Симплекс дуплекс связь. Классификация каналов связи

Симплекс

Симплексный канал является однонаправленным, позволяющим передавать данные " лишь в одном направлении, как показано на рис. 2.10. Традиционное радиовещание является примером симплексной передачи. Радиостанция передает широковещательную программу, но в ответ ничего не получает от вашего радиоприемника.

Рис. 2.10. Симплексная передача

Это ограничивает использование симплексного канала для передачи данных, поскольку для контроля процесса передачи, подтверждения данных и т. д. требуется постоянный поток данных в обоих направлениях.

Полудуплекс

Полудуплексная передача дает возможность предоставить симплексную связь в обои;, направлениях по, единственному каналу, как показано на рис. 2.11. Здесь передатчик кг станции А посылает данные приемнику на станции В. Когда требуется передаче з обратном направлении, имеет место процедура переключения линии. После этогс передатчик станции - В получает возможность связаться с приемником станции А Задержка при переключении линии снижает передаваемыйтю каналу связи объем данных.

Рис. 2.11. Полудуплексная передача

Полный дуплекс

Полнодуплексный канал дает возможность одновременной связи в обоих напоавлениях, как показано на рис. 2.12.

Рис 2.12. Полнодуплексная передача

2.4.2. Синхронизация сигналов цифровых данных

Передача данных зависит от правильного согласования моментов генерации и получения сигналов. Определять, какой элемент данных передается - "1" или "0", приёмник должен в нужные моменты времени. Процесс выбора и поддержания эталонных интервалов времени называется синхронизацией.

Чтобы синхронизировать передачу, передающее и принимающее устройства должны согласовать длину бита (bit time) - длительность используемого элемента кода. Приемнику нужно извлечь переданный синхросигнал, закодированный в полученном потоке данных. Синхронизируя длину бита тактового генератора приемника с длиной бита, закодированной в данных отправителя, приемник может определить нужные моменты времени для демодуляции данных и корректной расшифровки сообщения. Устройства на обоих концах цифрового канала могут синхронизироваться с использованием либо асинхронной, либо синхронной передачи, как описано ниже.

Одновременно. В режиме полудуплекс - или передавать, или принимать информацию.

Полудуплексный режим

Режим, при котором передача ведётся в обоих направлениях, но с разделением по времени называют полудуплексным. В каждый момент времени передача ведётся только в одном направлении.

Разделение во времени вызвано тем, что передающий узел в конкретный момент времени полностью занимает канал передачи. Явление, когда несколько передающих узлов пытаются в один и тот же момент времени осуществлять передачу, называется коллизией и при методе управления доступом CSMA/CD считается нормальным, хотя и нежелательным явлением.

Этот режим применяется тогда, когда в сети используется коаксиальный кабель или в качестве активного оборудования используются концентраторы .

В зависимости от аппаратного обеспечения одновременный приём/передача в полудуплексном режиме может быть или физически невозможен (например, в связи с использованием одного и того же контура для приёма и передачи в рациях) или приводить к коллизиям .

Дуплексный режим

Режим, при котором, в отличие от полудуплексного, передача данных может производиться одновременно с приёмом данных.

Суммарная скорость обмена информацией в данном режиме может достигать вдвое большего значения. Например, если используется технология Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит / , то скорость может быть близка к 200 Мбит/с (100 Мбит/с - передача и 100 Мбит/с - приём).

В качестве наглядного примера можно привести разговор двух человек по рации (полудуплексный режим) - когда в один момент времени человек либо говорит, либо слушает, и по телефону (полный дуплекс) - когда человек может одновременно и говорить, и слушать.

Дуплексная связь обычно осуществляется с использованием двух каналов связи: первый канал - исходящая связь для первого устройства и входящая для второго, второй канал - входящая для первого устройства и исходящая для второго.

В ряде случаев возможна дуплексная связь с использованием одного канала связи. В этом случае устройство при приёме данных вычитает из сигнала свой отправленный сигнал, а получаемая разница является сигналом отправителя (модемная связь по телефонным проводам, GigabitEthernet).

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Полный дуплекс" в других словарях:

Двойная спираль с Уотсона-крика дуплекс - Двойная спираль, с. Уотсона крика, дуплекс * падвойная спіраль, с. Уотсана крыка, дуплекс * double helix or d. h. DNA or Watson Crick h. or duplex модель Уотсона Крика, описывающая структуру ДНК как спираль, которая образована из двух… … Генетика. Энциклопедический словарь

режим полного дуплекса - — [Е.С.Алексеев, А.А.Мячев. Англо русский толковый словарь по системотехнике ЭВМ. Москва 1993] полный дуплекс Одновременная двусторонняя передача. (полный) дуплекс… …

Кабель UTP с разъемом 8P8C (ошибочно называемый RJ 45), используемый в Ethernet сетях стандартов 10BASE T, 100BASE T(x) и 1 … Википедия

Название: Teletype network Уровень (по модели OSI): Прикладной Семейство: TCP/IP Порт/ID: 23/TCP Назначение протокола: виртуальный текстовый терминал Спецификация: RFC 854 / STD 8 … Википедия

Дуплекс и полудуплекс режимы работы приёмо передающих устройств (модемов, сетевых карт, раций, телефонных аппаратов). В режиме дуплекс устройства могут передавать и принимать информацию одновременно. В режиме полудуплекс или передавать, или… … Википедия

Дуплекс и полудуплекс режимы работы приёмо передающих устройств (модемов, сетевых карт, раций, телефонных аппаратов). В режиме дуплекс устройства могут передавать и принимать информацию одновременно. В режиме полудуплекс или передавать, или… … Википедия - сетевая карта сетевой адаптер сетевой интерфейс Компонент компьютера для подключения к вычислительной сети. сетевой адаптер Периферийное устройство (плата), обеспечивающее соединение компьютера и ЛВС.… … Справочник технического переводчика

Стандарт IEEE 802.3-2012 определяет два режима работы МАС-подуровня:

● полудуплексный (half-duple x) – использует метод CSMA/CD для доступа узлов к разделяемой среде. Узел может только принимать или передавать данные в один момент времени, при условии получения доступа к среде передачи;

● полнодуплексный (full-duplex ) – позволяет паре узлов, имеющих соединение «точка-точка», одновременно принимать и передавать данные. Для этого каждый узел должен быть подключен к выделенному порту коммутатора.

