3.6.1 Виды модуляции.
По мере развития техники съема и передачи аналоговых данных выяснилось, что передача их в аналоговой форме не позволяет улучшить качество принятых на другом конце линии данных, если они существенно исказились при передаче. Поэтому техника использует дискретную модуляцию исходных непрерывных данных во времени аналоговых процессов. Поскольку человеку наиболее привычны представление и арифметика в десятичной системе счисления, а для компьютера - двоичное представление и двоичная арифметика, была введена компромиссная система двоично-десятичной записи чисел.
Дискретные способы модуляции основаны на дискретизации непрерывных процессов, как по амплитуде, так и по времени (рис 19). Рассмотрим принципы дискретной модуляции на примере импулъсно-кодовой модуляции, ИКМ (Pulse Amplitude Modulation, РАМ), которая широко применяется в цифровой телефонии. При использовании ИКМ процесс преобразования включает три этапа: отображение, квантование и кодирование.
Рис.19. Дискретная модуляция непрерывного процесса
Первый этап – отображение. Амплитуда исходного непрерывного сигнала измеряется с заданным периодом, за счет чего происходит дискретизация по времени. На этом этапе аналоговый сигнал преобразуется в сигналы импульсно-амплитудной модуляции (ИАМ). Выполнение этапа базируется на теории отображения Найквиста-Котельникова, основное положение которой гласит: если аналоговый сигнал отображается (т. е. представляется в виде последовательности ее дискретных по времени значений) на регулярном интервале с частотой не менее чем в два раза выше частоты самой высокой гармоники спектра исходного непрерывного сигнала, то отображение будет содержать информацию, достаточную для восстановления исходного сигнала.
На этапе квантования каждому сигналу ИАМ придается квантованное значение, соответствующее ближайшему уровню квантования. Весь диапазон изменения амплитуды сигналов ИАМ разбивается на 128 или 256 уровней квантования. Чем больше уровней квантования, тем точнее амплитуда ИАМ – сигнала представляется квантованным уровнем.
На этапе кодирования каждому квантованному отображению ставится в соответствие 7-разрядный (если число уровней квантования равно 128) или 8-разрядный (при 256-шаговом квантовании) двоичный код.
8000´7 = 56000 бит/с или 56 Кбит/с;
8000´8 = 64000 бит/с или 64 Кбит/с.
Стандартным является цифровой канал 64 Кбит/с, который называется также элементарным каналом цифровых телефонных сетей.
Устройство, которое выполняет указанные этапы преобразования аналоговой величины в цифровой код, называется аналого-цифровым преобразователем (АЦП). На приемной стороне с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) осуществляется обратное преобразование, т. е. производится демодуляция оцифрованных амплитуд непрерывного сигнала, восстановление исходной непрерывной функции времени.
Рис.20. Преобразование аналогового сигнала в 8-ми элементный цифровой код
Передача непрерывного сигнала в дискретном виде требует от сетей жесткого соблюдения временного интервала в 125 мкс (соответствующего частоте дискретизации 8000 Гц) между соседними замерами, то есть требует синхронной передачи данных между узлами сети. При несоблюдении синхронности прибы вающих замеров исходный сигнал восстанавливается неверно, что приводит к искажению голоса, изображения или другой мультимедийной информации, передаваемой по цифровым сетям. Так, искажение синхронизации в 10 мс может привести к эффекту «эха», а сдвиги между замерами в 200 мс приводят к потере распознаваемости произносимых слов. В то же время потеря одного замера при соблюдении синхронности между остальными замерами практически не сказывается на воспроизводимом звуке. Это происходит за счет сглаживающих устройств в цифро-аналоговых преобразователях, которые основаны на свойстве инерционности любого физического сигнала - амплитуда звуковых колебаний не может мгновенно измениться на большую величину.
На качество сигнала после ЦАП влияет не только синхронность поступления на его вход замеров, но и погрешность дискретизации амплитуд этих замеров. В теореме Найквиста-Котельникова предполагается, что амплитуды функции измеряются точно, в то же время использование для их хранения двоичных чисел с ограниченной разрядностью несколько искажает эти амплитуды. Соответственно искажается восстановленный непрерывный сигнал, что называется шумом дискретизации (по амплитуде).
Для качественной передачи оцифрованных непрерывных сигналов - голоса, изображения - сегодня используют специальные цифровые сети, такие как ISDN, ATM, и сети цифрового телевидения. А также применяются различные программно-аппаратные способы, в частности реализация QoS.
QoS (англ. Quality of Service – качество обслуживания). Предоставление приоритезации различным приложениям, пользователям или потокам трафика, или гарантия определенного уровня производительности потока данных.
