Методи та засоби розрахунку характеристик каналів передачі даних

Метою роботи є дослідження методів та засобів розрахунку інформаційних характеристик каналів передачі даних для перевірки працездатності гетерогенної компютерної мережі. В роботі отримані наступні результати: проведено аналіз організації каналів передачі даних в гетерогенних комп’ютерних мережах; досліджено фізичну сутність та порядок використання каналів передачі даних в гетерогенних комп’ютерних мережах; досліджено математичну сутність найбільш важливих інформаційних характеристик передачі даних в комп’ютерних мережах; розроблено...

2014-06-23

2.14 MB

28 чел.


Поделитесь работой в социальных сетях

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск


PAGE   \* MERGEFORMAT 84

РЕФЕРАТ

«Методи та засоби розрахунку характеристик каналів передачі даних» / Осередько О.В. – Київ, МНТУ, Кафедра комп'ютерних наук і інформаційних систем, 2014. – 103 с., 5 таблиць, 44 рис., 28 літературних джерел.

Метою роботи є дослідження методів та засобів розрахунку інформаційних характеристик каналів передачі даних для перевірки працездатності гетерогенної комп'ютерної мережі.

В роботі отримані наступні результати:

  •  проведено аналіз організації каналів передачі даних в гетерогенних комп’ютерних мережах;
  •  досліджено фізичну сутність та порядок використання каналів передачі даних в гетерогенних комп’ютерних мережах;
  •  досліджено математичну сутність найбільш важливих інформаційних характеристик передачі даних в комп’ютерних мережах;
  •  розроблено модель гетерогенної комп’ютерної мережі з різнорідними каналами передачі даних за допомогою спеціального програмного забезпечення проектування і моделювання гетерогенних комп'ютерних мереж NetCracker Professional;
  •  проведено розрахунки інформаційних характеристик передачі даних для розробленої моделі комп’ютерної мережі за допомогою системи MathCAD.

Результати роботи можуть бути застосовані при виконанні задач моніторингу та мережеметрії комп’ютерних мереж, а також їх аналізу та оптимізації.

Ключові слова: КОМП'ЮТЕРНА СИСТЕМА, КАНАЛ ПЕРЕДАЧІ ДАНИХ, МОДЕЛЬ МЕРЕЖІ, ПРОГРАМНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ, ВХІДНІ ТА ВИХІДНІ ДАНІ.


ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ ТА СКОРОЧЕНЬ

АПД – апаратура передачі даних;

АТС – автоматична телефонна станція;

ГКМ – гетерогенна компютерна мережа;

ДСК – дискретний симетричний канал;

ІТ – інформаційні технології;

ІТС – інформаційно-телекомунікаційна система;

КМ – компютерна мережа;

КС – комп’ютерна система;

ЛОМ – локальна обчислювальна мережа;

ОС – операційна система;

ПЗ – програмне забезпечення;

ПП – прикладні програми;

САПР – системи автоматичного проектування;

СКС – структурована кабельна система;

СУБД – система управління базами даних.

 


Зміст

[1]
ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ ТА СКОРОЧЕНЬ

[2]
Вступ

[3]
РОЗДІЛ 1. АНАЛІЗ ОРГАНІЗАЦІЇ КАНАЛІВ ПЕРЕДАЧІ ДАНИХ В КОМП’ЮТЕРНИХ МЕРЕЖАХ

[3.1] 1.1. Архітектура каналів комп’ютерних мереж

[3.2] 1.2. Передача даних по каналах локальних мереж

[3.3] 1.3. Передача даних по каналах глобальних та корпоративних мереж

[3.3.1] 1.3.1. Аналогові виділені лінії

[3.3.2] 1.3.2. Цифрові виділені лінії

[3.3.3] 1.3.3. Технологія плезіохронної цифрової ієрархії PDH

[3.4] 1.4. Фізична сутність та порядок використання каналів передачі даних в гетерогенних комп’ютерних мережах

[3.4.1] 1.4.1. Структурована кабельна система гетерогенної комп’ютерної мережі

[3.4.2] 1.4.2. Кабель – кручена пара

[3.4.3] 1.4.3. Коаксіальний кабель (coaxial cable)

[3.4.4] 1.4.4. Оптоволоконний кабель

[3.5] Висновки до розділу 1

[4]
РОЗДІЛ 2. МАТЕМАТИЧНА СУТНІСТЬ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕРЕДАЧІ ДАНИХ

[4.1] 2.1. Імовірнісні характеристики передачі даних

[4.2] 2.2. Часові характеристики передачі даних

[4.3] 2.3. Методи підвищення достовірності передачі даних

[4.4] Висновки до розділу 2

[5]
РОЗДІЛ 3. МОДЕЛЮВАННЯ ГЕТЕРОГЕННОЇ КОМП’ЮТЕРНОЇ МЕРЕЖІ З РІЗНОРІДНИМИ КАНАЛАМИ ПЕРЕДАЧІ ДАНИХ

[5.1] 3.1. Програмний пакет проектування і моделювання гетерогенних комп'ютерних мереж NetCracker Professional

[5.2] 3.2. Моделювання процесів обміну даними в гетерогенної комп'ютерної мережі

[5.3] Висновки до розділу 3

[6]
РОЗДІЛ 4. ДОСЛІДЖЕННЯ ХАРАКТЕРИСТИК КАНАЛІВ ПЕРЕДАЧІ ДАНИХ НА ОСНОВІ ЇХ РОЗРАХУНКІВ

[6.1] 4.1. Спеціалізоване програмне забезпечення MathCAD

[6.2] 4.2. Параметри розрахунку характеристик передачі даних

[6.3] 4.3. Розрахунок імовірнісних характеристик передачі даних

[6.3.1] 4.3.1. Імовірність прийому пакета при фіксованій кількості біт

[6.3.2] 4.3.2. Імовірність прийому пакета при фіксованому значені Р0

[6.3.3] 4.3.3. Імовірність прийому пакета з виправленням помилок

[6.3.4] 4.3.4. Імовірність доставки пакета з виправленням помилок

[6.4] 4.4. Розрахунок часових характеристик передачі даних

[6.4.1] 4.4.1. Залежність часу доставки пакета від довжини каналу зв’язку

[6.4.2] 4.4.2. Залежність часу доставки пакета при фіксованій довжини каналу зв’язку

[6.4.3] 4.4.3. Залежність часу доставки пакета від пропускної здатності

[6.4.4] 4.4.4. Залежність математичного очікування від довжини каналу

[6.4.5] 4.4.5. Залежність математичного очікування при фіксованій довжини каналу

[6.4.6] 4.4.6. Залежність математичного очікування від імовірності помилок

[6.5] Висновки до розділу 4

[7]
ВИСНОВКИ

[8]
Список використаних джерел

[9] B

[10] C

[11] D

[12] E

[13] F

[14] G

[15] K1

[16] K3

[17] K2

[18] ІС

[19] 1

[20] 2

[21] 3

[22] i

[23] NG

[24] 1

[25] 2

[26] NF

[27] ІС

[28] ІС

[29] 1

[30] 2

[31] k

[32] NC


Вступ

Актуальність дослідження. Комп'ютерна мережа (КМ) – це складний комплекс взаємозв'язаних і погоджено функціонуючих програмних і апаратних компонентів: комп'ютерів, комунікаційного устаткування, операційних систем, мережевих застосувань.