Метод доступа CSMA/CD

Основная идея Ethernet состояла в использовании шинной топологии на основе коаксиального кабеля. Кабель использовался как разделяемая среда передачи, по которой рабочие станции, подключенные к сети, выполняли широковещательную двунаправленную (во всех направлениях) передачу. На обоих концах кабеля устанавливались терминаторы (заглушки).

Рис. 5.21 Сеть Ethernet

Поскольку использовалась общая среда передачи, то требовался контроль над доступом узлов к физической среде. Для организации доступа узлов к разделяемой среде передачи был использован метод множественного доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий (Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection, CSMA/CD).

Метод CSMA/CD основан на конкуренции (contention) узлов за право доступа к сети и включает следующие процедуры:

● контроль несущей;

● обнаружение коллизий.

Перед тем, как начать передачу, сетевое устройство должно удостовериться, что среда передачи данных свободна. Это достигается путем прослушивания несущей. Если среда свободна, то устройство начинает передавать данные. Во время передачи кадра, устройство продолжает прослушивать среду передачи. Делается это для того, чтобы гарантировать, что никакое другое устройство не начало передачу данных в то же самое время. После окончания передачи кадра все устройства сети должны выдержать технологическую паузу (Inter Packet Gap), равную 9,6 мкс. Эта пауза называется межкадровым интервалом и нужна для приведения в исходное состояние сетевых адаптеров и для предотвращения монопольного захвата среды одним сетевым устройством. После окончания технологической паузы устройства имеют право начать передачу своих кадров, т.к. среда свободна.

Сетевые устройства могут начинать передачу данных в любой момент, когда они определят, что канал свободен. Если устройство попыталось начать передачу кадра, но обнаружило, что сеть занята, оно вынуждено ждать, пока передающий узел не закончит передачу.

Рис. 5.22 Передача кадра в сети Ethernet

Ethernet – это широковещательная среда, поэтому все станции получают все кадры, передаваемые по сети. Однако не все устройства будут обрабатывать эти кадры. Только то устройство, МАС-адрес которого совпадает с МАС-адресом назначения, указанным в заголовке кадра, копирует содержимое кадра во внутренний буфер. Затем устройство проверяет кадр на наличие ошибок, и если их нет, передает полученные данные вышележащему протоколу. В противном случае, кадр будет отброшен. Устройство-отправитель не уведомляется, успешно доставлен кадр или нет.

В сетях Ethernet неизбежны конфликты (коллизии ), т.к. возможность их возникновения заложена в самом алгоритме CSMA/CD. Это связано с тем, что между моментом передачи, когда сетевое устройство проверяет, свободна ли сеть, и моментом начала фактической передачи проходит какое-то время. Возможно, что в течение этого времени какое-нибудь другое устройство сети начнет передачу.

Если несколько устройств в сети начали передачу примерно в одно и то же время, битовые потоки, поступающие от разных устройств, сталкиваются друг с другом и искажаются, т.е. происходит коллизия. В этом случае каждое из передающих устройств должно быть способно обнаружить коллизию до того, как закончит передачу своего кадра. Обнаружив коллизию, устройство прекращает передачу кадра и усиливает коллизию посылкой в сеть специальной последовательности из 32 бит, называемой jam -последовательностью. Это делается для того, чтобы все устройства сети смогли распознать коллизию. После того, как все устройства распознали коллизию, каждое устройство отключается на некоторый случайно выбранный интервал времени (свой для каждой станции сети). Когда время истечет, устройство опять может начать передачу данных. Когда передача возобновится, устройства, вовлеченные в коллизию, не имеют приоритета по передаче данных над остальными устройствами сети.

Если 16 попыток передачи кадра вызывают коллизию, то передатчик должен прекратить попытки и отбросить этот кадр.

Рис. 5.23 Обнаружение коллизий в сети Ethernet

Домен коллизий

В полудуплексной технологии Ethernet независимо от стандарта физического уровня существует понятие домена коллизий .

Домен коллизий (collision domain) – это часть сети Ethernet, все узлы которой распознают коллизию независимо от того, в какой части сети она возникла.

Сеть Ethernet, построенная на повторителях и концентраторах, образует один домен коллизий.

Напомним, что повторитель представлял собой устройство физического уровня модели OSI, используемое для соединения сегментов среды передачи данных с целью увеличения общей длины сети.

В сетях Ethernet (спецификации 10BASE2 и 10BASE5) на основе коаксиального кабеля применялись двухпортовые повторители, связывающие два физических сегмента. Работал повторитель следующим образом: он принимал сигналы из одного сегмента сети, усиливал их, восстанавливал синхронизацию и передавал в другой. Повторители не выполняли сложную фильтрацию и другую обработку трафика, т.к. не являлись интеллектуальными устройствами. Также общее количество повторителей и соединяемых ими сегментов было ограничено из-за временных задержек и других причин.