Цифровое кодирование (Digital Encoding) определяет способ представле ния битов в физическом канале передачи данных. Простейший метод NRZ используется в протоколах на базе интерфейса RS-232, в сетях Ethernet применяется кодирование PE, а в телефонии используется алгоритм HDB3 (этот метод служит для кодирования сигналов в потоках E1 и E2). Выбор метода кодирования зависит от полосы канала связи, используемой кабельной системы, скорости передачи данных и других параметров. Для цифрового кодирования используют потенциальные и импульсные коды.
Цифровое кодирование – представление информации прямоугольными импульсами.
Именно благодаря своей простоте и дешевизне реализации, цифровое кодирование завоевало очень большую популярность при передаче данных. В виду своей малой чувствительности к помехам на линии цифровое кодирование в по следнее время применяют даже там, где раньше использовали только аналоговые передачи.
Методы коммутации
Коммутация – процесс соединения абонентов коммуникационной сети через транзитные узлы. Коммуникационные сети должны обеспечивать связь своих абонентов между собой. Абонентами могут выступать ЭВМ, сегменты локальных сетей, факс-аппараты или телефонные собеседники.
Сетевой коммутатор или свитч, свич (жарг. от англ. switch— переключатель) – устройство, предназначенное для соединения нескольких узлов компьютерной сети в пределах одного сегмента.
Коммутатор работает на канальном уровне модели OSI, и потому в общем случае может только объединять узлы одной сети по их MAC-адресам. Коммутаторы были разработаны с использованием мостовых технологий и часто рассматриваются как много портовые мосты. Коммутаторы подразделяются на управляемые и неуправляемые.
Абоненты соединяются с коммутаторами индивидуальными линиями связи, каждая из которых используется в любой момент времени только одним, закрепленным за этой линией абонентом. Между коммутаторами линии связи разделяются несколькими абонентами, то есть используются совместно (распределённые линии).
Существуют три принципиально различные схемы коммутации абонентов в сетях: коммутация каналов (circuit switching), коммутация пакетов (packet switching) и коммутация сообщений (message switching).
Рис.21.Общая структура сети с коммутацией узлов (абонентов)
Коммутация каналов подразумевает образование непрерывного составного физического канала из последовательно соединенных отдельных канальных участ ков для прямой передачи данных между узлами. Отдельные каналы соединяются между собой специальной аппаратурой - коммутаторами, которые могут устанавливать связи между любыми конечными узлами сети. В сети с коммутацией каналов перед передачей данных всегда необходимо выполнить процедуру установления соединения, в процессе которой и создается составной канал.
Например, если сеть, изображенная на рис 21, работает по технологии коммутации каналов, то узел (абонент) 1, чтобы передать данные узлу (абоненту) 6, прежде всего, должен передать специальный запрос на установление соединения коммутатору А, указав адрес назначения 6. Коммутатор А должен выбрать маршрут образования составного канала, а затем передать запрос следующему коммутатору, в данном случае В. Затем коммутатор В передает запрос коммутатору Б, далее коммутатор Б передаёт запрос коммутатору Г, а тот, в свою очередь, передает запрос узлу (абоненту). Если узел (абонент) 6 принимает запрос на установление соединения, он направляет по уже установленному каналу ответ исходному узлу, после чего составной канал считается скоммутированным и узлы 1 и 6 могут обмениваться по нему данными, например, вести телефонный разговор.
Коммутация пакетов – это техника коммутации абонентов, которая была специально разработана для эффективной передачи компьютерного трафика.
При коммутации пакетов все передаваемые пользователем сети сообщения разбиваются в исходном узле на сравнительно небольшие части, называемые пакетами. Сообщения могут иметь произвольную длину, от нескольких байт до многих мегабайт.. Каждый пакет снабжается заголовком, в котором указывается адресная информация, необходимая для доставки пакета узлу назначения, а также номер пакета, который будет использоваться узлом назначения для сборки сообщения (рис 22). Пакеты транспортируются в сети как независимые информационные блоки. Коммутаторы сети принимают пакеты от конечных узлов и на основании адресной информации передают их друг другу, а в конечном итоге - узлу назначения.
Рис.22. Разбиение сообщения на пакеты
Коммутаторы пакетной сети отличаются от коммутаторов каналов тем, что они имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов, если выходной порт коммутатора в момент принятия пакета занят передачей другого пакета. В этом случае пакет находится некоторое время в очереди пакетов в буферной памяти выходного порта, а когда до него дойдет очередь, то он передается следующему коммутатору. Такая схема передачи данных позволяет сглаживать пульсации трафика на магистральных связях между коммутаторами и тем самым использовать их наиболее эффективным образом для повышения пропускной способности сети в целом.
