Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
6
PAGE 3
Поле данных
Биты синхронизации
онтрольная
последовательность
Символ
Конца передачи
Передаваемые символы
Символы в канале связи
Передаваемые символы
Стоповый бит
Бит четности
Стартовые биты
0 1 0 1 1 0 1 0
Процессы передачи или приема информации в вычислительных комплексах и сетях могут быть привязаны к определенным временным отметкам, т.е. один из процессов может начаться только после того, как полностью завершится другой процесс. Такие процессы называются синхронными.
В то же время существуют процессы, в которых нет такой привязки, и они могут выполняться независимо от степени полноты переданных данных. Такие процессы называются асинхронными.
Таким образом, синхронизация данных - согласование различных информационных процессов во времени. При организации взаимодействия устройств внутри компьютера задача синхронизации решается очень просто, так как в этом случае все модули синхронизируются от общего тактового генератора.
Для внешней передачи данных в компьютерных сетях могут использоваться как синхронный, так и асинхронный способы передачи данных.
При синхронном способе передачи приемник работает синхронно с передатчиком (с фазовым сдвигом, обусловленным временем распространения сигнала), при этом проблема синхронизации приемника и передатчика может решаться двумя способами:
Рассмотрим синхронную передачу данных по телефонным сетям с использованием модемов. В этом случае (рис. 2.2) информация передается пакетами или блоками (от 1 до 1024 байтов) через строго определенные временные интервалы. В состав блока включаются специальные синхронизирующие символы и символы, позволяющие обнаруживать ошибки при обмене информацией.
Несколько слов об используемых при синхронной передаче методах повышения достоверности передачи, так как вероятность искажения некоторых бит передаваемых данных не исключена. В конце блока данных в канал связи выдается контрольная последовательность (1,2 или 4 байта), сформированная по специальному алгоритму. Чаще всего это контрольная сумма блока (checksum) или реже 16-битный циклический код CRC (Cyclic Redundancy Check – избыточный циклический контроль). Более подробно о методах контроля достоверности передачи в другой теме.
Рис.2.2. Синхронная передача данных
По этому же алгоритму формируется контрольная последовательность при приеме информации из канала связи. Если обе последовательности (или младшая их части совпадают) – принимающая сторона считает, что блок данных передан без ошибок. Если же последовательности не совпадают, то произошла – ошибка и необходима повторная передача этого блока. Для этой цели в протокол обмена данными включается как обязательный элемент сигнал-квитанция, которая подтверждает правильность приема данных и посылается приемником передатчику. Передача повторяется до получения передатчиком квитирующего сигнала. Если повторные передачи не дают положительного результата, то фиксируется состояние аварии. Так работает старт-стопный протокол передачи файлов (протоколы X- и YModem), в конвейерных протоколах (протокол ZModem) такое подтверждение может быть получено после передачи нескольких блоков (кадров). В последнем случае меньше задержки на ожидание подтверждений (квитанций), но больше затраты на повторную пересылку в случае ошибок
Вероятность обнаружения ошибок с помощью контрольной суммы достигает 99,6%. Вероятность обнаружения ошибок с помощью CRC-контроля существенно выше и достигает 99,9984%
В случае синхронной передачи передатчик постоянно активен — он непрерывно посылает битовую последовательность если не полезных данных, то символов синхронизации, как некоторого заполнителя.
Синхронная передача - высокоскоростная и почти безошибочная. Она используется не только для обмена сообщениями между устройствами ЭВМ, а также в глобальных вычислительных сетях для высокоскоростной передачи данных по телефонным линиям. Синхронная передача требует дорогостоящего оборудования. Параллельные интерфейсы персонального компьютера всегда работают в синхронном режиме.
При асинхронной передаче приемник и передатчик не пользуются общим источником синхронизации (рис. 2.3). Передача очередной порции данных может начаться в произвольный момент времени. При этом время прохождения между передатчиком и приемником соседних блоков данных может быть и разным.