Позже появились многопортовые повторители, к которым рабочие станции подключались отдельным кабелем. Такие многопортовые повторители получили название «концентраторы». Причина появления многопортовых повторителей была следующей. Поскольку оригинальная технология Ethernet использовала в качестве среды передачи коаксиальный кабель и шинную топологию, то было сложно прокладывать кабельную систему здания. Позже международный стандарт на структурированную кабельную систему зданий определил использование топологии «звезда», в которой все устройства подключались к единой точке концентрации с помощью кабелей на основе витой пары. Под эти требования отлично подходила технология Token Ring и поэтому, чтобы выжить в конкурентной борьбе, технологии Ethernet пришлось адаптироваться к новым требованиям. Так появилась спецификация 10BASE-T Ethernet, которая использовала в качестве среды передачи кабели на основе витой пары и топологию «звезда».

Концентраторы работали на физическом уровне модели OSI. Они повторяли сигналы, поступившие с одного из портов на все остальные активные порты, предварительно восстанавливая их, и не выполняли никакой фильтрации трафика и другой обработки данных. Поэтому логическая топология сетей, построенных с использованием концентраторов, всегда оставалась шинной.

В один момент времени в сетях, построенных на повторителях и концентраторах, мог передавать данные только один узел. В случае одновременного поступления сигналов в общую среду передачи возникала коллизия , которая приводила к повреждению передаваемых кадров. Таким образом, все подключенные к таким сетям устройства находились в одном домене коллизий.

Рис. 5.24 Домен коллизий

С увеличением количества сегментов сети и компьютеров в них, возрастало количество коллизий, и пропускная способность сети падала. Помимо этого, полоса пропускания сегмента делилась между всеми подключенными к нему устройствами. Например, при подключении к сегменту с пропускной способностью 10 Мбит/с десяти рабочих станций, каждое устройство могло передавать в среднем со скоростью не более 1 Мбит/с. Встала задача сегментации сети , т.е. разделения пользователей на группы (сегменты) в соответствии с их физическим размещением, с целью уменьшения количества клиентов, соперничающих за полосу пропускания.

Коммутируемая сеть Ethernet

Задача сегментации сети и повышения ее производительности была решена с помощью устройства, называемого мостом (bridge). Мост был разработан инженером компании Digital Equipment Corporation (DEC) Радьей Перлман (Radia Perlman) в начале 1980-х годов и представлял собой устройство канального уровня модели OSI, предназначенное для объединения сегментов сети. Мост был изобретен немного позже маршрутизаторов, но так как он был дешевле и прозрачен для протоколов сетевого уровня (работал на канальном уровне), то стал широко применяться в локальных сетях. Мостовые соединения (bridging ) являются фундаментальной частью стандартов для локальных сетей IEEE.

Мост работал по алгоритму прозрачного моста (transparent bridge ), который определен стандартом IEEE 802.1D. Прежде чем переслать кадры из одного сегмента в другой, он анализировал их и передавал только в том случае, если такая передача действительно была необходима, то есть МАС-адрес рабочей станции назначения принадлежал другому сегменту. Таким образом, мост изолировал трафик одного сегмента от трафика другого и делил один большой домен коллизий на несколько небольших, что повышало общую производительность сети. Однако мост передавал широковещательные кадры (например, необходимые для работы протокола ARP) из одного сегмента в другой, поэтому все устройства сети находились в одном широковещательном домене (Broadcast domain ).

Подробнее алгоритм прозрачного моста будет рассмотрен в главе 6.

Коммутируемая сеть Ethernet (Ethernet switched network ) – сеть Ethernet, сегменты которой соединены мостами или коммутаторами

Рис. 5.25 Соединение двух сегментов сети в помощью моста

Так как мосты были обычно двухпортовыми устройствами, то их эффективность сохранялась лишь до тех пор, пока количество рабочих станций в сегменте оставалось относительно невелико. Как только оно увеличивалось, в сетях возникала перегрузка, которая приводила к потере пакетов данных.

Увеличение количества устройств, объединяемых в сети, повышение мощности процессоров рабочих станций, появление мультимедийных приложений и приложений клиент-сервер требовали большей полосы пропускания. В ответ на эти растущие требования фирмой Kalpana в 1990 г. на рынок был выпущен первый коммутатор (switch ), получивший название EtherSwitch.

Коммутатор представляет собой многопортовый мост и также функционирует на канальном уровне модели OSI. Основное отличие коммутатора от моста заключается в том, что он производительнее, может устанавливать одновременно несколько соединений между разными парами портов и поддерживает развитый функционал.

Рис. 5.26 Локальная сеть, построенная на коммутаторах

В 1993 году фирма Kalpana внедрила полнодуплексную технологию Ethernet (Full Duplex Ethernet Switch, FDES) в свои коммутаторы. Через какое-то время, при разработке технологии Fast Ethernet полнодуплексный режим работы стал частью стандарта IEEE 802.3.

Работа в полнодуплексном режиме обеспечивает возможность одновременного приема и передачи информации, т.к. к среде передачи подключены только два устройства. Прием и передача ведутся по двум разным физическим каналам «точка-точка». Например, по разным парам кабеля на основе витой пары или разным волокнам оптического кабеля.

Благодаря этому исключается возникновение коллизий в среде передачи (больше не требуется метод CSMA/CD, т.к. отсутствует конкуренция за доступ к среде передачи), увеличивается время, доступное для передачи данных, и удваивается полезная полоса пропускания канала. Каждый канал обеспечивает передачу на полной скорости. Например, для спецификации 10BASE-T каждый канал передает данные со скоростью 10 Мбит/с. Для спецификации 100BASE-TX – со скоростью 100 Мбит/с. На концах дуплексного соединения скорость соединения удваивается, т.к. данные могут одновременно передаваться и приниматься. Например, в спецификации 1000BASE-T, в которой данные передаются по каналам со скоростью 1000 Мбит/с, суммарная пропускная способность будет равна 2000 Мбит/с.

