Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методы и средства передачи данных в автоматизированных системах. Учебное пособие
.pdf
1.6. Модель взаимодействия открытых систем
31
4) контроль и управление потоками данных;
5) обеспечение прозрачности логических каналов путем передачи по
ним данных, закодированных любым способом, установленным стандартом.
Сетевой уровень регламентирует установку связи между двумя уз-
лами в вычислительной сети. Соединение между узлами сети выполняется
с применением механизмов и инструментов маршрутизации.
Конкретной задачей стандартов данного уровня является описание
принципов создания каналов, указание конкретных технических условий и
процедур.
Как правило, на сетевом уровне выполняются следующие основные
функции:
1) создание соединений;
2) разрыв соединений;
3) обнаружение и идентификация портов;
4) детектирование и коррекция ошибок;
5) контроль потоков данных;
6) управление и переключение потоков;
7) упорядочение последовательностей пакетов при их разделении;
8) маршрутизация и коммутация соединений;
9) сегментация данных (разбиение) на пакеты и их объединение;
10) перезапуск и восстановление системы;
11) выбор соответствующих видов сервиса.
Следующий транспортный уровень сетевой модели OSI/ISO выпол-
няет декомпозицию (разделение) передаваемых сообщений на отдельные пакеты, размер которых напрямую зависит от выбранной сетевой технологии.
Стандарты транспортного уровня помогают согласовать работу разных сетей при помощи специализированных шлюзов, если они напрямую не
могут взаимодействовать друг с другом, т.е. имеют различные стандарты.
Основной задачей технологий транспортного уровня является создание «виртуальных» каналов связи поверх физических соединений и организация обмена данными между абонентами для передачи данных, переформированных в пакеты.
Рассмотрим основные функции, регламентируемые стандартами
транспортного уровня согласно модели OSI/ISO:
1) контроль и управление передачей блоков информации;
Глава 1. Основы систем передачи данных
32
2) контроль целостности данных;
3) коррекция ошибок;
4) восстановление после отказов;
5) переформирование блоков данных (рекомбинация, разбиение или
слияние);
6) соблюдение приоритета при передаче блоков;
7) передача и проверка подтверждений о переданных блоках;
8) ликвидация блоков в случае коллизий или сбоев сети.
Сеансовый уровень модели OSI/ISO обеспечивает прямое взаимо-
действие со стандартами транспортного уровня, координирует трансляцию
информации внутри сеанса связи, реализует отдельные функции управления доступом, аутентификации и авторизации пользователей и систем.
Фактически стандарты данного уровня сетевой модели обеспечи-
вают работы следующих функций:
1) управление соединениями;
2) выполнение обмена данными между абонентами;
3) синхронизация работы соединений;
4) извещение о коллизиях и исключительных ситуациях;
5) установку специальных контрольных точек, позволяющих восста-
новить сеанс связи после;
6) прерывание и возобновление процессов;
7) безопасное сохранение данных для восстановления после сбоя;
8) передача статусных сообщений о статусе сеанса.
Предпоследний Уровень представления модели обеспечивает при-
менение различных технологий для преобразования данных более высокого уровня приложений в формат, пригодный для передачи в компьютерных сетях. Стандарты данного уровня отвечают за кодирование и интерпретацию данных, сжатие и шифрование информации.
Инструментальные средства уровня представления выполняют сле-
дующие основные функции:
1) выбор формата представлений;
2) формирование виртуального образа данных;
3) преобразование вида и формата данных в стандартный вид, т.е. ко-
дирование, использование специальных символов;
1.6. Модель взаимодействия открытых систем
33
4) определение формата данных по содержимому передачи для об-
ратного восстановления.
Последний Уровень приложений сетевой модели OSI/ISO отвечает
за работу с конечным пользователем и поддержку его приложений. Здесь
выполняется задача формирования «изначального» протокола обмена данными, который влияет на лежащие ниже уровни сетевой модели и использует имеющиеся технологии более низкого уровня.
Здесь выполняется задача обеспечения взаимодействия всех форм
прикладных процессов в разных частях сети.
