но в дальнейшем устойчиво растет доля цифровых коммуникаций (это каналы типа Е1/Т1, ISDN, сети Frame Relay, выделенные цифровые линии и др.).

В зависимости от направления передачи различают каналы симплексные (односторонняя передача), дуплексные (возможность одновременной передачи в обоих направлениях) и полудуплексные (возможность попеременной передачи в обоих направлениях).

В зависимости от числа каналов связи в аппаратуре ПД различают одно- и многоканальные средства ПД. В локальных вычислительных сетях и в цифровых каналах передачи данных обычно используют временное мультиплексирование, в аналоговых каналах – частотное разделение.

Если канал ПД монопольно используется одной организацией, то такой канал называют выделенным, в противном случае канал является разделяемым или виртуальным (общего пользования).

Аналоговые каналы передачи данных . Наиболее распространенным типом аналоговых каналов являются телефонные каналы общего пользования (каналы тональной частоты). В каналах тональной частоты полоса пропускания составляет 0,3...3,4 кГц, что соответствует спектру человеческой речи.

Для передачи дискретной информации по каналам тональной частоты необходимы устройства преобразования сигналов, согласующие характеристики дискретных сигналов и аналоговых линий. Кроме того, в случае непосредственной передачи двоичных сигналов по телефонному каналу с полосой пропускания 0,3...3,4 кГц скорость передачи не превысит 3 кбит/с. Действительно, пусть на передачу одного бита требуются два перепада напряжения, а длительность одного перепада ТВ =
= (3...4)/(6,28 FB), где FB – верхняя частота полосы пропускания. Тогда скорость передачи есть В < 1/(2 ТВ).

Согласование параметров сигналов и среды при использовании аналоговых каналов осуществляется с помощью воплощения сигнала, выражающего передаваемое сообщение, в некотором процессе, называемом переносчиком и приспособленном к реализации в данной среде. Переносчик в системах связи представлен электромагнитными колебаниями U некоторой частоты, называемой несущей частотой:

U = U m sin (w t + у),

где U m – амплитуда; w – частота; у – фаза колебаний несущей.

Изменение параметров несущей (переносчика) по закону передаваемого сообщения называется модуляцией. Если это изменение относится к амплитуде U m , то модуляцию называют амплитудной (AM), если к частоте w – частотной (ЧМ), и если к фазе у – фазовой (ФМ). При приеме сообщения предусматривается обратная процедура извлечения полезного сигнала из переносчика, называемая демодуляцией. Модуляция и демодуляция выполняются в устройстве, называемом модемом.

Модем – устройство преобразования кодов и представляющих их электрических сигналов при взаимодействии аппаратуры окончания канала данных и линий связи. Слово «модем» образовано из частей слов «модуляция» и «демодуляция», что подчеркивает способы согласования параметров сигналов и линий связи – сигнал, подаваемый в линию связи, модулируется, а при приеме данных из линии сигналы подвергаются обратному преобразованию (рис. 3.24).

Рис. 3.24. Связь узлов сети с помощью модемов: М – модем; Т – терминал; КК – кластерный контроллер

Модем выполняет функции аппаратуры окончания канала данных.
В качестве оконечного оборудования обычно выступает компьютер, в котором имеется приемопередатчик – микросхема DART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter). Приемопередатчик подключается к модему через один из последовательных портов компьютера и последовательный интерфейс RS-232C, в котором обеспечивается скорость не ниже 9,6 кбит/с на расстоянии до 15 м.

Более высокая скорость (до 1000 кбит/с на расстояниях до 100 м) обеспечивается интерфейсом RS-422, в котором используются две витые пары проводов с согласующими сопротивлениями на концах, образующие сбалансированную линию.

Цифровые каналы передачи данных. Различают несколько технологий связи, основанных на цифровых каналах передачи данных.

Связь ООД с АКД (например, компьютера с модемом или низкоскоростными периферийными устройствами) чаще всего осуществляется при помощи последовательных интерфейсов RS-232C, RS-422 (их аналогами в системе стандартов ITU являются V.24, V.11), а связь ООД с цифровыми сетями передачи данных – при помощи интерфейсов Х.21, Х.35, G.703 * .