Рис. 5.27 Передача данных в дуплексном режиме

Также благодаря полнодуплексному режиму исчезло ограничение на общую длину сети и количество устройств в ней. Осталось только ограничение на длину кабелей, соединяющих соседние устройства.

Работа в полнодуплексном режиме возможна только при соединении сетевых устройств, порты которых его поддерживают. Если к порту устройства подключается сегмент, представляющий собой разделяемую среду, то порт будет работать в полудуплексном режиме и распознавать коллизии. Порты современных сетевых устройств поддерживают функцию автоопределения полудуплексного или дуплексного режима работы.

При работе порта в полнодуплексном режиме, интервал отправки между последовательными кадрами не должен быть меньше технологической паузы, равной 9,6 мкс. Для того чтобы исключить переполнение приемных буферов устройств при работе в полнодуплексном режиме, требуется использовать механизм управления потоком кадров.

Следует отметить, что спецификации 10, 40 и 100 Gigabit Ethernet поддерживают только полнодуплексный режим работы. Это связано с тем, что современные сети стали полностью коммутируемыми, и коммутаторы при взаимодействии с другими коммутаторами или высокоскоростными сетевыми адаптерами практически всегда используют режим полного дуплекса.

Лекция 4. Методы сетевой коммуникации.

Методы сетевой коммуникации

Сигналы

Как упоминалось раньше, существует много способов физического создания и пе­редачи сигнала электрические импульсы могут проходить по медному проводу, им­пульсы света - по стеклянному или пластмассовому волокну, радиосигналы переда­ются по воздуху, так же передаются и лазерные импульсы в инфракрасном, или ви­димом диапазоне Преобразование единиц и нулей, представляющих данные в компьютере, в импульсы энергии называется кодированием (модуляцией).

Подобно классификации компьютерных сетей, сигналы можно классифицировать на основе их различных характеристик. Сигналы бывают следующие:

аналоговые и цифровые,

смодулированные и модулированные,

синхронные и асинхронные,

симплексные, полудуплексные, дуплексные и мультиплексные

Аналоговые и цифровые сигналы

В зависимости от формы электрического напряжения (которую можно увидеть на экране осциллографа), сигналы делятся на аналоговые и цифровые Скорее всего, вы Уже знакомы с этими терминами, так как они довольно часто встречаются в докумен­тации различного электронного оборудования, например магнитофонов, телевизоров, телефонов и т.д.

В некотором смысле аналоговое оборудование представляет уходящую эпоху элек­тронной техники, а цифровое - новейшую, приходящую ей на смену. Однако следует помнить, что один тип сигналов не может быть лучше другого. Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки, а также свои области применения. Хотя цифровые сигналы используются все более широко, они никогда не вытеснят аналоговых.

Параметры аналоговых сигналов

Аналоговые сигналы плавно и непрерывно изменяются во времени, поэтому их можно графически представить в виде плавной кривой (рис. 4.1).

В природе подавляющее большинство процессов принципиально аналоговые. На­пример, звук - это изменение давления воздуха, которое с помощью микрофона можно преобразовать в электрическое напряжение. Подавая это напряжение на вход осциллографа, можно увидеть график, аналогичный приведенному на рис. 4.1, т.е. можно проследить, как изменяется давление воздуха во времени.

Чтобы нагляднее представить себе аналоговую информацию, вспомните традиционный спидометр в автомобиле. Когда скорость автомобиля увеличивается, стрелка плавно прохо­дит по шкале от одного числа к другому. Еще один пример - настройка на станцию в ра­диоприемнике: при повороте ручки принимаемая частота плавно изменяется.

Большинство аналоговых сигналов имеют циклический, или периодический харак­тер, например радиоволны, представляющие собой колебания электромагнитного по­ля с высокой частотой. Такие циклические аналоговые сигналы принято характеризо­вать тремя параметрами.

Амплитуда. Максимальное или минимальное значение сигнала, т.е. высота волны.

Частота. Количество циклических изменений сигнала в секунду. Частота изме­ряется в герцах (Гц); 1 Гц - это один цикл в секунду.

Фаза. Положение волны относительно другой волны или относительно некото­рого момента времени, служащего началом отсчета. Фазу принято измерять в градусах, причем считается, что полный цикл равен 360 градусам.

Параметры цифровых сигналов

Другое название цифровых сигналов - дискретные Довольно часто встречается термин дискретные состояния Цифровые сигналы изменяются от одного дискретного состояния к другому почти мгновенно, не останавливаясь в промежуточных состояниях (рис. 4.2).

Примером цифрового сигнала могут служить показания новейшего цифрового спидометра в автомобиле (сравните с примером аналогового спидометра в предыду­щем разделе). Когда скорость автомобиля увеличивается, цифры, показывающие зна­чение скорости в километрах в час, переключаются скачками, причем величина сиг­нала принципиально дискретна: например, между дискретными состояниями "125 км/ч" и "126 км/ч" нет промежуточных значений. Другой пример цифровой ин­формации - новейший радиоприемник, в котором для настройки на определенную станцию пользователь вводит точное число, равное частоте радиостанции.

Сравнение аналоговых и цифровых сигналов

Компьютеры являются цифровыми машинами. Обрабатываемая ими информация представлена нулями и единицами. Двоичная цифра равна или 0, или 1, причем меж­ду ними или за их пределами нет ничего. Благодаря такой четкой определенности цифровые сигналы очень удобны для представления и передачи компьютерных дан­ных, поэтому они используются в подавляющем большинстве сетей.

Благодаря простоте технологии цифровые сигналы имеют ряд преимуществ:

Цифровое оборудование в общем случае дешевле аналогового.

Цифровые сигналы менее чувствительны к помехам.