Коммутация сообщений
Под коммутацией сообщений понимается передача единого блока данных между транзитными компьютерами сети с временной буферизацией этого блока на диске каждого компьютера (рис 23). Сообщение в отличие от пакета имеет произвольную длину, которая определяется не n технологическими соображениями, а содержанием информации, составляющей сообщение. Например, сообщением может быть текстовый документ, файл с кодом программы, электронное письмо.
Рис. 23. Коммутация сообщений
Транзитные компьютеры могут соединяться между собой как сетью с коммутацией пакетов, так и сетью с коммутацией каналов. Сообщение хранится в транзитном компьютере на диске, причем время хранения может быть достаточно большим, если компьютер загружен другими работами или сеть временно перегружена.
По такой схеме обычно передаются сообщения, не требующие немедленного ответа, чаще всего сообщения электронной почты. Режим передачи с промежуточным хранением на диске называется режимом «хранение-и-передача» (store-and-forward).
3.6.3 Мультиплексирование
Коммутаторы, а также соединяющие их каналы должны обеспечивать одновременную передачу данных нескольких абонентских каналов. Для этого они должны быть высокоскоростными и поддерживать какую-либо технику мультиплексирования абонентских каналов.
Мультиплексирование (англ. multiplexing, muxing)— уплотнение канала, т.е. передача нескольких потоков (каналов) данных с меньшей скоростью (пропускной способностью) по одному каналу, при помощи устройства под названием мультиплексор.
Мультиплексор — комбинационное устройство, обеспечивающее передачу в желаемом порядке цифровой информации, поступающей по нескольким входам на один выход. Может быть реализован как аппаратно так и программно.
Мультиплексоры обозначают сочетанием MUX (от англ. multiplexor), а также MS (от англ. multiplexor selector).
Технология TDM
Мультиплексирование с разделением времени (англ. Time Division Multiplexing, TDM) – технология аналогового или цифрового мультиплексирования в котором два и более сигнала или битовых потока передаются одновременно как подканалы в одном коммуникационном канале. Передача данных в таком канале разделена на временные интервалы (таймслоты) фиксированной длины, отдельные для каждого канала
Аппаратура TDM-сетей (мультиплексоры, коммутаторы, демультиплексоры) - работает в режиме разделения времени, поочередно обслуживая в течение цикла своей работы все абонентские каналы. Цикл работы оборудования TDM равен 125 мкс, что соответствует периоду следования замеров голоса в цифровом абонентском канале. Это значит, что мультиплексор или коммутатор успевает вовремя обслужить любой абонентский канал и передать его очередной замер далее по сети. Каждому соединению выделяется один квант времени цикла работы аппаратуры, называемый также тайм-слотом. Длительность тайм-слота зависит от числа абонентских каналов, обслуживаемых мультиплексором TDM или коммутатором.
В зависимости от направления возможной передачи данных способы передачи данных по линии связи делятся на следующие типы:
· симплексный – передача осуществляется по линии связи только в одном направлении;
· полудуплексный – передача ведется в обоих направлениях, но попеременно во времени;
· дуплексный – передача ведется одновременно в двух направлениях.
Технология РОN
Сеть PON – это пассивная оптическая сеть, которая использует пассивные оптические разветвители (сплиттеры) и оптические волновые мультиплексоры для концентрации абонентского трафика с множественным подключением або нентов к одному волокну. Система PON позволяет существенно уменьшить число оптических портов в узле доступа оператора и использовать кабельную систему с оптическими кабелями малой жильности. В то же время, технология PON дает возможность мультисервисного абонентского подключения (Triple Play) с гарантией качества сервисов.
В мире разработаны различные стандарты для сетей PON:
· EPON, он же GEPON, он же Ethernet PON;
· BPON – широкополосный (Broadband) PON на основе протокола ATM
· GPON – мультигигабитный PON на основе протокола GFP (не путать с протоколом GEPON).
В мире наиболее распространены технологии EPON (GEPON) и GPON. В странах Азиатско-Тихоокеанского региона (Япония, Китай, Корея и др.) развивают EPON, при этом Triple Play услуги выглядят как «данные по IP», «видео по IP», «голос по IP». США делают ставку на GPON. Оборудование GPON позволяет увеличить концентрацию абонентов на одно волокно до 64. Однако из-за меньшего объема производства цены на оборудование GPON пока значительно выше, чем цены на EPON.