У основі будь-якої мережі лежить апаратний шар стандартизованого мережевого устаткування який використовується для функціонування каналів передачі даних [1-3].

У загальному випадку канал передачі даних складається з фізичного середовища, по якому передаються інформаційні сигнали, апаратури передачі даних і проміжної апаратури.

Фізичне середовище передачі даних (medium) може бути: кабель, тобто набір проводів, ізоляційних і захисних оболонок і сполучних роз'ємів; земна атмосфера або космічний простір, через яких розповсюджуються інформаційні сигнали.

Для ефективного використання каналів передачі даних з метою побудови різнорідних (гетерогенних) комп’ютерних мереж слід знати та вміти розрахувати інформаційні характеристики каналів передачі даних.

До основних характеристик каналів передачі даних відносяться:

  •  пропускна спроможність;
  •  достовірність передачі даних;
  •  амплітудно-частотна характеристика;
  •  смуга пропускання;
  •  величина загасання;
  •  перешкодостійкість;
  •  перехресні наведення на ближньому кінці лінії;
  •  питома вартість.

Насамперед розробника комп'ютерної мережі цікавлять пропускна спроможність і достовірність передачі даних, оскільки ці характеристики прямо впливають на продуктивність і надійність створюваної мережі. Пропускна спроможність і достовірність – це характеристики як каналів зв'язку, так і способу передачі даних. Тому, якщо спосіб передачі (протокол) вже визначений, то відомі і ці характеристики. Проте не можна говорити про пропускну спроможність лінії зв'язку, до того як для неї визначений протокол фізичного рівня. Саме у таких випадках дуже важливими є решта характеристик лінії, такі як смуга пропускання, перехресні наведення, перешкодостійкість і інші характеристики.

Канал передачі даних спотворює передаванні сигнали через те, що його фізичні параметри відрізняються від ідеальних. Окрім спотворень сигналів, що вносяться внутрішніми фізичними параметрами каналів передачі даних, існують і зовнішні перешкоди, які вносять свій внесок до спотворення форми сигналів на виході лінії. Ці перешкоди створюють різні електричні двигуни, електронні пристрої, атмосферні явища і інщі.

Ступінь спотворення синусоїдальних сигналів каналів передачі даних оцінюється за допомогою таких характеристик, як амплітудно-частотна характеристика, смуга пропускання і загасання на певній частоті.

Амплітудно-частотна характеристика показує, як затухає амплітуда синусоїди на виході каналу передачі даних в порівнянні з амплітудою на її вході для всіх можливих частот сигналу, який передається. Замість амплітуди в цій характеристиці часто використовують також такий параметр сигналу, як його потужність.

Смуга пропускання (bandwidth) – це безперервний діапазон частот, для якого відношення амплітуди вихідного сигналу до вхідного перевищує деяку заздалегідь задану межу, зазвичай 0,5. Тобто смуга пропускання визначає діапазон частот сигналу, при яких цей сигнал передається по каналу передачі даних без значних спотворень.

Загасання (attenuation) визначається як відносне зменшення амплітуди або потужності сигналу при передачі по каналу певної частоти. Часто при експлуатації каналу заздалегідь відома основна частота сигналу, що передається. Тому достатньо знати загасання на цій частоті, щоб приблизно оцінити спотворення передаваних по лінії сигналів. Оскільки потужність вихідного сигналу кабелю без проміжних підсилювачів завжди менша, ніж потужність вхідного сигналу, загасання кабелю завжди є негативним величиною.

Пропускна спроможність (throughput) каналу передачі даних характеризує максимально можливу швидкість передачі даних по лінії зв'язку. Пропускна спроможність вимірюється в бітах в секунду – бит/с, а також в похідних одиницях, таких як кілобіт в секунду (Кбіт/с), мегабіт в секунду (Мбіт/с), гигабит в секунду (Гбіт/с) і так далі.

Пропускна спроможність каналів передачі даних не тільки від її характеристик, таких як амплітудно-частотна характеристика, але і від спектру передаваних сигналів. Якщо значущі гармоніки сигналу потрапляють в смугу пропускання лінії, то такий сигнал добре передаватиметься даною лінією зв'язки і приймач зможе правильно розпізнати інформацію, відправлену по лінії передавачем. Якщо ж значущі гармоніки виходять за межі смуги пропускання лінії зв'язку, то сигнал значно спотворюватиметься, приймач помилятиметься при розпізнаванні інформації, а значить, інформація не зможе передаватися із заданою пропускною спроможністю.

Вибір способу представлення дискретної інформації у вигляді сигналів, що подаються на канал зв'язку, називається фізичним або лінійним кодуванням. Від вибраного способу кодування залежить спектр сигналів і, відповідно, пропускна спроможність каналу. Таким чином, для одного способу кодування лінія може володіти однією пропускною спроможністю, а для іншого – інший.

Пропускна спроможність лінії в бітах в секунду в загальному випадку не збігається з числом бод. Вона може бути як вище, так і нижче за число бод, і це співвідношення залежить від способу кодування. Якщо сигнал має більше двох помітних станів, то пропускна спроможність в бітах в секунду буде вища, ніж число бод.

Перешкодостійкість каналу передачі даних визначає його здатність зменшувати рівень перешкод, що створюються в зовнішньому середовищі, на внутрішніх провідниках. Перешкодостійкість каналу залежить від типу використовуваного фізичного середовища, а також від екрануючих і пригнічуючих перешкоди засобів самого каналу. Найменш перешкодостійкими є радіолінії, хорошою стійкістю володіють кабельні лінії і відмінною – волоконно-оптичні лінії.

