1.Используя метод избыточного кодирования составьте программу для кодирования сигнала (1010 0000 0001 1000 0000 1000) методами избыточного кодирования 4B/5B и B8ZS.

2.Используя метод избыточного кодирования постройте график в Excel для кодирования сигнала (1000 0000 0101 1000 0000 0111) методами избыточного кодирования 4B/5B и скрэмблирования по предложенному методу.

Контрольные вопросы

1.Какие два основных метода логического кодирования Вы знаете?

2.В чем заключается метод логического кодирования – скремблирование? 3.Что такое B8ZS? В чем заключается этот метод?

Литература

1.Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учебник для вузов. 2-е изд. – СПб.: Питер, 2003. – 864 с.: ил.

2.Блэк Ю. Сети ЭВМ: Протоколы, стандарты, интерфейсы: Пер. с англ. –

М.: Мир, 1990. –506 с., ил.

11

III. «Помехоустойчивость и достоверность»

Теоретические сведения

Помехоустойчивость линии определяет ее способность уменьшать уровень помех, создаваемых во внешней среде или на внутренних проводниках самого кабеля. Помехоустойчивость линии зависит от типа используемой физической среды, а также от экранирующих и подавляющих помехи средств самой линии. Наименее помехоустойчивыми являются радиолинии, хорошей устойчивостью обладают кабельные линии и отличной — волоконно-оптические линии, малочувствительные к внешнему электромагнитному излучению. Обычно для уменьшения помех, появляющихся из-за внешних электромагнитных полей, проводники экранируют и/или скручивают. Параметры, характеризующие помехоустойчивость, относятся к параметрам влияния линии связи.

Первичными параметрами влияния медного кабеля являются электрическая и магнитная связь. Электрическая связь определяется отношением наведенного тока в цепи, подверженной влиянию, к напряжению, действующему во влияющей цепи. Магнитная связь — это отношение ЭДС, наведенной в цепи, подверженной влиянию, к току во влияющей цепи. Результатом электрической и магнитной связи являются наведенные сигналы (наводки) в цепи, подверженной влиянию. Существует несколько различных параметров, характеризующих устойчивость кабеля к наводкам.

Перекрестные наводки на ближнем конце (Near End Cross Talk, NEXT)

определяют устойчивость кабеля в том случае, когда наводка образуется в результате действия сигнала, генерируемого передатчиком, подключенным к одной из соседних пар на том же конце кабеля, на котором работает подключенный к подверженной влиянию паре приемник (рис.3.1). Показатель NEXT, выраженный в децибелах, равенlg(Pвых/Pнав). ГдеPвых - мощность выходного сигнала, Pнав — мощность наведенного сигнала.

Рис.3.1 Переходное затухание.

12

Чем меньше значение NEXT, тем лучше кабель. Так, для витой пары категории 5 показатель NEXT должен быть меньше -27 дБ на частоте 100 МГц.

Перекрестные наводки на дальнем конце (Far End Cross Talk, FEXT)

позволяют оценить устойчивость кабеля к наводкам для случая, когда передатчик и приемник подключены к разным концам кабеля. Очевидно, что этот показатель должен быть лучше, чем NEXT, так как до дальнего конца кабеля сигнал приходит ослабленный затуханием каждой пары.

Показатели NEXT и FEXT обычно используются применительно к кабелю, состоящему из нескольких витых пар, так как в этом случае взаимные наводки одной пары на другую могут достигать значительных величин. Для одинарного коаксиального кабеля (то есть состоящего из одной экранированной жилы) этот показатель не имеет смысла, а для двойного коаксиального кабеля он также не применяется вследствие высокой степени защищенности каждой жилы. Оптические волокна также не создают сколько-нибудь заметных помех друг для друга.

В связи с тем, что в некоторых новых технологиях используется передача данных одновременно по нескольким витым парам, в последнее время стали применяться также показатели перекрестных наводок с приставкой PS (PowerSUM), такие как PS NEXT и PS FEXT. Эти показатели отражают устойчивость кабеля к суммарной мощности перекрестных наводок на одну из пар кабеляот всех остальных передающих пар.

Рис.3.2 Суммарное переходное затухание.

Применяется также такой практически важный показатель, как защищенность кабеля (ACR). Защищенность определяется как разность между уровнями полезного сигнала и помех. Чем больше значение защищенности кабеля, тем в соответствии с формулой Шеннона с потенциально более высокой скоростью можно передавать данные по этому кабелю. На рис.3.3 показаны типичная характеристика зависимости защищенности кабеля на неэкранированной витой паре от частоты сигнала.