Для этого уровень приложений выполняет:
1) описание форм и методов взаимодействия компонент системы;
2) управление заданиями, передача файлов, управление системой и
другие контрольные мероприятия;
3) идентификацию, аутентификацию и авторизацию пользователей
на верхнем уровне;
4) определение валидных абонентов;
5) информирование о возможности доступа к удаленным ресурсам;
6) определение достаточности имеющихся ресурсов;
7) отправку запросов на соединение абонентам;
8) подачу заявок уровню представления на применение необходимых
методов описания информации;
9) выбор процедур диалога абонентов;
10) управление данными, которыми обмениваются абоненты;
11) синхронизацию процессов обмена данными;
12) расчет и проверку качества обслуживания в сети;
13) реализацию методов исправления ошибок и управление достовер-
ностью данных;
14) согласование элементов системы.
Прикладной уровень мы можем разделить на два подуровня: верхний и нижний.
Верхний подуровень в основном включает в себя конкретные сетевые службы для обмена данными.
Нижний подуровень стандартов описывает используемые по умолчанию сервисные элементы. Эти сервисы поддерживают нормальную работу сетевых служб.
Глава 1. Основы систем передачи данных
34
Мы можем объединить все уровни OSI в три группы:
1) пользовательские приложения и утилиты (стандарты 7-го уровня);
2) средства для преобразования информации (стандарты с 3-го по
6-й уровни);
3) инструментальные средства для физической передачи информации
по каналам связи (стандарты 1-го и 2-го уровня).
Стандарты открытых систем применяются во всех автоматизированных системах, содержащих сетевую компоненту, ведь без них невозможно
организовать обмен данными между различным оборудованием и программными агентами. Исторически так и было, потому что каждая компания, производящая оборудование, издавала свой собственный стандарт совместимости. Со временем идея единой сети окрепла и сообщество разработчиков и
пользователей настояли на использовании единой группы совместимых
стандартов, что и было сделано. Сейчас любая программа или устройство,
подключенное к сети, поддерживает как минимум одну группу стандартов и
технологий их набора OSI, иначе они просто не будут работать.
Рассмотрим далее основы кодирования и представления данных в
сетевом слое автоматизированных систем.
В следующей главе будут рассмотрены методы и средства кодирования и представления данных.
2.1. Основные понятия и определения кодирования данных в сетях связи
35
ГЛАВА 2
КОДИРОВАНИЕ И ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ДАННЫХ
В данной главе будут рассмотрены основные понятия и определения
такого процесса обработки информации в автоматизированных и информационных системах, как кодирование. Также мы проведем классификацию
кодов и рассмотрим их основные параметры, проведем анализ методов аналоговой модуляции и цифрового кодирования информации в системах передачи данных.
2.1. Основные понятия и определения
кодирования данных в сетях связи
Как известно, работа по передаче пользовательских сообщений ос-
нована на преобразовании бинарных данных в электрические или оптические сигналы. Символы, из которых формируются конечные сообщения,
образуют первичный «алфавит» и от их «вида» зависит представление данных. Из совокупности этих символов получается определенная уникальная
последовательность дискретных символов или кодовых комбинаций.
В соответствии с этим мы можем охарактеризовать кодирование как
преобразование сообщений в сигналы при помощи кодовых комбинаций.
Для этого процесса нужно ввести понятие кода. Кодом мы будем
называть систему соответствия между элементами сообщений и кодовыми
комбинациями.
Следующим важным моментом преобразования является способность системы выполнять прямое и обратное преобразование сообщений,
т.е. процессы кодирования и декодирования.
Кодирование выполняется на основе определенного множества символов, которое не меняется от сообщения к сообщению, так как является
инструментом преобразования. Это множество возможных символов мы
будем называть алфавитом. Грубо говоря, алфавит это некоторое множество X = {xi}, где i = 1, 2,..., m.
Таким образом, под основанием алфавита мы будем понимать количество элементов кода – m, например, для двоичного кода xi = {0, 1} и m = 2.
Глава 2. Кодирование и представление данных
36
Под «кодом» кодовой комбинацией или кодовым словом мы будем
понимать конечную последовательность символов данного алфавита.
Под значностью или длиной комбинации мы будем понимать число
элементов n в кодовой комбинации.
Под объемом или мощностью кода будем понимать число различ-
ных кодовых комбинаций (N = mn).
Множество состояний кода должно покрывать множество состояний
объекта.
Таким образом, полный равномерный n-значный код с основанием
m содержит N = mn кодовых комбинаций.
Такой код мы будем называть примитивным.