В качестве магистральных цифровых каналов передачи данных в США и Японии используют стандартную многоканальную систему Т1 (иначе DS-1). Она включает 24 цифровых канала, называемых DS-0 (Digital Signal-0). И каждом канале применена кодово-импульсная модуляция с частотой следования отсчетов 8 кГц и с квантованием сигналов по 256 уровням, что обеспечивает скорость передачи 64 кбит/с на один канал, или 1554 кбит/с на аппаратуру Т1. В Европе более распространена аппаратура Е1 с 32 каналами по 64 кбит/с, т. е. с общей скоростью 2048 кбит/с. Применяются также каналы ТЗ (или DS-3), состоящие из 28 каналов Т1 (45 Мбит/с) и Е3
(34 Мбит/с) преимущественно в частных высокоскоростных сетях.

В Т1 использовано временное мультиплексирование. Все 24 канала передают в мультиплексор по байту, образуя 192-битный кадр с добавлением одного бита синхронизации. Двадцать четыре кадра составляют суперкадр. В суперкадре имеются контрольный код и синхронизирующая комбинация. Сборку информации из нескольких линий и ее размещение в магистрали Т1 осуществляет мультиплексор. Канал DS-0 (один слот) соответствует одной из входных линий, т. е. реализуется коммутация каналов. Некоторые мультиплексоры позволяют маршрутизировать потоки данных, направляя их в другие мультиплексоры, связанные с другими каналами Т1, хотя собственно каналы Т1 называют некоммутируемыми.

При обычном мультиплексировании каждому соединению выделяется определенный слот (например, канал DS-0). Если же этот слот не используется из-за недогрузки канала по этому соединению, но по другим соединениям трафик значительный, то эффективность невысокая. Загружать свободные слоты, или, другими словами, динамически перераспределять слоты, можно, используя так называемые статистические мультиплексоры на основе микропроцессоров. В этом случае временно весь канал DS-1 либо его часть отдается одному соединению с указанием адреса назначения.

В современных сетях важное значение имеет передача как данных, представляемых дискретными сигналами, так и аналоговой информации (например, голос и видеоизображения первоначально имеют аналоговую форму). Поэтому для многих применений современные сети должны быть сетями с интеграцией услуг. Наиболее перспективными сетями с интеграцией услуг являются сети с цифровыми каналами передачи данных, например сети ISDN.

Чтобы комп-ры могли связаться между собой в сеть, они д. б. соединены между собой с пом. некот. физ. передающей среды. Осн. типами передающих сред, используемых в КС, являются:

аналоговые телефонные каналы общего пользования - передача д-ых может выполняться двумя способами:1) телеф. каналы ч/з телефонные станции физически соединяют 2 устр-ва, реализующие коммуникационные ф-ции с подключенными к ним компьютерами (выделенные линии или непосредственные соединения), 2) устан-ие соед-я с пом. набора телеф. номера (с использованием коммутируемых линий ). Качество передачи данных по выделенным каналам выше и соединение устанавливается быстрее. На каждый выделенный канал необх-мо свое коммуникац. устр-во, а при коммутируемой связи можно исп-ть для связи с другими узлами одно коммуникационное устройство.

цифровые каналы – м-ды передачи данных в дискретной (цифровой) форме по ненагруженным телеф. каналам. По цифровому каналу можно передавать и аналоговые информацию (голосовую, видео), преобразованную в цифровую форму. Наиболее высокие ск-ти на небольших расстояниях м. б. получены при исп-нии особым образом скрученной пары проводов (витой паре) ;

узкополосные и широкополосные кабельные каналы - или коаксиальные пары пред-т собой 2 цилиндр. проводника на одной оси, разделенные диэлектрическим покрытием. 1 тип коаксиального кабеля (с сопротивлением 50 Ом), исп-ся для передачи узкополосных цифровых сигналов, др. тип кабеля (с сопротивлением 75 Ом) - для передачи широкополосных аналоговых и цифровых сигналов. Узкополосные и широкополосные кабели позволяют обмениваться данными на высоких скоростях в аналоговой или цифровой форме. На небольших расстояниях кабельные каналы все больше вытесняются каналами на витых парах, а на больших расстояниях - оптоволоконными каналами связи.