Тем не менее и аналоговые сигналы имеют некоторые преимущества:

Их легко мультиплексировать, т.е. передавать большое количество сигналов по одному каналу.

Они меньше подвержены затуханию (ослаблению сигнала с увеличением рас­стояния), поэтому при той же мощности передающего устройства их можно пе­редавать на большее расстояние.

В общем случае полезными являются как аналоговые, так и цифровые сигналы. Однако в компьютерных сетях цифровые сигналы позволяют достичь большего уровня безопасности, пропускной способности и надежности. Кроме того, цифровые линии значительно меньше подвержены ошибкам, чем аналоговые.

Локальные сети практически всегда основаны на передаче цифровых сигналов по кабелю. Аналоговые сигналы используются в некоторых глобальных сетях.

Модулированные и немодулированные сигналы

Важной характеристикой метода передачи является пропускная способность кана­ла, непосредственно связанная с модулированием сигнала. Цифровой сигнал называ­ется немодулированнымесли переходы из одного дискретного состояния в другое представляют собой скачки напряжения в кабеле или другом носителе. В то же время в модулированном сигнале переход между дискретными состояниями - это изменение амплитуды так называемого несущего сигнала, представляющего собой высокочастот­ные колебания напряжения.

Немодулированный сигнал занимает весь канал связи. Кроме него, по каналу свя­зи нельзя передать больше ничего. Примером немодулированных сигналов являются сигналы в кабеле Ethernet.

Если используется модулирование, то по одному каналу можно передать несколько цифровых сигналов на разных несущих частотах. Кроме того, на разных несущих час­тотах можно передавать не только цифровые, но и аналоговые сигналы. Примером может служить система кабельного телевидения, в которой один кабель обслуживает десятки телевизионных каналов, по каждому из которых идут разные передачи.

Немодулированные сигналы

Немодулированные сигналы довольно просты: по кабелю в один момент времени передается только один сигнал. Немодулированным чаще всего является цифровой сигнал, хотя может быть и аналоговый.

В компьютерной и коммуникационной технике применяются главным образом немодулированные цифровые сигналы. Например, компьютер обменивается смоду­лированными цифровыми сигналами с мониторами, принтерами, клавиатурой и т.д. Примером применения модулированных цифровых сигналов является система ISDN (Integrated Services Digital Network), в которой многие сигналы передаются на разде­ленных каналах по одному кабелю. Немодулированные сигналы могут передаваться в двух направлениях, т.е. на каждом конце кабеля можно установить как передатчик, так и приемник, работающие одновременно.

Модулированные сигналы

С помощью модулированных сигналов можно организовать несколько каналов связи по одному кабелю, при этом каждый канал связи может работать на своей не­сущей частоте, не мешая другим каналам.

Модулированные сигналы являются однонаправленными. Это значит, что сигнал передается только в одном направлении: на одном конце кабеля установлен передатчик, а на другом - приемник. Однако на одном кабеле могут одновременно работать несколько каналов в разных направлениях.

Кроме кабельного телевидения, модулированные сигналы используются в системе DSL (Digital Subscriber Line), в которой данные и голос передаются одновременно по одной и той же линии, возможно через спутник или посредством радиоволн.

Для размещения на одной линии нескольких каналов связи используются методы мультиплексирования.

Мультиплексирование

Мультиплексированием называется одновременная передача многих сигналов по одной линии. На принимающей стороне мультиплексированные сигналы вос­станавливаются, т.е. отделяются друг от друга. Вернемся к примеру с кабельным телевидением. В телевизор встроено устройство декодирования сигналов, которое выделяет один канал и отбрасывает остальные. Благодаря этому зритель может выбрать желаемую программу.

Во многих литературных источниках о методах мультиплексирования говорит­ся только применительно к аналоговым сигналам, однако мультиплексировать можно и цифровые сигналы. Применяются следующие основные методы мульти­плексирования:

частотное разделение каналов (Frequency Division Method - FDM);

временное разделение каналов (Time Division Method - TDM);

по длине волны высокой плотности (Dense Wavelength Division Multiplexing - DWDM).

Частотное разделение каналов

При частотном разделении каналов, занимающих одну и ту же линию, каждый ка­нал работает на своей частоте (рис. 4.3). Обычно этим методом мультиплексируются аналоговые сигналы. Чтобы при частотном разделении каналов была возможна дву­сторонняя коммуникация, необходимо установить на каждой стороне как мультиплексор, так и демультиплексор.

Временное разделение каналов

Обычно этот метод используется для мультиплексирования цифровых сигна­лов. При временном разделении каждому каналу выделяются свои промежутки времени. На принимающем конце сигналы разных каналов отделяются демульти- плексором (рис. 4.4).

Мультиплексирование по длине волны высокой плотности

Этот метод мультиплексирования используется при передаче сигналов по волокон­но-оптическим кабелям. Сигналы каждого канала передаются световым лучом со сво­ей длиной волны. Физически этот метод совпадает с частотным разделением каналов, так как длина волны светового луча однозначно связана с его частотой. Однако отли­чия аппаратных реализаций этих методов настолько велики, что они все же рассмат­риваются как отдельные методы Как показано на рис. 4.5, по одному оптическому волокну могут одновременно передаваться различные данные, причем разными мето­дами (например, SONET и ATM).

Асинхронная и синхронная передача

Данные, заложенные в цифровом сигнале, фактически представлены изменениями дискретных состояний сигнала. Можно восстановить наши исходные нули и едини­цы, измеряя напряжение вольтметром в определенные моменты времени. Однако нужно точно знать, в какие именно моменты времени следует выполнять измерения. Синхронизация, т.е. согласование по времени, в коммуникационных технологиях не менее важна, чем во всех других областях нашей жизни.