2.2. Классификация кодов и их параметры
Коды мы можем разделять (классифицировать) по следующим раз-
личным признакам:
1) по основанию или, другими словами, количеству символов в алфа-
вите: бинарные (двоичные m = 2) или не бинарные (m <> 2);
2) по длине кодовых комбинаций (слов):
а) равномерные (все кодовые комбинации имеют одинаковую
длину);
б) неравномерные (длина любой кодовой комбинации является пе-
ременной величиной);
3) по способу передачи: последовательные и параллельные, а также
блочные или непрерывные (блочные данные сначала накапливаются в буфере, а затем передаются в канал связи для передачи, а непрерывные следуют сплошным потоком);
4) по помехоустойчивости: простые (примитивные – используется
только часть кодовых комбинаций), полные (используются все возможные
кодовые комбинации), корректирующие (помехозащищенные, использующие только часть разрешенных кодовых комбинаций).
Далее мы можем выделить следующие типы кодов в зависимости от
назначения и применения: внутренние коды, коды для обмена данными и
их передачи по каналам связи, коды для специальных применений.
2.2. Классификация кодов и их параметры
37
Внутренние коды – это коды, используемые только внутри определенных устройств. По своей сути – это машинные коды и коды, основывающиеся на применении позиционных систем счисления. Это могут быть
двоичные, десятичные, двоично-десятичные, восьмеричные и шестнадцатеричные коды. Такие коды уже привычны и давно внедрены в вычислительную технику и образуют устоявшиеся системы счисления для представления данных.
Конечно, наиболее распространенным сейчас кодом в ЭВМ является
двоичный код. Преимущество двоичного кода в том, что он очень просто
представляется в цифровой схемотехнике, в каналах связи и устройствах
при помощи уровня питания. Логическая единица формируется импульсом
с напряжением питания, а логический ноль – его отсутствием.
Двоичный код позволяет соблюдать простоту и надежность разрабатываемых устройств и каналов связи, хотя в чистом виде бинарные данные
преобразуются в двоичный код и передаются потенциалами на линиях
связи только внутри устройств или между ними на короткой дистанции.
Шестнадцатеричные коды часто применяются как контрольные
суммы пакетов для аппаратных устройств. В программировании шестнадцатеричный код используется для представления палитры цветов. В таком
коде часто представляется содержимое файлов и так далее.
Коды для обмена данными и их передачи по каналам связи получили
наиболее широкое распространение в ЭВМ и известны как коды или amer-
ican standard code for information interchange (ASCII).
Этот код имеет длину в 7 бит и используется для представления символов, а совокупность возможных символов представляет кодовую таблицу. Поскольку ЭВМ работают с байтами, то 8-й разряд используют для
синхронизации или проверки на четность.
Иногда 8-й бит применяется как бит расширения основной кодировки символов и таким образом формирует расширенную таблицу кодов.
Вообще говоря, при кодировании информации должны использоваться коды, обеспечивающие максимальную скорость и надежность передачи информации. Скорость передачи данных может достигаться за счет
применения алгоритмов сжатия и устранения избыточности. Надежность
передачи можно повысить путем внедрения кодов, обеспечивающих
Глава 2. Кодирование и представление данных
38
достоверность или самовосстанавливаемость передачи за счет введения избыточности в передаваемые сообщения.
Существуют целые группы алгоритмов и стандартов, обеспечиваю-
щих реализацию таких кодов. Например, коды сжатия реализуются алгоритмами Хаффмана, а коды для достоверности реализуются групповыми
кодами, кодами Хэмминга и тому подобными решениями [4].
Коды для специальных применений ‒ это особые (специализиро-
ванные) коды, предназначенные для решения задач передачи и обработки
данных.
Примерами таких кодов является циклический код Грея или коды
Фибоначчи. Код Грея широко используется в АЦП при преобразовании
аналоговых сигналов в цифровые данные, а коды Фибоначчи используются
для построения таких устройств, как АЦП [12].
Можно выделить следующие основные цели кодирования информации в автоматизированных системах.
1) повышение эффективности передачи данных;
2) достижение максимальной скорости передачи данных;
3) повышение помехоустойчивости и надежности при передаче
данных.