Достовірність передачі даних характеризує вірогідність спотворення для кожного передаваного біта даних. Іноді цей же показник називають інтенсивністю бітових помилок (Bit Error Rate, BER). Величина BER для каналів зв'язку без додаткових засобів захисту від помилок складає, як правило,10-4–10-6, в оптоволоконних лініях зв'язку – 10-9. Значення достовірності передачі даних, наприклад, в 10-4 говорить про те, що в середньому з 10000 біт спотворюється значення одного біта.

Спотворення біт відбуваються як із-за наявності перешкод на лінії, так і унаслідок спотворень форми сигналу обмеженою смугою пропускання лінії. Тому для підвищення достовірності передаваних даних потрібно підвищувати ступінь перешкодозахисної лінії, знижувати рівень перехресних наведень в кабелі, а також використовувати більш широкосмугові лінії зв'язку.

Таким чином, питання дослідження та розрахунок інформаційних характеристик каналів передачі даних для розробників комп'ютерних мереж вельми актуальне.

Метою роботи є дослідження методів розрахунку інформаційних характеристик каналів передачі даних для перевірки працездатності проектів гетерогенних комп'ютерних мереж.

Для досягнення мети дослідження необхідно розв’язати такі наукові та практичні задачі:

  •  аналіз організації каналів передачі даних в комп’ютерних мережах;
  •  дослідження фізичної сутності та порядку використання каналів передачі даних в гетерогенних комп’ютерних мережах;
  •  дослідження математичної сутності найбільш необхідних інформаційних характеристик передачі даних в комп’ютерних мережах;
  •  розробка моделі гетерогенної комп’ютерної мережі з різнорідними каналами передачі даних;
  •  розрахунок інформаційних характеристик передачі даних для розробленої моделі комп’ютерної мережі за допомогою програмного забезпечення MathCAD.

Теоретична значимість проведених досліджень полягає у визначенні умов та можливостей розрахунку основних характеристик комп’ютерних мереж.

Практична значимість розроблених моделі і методики визначається можливістю практичного проведення розрахунків основних характеристик каналів передачі даних в гетерогенних комп’ютерних мережах.

Методи дослідження. Під час проведення досліджень використовувалися наступні наукові методи:

  •  аналіз спеціальної літератури, нормативно-правової бази, загальноприйнятих стандартів в галузі обчислень;
  •  системний аналіз;
  •  метод аналогій;
  •  моделювання;
  •  порівняльний аналіз;
  •  узагальнення та ін.;
  •  елементів теорії ймовірностей та математичної статистики.

Об'єкт дослідження. Об'єктом дослідження є гетерогенні комп’ютерні мережі.

Предмет дослідження. Предметом дослідження є методи та засоби розрахунку характеристик каналів передачі даних в комп’ютерних мережах.

Структура роботи. Робота складається зі вступу, чотирьох розділів, списку літератури. Перший розділ присв’ячено аналізу організації сучасних каналів передачі даних. В другому розділі вивчається математична сутність каналів передачі даних, а саме моделі та основні характеристики каналів передачі даних. В третьому розділі розглянуто процес побудови моделі конкретної гетерогенної комп’ютерної мережі за допомогою спеціального програмного забезпечення проектування і моделювання гетерогенних комп'ютерних мереж NetCracker Professional версії 4.0. В четвертому розділі представлені результати розрахунку основних характеристик каналів передачі даних за допомогою системи MathCAD.


РОЗДІЛ 1. АНАЛІЗ ОРГАНІЗАЦІЇ КАНАЛІВ ПЕРЕДАЧІ ДАНИХ В КОМПЮТЕРНИХ МЕРЕЖАХ

1.1. Архітектура каналів комп’ютерних мереж

Комп’ютерна мережа – це складна розподілена система, що включає широку номенклатуру технологічних засобів (робочі станції, мережні адаптери, концентратори, модеми, комунікаційне й інше устаткування) [1-3].

Специфічним для КМ є поняття структури, що розкриває схему зв’язків і взаємодії між елементами. Тут це поняття виявляється недостатнім для того, щоб однозначно виділити складові частини мереж, оскільки структура їх є динамічною, що змінюється з часом. Крім того, велика КМ представляє множину різних структур. У зв’язку з цим в теорії мереж вводиться спеціальне поняття «архітектура мережі», що, з одного боку, доповнює опис, обумовлений структурами, а з іншого є досить самостійним у тому розумінні, що для тих самих структурних варіантів можуть бути запропоновані найрізноманітніші рішення з інших питань побудови мереж.

Архітектура каналів КМ – це принцип побудови мережі, що виражає єдність і взаємозв’язок фізичної та логічної структур.

Фізична структура КМ – це схема зв’язків компонентів мережі, таких, як середовище передачі даних, апаратура передачі даних, вузли мережі з комплексом апаратури, обчислювальні комплекси, термінальні пристрої, робочі станції.

Логічна структура КМ – це принципи встановлення зв’язків, алгоритми організації процесів і управління ними, що визначають логіку функціонування програмних і апаратних засобів.

Фізична структура КМ. Фізичну структуру можна представити у вигляді схеми, представленої на рис. 1.1.

Вузли А, B, ..., М, зв’язані між собою каналами передачі даних, утворюють одну з важливих складових частин КМ – мережу передачі даних (МПД). Кожен з вузлів через апаратуру передачі даних (АПД) з’єднаний з одним із кінцевих абонентських пунктів. За призначенням і складом технічних засобів кінцеві пункти дуже відрізняються один від одного, ними можуть бути як локальні мережі, так і робочі станції, термінальні пристрої і т.д.

У принципі, можлива і більш докладна конкретизація фізичної структури, що застосовується, наприклад, при технічному проектуванні КМ.

У фізичну структуру мережі входять:

  •  фізичне середовище передачі (кабельні системи, канали зв’язку); комутаційне устаткування (концентратори, комутатори, маршрутизатори);
  •  робочі станції (персональні обчислювальні машини з мережними адаптерами);
  •  спеціалізовані комп’ютери (сервери, шлюзи і т.д.).

Рис. 1.1. Приклад фізичної структури КМ

Фізична структура дозволяє визначити кількість комутаційного устаткування (наприклад, 1 комутатор, 3 концентратори) кількість користувачів, що підключаються, управляючі станції, і т.д.

