Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методы и средства передачи данных в автоматизированных системах. Учебное пособие
.pdf
3.5. Кодеры и декодеры сигналов
61
ляется спадом. Во второй версии все происходит в точности до наоборот.
В начале каждого такта часто добавляется служебный перепад.
Исходя из такого представления данных, любая серия одинаковых
«цифр» представляется изменчивым сигналом, т.е. последовательностью
перепадов. Сигнал изменяется как минимум один раз за такт. Так что и серии цифр, и чередующиеся цифры порождают похожий сигнал с ярко выраженными изменениями.
Это приводит к достаточно хорошим свойствам самосинхронизации
манчестерского кода. Этот факт и делает его использование практически во
всех современных системах передачи данных практичным и обоснованным.
Конечно, полоса пропускания кода несколько уже, чем, например,
у биполярного импульсного. Это потому, что у манчестерского кода нет
постоянной составляющей. Ширина полосы манчестерского кода в среднем в 1,5 раза уже, чем у биполярного импульсного кода. Его основная
гармоника совершает колебания вблизи трех четвертей частоты исходного (входного) сигнала.
Альтернативным вариантом Манчестерского кода является код
Миллера.
Код Миллера иногда называют трёхчастотным. Это один из способов линейного кодирования данных или манипуляций с данными. Он применяется для передачи информации по последовательному интерфейсу, оптоволокну или в радиоканале. Чаще всего данный вид кодирования сейчас можно увидеть в беспроводных пластиковых картах, поддерживающих стандарт ISO/IEC 14443 (RFID).
Согласно основному стандарту кода Миллера, показанному на рис. 7,
сигнал является двухуровневым. В нем каждый информационный бит исходных данных кодируется комбинацией из двух значений потенциала,
всего таких комбинаций четыре: {00, 01, 10, 11}. Переходы из одного в другое состояние описываются специальным графом и системой правил:
1) при непрерывной подаче цепочки «0» или «1» на устройство (ко-
дек), переключение полярности происходит с интервалом «1T»;
2) переход от передачи «1» к передаче «0» происходит с интервалом
«1,5T»;
3) далее при поступлении на кодирующее устройство последователь-
ности «101» возникает интервал «2Т» (именно по этой причине данный метод кодирования называют трёхчастотным).
Глава 3. Организация передачи данных в каналах связи
62
Рис. 7. Код Миллера
Переход значений сигнала с одного уровня на другой обеспечивает
процесс синхронизации передатчика с приёмником, в данном способе передачи осуществляется переключение с одного уровня на другой с минимальной частотой 2Т, что обеспечивает синхронизацию передатчика с приёмником.
Преимущества кода Миллера
1) высокая эффективность кодирования и простота конструирования
аппаратных средств;
2) способность кода к самосинхронизации;
3) полоса пропускания ровно в два раза меньше полосы пропускания
в сравнении с манчестерским кодированием.
Недостатки кода Миллера
1) присутствие в сигнале постоянной составляющей;
2) достаточно велик низкочастотный компонент.
Рассмотрим далее модифицированный код Миллера или MFM-ко-
дирование, в котором, например, решена проблема низкочастотной компоненты.
MFM-кодирование или «модифицированный код Миллера в квадрате», а также МЧМ-кодирование или modified frequency modulation ‒ это
способ кодирования данных, один из способов физического кодирования (линейного кодирования, канального кодирования, цифрового кодирования, манипуляции сигнала). Метод служит для передачи цифровых данных
от передатчика к приёмнику по последовательному интерфейсу. Генерируемый сигнал может принимать только два значения, соответствующие логическому низкому и высокому уровню. В этом случае воспроизводится код, в
котором комбинация двух бит кодирует каждый информационный бит.
3.5. Кодеры и декодеры сигналов
63
По своей сути, MFM-кодирование является частным случаем частотной модуляции. Данный метод в прошлом очень часто использовался на
практике, например для гибких дисков применение MFM поднимало объём
записываемой информации в два раза. Такие гибкие диски назывались дисками двойной плотности. Для жёстких дисков сначала также использовался
MFM, но вскоре был создан и внедрен более эффективный метод кодирования информации RLL (run-length limited).