13

Достоверность передачи данных характеризует вероятность искажения для каждого передаваемого бита данных. Иногда этот же показатель называют

интенсивностьюбитовыхошибок(Bit Error Rate, BER). ВеличинаBER дляканалов связи без дополнительных средств защиты от ошибок (например, самокорректирующихся кодов или протоколов с повторной передачей искаженных кадров) составляет, как правило, 10-4 – 10-6, в оптоволоконных линиях связи — 10-9. Значение достоверности передачи данных, например, в 10 -4 говорит о том, что в среднем из 10 000 бит искажается значение одного бита.

Рис.3.3 Защищенность витой пары.

Искажения бит происходят как из-за наличия помех на линии, так и по причине искажений формы сигналаограниченной полосой пропусканиялинии. Поэтому для повышения достоверности передаваемых данных нужно повышать степень помехозащищенности линии, снижать уровень перекрестных наводок в кабеле, а также использовать более широкополосные линии связи.

Кабели, изготовленные из скрученных пар категории 5 (волновое сопротивление 100,15 Ом), с полосой 100 МГц обеспечивают пропускную способность при передаче сигналов ATM 155 Мбит/с. При 4 скрученных парах это позволяет осуществлять передачу до 622 Мбит/с. Кабели категории 6 сертифицируются до частот 300 МГц, а экранированные и до 600 МГц (волновое сопротивление 100 Ом). В таблице 3.1.6 приведены данные по затуханию и перекрестным наводкам. Приведены характеристики такого кабеля с 4-мя скрученными экранированными парами (S-FTP).

14

Такой кабель пригоден для передачи информации со скоростью более 1 Гбит/с. Ниже на рис. 3.4 показана зависимость наводок на ближнем конце кабеля, содержащего скрученные пары, от частоты передаваемого сигнала.

Рис. 3.4 Зависимость наводок NEXT от частоты передаваемого сигнала.

На рис. 3.5 представлена зависимость ослабления сигнала в неэкранированной скрученной паре (именно такие кабели наиболее часто используются для локальных сетей) от частоты передаваемого сигнала. Следует иметь в виду, что при частотах в области сотен мегагерц и выше существенный вклад начинает давать поглощение в диэлектрике. Таким образом, даже если проводники изготовить из чистого золота, существенного продвижения по полосе пропускания достичь не удастся.

Рис. 3.5 Зависимость ослабления сигнала от частоты для неэкранированной скрученной пары.

Для неэкранированной скрученной пары 5-ой категории зависимость отношения сигнал-шум от длины с учетом ослабления и наводок NEXT показана на рис. 3.6.

15

Как параметры передачи, так и параметры влияния можно разделить на первичные и вторичные. Первичные параметры представляют собой физические параметры, описывающие физическую природу линии связи. К первичным параметрам передачи медного кабеля относятся: активное погонное сопротивление, погонная индуктивность, погонная емкость и погонная проводимость изоляции медного кабеля, к вторичным — затухание и волновое сопротивление.

Переходное затухание является одним из наиболее значимых вторичных параметров влияния медных линий связи.

Полоса пропускания определяет диапазон частот, которые передаются линией связи с приемлемым затуханием.

Характеристики неэкранированных скрученных пар американского стандарта 24 AWG (приведены характеристики кабелей, используемых при построении локальных сетей) для кабелей различной категории собраны в таблице 3.2, а частотные свойства кабелей классов E и F показаны на рис. 3.7 и 3.8 (ISO/IEC 11801:2002).

Рис. 3.7. Зависимость частотных свойств кабелей класса Е, а также NEXT, FEXT, Return Loss и Insertion Loss от частоты.

Новые Ethernet протоколы 1000BASE-T и 10GBASE-T требуют применения скрученных пар существенно более высокого качества (с большей полосой пропускания, с более низкими уровнями NEXT и FEXT). Передача в этом случае производится по четырем скрученным парам одновременно. Предполагается, что эта технология станет стандартной в первой половине 2006 года и станет частью спецификации IEEE 803.3ae. Требования к кабелю определяются документом

ISO/IEC-11801:2002 для классов D или выше.

17

Заданияклабораторнойработе Цель работы: Определение помехоустойчивости линии связи на витой паре.

1.Определите величину защищенности кабеля UTP 5 от наводок на частотах: 10, 31, 50, 100 МГц, при длине линии 20, 50 и 100 м.

2.Определите величину защищенности кабеля UTP 6 от наводок на частотах: 10, 31, 50, 100 МГц, при длине линии 20, 50 и 100 м.

2.Определите величину защищенности кабеля UTP 3 от наводок на частотах: 10, 16 МГц, при длине линии 20, 50 и 100 м.

2.Определите величину защищенности кабеля UTP 4 от наводок на частотах: 10, 16, 31 МГц, при длине линии 20, 50 и 100 м.

Контрольные вопросы

1.Дайте определение помехоустойчивости линии.

2.От чего зависит помехоустойчивость линии?

3.Какие линии обладают наименьшей, наибольшей и отличной помехоустойчивостью?