Логічна структура КМ. Спрощено в загальному вигляді вона визначає з’єднання і взаємодію двох принципово різних за призначенням і функціями складових частин архітектури КМ: множини автономних інформаційних підсистем {Nt} (визначених вище як множина інформаційних вузлів) і множини {Li} засобів їх зв’язку та взаємодії (фізичні засоби з’єднань) (рис. 1.2.)

Рис. 1.2. Приклад логічної структури КМ

Ця особливість враховується при проектуванні мереж дотриманням спеціальних рекомендацій і угод між різними країнами. Можливість функціонування різнотипних комп’ютерів у складі КМ може бути забезпечена тільки в тому випадку, якщо при існуючій відмінності в архітектурі, програмному й апаратному забезпеченні всі ці ЕОМ відповідають деяким єдиним системним стандартам, або існує стик, що забезпечує єдність інтерфейсів і правил взаємного з’єднання. При розробці проектів мереж враховуються також вимоги міжнародних організацій і комітетів, що мають відношення до інформаційних систем. Інтенсивні роботи в даному напрямку вже декілька десятиліть ведуться рядом міжнародних організацій, таких як Міжнародна організація стандартів (МОС – ISO), Міжнародна спілка з телекомунікації (МСТ – ITU), раніше відома як Міжнародний консультативний комітет з телефонії і телеграфії (МККТТ – CCITT), Європейська асоціація виробників комп’ютерів (ЄАВК – ЕСМА) та ін.

Найвідомішою концепцією організації КМ є базова еталонна модель взаємодії відкритих систем, яку розроблено Міжнародною організацією стандартів (стандарт ISO 7498).

Великі фірми-виробники комп’ютерних мереж запропонували свої моделі мережної архітектури для глобальних мереж: SNA – системна мережна архітектура фірми ІВМ, DNA – мережна архітектура фірми DEC. Серед стандартів на локальні комп’ютерні мережі – найбільш поширений ІЕЕЕ 802, розроблений Інститутом інженерів з електротехніки і електроніки (США), який одержав статус міжнародного стандарту ISO 8802 для локальних мереж, що використовуються при автоматизації промислового виробництва [4-6].

У межах тієї або іншої архітектури КМ повинна забезпечуватись погоджена взаємодія різних її структур. Так, при деякій логічній структурі, яка відповідає прийнятій архітектурі КМ, може бути побудована множина фізичних структур, що впливають на властивості та можливості мережі. У свою чергу, наприклад, логічна структура КМ у достатній мірі визначає властивості архітектури КМ у цілому. Логічна структура визначає порядок дій, правил і умов, у яких повинні виконуватися дії, обумовлені мережними протоколами. Вони являють собою узагальнений алгоритм інформаційного процесу, що протікає в КМ. У мережі можуть мати місце практично всі складові КМ і такі відповідні ним процедури, як формування повідомлень, що надходять від різних джерел інформації, введення їх по відповідних каналах, попереднє опрацювання, організація і виконання при необхідності комутаційних процедур, безпосередньо передача, прийом і т.д.

1.2. Передача даних по каналах локальних мереж

При передачі дискретних даних по каналах зв'язку застосовуються два основні типи фізичного кодування – на основі синусоїдального несучого сигналу і на основі послідовності прямокутних імпульсів. Перший спосіб часто називається також модуляцією або аналоговою модуляцією, підкреслюючи той факт, що кодування здійснюється за рахунок зміни параметрів аналогового сигналу. Другий спосіб звичайно називають цифровим кодуванням. Ці способи відрізняються шириною спектру результуючого сигналу і складністю апаратури, необхідної для їх реалізації.

При використовуванні прямокутних імпульсів спектр результуючого сигналу виходить вельми широким. Це не дивно, якщо пригадати, що спектр ідеального імпульсу має нескінченну ширину. Застосування синусоїди приводить до спектру набагато меншої ширини при тій же швидкості передачі інформації. Проте для реалізації синусоїдальної модуляції потрібна складніша і дорожча апаратура, ніж для реалізації прямокутних імпульсів.

В даний час все частіше дані, що спочатку мають аналогову форму – мову, телевізійне зображення, – передаються по каналах зв'язку в дискретному вигляді, тобто у вигляді послідовності одиниць і нулів. Процес представлення аналогової інформації в дискретній формі називається дискретною модуляцією. Терміни «модуляція» і «кодування» часто використовують як синоніми.

При цифровому кодуванні дискретної інформації застосовують потенційні і імпульсні коди.

У потенційних кодах для представлення логічних одиниць і нулів використовується тільки значення потенціалу сигналу, а його перепади, що формують закінчені імпульси, до уваги не беруться. Імпульсні коди дозволяють представити двійкові дані або імпульсами певної полярності, або частиною імпульсу – перепадом потенціалу певного напряму.

При використовуванні прямокутних імпульсів для передачі дискретної інформації необхідно вибрати такий спосіб кодування, який одночасно досягав би декількох цілей:

  •  мав при одній і тій же бітовій швидкості якнайменшу ширину спектру результуючого сигналу;
  •  забезпечував синхронізацію між передавачем і приймачем;
  •  володів здатністю розпізнавати помилки;
  •  володів низькою вартістю реалізації.

Вужчий спектр сигналів дозволяє на одній і тій же лінії (з однією і тією ж смугою пропускання) добиватися вищої швидкості передачі даних. Крім того, часто до спектру сигналу пред'являється вимога відсутності постійної складової, тобто наявність постійного струму між передавачем і приймачем. Зокрема, застосування різних трансформаторних схем гальванічної розв'язки перешкоджає проходженню постійного струму.

Синхронізація передавача і приймача потрібна для того, щоб приймач точно знав, в який момент часу необхідно прочитувати нову інформацію з лінії зв'язку. Ця проблема в мережах розв'язується складніше, ніж при обміні даними між близько розташованими пристроями, наприклад між блоками усередині комп'ютера або ж між комп'ютером і принтером. На невеликих відстанях добре працює схема, заснована на окремій тактуючій лінії зв'язку (рис. 1.3), так що інформація знімається з лінії даних тільки у момент приходу тактового імпульсу. У мережах використовування цієї схеми викликає труднощі через неоднорідність характеристик провідників в кабелях. На великих відстанях нерівномірність швидкості розповсюдження сигналу може привести до того, що тактовий імпульс прийде настільки пізніше або раніше відповідного сигналу даних, що біт даних буде пропущений або лічений повторно. Іншою причиною, по якій в мережах відмовляються від використовування тактуючих імпульсів, є економія провідників в дорогих кабелях.