Рис.2.3. Асинхронная передача данных
Так как промежутки времени между передаваемыми блоками не фиксированы, принимающая сторона должна быть предупреждена, когда данные начинаются и когда заканчиваются. Для этого каждая порция битов (Data bits обычно это 7 или 8 битов, первым передается младший бит) ограничивается специальными стартовым (Start bit) и стоповым (Stop bit) битами, которые и позволяют произвести выделение их из потока передачи. Иногда в линиях связи с низкой надежностью используется 2 стоповых битов. После группы информационных битов может следовать бит проверки на четность или нечетность (Parity bit). При использовании проверки на четность (режим Even parity) бит контроля выбирается таким, чтобы сумма информационных битов и бита контроля представляла собой четное число. Аналогично выполняется проверка на нечетность (режим Odd parity). Контроль паритета (parity check) позволяет обнаруживать только ошибки нечетной кратности.
Стартовый бит следующего байта посылается в любой момент времени после стопового бита, за что режим и назван асинхронным. Использование бита четности, стартовых и стоповых битов определяют формат передачи данных. Очевидно, что передатчик и приемник должны использовать один и тот же формат данных, иначе обмен не возможен.
В асинхронном режиме применяют коды, в которых явно выделены границы каждого символа (байта) специальными стартовым и стоповым символами. Подобные побайтно выделенные коды называют байт-ориентированными, а способ передачи - байтовой синхронизацией. В синхронном режиме обрамления каждого байта не требуется, соответствующие коды называют бит-ориентированными. В этом случае синхронизация называется блочной (фреймовой).
Дополнительные стартовые и стоповые биты несколько снижают эффективную скорость передачи данных и соответственно пропускную способность канала связи, так как используется, по крайней мере, десять бит на байт информационных битов данных, стартовый бит и стоповый бит, а при синхронной – только восемь. Синхронный метод дает возможность ускорить обмен данными на 20% по сравнению с асинхронным методом передачи. В то же время асинхронная передача не требует дорогостоящего оборудования и отвечает требованиям передачи данных в вычислительной сети.
Асинхронный режим является наиболее распространенным для подключения терминалов, его поддерживают последовательные порты (Com-порты) персонального компьютера (интерфейс RS-232C). Современные высокоскоростные последовательные интерфейсы USB и Firewire могут работать как в асинхронном, так и в синхронном режимах.
Существуют также и другие типы синхронизации данных, используемые в многоканальных цифровых сетях, в частности изохронный и плезиохронный способы. В случае изохронной (isochronous) передачи отправка и доставка порций данных (кадров) происходит в предопределенные моменты времени (тайм-слоты). При этом данные, поступающие с одного узла с некоторой (обычно постоянной) скоростью, будут приходить на принимающий узел с той же скоростью. Задержка между входом и выходом каждого элемента будет постоянной. Период посылки кадров может быть и переменным, но тогда он должен однозначно вычисляться из передаваемых данных. Изохронная передача необходима, например, при передаче оцифрованного звука и «живого видео».
Плезиохронная передача (plesiochronous) означает «почти синхронность»: узлы, участвующие в обмене, синхронизируются каждый от собственного источника с номинально совпадающими частотами. Реально из-за отклонения частот всегда набегает расхождение, которое компенсируется периодической вставкой фиктивных или отбрасыванием «лишних» данных. Термин относится к цифровой телефонии.
Для оценки качества каналов передачи данных можно использовать следующие характеристики:
Скорость передачи данных. Различают бодовую (модуляционную) и информационную скорости (bit rate). Информационная скорость - определяется количеством битов, передаваемых по каналу связи за одну секунду бит/с, что в англоязычном варианте обозначается как bps.
Бодовая скорость измеряется в бодах (baud). Эта единица скорости получила свое название по фамилии французского изобретателя телеграфного аппарата Emilie Baudot – Э. Бодо. Бод – это число изменений состояния среды передачи в секунду (или числом изменений сигнала в единицу времени). Именно бодовая скорость определяется полосой пропускания линии. Скорость передачи информации 2400 бод означает, что состояние передаваемого сигнала изменялось 2400 раз в секунду, что эквивалентно частоте 2400 Гц.