ü радиоканалы и спутниковые каналы связи - использование в КС в качестве передающей среды радиоволн различной частоты является экономически эффективным либо для связи на больших и сверхбольших расстояниях (с использованием спутников), либо для связи с труднодоступными, подвижными или временно используемыми объектами. Спутники обычно содержат несколько усилителей, каждый из которых принимает сигналы в заданном диапазоне частот (обычно 6 или 14 ГГЦ) и регенерирует их в другом частотном диапазоне (например, 4 или 12 ГГц). Для передачи данных обычно исп-ся геостационарные спутники, размещенные на экваториальной орбите на высоте 36000 км. Обмен данными по радиоканалам может вестись как с пом. аналоговых, так и цифровых методов передачи. Цифровые методы получают в последнее время преимущественное развитие, т.к. позволяют объединить наземные участки цифровых сетей и спутниковых каналов или радиоканалов в единой сети. Новым импульсом в развитии радиосетей стало появление сотовой телефонной связи, позволяющей осуществлять голосовую связь и обмен данными с помощью радиотелефонов или специальных устройств обмена данными. Последнее время для связи на небольшие расстояния используется инфракрасное излучение .

В оптоволоконных каналах связи исп-ся явление полного внутреннего отражения света, что позволяет передавать потоки света внутри оптоволоконного кабеля на большие расстояния практически без потерь. В кач-ве источников света в оптоволоконном кабеле используются светоиспускающие диоды или лазерные диоды, а в качестве приемников - фотоэлементы.

В КС для передачи д-ых м/у узлами можно исп-ть 3 технологии:

Коммутация каналов , обеспечиваемая телефонной сетью общего пользования, позволяет с пом. коммутаторов, установить прямое соединение между узлами сети.

При коммутации сообщений устройства, называемые коммутаторами, позволяют накапливать (буферизировать) сообщения и посылать их в соответствии с заданной системой приоритетности и п-пами маршрутизации др. узлам сети.

При пакетной коммутации данные пользователя разбиваются на более мелкие порции - пакеты, причем каждый пакет содержит служебные поля и поле д-ых. 2 осн. сп-ба передачи данных: виртуальный канал, когда между узлами устан-ся и поддерживается соединение как бы по выделенному каналу и дейтаграммный режим, когда кажд. пакет из набора пакетов передается между узлами независимо друг от друга. Первый способ соединения называют также контактным режимом , второй - бесконтактным .

153. Сравнение сетевых топологий.

Под топологией понимается описание св-в сети, присущих всем ее гомоморфным преобразованиям, т.е. таким изменениям внешнего вида сети, расстояний между ее элементами, при которых не изменяется соотношение этих элементов между собой.

Топология КС во многом опр-ся сп-бом соед-я комп-ров друг с другом. Топология во многом определяет многие важные св-ва сети: надежность (живучесть), производительность и др. Существуют разные подходы к классификации топологий сетей. Согласно одному из них конфигурации лок. сетей делятся на 2 основных класса:

В широковещательных конфигурациях каждый ПК передает сигналы, которые м. б. восприняты остальными ПК. К ним относятся топологии “общая шина”, “дерево”, “звезда с пассивным центром”. Сеть типа “звезда с пассивным центром” можно рассматривать как разновидность “дерева”, имеющего корень с ответвлением к каждому подключенному устройству.

В последовательных конфигурациях кажд. физ. подуровень передает инф-цию только одному ПК. Примерами являются: произвольная, иерархическая, “кольцо”, “цепочка”, “звезда с интеллектуальным центром”, “снежинка” и другие.

Наиболее оптимальной с точки зрения надежности является полносвязная сеть , т.е. сеть, в который каждый узел сети связан со всеми другими узлами, однако при большом числе узлов такая сеть требует большого количества каналов связи и труднореализуема из-за технических сложностей и высокой стоимости. Поэтому практически все сети являются неполносвязными .

На практике обычно исп-ся 3 наиболее широко распространенные (базовые) топологии ЛВС: “звезда”, “общая шина” и “кольцо”.