Технология PON позволяет с использованием одного волокна организовать пассивную оптическую сеть доступа для 32 узлов в радиусе 20 км, предоставляя Ethernet и до 4 Е1 в каждом узле. Одна из главных задач, стоящих перед современными телекоммуникационными сетями доступа – так называемая проблема «последней мили», предоставление как можно большей полосы пропускания индивидуальным и корпоративным абонентам при минимальных затратах.
Суть технологии PON заключается в том, что между центральным узлом и удаленными абонентскими узлами создается полностью пассивная оптическая сеть, имеющая топологию дерева. В промежуточных узлах дерева размещаются пассивные оптические разветвители (сплиттеры) – компактные устройства, не требующие питания и обслуживания.
Свойства сети PON
Технология GEPON, несмотря на меньшую скорость связи абонент-сеть, имеет ряд серьезных преимуществ перед технологией GPON, а именно:
1. Высокая эффективность использования полосы услугами ТВ.
GEPON использует стандартизированные IEEE механизмы предоставления широковещательных услуг: SCB (Single Copy Broadcast), IGMP Snooping, тогда как GPON доставляет трафик с помощью Unicast. Логично, что производители оборудования GPON реализуют функции multicast самостоятельной разработки, однако данная реализация неспособна обеспечить полную прозрачность сети на уровне «платформа – абонент» для протоколов multicast IEEE.
2.Эффективность «из конца-в-конец».
GEPON имеет симметричное соединение абонент-сеть, тогда как GPON имеет ассиметричную скорость соединения абонента сетью, что понижает эффективность использования портов на ядре сети.
3.Масштабируемость (возможность построения сетей любого масштаба), обеспечение совместимости с протоколами будущего (10GEPON)
Международные институты, занимающиеся стандартизацией технологий GEPON (IEEE) постоянно ведут модернизацию технологии и уже известен следующий шаг развития – 10GEPON, планируется его совместимость с уже построенными сетями GEPON.
ВОПРОСЫ:
1.Основными параметрами телефонного сигнала являются:
1)*мощность телефонного сигнала;
2)*коэффициент активности телефонного сообщения, т.е. отношение времени, в течение которого мощность сигнала на выходе канала превышает заданное пороговое значение, к общему времени занятия канала для разговора;
3) *динамический диапазон определяется выраженным в децибелах отношением максимальной и минимальной мощности сигнала;
4) *пик-фактор сигнала.
2. К основным характеристикам линий связи относятся:
1)*амплитудно-частотная характеристика;
2)*полоса пропускания;
3)*затухание;
4) *перекрестные наводки на ближнем конце линии.
3.Для цифрового кодирования используют (выбрать):
1) *потенциальные коды;
2) асинхронные коды;
3) *импульсные коды;
4) логические коды.
4.Сигнал, интенсивность которого в течение некоторого периода поддерживается на постоянном уровне, а затем изменяется также на постоянную величину
1) аналоговым 2) *цифровым 3) электрическим 4) статическим
5.Cигнал, интенсивность которого во времени изменяется постепенно называется
1) *аналоговым
2) цифровым
3) электрическим
4) статическим
6.Назовите динамический диапазон телевизионного вещания
1) *40 дБ;
2) 25 дБ;
3)50дБ;
4)30 дБ.
7.Передача единого блока данных между транзитными компьютерами сети с временной буферизацией этого блока на диске каждого компьютера – это ....
1) Коммутация каналов
2) Коммутация пакетов
3)*Коммутация сообщений
8. Сообщение как форма выражения (представления) информации, различается на:
1) *оптические сообщения;
2) *звуковые сообщения;
3) буквенные сообщения;
4) речевые сообщения;
9.Коммутаторы подразделяются на :
1) простые
2)сложные
3)*управляемые и неуправляемые.
10.Укажите стандарты для сетей PON:
1)*EPON
2)*BPON
3)*GPON
4.МОДЕЛИ СЕТЕВОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
Представим себе средства сетевого взаимодействия в виде иерархически организованного множества модулей. При этом модули нижнего уровня могут, например, решать все вопросы, связанные с надежной передачей электрических сигналов между двумя соседними узлами. Модули более высокого уровня организуют транспортировку сообщений в пределах всей сети, пользуясь для этого средствами упомянутого нижележащего уровня.
Формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты, лежащие на одном уровне, но в разных узлах, называются протоколом.