В сетевых технологиях такое согласование по времени называется битовой синхро­низацией. Электронные устройства синхронизируют отдельные биты с помощью асин­хронного или синхронного методов.

Асинхронная передача

В этом методе для синхронизации используется стартовый бит, расположенный в начале каждого сообщения. Когда стартовый бит попадает в принимающее устройство, оно в этот момент синхронизирует свои внутренние часы с часами передающего устройства.

Синхронная передача

При синхронной передаче внутренние часы передающего и принимающего уст­ройств координируются встроенными механизмами. Например, информация о време­ни может быть встроена в сигналы данных. Такой метод называется синхронизацией с гарантированным изменением состояний. Среди синхронных методов это наиболее рас­пространенный.

Другой синхронный метод - синхронизация с помощью отдельного временного сигнала, в котором информация о времени передается между передатчиком и прием­ником по отдельному каналу. Еще один синхронный метод - стробирование. В этом случае синхронизация выполняется с помощью специальных строб-импульсов.

Симплексный, полудуплексный и дуплексный методы передачи

Каналы, по которым передаются сигналы данных, могут работать в одном из трех режимов: симплексном, полудуплексном и дуплексном. Отличаются эти методы направ­лениями, в которых передаются сигналы

Симплексная передача

Как видно из названия, это самый простой метод передачи. Иногда его называют однонаправленным, потому что сигналы проходят только в одном направлении, как ав­томобили по улице с односторонним движением (рис. 4.6).

Примером симплексной коммуникации может служить телевидение. Данные (телевизионные программы) передаются на телевизор. От телевизора обратно в сту­дию или в кабельную компанию никакие сигналы не передаются. Поэтому в состав телевизора входит только приемник сигналов, но не передатчик.

В настоящее время все большее распространение получают системы интерактив­ного телевидения, позволяющие передавать сигналы не только из студии к телевизо­ру, но и в обратном направлении. Однако кабельное оборудование большинства ком­паний по-прежнему поддерживает только симплексную передачу. Это создало серьез­ную проблему при появлении сети Internet. Существующая кабельная система оказалась способной передавать данные только в одном направлении, к пользователю.

Этот недостаток делает невозможным, например, доступ пользователя к Web-страницам, потому что броузер пользователя должен передать на Web-узел свой за­прос. Кабельные компании предлагают два способа решения этой проблемы:

передавать запросы пользователей (которые всегда намного короче, чем Web- страницы) по телефонным линиям, а Web-страницы - по телевизионным кабелям;

установить новое кабельное оборудование с двусторонней передачей.

Большинство компаний использовали первый способ как временную альтернативу второго, более совершенного. Если оставить кабельную систему передачи симплекс­ной, то пользователю придется нести расходы только на покупку кабельного и теле­фонного модемов (с пропускной способностью последнего не более 56 Кбит/с.) При этом ресурсы высокоскоростного кабельного канала будут использоваться полностью.

Многие кабельные компании сразу модернизируют свое оборудование для под­держки двусторонней коммуникации, в то время как другие все еще предоставляют только одностороннюю передачу данных Internet по телевизионному кабелю. В этих районах клиенты вынуждены использовать как кабельные, так и аналоговые модемы, подключенные к телефонной линии.

Полудуплексная передача

По сравнению с симплексной преимущества полудуплексной передачи очевидны: сигналы могут передаваться в обоих направлениях. Однако, к сожалению, эта дорога недостаточно широка, чтобы сигналы проходили в обоих направлениях одновременно. В полудуплексном методе в каждый момент времени сигналы передаются только в одном направлении (рис. 4.7).

Полудуплексный метод используется во многих системах радиосвязи, например, в уст­ройствах связи в полицейских автомобилях. В этих системах при нажатой кнопке микро­фона можно говорить, но услышать что-либо нельзя. Если пользователи нажмут кнопки микрофонов в обоих концах одновременно, то ни один из них ничего не услышит.

Дуплексная передача

Работа дуплексной системы коммуникации похожа на улицу с двусторонним дви­жением: автомобили могут двигаться в обоих направлениях одновременно (рис. 4.8).

Примером дуплексной коммуникации является обычный телефонный разговор. Оба абонента могут говорить одновременно, при этом каждый из них слышит, что го­ворит другой на другом конце линии (правда, при этом не всегда можно разобрать, что было сказано).

Проблемы, возникающие при передаче сигналов

Сигналы, с помощью которых сообщаются компьютеры, подвержены различным помехам и ограничениям. Разные типы кабелей и методы передачи обладают разной чувствительностью к помехам.

Электромагнитные помехи

Электромагнитные помехи представляют собой вторжение постороннего электро­магнитного сигнала, нарушающего форму полезного сигнала. Когда в полезный сиг­нал добавляются внешние помехи, принимающий компьютер не может правильно интерпретировать сигнал.

Представьте себе, что вы проезжаете в автомобиле рядом с мощной промышлен­ной установкой и слушаете в это время радио. Чистый и разборчивый сигнал вдруг покрывается шумом и треском. Это происходит потому, что к сигналу радиостанции Добавляются сильные сигналы, создаваемые установкой, которая расположена ближе, чем радиостанция. Поэтому электромагнитные помехи иногда называют шумами

Довольно часто помехи поступают из неизвестного источника. Существует множество Устройств, в которых электрические сигналы не выполняют информационные функции, а являются побочным продуктом различных производственных процессов. Создаваемые ими помехи могут распространяться на расстояние вплоть до нескольких километров.