ü шинная, когда все узлы сети подключаются к одному незамкнутому каналу, обычно называемому шиной.

Сети данного типа приобрели большую популярность благодаря низкой стоимости, высокой гибкости и скорости передачи данных. Недостатки: необх-ть исп-я довольно сложных протоколов и уязвимость в отношении физических повреждений кабеля.

ü кольцевая, когда все узлы сети подключаются к одному замкнутому кольцевому каналу.

Информация по кольцу может передаваться только в одном направлении и все подключенные ПЭВМ могут участвовать в ее приеме и передаче. При этом абонент-получатель должен пометить полученную информацию специальным маркером.

Защита от повреждений или отказов обеспечивается либо замыканием кольца на обратный (дублирующий) путь, либо переключением на запасное кольцо. И в том, и в другом случае сохраняется общая кольцевая топология.

ü звездообразная , когда все узлы сети подключаются к одному центральному узлу, называемому хостом или хабом.

В центре сети обычно размещается коммутирующее устройство, обеспечивающее жизнеспособность системы. ЛВС подобной конфигурации находят наиболее частое применение в автоматизированных учрежденческих системах управления, использующих центральную базу данных. Звездообразные ЛВС, как правило, менее надежны, чем сети с общей шиной или иерархические, но эта проблема решается дублированием аппаратуры центрального узла. К недостаткам можно также отнести значительное потребление кабеля (иногда в несколько раз превышающее расход в аналогичных по возможностям ЛВС с общей шиной или иерархических).

Сети могут быть также смешанной топологии (гибридные ), когда отдельные части сети имеют разную топологию. Примером может служить локальная сеть FDDI, в которой основные (магистральные) узлы подключаются к кольцевому каналу, а к ним по иерархической топологии подключаются остальные узлы.

Кодирование и модуляция.

Кодированием называется сопоставление алфавитов, а правило, по которому оно выполняется, - кодом. Иными словами, кодирование можно определить как представление сообщений в форме, удобной для передачи по данному каналу. Электрический ток в телефонных проводах - это кодированная речь, а звуковые волны речи - это кодированные колебания голосовых связок.

В рассматриваемом здесь конкретном случае кодирование есть представление по определенным правилам дискретных сообщений в некоторые комбинации, составленные из определенного числа элементов - символов. Эти элементы называются элементами кода, а число различных элементов, из которых слагаются комбинации, - основанием кода. Элементы кода образуют кодовые комбинации. Например, если составляют комбинации из различных сочетаний 0 и 1, то это код с основанием два, или двоичный код. Если все комбинации имеют одинаковое число знаков, код называется равномерным. Широко известный код Морзе -неравномерный код. Правило кодирования обычно выражается кодовой таблицей, в которой каждому символу сообщения ставится в соответствие определенная кодовая комбинация.

Кодовое представление дискретных значений сигнала осуществляется с помощью цифр, но не обязательно десятичных. Напомним, что в десятичной системе, называя число, указывают, сколько единиц от нуля до девяти имеется в разряде единиц, в разряде десятков, сотен, тысяч и т.д. То же происходит в любой другой системе счисления с другим основанием. В десятичной системе пользуются десятью цифрами: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. В двоичной системе счисления используют только две цифры: 0 и 1.

В вычислительной технике для представления данных используется двоичный код. Внутри компьютера единицам и нулям данных соответствуют дискретные электрические сигналы. Представление данных в виде электрических или оптических сигналов называется кодированием. Существуют различные способы кодирования двоичных цифр 1 и 0, например потенциальный способ, при котором единице соответствует один уровень напряжения, а нулю - другой, или импульсный способ, когда для представления цифр используются импульсы различной или одной полярности.

Аналогичные подходы могут быть использованы для кодирования данных и при передаче их между двумя компьютерами по линиям связи. Однако эти линии связи отличаются по своим электрическим характеристикам от тех, которые существуют внутри компьютера. Главное отличие внешних линий связи от внутренних состоит в их гораздо большей протяженности, а также в том, что они проходят вне экранированного корпуса по пространствам, зачастую подверженным воздействию сильных электромагнитных помех. Все это приводит к существенно большим искажениям прямоугольных импульсов (например, «заваливанию» фронтов), чем внутри компьютера. Поэтому для надежного распознавания импульсов на приемном конце линии связи при передаче данных внутри и вне компьютера не всегда можно использовать одни и те же скорости и способы кодирования. Например, медленное нарастание фронта импульса из-за высокой емкостной нагрузки линии требует передачи импульсов с меньшей скоростью (чтобы передний и задний фронты соседних импульсов не перекрывались и импульс успел дорасти до требуемого уровня).