Тому в мережах застосовуються так звані коди, що само синхронізуються, сигнали яких несуть для передавача вказівки про те, в який момент часу потрібно здійснювати розпізнавання чергового біта (або декількох біт, якщо код орієнтований більш ніж на два стани сигналу). Будь-який різкий перепад сигналу – так званий фронт – може служити хорошою вказівкою для синхронізації приймача з передавачем.

Рис. 1.3. Синхронізація приймача і передавача на невеликих відстанях

При використовуванні синусоїд, як несучий сигнал, результуючий код володіє властивістю самосинхронізації, оскільки зміна амплітуди несучої частоти дає можливість приймачу визначити момент появи вхідного коду.

Розпізнавання і корекцію спотворених даних складно здійснити засобами фізичного рівня, тому найчастіше цю роботу беруть на себе протоколи, що лежать вище: канальний, мережний, транспортний або прикладний. З другого боку, розпізнавання помилок на фізичному рівні економить час, оскільки приймач не чекає повного приміщення кадру в буфер, а відбраковує його відразу при розпізнаванні помилкових біт усередині кадру.

Вимоги, що пред'являються до методів кодування, є взаємно суперечливими, тому кожний з даних нижче популярних методів цифрового кодування володіє своїми перевагами і своїми недоліками в порівнянні з іншими.

На рис. 1.4, а показаний вже згаданий раніше метод потенційного кодування, званий також кодуванням без повернення до нуля (Non Return to Zero, NRZ). Остання назва відображає ту обставину, що при передачі послідовності одиниць сигнал не повертається до нуля протягом такту (як ми побачимо нижче, в інших методах кодування повернення до нуля в цьому випадку відбувається). Метод NRZ простий в реалізації, володіє хорошою розпізнаваною помилок (через два різко відмінні потенціали), але не володіє властивістю самосинхронізації. При передачі довгої послідовності одиниць або нулів сигнал на лінії не змінюється, тому приймач позбавлений можливості визначати по вхідному сигналу моменти часу, коли потрібно в черговий раз прочитувати дані. Навіть за наявності високоточного тактового генератора приймач може помилитися з моментом знімання даних, оскільки частоти двох генераторів ніколи не бувають повністю ідентичними. Тому при високих швидкостях обміну даними і довгих послідовностях одиниць або нулів невелике розузгодження тактових частот може привести до помилки в цілий такт і, відповідно, читанню некоректного значення біта.

Рис. 1.4. Способи дискретного кодування даних

Іншим серйозним недоліком методу NRZ є наявність низькочастотної складової, яка наближається до нуля при передачі довгих послідовностей одиниць або нулів. Через це багато каналів зв'язку, не забезпечуючи прямого гальванічного з'єднання між приймачем і джерелом, цей вид кодування не підтримують. В результаті в чистому вигляді код NRZ в мережах не використовується. Проте використовуються його різні модифікації, в яких усувають як погану самосинхронізацію коду NRZ, так і наявність постійної складової. Привабливість коду NRZ, через яку має сенс зайнятися його поліпшенням, полягає в достатньо низькій частоті основної гармоніки f0, яка дорівнює N/2 Гц (де N – бітова швидкість передачі даних), як це було показано в попередньому розділі. У інших методів кодування, наприклад манчестерського, основна гармоніка має вищу частоту.

Однією з модифікацій методу NRZ є метод біполярного кодування з альтернативною інверсією (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI). У цьому методі (рис. 1.4, б) використовуються три рівні потенціалу – негативні, нульові і позитивні. Для кодування логічного нуля використовується нульовий потенціал, а логічна одиниця кодується або позитивним потенціалом, або негативним, при цьому потенціал кожної нової одиниці протилежний потенціалу попередньою.

Код AMI частково ліквідовує проблеми постійної складової і відсутності самосинхронізації, властиві коду NRZ. Це відбувається при передачі довгих послідовностей одиниць. У цих випадках сигнал на лінії є послідовністю різнополярних імпульсів з тим же спектром, що і у коду NRZ, що передає нулі, що чергуються, і одиниці, тобто без постійної складової і з основною гармонікою N/2 Гц. Довгі ж послідовності нулів також небезпечні для коду AMI, як і для коду NRZ – сигнал вироджується в постійний потенціал нульової амплітуди. Тому код AMI вимагає подальшого поліпшення, хоча задача спрощується – залишилося справитися тільки з послідовностями нулів.

В цілому, для різних комбінацій біт на лінії використовування коду AMI приводить до вужчого спектру сигналу, ніж для коду NRZ, а значить, і до вищої пропускної спроможності лінії. Наприклад, при передачі одиниць, що чергуються, і нулів основна гармоніка f0 має частоту N/4 Гц. Код AMI надає також деякі можливості по розпізнаванню помилкових сигналів. Так, порушення строгого чергування полярності сигналів говорить про помилковий імпульс або зникнення з лінії коректного імпульсу. Сигнал з некоректною полярністю називається забороненим сигналом (signal violation).

У коді AMI використовуються не два, а три рівні сигналу на лінії. Додатковий рівень вимагає збільшення потужності передавача приблизно на 3 дБ для забезпечення тієї ж достовірності прийому біт на лінії, що є загальним недоліком кодів з декількома станами сигналу в порівнянні з кодами, які розрізняють тільки два стани.

Існує код, схожий на AMI, але тільки з двома рівнями сигналу. При передачі нуля він передає потенціал, який був встановлений в попередньому такті (тобто не міняє його), а при передачі одиниці потенціал інвертується на протилежний. Цей код називається потенційним кодом з інверсією при одиниці (Non Return to Zero with ones Inverted, NRZI). Цей код зручний в тих випадках, коли використовування третього рівня сигналу вельми небажане, наприклад в оптичних кабелях, де стійко розпізнаються два стани сигналу – світло і темнота.

Для поліпшення потенційних кодів, подібних AMI і NRZI, використовуються два методи. Перший метод заснований на додаванні в початковий код надмірних біт, що містять логічні одиниці. Очевидно, що в цьому випадку довгі послідовності нулів уриваються і код стає тим, що само синхронізується для будь-яких передаваних даних. Зникає також постійна складова, а значить, ще більш звужується спектр сигналу. Але цей метод знижує корисну пропускну спроможність лінії, оскільки надмірні одиниці призначеної для користувача інформації не несуть. Інший метод заснований на попередньому «перемішуванні» початкової інформації так, щоб вірогідність появи одиниць і нулів на лінії ставала близькою. Пристрої, або блоки, що виконують таку операцію, називаються скремблерами (scramble – звалище, безладна збірка). При скремблюванні використовується відомий алгоритм, тому приймач, одержавши двійкові дані, передає їх на дескремблер, який відновлює початкову послідовність біт. Надмірні біти при цьому по лінії не передаються. Обидва методи відносяться до логічного, а не фізичного кодування, оскільки форму сигналів на лінії вони не визначають.