При MFM-кодировании (рис. 8) изменение тока записи происходит
в середине интервала (такта), если передаваемый бит равен 1, и на границе
интервала, если оба соседних бита равны 0. Направление переключения
тока не имеет значения.
Рис. 8. Кодирование MFM
Заметим, что тактовые биты, идущие до и после последовательности,
иногда известны, а иногда требуют знания дополнительных бит данных.
Более интересный пример приведен на рис. 9 ‒ полужирным выделены биты данных, остальные биты являются тактовыми.
Рис. 9. Пример представления данных
С целью синхронизации контроллера при считывании данных в
начале блока данных записывается специальный маркер, представляющий
собой шестнадцатеричный байт A1 (10100001), в котором положенное согласно протоколу переключение тока между двумя нулевыми битами (пятым и шестым) не производится (рис. 10).
Полученная таким образом последовательность уровней сигнала может быть описана так: 4 полупериода одного уровня ‒ 3 полупериода другого ‒ 4 полупериода исходного уровня ‒ 3 полупериода другого), с одной
стороны, не противоречит требуемому по протоколу условию («уровень
сигнала может оставаться неизменным на протяжении не более 4 полупе-
Глава 3. Организация передачи данных в каналах связи
64
риодов»), а с другой ‒ никогда не встречается в потоке обычных записываемых данных (в котором сигнал, соответствующий этой последовательности бит, должен выглядеть как 4‒3‒2‒2‒3).
Рис. 10. Переключение сигналов
Задача ещё сильнее облегчается тем, что несколько таких маркерных
последовательностей располагается подряд, и в этом случае отмеченный
вопросительным знаком бит известен и равен 1. Таком образом, для обнаружения маркера во входящем потоке переключений достаточно отследить
несколько повторений последовательности длительностей 4‒3‒4‒3‒2, без
необходимости анализировать индивидуальные биты.
MFM по-прежнему применяется в следующих случаях:
1) в простых протоколах передачи цифровых данных;
2) в большинстве форматов записи на гибкие и жёсткие диски;
3) в протоколе передачи RFID-меток;
4) в беспроводных технологиях передачи данных малого ради-
уса Near Field Communication.
4.1. Понятие компьютерных сетей передачи данных
65
ГЛАВА 4
ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ
В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ
В данной главе мы проведем анализ применения компьютерных сетей при построении информационных и автоматизированных систем, изучим основные понятия сетей передачи данных, рассмотрим топологии сетей передачи данных, методы коммутации и доступа к моноканалам, проведем исследование основных сетевых протоколов АС и ИС, рассмотрим
протоколы маршрутизации и, отдельно, рассмотрим протоколы верхнего
уровня, часто используемые на практике в клиент-серверных архитектурах
АС и ИС [1].
4.1. Понятие компьютерных сетей передачи данных
Как известно, компьютеры и другое оборудование, имеющее «выход
в сеть», могут иметь различную архитектуру, протоколы обмена и программное обеспечение. Их совместимость, по крайней мере для передачи
данных, достигается исключительно за счет использования стандартизированных коммуникационных протоколов [2]. А все протоколы собраны в
наборы формальных норм и правил, касающихся использования физических и логических уровней передачи информации по сетям. Такие стандарты, также регламентируют использование аппаратного и программного
обеспечения.
Система таких стандартов в рамках одного или нескольких уровней
сетевой модели OSI/ISO образуют так называемый Стек протоколов.
Далее мы рассмотрим один из самых распространенных сетевых стеков протоколов, который носит название transmission control protocol/
internet protocol или TCP/ IP. Этот стандарт уже давно стал одним из основных в индустрии сетевых технологий. На этом стеке к настоящему времени
разработаны сотни тысяч надежных сетевых приложений, поддерживающих связь между различными устройствами в глобальных сетях. Технологии TCP/IP настолько прочно вошли в современную жизнь, что их поддерживают абсолютно все современные операционные системы, библиотеки
Глава 4. Основы применения компьютерных сетей в автоматизированных…
66
приложений, фреймворки и платформы. TCP/IP фактически служит основой для создания современной сети Интернет.