В соответствии с этими целями классическая теория кодирования
развивается в двух основных направлениях:
1) теория эффективного кодирования занимается поиском кодов, поз-
воляющих повысить эффективность передачи информации в каналах связи
без помех за счет устранения избыточности и наилучшего согласования
скорости передачи данных с пропускной способностью канала.
2) теория помехоустойчивого кодирования занимается поиском
кодов, повышающих достоверность передачи информации в каналах с
помехами.
В эпоху развития сетей передачи все типы данных передавались
только в аналоговой форме. При этом преимущественно использовались
именно телефонные сети, так как еще не существовали специальные кабельные системы и радиоканалы.
Однако, несмотря на априори аналоговую природу среды передачи
данных, отправной точкой все же являлась дискретная по своему характеру
информация, инструментом преобразования в аналоговую форму был
2.2. Классификация кодов и их параметры
39
модем, содержащий тракты преобразования из цифры в аналоговый сигнал
и наоборот, а также дополнительные схемы модуляции и демодуляции [11].
Обобщенная структурная схема модема приведена на рис. 2 ниже.
Рис. 2. Структурная схема модема
Сам по себе аналоговый сигнал также может быть существенно искажен и не может сам по себе улучшить процесс передачи. Аналоговое
представление данных не дает никакого представления о том, где и как произошло изменение или искажение и как это исправить.
Логично, что каналы, где предпринимаются дополнительные попытки улучшения качества сигналов, имеют высокую стоимость связи.
Поэтому на практике используются комбинированные или гибридные системы представления данных.
В дополнение к этому применяются дополнительные преобразования потоков данных на входе и на выходе систем передачи данных. Примером могут являться процедуры модуляции, двоичной манипуляции, демодуляции.
Дискретная модуляция основана на процессе перевода физических
величин в цифровое представление, т.е. на дискретизации непрерывных
процессов по амплитуде и квантовании по времени.
Сам процесс дискретизации описывается как процесс измерения абсолютного уровня напряжения сигнала в канале связи и представления полученного значения в виде числа. При этом каждое устройство для дискретизации имеет свою разрядность, что определяет число градаций представления
напряжения числом и «цену деления». Например, при максимальном напряжении в 5 В и при разрядности преобразователя в 10 бит, мы представляем
число 5 в виде 1024 уровней (чисел) как на линейке. Т.е. минимальная цена
Глава 2. Кодирование и представление данных
40
деления у нас 5/1024 В. В итоге, полученное на выходе число достаточно
умножить на эту цену деления и получить измеренное напряжение.
Процесс дискретизации происходит через равные промежутки на
АЦП. При этом следует учитывать теорему Котельникова, согласно которой, для того чтобы все изменения входного сигнала за единицу времени
были отражены корректно, следует делать выборку (измерения) с частотой,
превышающей в 2 раза максимальную частоту гармоник входного сигнала.
Например, для человеческого голоса с пределами от 300 до 3400 Гц (голосовые частоты), выделяется полоса пропускания в 4 КГц и частота дискретизации в 8 КГц. Этот предел частоты является классическим для передачи
голоса по телефонным линиям.
Есть разные типы АЦП, различные устройства и алгоритмы, выполняющие эту операцию, но это тема для отдельного изучения и не входит в
данный курс.
Сейчас нам достаточно знать, что дискретизация в компьютерной
обработке сигналов помогает представить аналоговый сигнал в виде обычного массива значений с плавающей точкой с прогнозируемой точностью
и допустимыми погрешностями.
Раз мы заговорили о телефонных линиях, то продемонстрируем
принципы дискретной модуляции данных в аналоговых каналах связи на
примере импульсно-кодовой модуляции, которая до сих под применяется в
цифровой телефонии.
На рис. 3 показан процесс измерения аналогового сигнала (мгновенного значения напряжения) в определенных точках, находящихся друг от
друга на минимальном интервале времени dt.
Как видно из рисунка, между контрольными точками определения
значения напряжения присутствуют «пробелы», значение напряжения в которых неопределённо. Чем шире такой интервал (по оси х), тем выше неопределенность, т.е. ошибка дискретизации.
Другая проблема ‒ это неизвестность по оси у. Чем резче изменяется сигнал, тем шире этот интервал неопределенности, это ошибка
квантования.
Т.е. даже с учетом теоремы Котельникова, все равно присутствует
определенная погрешность представления данных, но она является контролируемой и допустимой для каналов связи.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]