Модули, реализующие протоколы соседних уровней и находящиеся в одном узле, также взаимодействуют друг с другом в соответствии с четко определенными правилами и с помощью стандартизованных форматов сообщений. Эти правила принято называть интерфейсом. Интерфейс определяет набор сервисов, предоставляемый данным уровнем соседнему уровню. В сущности, протокол и интерфейс выражают одно и то же понятие, но традиционно в сетях за ними закрепили разные области действия: протоколы определяют правила взаимодействия модулей, предоставляющие пользователям доступ к различным службам - файловой, печати и т. п. одного уровня в разных узлах, а интерфейсы - модулей соседних уровней в одном узле.
Средства каждого уровня должны отрабатывать, во-первых, свой собственный протокол, а во-вторых, интерфейсы с соседними уровнями (рис 24).
Иерархически организованный набор протоколов, достаточный для организации взаимодействия узлов в сети, называется стеком коммуникационных протоколов.
Рис. 24. Пример взаимодействия двух узлов в сети.
Коммуникационные протоколы могут быть реализованы как программно, так и аппаратно. Протоколы нижних уровней часто реализуются комбинацией программных и аппаратных средств, а протоколы верхних уровней - как правило, чисто программными средствами.
4.1 Модель OSI
В начале 80-х годов международная организация по стандартизации (International Standardization Organization – ISO) разработала модель OSI, которая сыграла значительную роль в развитии сетей.
Эталонная модель OSI, иногда называемая стеком OSI представляет собой 7-уровневую сетевую иерархию.
горизонтальную модель на базе протоколов, обеспечивающую механизм взаимодействия программ и процессов на различных машинах;
вертикальную модель на основе услуг, обеспечиваемых соседними уровнями друг другу на одной машине;
В горизонтальной модели двум программам требуется общий протокол для обмена данными. В вертикальной – соседние уровни обмениваются данными с использованием интерфейсов API.
Пусть, например, приложение обращается с запросом к прикладному уровню, например к файловой службе. На основании этого запроса программное обеспечение прикладного уровня формирует сообщение стандартного формата. Обычное сообщение состоит из заголовка и поля данных. Заголовок содержит служебную информацию, которую необходимо передать через сеть прикладному уровню машины-адресата, чтобы сообщить ему, какую работу надо выполнить. В нашем случае заголовок, очевидно, должен содержать информацию о месте нахождения файла и о типе операции, которую необходимо над ним выполнить. Поле данных сообщения может быть пустым или содержать какие-либо данные, например те, которые необходимо записать в удаленный файл. Но для того чтобы доставить эту информацию по назначению, предстоит решить еще много задач, ответственность за которые несут нижележащие уровни.
После формирования сообщения прикладной уровень направляет его вниз по стеку представительному уровню. Протокол представительного уровня на основании информации, полученной из заголовка прикладного уровня, выполняет требуемые действия и добавляет к сообщению собственную служебную информацию – заголовок представительного уровня, в котором содержатся указания для протокола представительного уровня машины-адресата.
Полученное в результате сообщение передается вниз сеансовому уровню, который в свою очередь добавляет свой заголовок, и т. д. (Некоторые реализации протоколов помещают служебную информацию не только в начале сообщения в виде заголовка, но и в конце, в виде так называемого «концевика»).
Наконец, сообщение достигает нижнего, физического уровня, который собственно и передает его по линиям связи машине-адресату. К этому моменту сообщение «обрастает» заголовками всех уровней (рис 25).
Когда сообщение по сети поступает на машину – адресат, оно принимается ее физическим уровнем и последовательно перемещается вверх с уровня на уровень. Каждый уровень анализирует и обрабатывает заголовок своего уровня, выполняя соответствующие данному уровню функции, а затем удаляет этот заголовок и передает сообщение вышележащему уровню.
Рис.25. Эталонная модель взаимодействия открытых систем (ISO/0SI)
Модель OSI описывает только системные средства взаимодействия, реализуемые операционной системой, системными утилитами, системными аппаратными средствами. Модель не включает средства взаимодействия приложений конечных пользователей. Свои собственные протоколы взаимодействия приложения реализуют, обращаясь к системным средствам. Поэтому необходимо различать уровень взаимодействия приложений и прикладной уровень.
В модели OSI различаются два основных типа протоколов. В протоколах с установлением соединения перед обменом данными отправитель и получатель должны сначала установить соединение и, возможно, выбрать некоторые параметры протокола, которые они будут использовать при обмене данными. После завершения диалога они должны разорвать это соединение.
Вторая группа протоколов – протоколы без предварительного установления соединения. Такие протоколы называются также дейтаграммными протоколами. Отправитель просто передает сообщение, когда оно готово. При взаимодействии компьютеров используются протоколы обоих типов.
Дата: 2019-02-25, просмотров: 286.