Электромагнитные помехи порождают проблемы не только в компьютерных коммуни­кационных технологиях. В городах есть много устройств, передающих и принимающих электромагнитные сигналы: мобильные телефоны, средства радиосвязи, телевизионные передатчики и приемники. Электромагнитные помехи могут стать причиной многих не­приятностей, таких как плохое телевизионное изображение, крушение самолета вследствие нарушения связи с диспетчером, смерть пациента из-за нарушения работы медицинского оборудования и т.д. Существуют также долговременные побочные эффекты электромаг­нитного излучения, например рак или лейкемия могут быть вызваны длительным пребы­ванием человека рядом с мощным источником электромагнитных полей.

В коммуникационных технологиях особенно чувствительны к электромагнитным помехам неэкранированные медные провода. Металлическая внешняя оболочка коак­сиальных кабелей в значительной степени защищает их от помех. Эту же функцию выполняет металлическая оболочка экранированной витой пары. Неэкранированная витая пара довольно сильно подвержена помехам. Совершенно нечувствительны к электромагнитным помехам волоконно-оптические кабели, потому что в них сигна­лами служат не электрические импульсы, а луч света. Поэтому в условиях сильных электромагнитных помех лучше всего работают волоконно-оптические каналы связи.

Радиочастотные помехи

Радиочастотные помехи представляют собой сигналы радиопередатчиков и других устройств, генерирующих сигналы на радиочастотах. К ним относятся также процес­соры и дисплеи компьютеров. Радиочастотным считается электромагнитное излучение на частотах от 10 КГц до 100 ГГц. Излучение на частотах от 2 до 10 ГГц называется также микроволновым.

Влияние радиочастотных помех устраняется с помощью помехозащитных фильт­ров, применяемых в различных типах сетей.

Перекрестные помехи

К этому типу помех относятся сигналы проводов, расположенных на расстоянии нескольких миллиметров друг от друга. Протекающий по проводу электрический ток создает электромагнитное поле, которое генерирует сигналы в другом проводе, распо­ложенном рядом. Довольно часто, разговаривая по телефону, можно услышать при­глушенные разговоры других людей. Причиной этого являются перекрестные помехи.

Перекрестные помехи значительно уменьшаются, если скрутить два провода, как это сделано в витой паре. Чем больше витков приходится на единицу длины, тем меньше влияние помех. Применение волоконно-оптического кабеля полностью уст­раняет эту проблему. Внутри одной оболочки можно расположить сколько угодно оп­тических волокон, и они не будут мешать друг другу, потому что сигналами в них служат не электрические импульсы, а световые лучи.

Затухание сигналов

Проходя по кабелю, электрические сигналы становятся все слабее. Чем больше расстояние до источника, тем слабее сигнал. Это нетрудно представить себе, вообра­зив, будто вы пытаетесь что-то сказать человеку, находящемуся на некотором рас­стоянии от вас. Если до него 5 метров, то он услышит ваш голос (сигнал) четко и громко, однако если до него 50 метров, то он с трудом поймет, о чем вы ему кричите. Такое ослабление сигнала с расстоянием называется затуханием сигнала

Затухание является причиной того, что в спецификациях различных сетевых архи­тектур указывается ограничение на длину кабеля. Если это ограничение соблюдается, то эффект затухания не повлияет на нормальную работу канала связи.

При увеличении частоты затухание увеличивается, потому что, чем выше частота сигнала, тем интенсивнее рассеивание его электромагнитной энергии в окружающее пространство. При увеличении частоты сам провод превращается из носителя сигнала в антенну, рассеивающую его энергию в пространство.

Сигналы в волоконно-оптическом кабеле тоже подвержены затуханию. Две глав­ные причины - поглощение светового луча примесями в стекле и рассеивание луча вследствие небольших изменений оптической плотности стекла, образовавшихся при его производстве. Однако волоконно-оптические кабели могут передавать сигнал на значительно большее расстояние, чем медные кабели, причем без уменьшения его мощности до недопустимого уровня.

Пропускная способность

Пропускная способность канала коммуникации обычно измеряется в мегабитах в секунду (Мбит/с). На пропускную способность влияет тир сигнала, тип среды и рас­стояние, на которое передается сигнал.

Понятия высокой и низкой пропускной способности весьма относительны. Например, пропускная способность Ethernet lOBaseT, равная 10 Мбит/с, кажется очень высокой по сравнению с пропускной способностью телефонного модема (50 Кбит/с), в то же время она кажется удручающе низкой по сравнению Gigabit Ethernet (1 Гбит/с) или с высокоско­ростными соединениями глобальных сетей, такими как SONET и ATM.

Важным критерием при выборе типа кабеля и архитектуры сети является требую­щаяся (как сейчас, так и в будущем) пропускная способность.

Планирование роста сети

На этапе планирования сети необходимо помнить, что пропускная способность - это такой ресурс, которого всегда оказывается недостаточно. Покупка оборудования с бо­лее высокой пропускной способностью, чем необходимо сейчас, является хорошим вложением капитала: дополнительные затраты обязательно окупятся.

Компьютерные и коммуникационные технологии развиваются быстрыми темпами. В 1980-х годах типичные каналы глобальных сетей имели пропускную способность 10 Кбит/с, а локальных - 2,5 Мбит/с. Тогда никто даже не предполагал, что когда- нибудь понадобится передавать что-нибудь со скоростью, большей 100 Мбит/с Ведь еще не существовали такие технологии, как видеоконференции, передача голоса, или передача больших файлов, которые сейчас широко распространены

Проложить кабель с увеличенной пропускной способностью значительно легче и дешевле, чем потом заменять кабель новым Допустим, вы устанавливаете сеть 10BaseT, для кото- Рои достаточно кабеля категории 3 с пропускной способностью 10 Мбит/с. Купив кабель ка­тегории 3, а не категории 5, вы сэкономите несколько долларов. Однако через несколько лет, когда понадобится модернизировать сеть до 100 Мбит/с (а это случится почти навер­няка), вам придется заменять все кабели. Это обойдется значительно дороже, чем если бы вы сразу купили и установили кабель категории 5.

