Содержание данной главы
Модуль 2. Принципы построения сетей. Физический уровень
Связи на физическом уровне могут быть описаны в терминах "передача-прием", характеризующих взаимодействующие устройства, а также состояние конечных точек. Операции на физическом уровне могут быть отнесены либо к последовательным, либо к параллельным.
2.1. Схемы взаимодействия устройств.
Существует 3 схемы взаимодействия устройств:
- Симплексная. Обеспечивает одностороннюю передачу (только в одном направлении). Связь двухпроводная (телерадиовещание).
- Полудуплекс. Передача в любую сторону. Используя соответствующее оборудование, можно менять направление потока данных в линии (движение через узкий мост, теннис). Для связи необходимо 2 провода. Система имеет конечное время переключения.
- Дуплекс. При наличии связи с двумя каналами появляется возможность передавать информацию в обоих направлениях. Обычно, по одному каналу информация передается в одну сторону, а по другому - в другую. Если конечное оборудование способно одновременно передавать и принимать данные, то система в целом может обеспечить двусторонний обмен данными (дорога, отдельная для каждого направления). Для передачи необходимо 4 провода, т.е. 2 канала передачи. Улучшается эффективность системы, т.к. исчезает время переключения каналов.
2.2. Архитектура физического уровня.
Существует 2 архитектуры физического уровня:
- Точка - точка. Два взаимодействующих устройства разделяют одну связь. Она может быть симплексной или полудуплексной.
- Точка - множество точек. Этот тип архитектуры предполагает, что данные, передаваемые одним устройством физического уровня, принимаются множеством устройств. Такие связи являются симплексными (кабельное телевидение), полудуплексными (10/100 BaseT Ethernet) или дуплексными (SONET).
На базе этих двух архитектур строятся другие топологии, являющиеся вариацией 2-х базовых архитектур.
На базе 3 основных топологий строится более сложная топология - дерево или сетка.
Топология может быть физической и логической. Физическая топология определяет правила физических соединений узлов (прокладку реальных кабелей).
- bus - шина
- star - звезда
- ring - кольцо
- mesh - сетка
Логическая топология определяет направление потоков данных между узлами сети. Обе топологии относительно независимы друг от друга.
В логической шине информация, передаваемая одним узлом, одновременно доступна для всех узлов, подключенных к одному сегменту.
Логическая шина может быть реализована на физической шине, звезде, дереве и сетке.
Шина на звезде реализуется через внутреннюю цифровую шину в центральном устройстве (повторителе).
Логическое кольцо - информация передается последовательно от узла к узлу. Каждый узел принимает кадры только от предыдущего и посылает только последующему узлу по кольцу. Узел транслирует дальше по сети все кадры, а обрабатывает только адресуемые ему. Реализуется на физическом кольце или на звезде с кольцом внутри концентратора. Современный подход к построению высокопроизводительных сетей переносит большую часть функций на центральные сетевые устройства (концентраторы). При этом можно говорить о логической звезде.
Реализация логического кольца на физической звезде.
2.3. Методы доступа.
Метод доступа определяет способ или правила, в соответствии с которыми узел может получить или отправить данные.
Методы доступа могут быть:
- вероятностными;
- детерминированными;
Вероятностный - узел, желающий послать данные в сеть, прослушивает сеть. Если линия занята или обнаружена коллизия (столкновение сигналов от двух передатчиков), то попытка передачи откладывается на некоторое время.
Детерминированный метод доступа - узлы получают доступ к среде в предопределенном порядке. Последовательность определяется контроллером сети, который может быть централизованным (его функции может выполнять сервер) или распределенными (функции выполняются оборудованием всех узлов).
Общий недостаток вероятностных методов доступа - неопределенное время прохождение кадров, резко возрастающее при увеличении нагрузки на сеть.
Основное преимущество детерминированного метода доступа - ограниченное время прохождения кадра, мало зависящее от нагрузки.
К вероятностным методам доступа относятся CSMA/CD и CSMA/CA.
CSMA/CD - множественный доступ с прослушиванием несущей и обнаружением коллизий.
CSMA/CA - множественный доступ с прослушиванием несущей и избежанием коллизий.
Основные типы детерминированного доступа:
- доступ с передачей маркера
- поллинг (опрос готовности) узлов на передачу
CSMA/CD: узел, готовый послать кадр, прослушивает линию. При отсутствии несущей он начинает передачу кадра, одновременно контролируя состояние линии. При обнаружении коллизий передача прекращается, и повторная попытка откладывается на случайное время. Частота коллизий связана с количеством и активностью подключенных узлов. Применяется в сетевых архитектурах Ethernet, EtherTalk (Apple), IBM PC Network, AT&T StartLAN.
CSMA/CA: узел, готовый послать кадр, прослушивает линию. При отсутствии несущей он посылает короткий сигнал запроса на передачу RTS и определенное время ожидает ответа CTS от адресата назначения. При отсутствии ответа CTS попытка передачи откладывается (предполагается возможность коллизий). При получении ответа в линию посылается кадр. Применяется в сети Apple Local Talk.
Доступ с передачей маркера (token).
Маркер последовательно, от одного ПК к другому передается до тех пор, пока его не получит узел, которому требуется передача данных. Этот узел добавляет к маркеру свои данные, указывает в маркере адрес свой и получателя и отправляет его дальше по кольцу. Маркер с данными проходит по кольцу, пока не достигнет адресуемого узла, который снимает данные (физически они остаются при маркере) и делает пометку в маркере, т.е. формирует подтверждение о получении данных. После этого маркер отправляют дальше. При достижении узла отправителя последний определяет по маркеру судьбу своих данных. При наличии подтверждения данные снимаются с маркера и он, пустой, опять отправляется по кругу. При отсутствии подтверждения от получателя принимает решение повторить или нет передачу.