Протокол TCP может быть охарактеризован как простой протокол
управления надежной передачей данных. Составляющие его компоненты
эффективно фрагментируют (разбивают) информацию на порции или пакеты определенного размера, нумеруют и отправляют по установленным
ранее соединениям. Программное обеспечение при выходе из локальной
сети добавляет к каждому пакету служебные данные, регламентированные
другой частью протокола – IP. IP ‒ это протокол именно уровня Интернета,
а не локальной сети. Служебные данные содержат поля с адресами отправителя и получателя. Наличие этих адресов обеспечивает доставку всех пакетов в глобальной сети благодаря системе маршрутизации.
Особенностью стека TCP/IP также является то, что в нем фактически
отсутствует состояние «абонент занят» или «канал связи не доступен».
Каждый компьютер, имеющий подключение TCP/IP, может принимать одновременно пакеты от большого числа источников.
В таком случае нет необходимости формировать или находить отдельные каналы связи между всеми абонентами для передачи адресных сообщений. Все сообщения следуют по одному сетевому каналу, разделяя его
между собой, хотя, логически, существует множество соединений или
«связей по данным» между устройствами и службами.
Примечательно также то, что протоколы и службы Интернета можно
применять и в рамках локальной сети, т.е. стек имеет «обратную совместимость» с менее масштабными сетями. В таком случае сеть имеет название
Интранет.
Если провести анализ сетевой модели OSI/ISO, то стек протоколов
TCP/IP объединяет технологии следующих типов.
1) Telnet. Это протокол эмуляции удаленного или локального терми-
нала. Протокол позволяет получить и удерживать доступ к удаленному
компьютеру, вызывать на нем программы на выполнение, скачивать или
загружать данные, выполнять отдельные команды.
2) FTP. Это простой протокол передачи файлов через сети различного
масштаба. FTP или File Transmission Protocol – один из самых известных
протоколов и в настоящее время применяется практически всеми хостинговыми провайдерами для размещения файловых серверов или серверов
4.1. Понятие компьютерных сетей передачи данных
67
приложений, так как кроме поддержки пересылки файлов он предоставляет
возможность интерактивной работы с ресурсами, аутентификации пользователей и так далее.
3) SMTP. Это протокол передачи почтовых сообщений. Simple Mail
Transfer Protocol поддерживается практически всеми серверами, даже теми,
кто уже перешел на новый протокол IMAP, и, судя по всему, будет поддерживаться еще достаточно долго.
4) DNS. Это протокол сопоставления сетевых адресов и вербальных
имен сервисов. Domain Name System реализуется системой специальных
серверов и дает пользователям возможность использовать «говорящие»
имена ресурсов вместо IP-адреса.
5) RIP. Это протокол межсетевого взаимодействия. Routing Internet
Protocol предназначен для сбора маршрутной информации в сетях различ-
ного уровня, оснащенных специальным оборудованием.
6) SNPM. Это простой протокол управления сетью. Так называемый
Simple Network Management протокол дает возможность использовать
функции управления узлами сети из некоторого единого центра. К таким
узлам мы можем отнести сервер, станции, аппаратные или программные
маршрутизаторы, сетевые устройства типа мостов и концентраторов. Особенности протокола SNMP позволяют использовать его для удаленной
настройки устройств, а также для мониторинга сети, детектирования ошибок и попыток несанкционированного доступа и аудита.
7) TCP. Это уже рассмотренный нами ранее протокол управления
надежной передачей данных. Transmission Control Protocol обеспечивает
надежную сквозную передачу сообщений посредством узлов глобальной
сети за счет создания и удержания виртуальных (логических) соединений
поверх физических соединений.
8) UDP. Это также протокол взаимодействия в глобальных сетях, как и
TCP/IP, только со своей спецификой. User Datagram Protocol – это дейтаграммный протокол, который обеспечивает передачу информации особым способом при помощи дейтаграмм пользователя. Он работает как связующее звено
между прикладными процессами внутри сети и сетевым протоколом.
9) IP. Это, наряду с TC, один из основных протоколов сетевого
уровня. Он в основном применяется для маршрутизации пакетов данных.
Internet Protocol – это «направляющий передачу данных» протокол сетевого
Глава 4. Основы применения компьютерных сетей в автоматизированных…
68
уровня. Изначально он задумывался как частный протокол трансляции пакетов в сетях с неоднородной структурой, т.е. в «больших» сетях, которые
формируются из некоторого количества локальных сетей меньшего масштаба, объединенных связями.