Методы доступа к сети

Существует несколько раз­личных методов доступа, соответствующих разным архитектурам и топологиям сети. Наибольшее распространение получили следующие методы:

передача маркера (эстафетный доступ);

приоритеты запросов.

Метод CSMA/CD

В настоящее время самый распространенный метод управления доступом в ло­кальную сеть - это CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection - множественный доступ с контролем носителя и обнаружением конфликтов). Распространенность метода CSMA/CD в значительной степени обусловлена тем, что он используется в наиболее распростра­ненной в настоящее время архитектуре Ethernet.

Это весьма быстродействующий и эффективный метод предоставления доступа к кабелю Ethernet. Чтобы понять, как он работает, рассмотрим отдельно фрагмен­ты его названия.

Контроль носителя. Когда компьютер собирается передать данные в сеть мето­дом CSMA/CD, он должен сначала проверить, передает ли в это время по это­му же кабелю свои данные другой компьютер. Другими словами, проверить со­стояние носителя: занят ли он передачей других данных.

Множественный доступ. Это означает, что несколько компьютеров могут начать передачу данных в сеть одновременно.

Обнаружение конфликтов. Это главная задача метода CSMA/CD. Когда компью­тер готов передавать, он проверяет состояние носителя. Если кабель занят, компьютер не посылает сигналы. Если же компьютер не слышит в кабеле чу­жих сигналов, он начинает передавать. Однако может случиться, что кабель прослушивают два компьютера и, не обнаружив сигналов, начинают передавать оба одновременно. Такое явление называется конфликтом сигналов.

Когда в сетевом кабеле сигналы конфликтуют, пакеты данных разрушаются. Однако еше не все потеряно. В методе CSMA/CD компьютеры ждут на протяжении случайного п- риода временш посылают эти же сигналы повторно. Почему промежуток времени должен быть случайным? Если оба компьютера будут ждать некоторое фиксированное количество миллисекунд, то их времена ожидания могут совпасть и все повторится сначала. Компью­тер, который первым повторяет передачу пакета (у которого случайный период времени оказался меньшим), как бы "выигрывает" доступ к сети в рулетку.

Вероятность конфликтов невелика, так как они происходят, только если совпадают на­чала пакетов, т.е. весьма короткие отрезки времени. Поскольку сигналы передаются с вы­сокой скоростью (в Ethernet - 10 или 100 Мбит/с), производительность остается высокой.

Реализация метода CSMA/CD определяется спецификациями IEEE 802.3.

Метод CSMA/CA

Название метода расшифровывается как Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (множественный доступ с контролем носителя и предотвращением конфликтов).

CSMA/CA - более "недоверчивый" метод. Если компьютер не находит в кабе­ле других сигналов, он не делает вывод, что путь свободен и можно отправлять свои дра­гоценные данные. Вместо этого компьютер сначала посылает сигнал запроса на переда­чу - RTS (Request to Send). Этим он объявляет другим компьютерам, что намерен начать передачу данных. Если другой компьютер сделает то же самое в тот же момент времени, то произойдет конфликт сигналов, а не пакетов данных. Таким образом, пакеты данных никогда не смогут конфликтовать. Это называется предотвращением конфликтов.

На первый взгляд, метод с предотвращением конфликтов значительно совершеннее, чем с обнаружением. Однако его производительность ниже из-за того, что дополнительно к данным приходится посылать сигналы KTS, подавляющее большинство которых не нужны. Фактически количество поступающих на кабель сигналов почти удваивается.

Метод CSMA/CA используется в сетях AppleTalk.

Передача маркера

Существует ли метод доступа, работающий вообще без конфликтов сигналов? Та­кой метод существует: это метод с передачей маркера.

Метод с передачей маркера неконкурентный В нем два компьютера не могут начать пе­редавать сигнал одновременно. Работа метода похожа на семинар, участник которого не может начать говорить, пока ему не предоставлено слово. Аналогично этому, компьютер в сети с передачей маркера не передает сигнал, пока маркер не перейдет к нему.

Телекоммуникационные системы по видам связи , а так же режимам передачи и приема данных делятся на следующие виды связи:

Симплексная связь

Симплексная связь – это односторонняя связь между двумя абонентами, в которой направление осуществляется в одну сторону и по одному и тому же каналу связи. Т.е. при симплексной связи второй абонент, кому направленно сообщение или послание, не может ни ответить, ни подтвердить ничего, а только слушать.

Полудуплексная связь

Полудуплексная связь – это двусторонняя связь между двумя абонентами, в которой по одному и тому же каналу связи прием и передача данный осуществляется поочередно. Первый абонент посылает сообщение и должен освободить свой канал. Второй, получив сообщение, по этому же каналу отправляет (посылает) ответное сообщение. И так может продолжаться сколь угодно долго. В фильмах часто звучат подобные диалоги:

— Первый, это айсберг – ПРИЕМ
— Айсберг, твое послание услышал, ПРИЕМ
— Конец связи.

В этом примере полудуплексной связи слово «ПРИЕМ» как раз и означает, что сообщение послано и можно переходить в режим ответа.

Дуплексная связь

Дуплексная связь – это двусторонняя связь, которая может осуществляться одновременно. Т.е. два абонента могут, как принимать, так и посылать сообщение по одному каналу связи. Различные телефонные разговоры являются отличным примером дуплексной связи . На практике в основном имеется на прием и на передачу отдельный канал связи.

В большинстве случаев, канал связи предоставляет средства для односторонней передачи данных. С помощь всего одной линии связи можно обеспечить реализацию сразу нескольких каналов связи. Такая связь называется многоканальная.