В кольце с диаметром 200 м. маркер может циркулировать с частотой 10000 оборотов в секунду.
2.4. Технология передачи данных.
Существует 2 основные технологии передачи данных:
- широкополосная передача (аналоговая)
- узкополосная передача (для цифровых сигналов)
- Широкополосная передача основана на использовании постоянно изменяющихся волн для переноса информации по каналу связи. Их обычно представляют синусоидальной функцией и поэтому называют синусоидальной волной.
Она может быть описана следующими параметрами:
- частота - представляет собой последовательность переходов, составляющих один цикл (средняя точка, верхний экстремум, средняя точка, нижний экстремум, средняя точка). Количество таких циклов за одну секунду называется частотой синусоидальной волны. Измеряется в циклах за секунду или в герцах.
- амплитуда - представляет собой относительное расстояние между экстремумами волны.
- фаза отдельно взятой синусоидальной волны измеряется относительно другой синусоидальной волны (опорной) и выражается как угловой сдвиг между этими двумя волнами. Выражение "две синусоидальные волны сдвинуты по фазе на 180 градусов" означает, что в один и тот же момент одна из волн достигает максимального экстремума, а другая - минимального.
- Узкополосная передача:
- полярное кодирование. Основано на использовании дискретных состояний канала связи для передачи по нему информации. Эти дискретные состояния обычно представлены как некие импульсы (как правило, напряжения) и носят название прямоугольной волны. Разработано множество схем представления цифровых сигналов или цифрового кодирования. Цифровая единица представлена напряжением +12V, а цифровой ноль - напряжением -12V.
- униполярное кодирование.
- биполярное кодирование (с возвратом к нулю). Цифровые нули представлены отсутствием напряжения, а цифровые единицы - знакогенерирующимися 3-х вольтовыми импульсами.
Потенциальное кодирование - информативным является уровень сигнала в определенные моменты времени.
Потоковое кодирование - информативным является наличие или отсутствие тока в линии.
В сетях используется потенциальное кодирование.
Если необходимо передать цифровые данные по аналоговой линии передачи, необходим механизм представления цифровых данных в форме синусоидальной волны, чтобы показать присутствие единиц и нулей.
Если выполняется манипулирование амплитудой, то это амплитудная модуляция.
Частотой - частотная модуляция.
Фазой - фазовая модуляция.
Для передачи данных, особенно по телефонным линиям, применяется переменный ток. Непрерывный сигнал на частоте от 1000 до 2000Гц называется синусоидальной несущей частотой.
Амплитуда, частота, фаза несущей могут изменяться (модулироваться) для передачи информации.
При амплитудной модуляции используются 2 разные амплитуды сигнала, соответствующие значениям 0 и 1 (рис. Б. Амплитуда либо нулевая, либо ненулевая).
При частотной модуляции для передачи цифрового сигнала используется несколько различных частот (рис. В).
При простейшей фазовой модуляции применяется сдвиг фазы несущей частоты на 180 градусов через определенные интервалы времени (рис. Г). Два состояния кодируются наличием либо отсутствием фазового сдвига на границе каждого бита.
Устройство, принимающее последовательный поток битов, и преобразующее его в выходной сигнал, модулируемый одним или несколькими из приведенных способов, а также выполняющее обратные преобразования называется модемом. Устанавливается между цифровым компьютером и аналоговой телефонной линией. Все хорошие модемы используют комбинированные методы модуляции сигналов для передачи максимального количества бит.
2.5. Сравнение широкополосной и узкополосной передачи сигналов.
Телефонная линия - широкополосная линия связи.
Линия T1 - узкополосной канал.
Соответственно и передаваемая информация может быть и аналоговой и цифровой.
Выделяют 2 типа оборудования:
DTE - терминальное оборудование.
DCE - телекоммуникационное оборудование.
DTE генерирует информацию в форме данных, которые могут быть переданы по каналу связи. Она может быть цифровой и аналоговой.
DCE получает данные от DTE в его формате и преобразовывает их в формат, совместимый с существующим каналом связи.
Схема кодирования:
На рисунке представлена матрица из 4-х элементов. Столбцы определяют природу линий связи, а строки - вид информации, генерируемый устройством DTE.
I квадрант. Информация в аналоговой форме должна быть передана через широкополосной канал (речь, передаваемая по телефонной линии (звуковой сигнал (DTE) -> микрофон (DCE) -> аналоговый сигнал)).
II квадрант. Цифровая информация должна быть передана по аналоговому каналу. Схема преобразования: ПК (DTE) -> модем (DCE) -> аналоговый канал.
III квадрант. Поток аналоговой информации должен быть передан через цифровой канал. Видеоинформация (DTE) -> кодек (DCE) -> цифровая линия T1.
IV квадрант. Цифровая информация должна быть передана по цифровой линии. Выполняется преобразование схемы кодирования сигнала, используемого DTE, в схему, используемую линией связи.
Например, RS-232 (COM порт) использует полярную схему кодирования сигналов, а канал связи использует кодирование BPRZ, отличающееся от предыдущего. DCE, осуществляющий это преобразование называется модулем обслуживания канала и данных (CSU/DSU).
Оборудование DCE играет важную роль в реализации физического уровня. Используя различные типы функций DCE, любая информация (аналоговая или цифровая) может быть приведена в форму, совместимую с любым каналом связи (узкополосным или широкополосным).
назад содержание вперед на
главную
|