Для иллюстрации этих понятий обратимся к передаче цифровых данных по обычным телефонным каналам связи. В самых ранних моделях модемов, эти две скорости совпадали. Современные модемы кодируют несколько битов данных в одном изменении состояния аналогового сигнала и очевидно, что скорость передачи данных и скорость работы канала в этом случае не совпадают. Если на бодовом интервале (между соседними изменениями сигнала) передается N бит, то число значений модулируемого параметра несущей (переносчика) равно 2N. Например, при числе градаций 16 и скорости 1200 бод одному боду соответствует 4 бит/с и информационная скорость составит 4800 бит/с, т.е. скорость в битах в секунду превышает скорость в бодах. В частности, модемы на 2 400 и 1 200 бит/с передают 600 бод, а модемы на 9 600 и 14 400 бит/с— 2 400 бод.
В аналоговых телефонных сетях скорость передачи данных определяется типом протокола который поддерживают оба модема, участвующие в соединении. Так, современные модемы работают по протоколам V.34+ со скоростью до 33600 бит/с или по протоколу асимметричного обмена данными V.90 со скоростью передачи до 56 Kbps.
Стандарт V.34+ позволяет работать по телефонным линиям практически любого качества. Первоначальное соединение модемов происходит по асинхронному интерфейсу на минимальной скорости 300 бит/с, что позволяет работать на самых плохих линиях. После тестирования линии выбираются основные параметры передачи (частота несущей 1,6-2,0 КГц, способ модуляции, переход в синхронный режим) которые в последствии могут динамически изменяться без разрыва связи, адаптируясь к изменению качества линии.
Протокол V.90 был принят Международным Союзом Электросвязи (МСЭ) в феврале 1998 г. В соответствии с этим стандартом модемы, установленные у пользователя, могут принимать данные от провайдера сети (входящий поток – Downstream) на скорости 56 Kbps, а посылать (исходящий поток – Upstream) – на скорости до 33,6 Kbps. Достигается это за счет того, что данные на узле сети, подключенному к цифровому каналу, подвергаются только цифровому кодированию, а не аналого-цифровому преобразованию, которое всегда вносит шум дискретизации и квантования. На стороне пользователя из-за "последней аналоговой мили" происходит и цифро-аналоговое (в модеме) и аналого-цифровое преобразование (на АТС), поэтому увеличение скорости невозможно. Очевидно, что применить такую схему удается только там, где один из модемов имеет доступ к цифровому каналу. Практически только провайдер сети Интернет может быть связан с АТС пользователя цифровым каналом.
Для соединений типа абонент-абонент по коммутируемой телефонной сети общего пользования новая технология непригодна и работа возможна только на скорости не выше 33,6 Kbps.
Скорости передачи цифровой информации для ЛВС различных типов приведены в таблице 2.1, а для глобальных сетей в таблице 2.2.
Таблица 2.1
|
Тип сети (протокол канального уровня) |
Вид линии передачи данных |
Скорость передачи данных, Мбит/с |
|
Ethernet |
Толстый коаксиальный кабель (10Base-5) Тонкий коаксиальный кабель (10base-2) Неэкранированная витая пара UTP категории 3 (10Base-T) Оптоволокно (10Base-F) |
10 |
|
Fast Ethernet |
UTP 5 категории (100Base-TX) UTP 3,4 категории (100Base-T4) Оптоволокно (100Base-FX) |
100 |
|
Gigabit Ethernet |
UTP 5 категории (1000Base-TX) Многомодовое оптоволокно (1000Base-SX) Одномодовое оптоволокно (1000Base-LX) Твинаксиальный кабель(1000Base-СX) |
1000 |
|
Token Ring (High Speed Token Ring) |
STP, UTP категории 3,4,5 Оптоволокно |
4 и 16 (100 и 155) |
|
FDDI (Fiber Distributed Data Interface) |
Оптоволокно |
100 |
Таблица 2.2
Иерархия скоростей цифровых каналов глобальных сетей
|
Тип сети |
Тип интерфейса и линии передачи данных |
Кол-во голосовых каналов |
Скорость передачи данных, Мбит/с |
|
PDH |
T1/E1, кабель из 2-ух витых пар T2/E2,коаксиальный кабель T3/E3, коаксиальный и оптический кабель или радиолинии СВЧ |
24/30 4×T1/4×E1 7×T2/4×E2 |
1,544/2,048 6,312/8,488 44,736/34,368 |
|
SONET/SDN |
STS-1, OC-1/- STS-3, OC-3/STM-1 STS-9, OC-9/STM-3 STS-12, OC-12/STM-4 STS-18, OC-18/STM-6 STS-24, OC-24/STM-8 STS-36, OC-36/STM-12 STS-48, OC-48/STM-16 |