Окрім потенційних кодів в мережах використовуються і імпульсні коди, коли дані представлені повним імпульсом або ж його частиною – фронтом. Найпростішим випадком такого підходу є біполярний імпульсний код, в якому одиниця представлена імпульсом однієї полярності, а нуль – інший (рис. 1.4, в). Кожен імпульс триває половину такту. Такий код володіє відмінними само синхронізуючими властивостями, але постійна складова, може бути присутнім, наприклад, при передачі довгої послідовності одиниць або нулів. Крім того, спектр у нього ширший, ніж у потенційних кодів. Так, при передачі всіх нулів або одиниць частота основної гармоніки коду буде рівна N Гц, що в два рази вище за основну гармоніку коду NRZ і в чотири рази вище за основну гармоніку коду AMI при передачі одиниць, що чергуються, і нулів. Через дуже широкий спектр біполярний імпульсний код використовується рідко.

У локальних мережах до недавнього часу найпоширенішим методом кодування був так званий манчестерський код (рис. 1.4, г). Він застосовується в технологіях Ethernet і Token Ring.

У манчестерському коді для кодування одиниць і нулів використовується перепад потенціалу, тобто фронт імпульсу. При манчестерському кодуванні кожен такт ділиться на дві частини. Інформація кодується перепадами потенціалу, що відбуваються у середині кожного такту. Одиниця кодується перепадом від низького рівня сигналу до високого, а нуль – зворотним перепадом. На початку кожного такту може відбуватися службовий перепад сигналу, якщо потрібно представити декілька одиниць або нулів підряд. Оскільки сигнал змінюється принаймні один раз за такт передачі одного біта даних, то манчестерський код володіє хорошими само синхронізуючими властивостями. Смуга пропускання манчестерського коду вужча, ніж у біполярного імпульсного. У нього також немає постійної складової, а основна гармоніка у гіршому разі (при передачі послідовності одиниць або нулів) має частоту N Гц, а в кращому (при передачі одиниць, що чергуються, і нулів) вона рівна N/2 Гц, як і у кодів AMI або NRZ. В середньому ширина смуги манчестерського коду в півтора рази вужче, ніж у біполярного імпульсного коду, а основна гармоніка коливається поблизу значення 3N/4. Манчестерський код має ще одну перевагу перед біполярним імпульсним кодом. У останньому для передачі даних використовуються три рівні сигналу, а в манчестерському – два.

На рис. 1.4, д показано потенційний код з чотирма рівнями сигналу для кодування даних. Це код 2B1Q, назва якого відображає його суть – кожні два біти (2В) передаються за один такт сигналом, що має чотири стани (1Q), Парі біт 00 відповідає потенціал -2,5 В, парі біт 01 відповідає потенціал -0,833 В, парі 11 – потенціал +0,833 B, а парі 10 – потенціал +2,5 В. При цьому способі кодування потрібні додаткові заходи по боротьбі з довгими послідовностями однакових пар біт, оскільки при цьому сигнал перетворюється на постійну складову. При випадковому чергуванні битий спектр сигналу в два рази вужче, ніж у коду NRZ, оскільки при тій же бітовій швидкості тривалість такту збільшується в два рази. Таким чином, за допомогою коду 2B1Q можна по одній і тій же лінії передавати дані в два рази швидше, ніж за допомогою коду AMI або NRZI. Проте для його реалізації потужність передавача повинна бути вищою, щоб чотири рівні чітко розрізнялися приймачем на фоні перешкод.

Поліпшені потенційні коди володіють достатньо вузькою смугою пропускання для будь-яких послідовностей одиниць і нулів, які зустрічаються в передаваних даних. Потенційний код NRZ володіє хорошим спектром з одним недоліком – у нього є постійна складова. Коди, одержані з потенційного шляхом логічного кодування, володіють вужчим спектром, ніж манчестерський, навіть при підвищеній тактовій частоті (на малюнку спектр коду 4В/5В повинен був би приблизно співпадати з кодом B8ZS, але він зсунутий в область вищих частот, оскільки його тактова частота підвищена на 1/4 в порівнянні з іншими кодами). Цим пояснюється застосування потенційних надмірних і скрембльованих кодів в сучасних технологіях, подібних FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, ISDN і т.п. замість манчестерського і біполярного імпульсного кодування.

1.3. Передача даних по каналах глобальних та корпоративних мереж

Виділений канал – це канал з фіксованою смугою пропускання або фіксованою пропускною спроможністю, що постійно з’єднує два абоненти. Абонентами можуть бути як окремі пристрої (комп'ютери або термінали), так і цілі мережі [4-6].

Виділені канали звичайно орендуються у компаній – операторів територіальних мереж, хоча крупні корпорації можуть прокладати свої власні виділені канали.

Виділені канали діляться на аналогові і цифрові залежно від того, якого типу комутаційна апаратура застосована для постійної комутації абонентів – з частотним розділенням каналів (Frequency Division Multiplexing – FDM) або часовим розділенням каналів (Time Division Multiplexing – TDM). На аналогових виділених лініях для апаратури передачі даних фізичний і канальний протоколи жорстко не визначені. Відсутність фізичного протоколу призводить до того, що пропускна спроможність аналогових каналів залежить від пропускної спроможності модемів, які використовує користувач каналу. Модем власне і встановлює потрібний йому протокол фізичного рівня для каналу.

На цифрових виділених лініях протокол фізичного рівня зафіксований – він заданий стандартом G.703.

На канальному рівні аналогових і цифрових виділених каналів звичайно використовується один з протоколів сімейства HDLC або ж пізніший протокол РРР, побудований на основі HDLC для зв'язку багато протокольних мереж.

1.3.1. Аналогові виділені лінії

Виділені аналогові канали надаються користувачу з 4-дротяним або 2-дротяним закінченням. На каналах з 4-дротяним закінченням організація повно дуплексного зв'язку, природно, виконується простішими способами [7].