10) ARP. Это несложный служебный (вспомогательный) сетевой прото-
кол. Он расшифровывается как Address Resolution Protocol и предназначен, в
первую очередь, для определения неизвестного аппаратного МАС-адреса
узла по его известному логическому IP-адресу.
11) ICMP. Это еще один вспомогательный протокол стека TCP/IP. Рас-
шифровывается как Internet Control Message Protocol. Он служит для обмена информацией об ошибках передачи данных по протоколу маршрутизации IP и для обмена управляющей информацией на сетевом уровне.
12) GMP. Специализированный протокол для широковещательной пе-
редачи данных. Расшифровывается как Internet Group Management Protocol.
Он применяется в основном тогда, когда необходимо отправить данные
определенной группе получателей, т.е. сделать информационную служебную рассылку.
Сопоставление рассмотренного семейства сетевых протоколов,
стека TCP/IP и сетевой модели OSI/ISO представлено ниже на рисунке.
Как можно заметить из данного графического представления, несколько уровней модели OSI/ISO действительно соответствуют одному
слою TCP/IP, и «поверх» этого слоя могут работать несколько прикладных
протоколов.
На самом деле, чем выше используемый пользователем протокол по
этой иерархии, тем больше он абстрагируется от конкретной реализации на
более низких уровнях.
Например, протокол HTTP реализуется «поверх» протокола TCP/IP
и является частью его «семейства» (рис. 11). Ему «все равно» какая технология используется на низких уровнях, не важно какая среда передачи применяется в той или иной сети – всю работу по адаптации пакетов данных к
особенностям сетей и все манипуляции на уровне сигналов выполняет соответствующее оборудование.
Рассмотрим далее другой ключевой вопрос для организации трансляции данных между абонентами в локальных сетях – сетевые топологии.
4.2. Топологии сетей передачи данных в распределенных информационных…
69
Рис. 11. Соответствие модели OSI/ISO, стека TCP/IP и протоколов
4.2. Топологии сетей передачи данных в распределенных
информационных системах
Любая архитектура сети описывает баланс между реализациями фи-
зического и канального уровней сетевой модели OSI/ISO. Она формализует
требования к кабельной системе, к методам кодирования сигналов, регламентирует скорость передачи, надежность и качество обслуживания, определяет формат кадров, топологию и методы доступа к удаленным ресурсам.
Все это в целом накладывает требования на оконечное оборудование
данных и на используемое программное обеспечение.
Глава 4. Основы применения компьютерных сетей в автоматизированных…
70
В локальных и глобальных сетях сейчас применяются самые разные
сетевые технологии. При выборе таких технологий в основном смотрят на
следующие требования:
1) максимальная и минимальная пропускные способности сети;
2) скорость отклика сети;
3) взаимное расположение узлов;
4) расстояние между источниками и приемниками данных;
5) условия прокладки коммуникаций;
6) надежность соединений;
7) конфиденциальность связи;
8) защита от несанкционированного доступа;
9) стоимость аппаратуры и создания коммуникаций;
10) стоимость эксплуатации получившейся сети.
Топология сети отражает такие сети, которые не совсем зависят от
их размера, но отражают структуру, образуемую узлами и связями между
ними. При этом практически не учитываются следующие факторы:
1) производительность сети;
2) принцип работы конечных узлов;
3) длина каналов связи;
4) типы связей.
Классическим способом разделения типов соединений сетей является идентификация физического расположения различных функциональных компонентов сети. К таким компонентам можно отнести кабели, рабочие станции, коммуникационное оборудование и так далее.
Вторым критерием разделения является определение метода доступа к среде передачи.
Здесь также следует сказать, что данное разделение является весьма
условным в современной практике «больших» сетей, так как в целом топология любой сети, хотя бы «среднего» масштаба, всегда окажется «смешенной».
Если обратиться к классическим трудам по компьютерным сетям, то
в обязательном порядке определяют следующие базовые топологии.
1) общая шина;
2) звезда;
3) кольцо;
4) ячеистая или сотовая.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]