51,840 155,520 466,566 622,080 933,120 1244 1866 2488 |
|
|
ISDN |
BRI (базовый) PRI (специальный) |
2×B+D 23×B+D/30×B+D |
2×0,064+0,016 1,536/1,984 |
|
ADSL |
Абонент-сеть (Upstream) Сеть-абонент (Downstream) |
0,016 – 1 1,5 – 6,1 |
На ВОЛС достигнуты рекордные скорости передачи информации. В экспериментальной аппаратуре с использованием метода мультиплексирования с разделением каналов по длинам волн (WDM - Wavelengths Division Multiplexing) достигнута скорость 1100 Гбит/с на расстоянии 150 км. В одной из действующих систем на основе WDM передача идет со скоростью 40 Гбит/с на расстояния до 320 км. В методе WDM выделяется несколько несущих частот (каналов). Так, в последней упомянутой системе имеются 16 таких каналов вблизи частоты 4*105 ГГц, отстоящих друг от друга на 103 ГГц, в каждом канале достигается скорость 2,5 Гбит/с.
Максимально возможная информационная скорость, пропускная способность C (bandwidth) связана с полосой пропускания F (точнее с верхней частотой полосы пропускания) канала связи формулой Хартли-Шеннона. Пусть N – число возможных дискретных значений сигнала, например число различных значений модулируемого параметра. Тогда на одно изменение величины сигнала, в соответствии с формулой Хартли, приходится не более I=log2N бит информации.
Максимальную информационную скорость передачи можно определить как
С = log2N / t,
где t - длительность переходных процессов, приблизительно равная (3-4)ТВ, а ТВ = 1/(2πF). Тогда
бит/с, (2.1)
В случае канала с помехами количество различимых значений модулированного сигнала N должно быть ≤ 1+A, где A - отношение мощностей сигнала и помехи.
Для пользователей вычислительных сетей значение имеют не абстрактные биты в секунду, а информация, единицей измерения которой служат байты или знаки. Поэтому более удобной характеристикой канала является его реальная или эффективная скорость, которая оценивается количеством знаков (символов), передаваемых по каналу за секунду (cps, character per second), не включая служебную (например, биты начала и конца блока, заголовки блоков и контрольные суммы).
Эффективная скорость зависит от ряда факторов, среди которых не только скорость передачи данных, но и способ передачи, и качество канала связи, и условия его эксплуатации, и структура сообщений. Например, так как в среднем, при асинхронном методе передачи данных через модем каждым 10 переданным битам соответствует 1 байт или 1 символ сообщения, то 1 cps=10 bps. Для повышения эффективной скорости передачи используются различные методы сжатия информации, реализуемые как самими модемами, так и коммуникационным ПО.
Существенной характеристикой любой коммуникационной системы является достоверность передаваемой информации. Достоверность передачи информации или уровень ошибок (error ratio) оценивают либо как вероятность безошибочной передачи блока данных, либо как отношение количества ошибочно переданных битов к общему числу переданных битов (единица измерения: количество ошибок на знак - ошибок/знак) Например, вероятность 0,999 соответствует 1 ошибке на 1000 бит (очень плохой канал). Требуемый уровень достоверности должны обеспечивать как аппаратура канала, так и состояние линии связи. Нецелесообразно использовать дорогостоящую аппаратуру, если линия связи не обеспечивает необходимых требований по помехоустойчивости.
При передаче данных в вычислительных сетях этот показатель должен лежать в пределах 10-8 -10-12 ошибок/знак, т.е. допускается не более одной ошибка на 100 миллионов переданных битов. Для сравнения, допустимое количество ошибок при телеграфной связи составляет примерно 3·10-5 на знак.
Наконец, надежность коммуникационной системы определяется либо долей времени исправного состояния в общем времени работы, либо средним временем безотказной работы в часах. Вторая характеристика позволяет более эффективно оценить надежность системы.
Для вычислительных сетей среднее время безотказной работы должно быть достаточно большим и составлять, как минимум, несколько тысяч часов