Виділені лінії можуть бути розділені на дві групи по іншій ознаці – наявності проміжної апаратури комутації і посилення або її відсутності.

Першу групу складають так звані навантажені лінії, що проходять через устаткування частотного ущільнення (FDM-комутатори і мультиплексори), розташоване, наприклад, на АТС. Телефонні компанії звичайно надають в оренду два типи виділених каналів: канал тональної частоти із смугою пропускання 3,1 кГц (0,3 – 3,4 кГц) і широкосмуговий канал із смугою 48 кГц (60 – 108 кГц), який є базовою групою з 12 каналів тональної частоти. Оскільки широкосмуговий канал використовується для зв'язку АТС між собою, те отримання його в оренду більш проблематичне, ніж каналу тональної частоти.

Виділені навантажені канали також класифікуються на категорії залежно від їх якості. Від категорії якості залежить і орендна місячна платня за канал.

Друга група виділених ліній – це ненавантажені фізичні дротяні лінії. Вони можуть красуватися, але при цьому не проходять через апаратуру частотного ущільнення. Часто такі лінії використовуються для зв'язку між будівлями, що близько стоять. При невеликій довжині ненавантаженої виділеної лінії вона володіє достатньо широкою смугою пропускання, іноді до 1 Мгц, що дозволяє передавати імпульсні немодульовані сигнали.

На перший погляд може показатися, що ненавантажені лінії не мають відношення до глобальних мереж, оскільки їх можна використовувати при протяжності максимум в декілька кілометрів, інакше загасання стає дуже великим для передачі даних. Проте останнім часом саме цей вид виділених каналів привертає пильну увагу розробників засобів видаленого доступу. Річ у тому, що телефонні абонентні закінчення – відрізок витої пари від АТС до житлової або виробничої будівлі – є саме таким видом каналів. Широка (хоча і наперед точно невідома) смуга пропускання цих каналів дозволяє розвинути на короткому відрізку лінії високу швидкість – до декількох Мбіт в секунду. У зв'язку з цим, до найближчої АТС дані від видаленого комп'ютера або мережі можна передавати набагато швидше, ніж по каналах тональної частоти, які починаються в даній АТС.

Для передачі даних по виділених навантажених аналогових лініях використовуються модеми. Протоколи і стандарти модемів визначені в рекомендаціях CCITT серії V. Ці стандарти діляться на три групи:

  •  стандарти, що визначають швидкість передачі даних і метод кодування;
  •  стандарти виправлення помилок;
  •  стандарти стиснення даних.

Ці стандарти визначають роботу модемів як для виділених, так і комутованих ліній. Модеми можна також класифікувати залежно від того, який режими роботи вони підтримують (асинхронний, синхронний або обидва ці режими), а також до якого закінчення (4-дротяному або 2-дротяному) вони підключені.

Відносно режиму роботи модеми діляться на три групи:

  •  модеми, що підтримують тільки асинхронний режим роботи;
  •  модеми підтримуючі асинхронний і синхронний режими роботи;
  •  модеми, що підтримують тільки синхронний режим роботи.

Модеми, що працюють тільки в асинхронному режимі, звичайно підтримують низьку швидкість передачі даних – до 1200 біт/с. Так, модеми, що працюють за стандартом V.23, можуть забезпечувати швидкість 1200 біт/с на 4-дротяній виділеній лінії в дуплексному асинхронному режимі, а за стандартом V.21 – на швидкості 300 біт/с по 2-дротяній виділеній лінії також в дуплексному асинхронному режимі. Дуплексний режим на 2-дротяному закінченні забезпечується частотним розділенням каналу. Асинхронні модеми представляють найдешевший вид модемів, оскільки їм не потрібні високоточні схеми синхронізації сигналів на кварцових генераторах. Крім того, асинхронний режим роботи невибагливий до якості лінії.

Модеми, що працюють тільки в синхронному режимі, можуть підключатися тільки до 4-дротяного закінчення. Синхронні модеми використовують для виділення сигналу високоточні схеми синхронізації і тому звично значно дорожче за асинхронні модеми. Крім того, синхронний режим роботи пред'являє високі вимоги до якості лінії.

Для виділеного каналу тональної частоти з 4-дротяним закінченням розроблено достатньо багато стандартів серії V. Всі вони підтримують дуплексний режим:

V.26 – швидкість передачі 2400 біт/с;

V.27 – швидкість передачі 4800 біт/с;

V.29 – швидкість передачі 9600 біт/с;

V.32 ter – швидкість передачі 19 200 біт/с.

Для виділеного широкосмугового каналу 60-108 кГц існують три стандарти:

V.35 – швидкість передачі 48 Кбіт/с;

V.36 – швидкість передачі 48-72 Кбіт/с;

V.37 – швидкіть передачі 96-168 Кбіт/с.

Корекція помилок в синхронному режимі роботи звичайно реалізується по протоколу HDLC, але допустимі і застарілі протоколи SDLC і BSC компанії IBM. Модеми стандартів V.35, V.36 і V.37 використовують для зв'язку з DTE інтерфейс V.35.

Модеми, що працюють в асинхронному і синхронному режимах, є найбільш універсальними пристроями. Найчастіше вони можуть працювати як по виділених, так і по комутованих каналах, забезпечуючи дуплексний режим роботи. На виділених каналах вони підтримують в основному 2-дротяне закінчення і набагато рідше – 4-дротяне.

Для асінхронно-сінхронних модемів розроблений ряд стандартів серії V:

V.22 – швидкість передачі до 1200 біт/с;

V.22 bis – швидкість передачі до 2400 біт/с;

V.26 ter – швидкість передачі до 2400 біт/с;

V.32 – швидкість передачі до 9600 біт/с;

V.32 bis – швидкість передачі 14 400 біт/с;

V.34 – швидкість передачі до 28,8 Кбіт/с;

V.34+ – швидкість передачі до 33,6 Кбіт/с.

Типова структура з'єднання двох комп'ютерів або локальних мереж через маршрутизатор за допомогою виділеної аналогової лінії приведена на рис. 1.5. У разі 2-дротяного закінчення для забезпечення дуплексного режиму модем використовує трансформаторну розв'язку. Телефонна мережа завдяки своїй схемі розв'язки забезпечує роз'єднання потоків даних, циркулюючих у різних напрямах. За наявності 4-дротяного закінчення (див. рис. 1.5, б) схема модему спрощується.