4.Как уменьшают влияние электромагнитных помех на проводные линии связи.

5.Какие параметры характеризуют устойчивость кабеля к наводкам? Что характеризуют данные параметры?

Литература

1.Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учебник для вузов. 2-е изд. – СПб.: Питер, 2003. – 864 с.: ил.

2.Блэк Ю. Сети ЭВМ: Протоколы, стандарты, интерфейсы: Пер. с англ. –

М.: Мир, 1990. –506 с., ил.

18

IV. «Пропускная способность вычислительных сетей»

Теоретические сведения

Пропускная способность. Определение пропускной способности.

Пропускная способность (количество бит информации, передаваемое в единицу времени) и достоверность передачи данных (вероятность доставки неискаженного бита или же вероятность искажения бита) интересуют разработчика компьютерной сети в первую очередь, поскольку эти характеристики прямо влияют на производительностьи надежностьсоздаваемойсети.

Пропускная способность и достоверность передачи данных зависят, с одной стороны, от характеристик физической среды, а с другой — определяются характеристиками способа передачи данных. Следовательно, нельзя говорить о пропускной способности линии связи, до того как для нее определен протокол физического уровня. Например, поскольку для цифровых линий всегда определен протокол физического уровня, задающий битовую скорость передачи данных, то длянихвсегдаизвестнаипропускнаяспособность— 64 Кбит/с, 2 Мбит/сит. п.

В тех же случаях, когда только предстоит определить, какой из множества существующих протоколов можно использовать на данной линии, очень важными являются остальные характеристики линии, такие как полоса пропускания, перекрестныенаводки, помехоустойчивостьи другиехарактеристики.

Пропускная способность (throughput) линии характеризует максимально возможную скорость передачи данных по линии связи. Пропускная способность измеряется в битах в секунду (бит/с), а также в производных единицах, таких как килобит в секунду (Кбит/с), мегабит в секунду (Мбит/с), гигабит в секунду (Гбит/с) и т. д.

Пропускная способность линий связи и коммуникационного сетевого оборудования традиционно измеряется в битах в секунду, а не в байтах в секунду. Это связано с тем, что данные в сетях передаются последовательно, то есть побитно, а не параллельно, байтами, как это происходит между устройствами внутри компьютера. Такие единицы измерения, как килобит, мегабит или гигабит, в сетевых технологиях строго соответствуют степеням 10 (то есть килобит — это 1000 бит, а мегабит — это 1 000 000 бит), как это принято во всех отраслях науки и техники, а не близким к этим числам степеням 2, как

это принято в программировании, где приставка «кило» равна 210 = 1024, а «мега» — 220 = 1 048 576.

Пропускная способность линии связи зависит не только от ее характеристик, таких как затухание и полоса пропускания, но и от спектра передаваемых сигналов. Если значимые гармоники сигнала (то есть те гармоники, амплитуды которых вносят основной вклад в результирующий сигнал) попадают в полосу пропускания линии, то такой сигнал будет хорошо передаваться данной линией связи и приемник сможет правильно распознать информацию, отправленную по линии передатчиком (рис.4.1, а). Если же значимые гармоники выходят за границы полосы пропускания линии связи, то сигнал будет значительно искажаться,

19

приемник будет ошибаться при распознавании информации, а значит, информация несможетпередаватьсясзаданнойпропускнойспособностью(рис.4.1, б).

Рис.4.1 Соответствие между полосой пропускания линии связи и спектром сигнала

Выбор способа представления дискретной информации в виде сигналов, подаваемых на линию связи, называется физическим, или линейным, кодированием. От выбранного способа кодирования зависит спектр сигналов и, соответственно, пропускная способность линии. Таким образом, для одного способа кодирования линия может обладать одной пропускной способностью, а для другого — другой. Например, витая пара категории 3 может передавать данные с пропускной способностью 10 Мбит/с при способе кодирования стандарта физического уровня 10Base-T и 33 Мбит/с при способе кодирования стандарта 100Base-T4. В примере, приведенном на рис.4.1, принят следующий способ кодирования: логическая 1 представлена на линии положительным потенциалом, а логический 0 — отрицательным.

Теория информации говорит, что любое различимое и непредсказуемое изменение принимаемого сигнала несет в себе информацию. В соответствии с этим прием синусоиды, у которой амплитуда, фаза и частота остаются неизменными, информации не несет, так как изменение сигнала хотя и происходит, но является хорошо предсказуемым. Аналогично, не несут в себе информации импульсы на тактовой шине компьютера, так как их изменения также постоянны во времени. А вот импульсы на шине данных предсказать заранее нельзя, поэтому они переносят информацию между отдельными блоками или устройствами компьютера.

Большинство способов кодирования используют изменение какого-либо параметра периодического сигнала — частоты, амплитуды и фазы синусоиды

20