В вычислительных сетях применяют как потенциальное, так и импульсное кодирование дискретных данных, а также специфический способ представления данных, который никогда не используется внутри компьютера, - модуляцию . При модуляции дискретная информация представляется синусоидальным сигналом той частоты, которую хорошо передает имеющаяся линия связи.

Потенциальное или импульсное кодирование применяется на каналах высокого качества, а модуляция на основе синусоидальных сигналов предпочтительнее в том случае, когда канал вносит сильные искажения в передаваемые сигналы. Обычно модуляция используется в глобальных сетях при передаче данных через аналоговые телефонные каналы связи, которые были разработаны для передачи голоса в аналоговой форме и поэтому плохо подходят для непосредственной передачи импульсов.

Гармонический (синусоидальный) несущий сигнал имеет три информационных параметра, которые можно модулировать: амплитуду, частоту и фазу:

Соответственно при передаче сигналов используют амплитудную, частотную и фазовую модуляцию, которая в случае дискретных сигналов называется манипуляцией.

Наиболее помехоустойчивой, т. е. невосприимчивой к помехам, оказывается фазовая модуляция или манипуляция (ФМн), что объясняется «амплитудным» характером воздействующих помех. Такой параметр, как фаза несущего сигнала, менее других параметров подвергается губительному воздействию помех. Фазоманипулированный сигнал представляет собой отрезок гармонического колебания с изменяющейся на 180° фазой.

При векторном изображении сигналов помехи также можно рассматривать как случайные векторы со случайными амплитудой и фазой. Такое геометрическое представление сигналов и помех позволяет легко понять, почему ФМн-сигнал с двумя значениями фазы оказывается наиболее помехоустойчивым. Дело в том, что приемник при приеме сигналов решает задачу: в какой из областей решения находится сигнал (верхней или нижней). В том случае, когда область принятия решения состоит только из двух частей, вероятность ошибки наименьшая. Однако, если 2ФМн сигнал переносит один сигнал, то 4ФМн переносит сразу два сигнала, 8ФМн - четыре сигнала.

Прохождение сигналов по каналу связи всегда сопровождается искажениями и воздействием помех. Поэтому основной функцией приемника является распознание в принимаемых колебаниях переданного сигнала. Такую операцию приемник производит в процессе демодуляции, т.е. в процессе выделения передаваемого сигнала, после чего он преобразовывается в сообщение.

Каналом передачи информации (каналом связи) называют совокупность технических средств, обеспечивающую передачу электрических сигналов от одного пункта к другому. Непременной составной частью любого канала является линия связи - проводная, кабельная, радио, микроволновая, оптическая, спутниковая.

В современных цифровых системах связи основные функции передатчика и приемника выполняет устройство, называемое модемом. Он представляет собой совокупность передатчика и приемника в одном корпусе для осуществления проводной дуплексной связи. Если терминал находится на значительном расстоянии от компьютера, например в соседнем здании или другом городе, либо связь пользователя с компьютером осуществляется через обычную телефонную сеть, необходимы приемопередатчики на оконечных пунктах линии, и их функции выполняет модем.

Выпускаемые в настоящее время модемы различны по конструкции, но, как правило, состоят из интерфейсной части для соединения с компьютером, кодера и декодера, модулятора и демодулятора. Часто в состав модема входят шифрующее и дешифрующее устройства, обеспечивающие секретность передаваемой информации. Есть также способы, обеспечивающие скрытность передачи. В зависимости от типа модема он производит амплитудную, частотную или фазовую модуляцию. В целях уплотнения полосы канала чаще всего используют многократную фазовую манипуляцию. Типовые скорости передачи у модемов 2400, 4800, 9600, 14400, 19200, 28800, 33600, 57600 бит/с.