Рис. 1.5. З'єднання локальних мереж або комп'ютерів по виділеному каналу

1.3.2. Цифрові виділені лінії

Цифрові виділені лінії утворюються шляхом постійної комутації в первинних мережах, побудованих на базі комутаційної апаратури, що працює на принципах розділення каналу в часі – TDM. Існують два покоління технологій цифрових первинних мереж – технологія плезіохронної («плезіо» означає «майже», тобто майже синхронної) цифрової ієрархії (Plesiochronic Digital Hierarchy, PDH) і пізніша технологія – синхронна цифрова ієрархія (Synchronous Digital Hierarchy, SDH). У Америці технології SDH відповідає стандарт SONET.

1.3.3. Технологія плезіохронної цифрової ієрархії PDH

Цифрова апаратура мультиплексування і комутації була розроблена в кінці 60-х років компанією AT&T для вирішення проблеми зв'язку крупних комутаторів телефонних мереж між собою. Канали з частотним ущільненням, вживані до цього на ділянках АТС-АТС, вичерпали свої можливості по організації високошвидкісного багатоканального зв'язку по одному кабелю. У технології FDM для одночасної передачі даних 12 або 60 абонентних каналів використовувалася вита пара, а для підвищення швидкості зв'язку доводилося прокладати кабелі з великою кількістю пар дротів або дорожчі коаксіальні кабелі. Крім того, метод частотного ущільнення високо чутливий до різного роду перешкодам, які завжди присутні в територіальних кабелях, та і високочастотна несуча мови сама створює перешкоди в приймальній апаратурі, будучи погано відфільтрована.

Для вирішення цієї задачі була розроблена апаратура Т1, яка дозволяла в цифровому виді мультиплексувати, передавати і комутувати (на постійній основі) дані 24 абонентів. Оскільки абоненти як і раніше користувалися звичними телефонними апаратами, тобто передача голосу йшла в аналоговій формі, то мультиплексори Т1 самі здійснювали оцифровування голосу з частотою 8000 Гц і кодували голос за допомогою імпульсно-кодової модуляції (Pulse Code Modulation, PCM). В результаті кожен абонентний канал утворював цифровий потік даних 64 Кбіт/с. Для з'єднання магістральних АТС канали Т1 були дуже слабкими засобами мультиплексування, тому в технології була реалізована ідея утворення каналів з ієрархією швидкостей. Чотири канали типа Т1 об'єднуються в канал наступного рівня цифрової ієрархії – Т2, передаючий дані із швидкістю 6,312 Мбіт/с, а сім каналів Т2 дають при об'єднанні канал ТЗ, що передає дані із швидкістю 44,736 Мбіт/с. Апаратура T1, T2 і ТЗ може взаємодіяти між собою, утворюючи ієрархічну мережу з магістральними і периферійними каналами трьох рівнів швидкостей.

Технологія цифрової ієрархії була пізніше стандартизована CCITT. При цьому в неї були внесені деякі зміни, що привело до несумісності американської і міжнародної версій цифрових мереж. Американська версія поширена сьогодні окрім США також в Канаді і Японії (з деякими відмінностями), а в Європі застосовується міжнародний стандарт. Аналогом каналів Т в міжнародному стандарті є канали типа El, E2 і E3 з іншими швидкостями – відповідно 2,048 Мбіт/с, 8,488 Мбіт/с і 34,368 Мбіт/с. Американський варіант технології також був стандартизований ANSI.

Не дивлячись на відмінності американської і міжнародних версій технології цифрової ієрархії, для позначення ієрархії швидкостей прийнято використовувати одні і ті ж позначення – DSn (Digital Signal n). У табл. 1.1 приводяться значення для всіх введених стандартами рівнів швидкостей обох технологій.

На практиці в основному використовуються канали Т1/Е1 і ТЗ/E3.

Користувач може орендувати декілька каналів 64 Кбіт/с (56 Кбіт/с) в каналі Т1/Е1. Такий канал називається «дробовим» (fractional) каналом Т1/Е1. В цьому випадку користувачу відводиться декілька тайм – слотів роботи мультиплексора.

Фізичний рівень технології PDH підтримує різні види кабелів: виту пару, коаксіальний кабель і волоконно-оптичний кабель. Основним варіантом абонентного доступу до каналів Т1/Е1 є кабель з двох витих пар з роз'ємами RJ-48. Дві пари потрібні для організації дуплексного режиму передачі даних із швидкістю 1,544/2,048 Мбіт/с.

Таблиця 1.1. Ієрархія цифрових швидкостей

Позначення швидкості

Америка

Європа

Позначення швидкості

Кількість голосових каналів

Кількість каналів попереднього рівня

Швидкість передачі, Мбіт/с

Позначення швидкості

Кількість голосових каналів

Кількість каналів попереднього рівня

Швидкість передачі, Мбіт/с

DS-0

1

1

64 кбіт/с

1

1

64 кбіт/с

DS-1

T1

24

24

1,544

E1

30

30

2,048

DS-2

T2

96

4

6,312

E2

120

4

8,488

DS-3

T3

672

7

44,736

E3

480

4

34,368

DS-4

4032

6

274,176

1920

4

139,264

Коаксіальний кабель завдяки своїй широкій смузі пропускання підтримує канал Т2/Е2 або 4 канали Т1/Е1. Для роботи каналів ТЗ/E3 звичайно використовується або коаксіальний кабель, або волоконно-оптичний кабель, або канали НВЧ.

Фізичний рівень міжнародного варіанту технології визначається стандартом G.703, назвою якого позначається тип інтерфейсу маршрутизатора або моста, що підключається до каналу Е1. Американський варіант інтерфейсу носить назву Т1.

Як американський, так і міжнародний варіанти технології PDH володіють декількома недоліками.

Одним з основних недоліків є складність операцій мультиплексування і демультиплексування призначених для користувача даних. Сам термін «плезіохронний», використовуваний для цієї технології, говорить про причину такого явища – відсутності повної синхронності потоків даних при об'єднанні низько швидкісних каналів в більш високошвидкісні. Спочатку асинхронний підхід до передачі кадрів породив вставку біта або декількох біт синхронізації між кадрами. В результаті для витягання призначених для користувача даних з об'єднаного каналу необхідно повністю демультиплексувати кадри цього об'єднаного каналу. Наприклад, якщо вимагається одержати дані одного абонентного каналу 64 Кбіт/с з кадрів каналу ТЗ, необхідно виробити демультиплексування цих кадрів до рівня кадрів Т2, потім – до рівня кадрів Т1, а потім демультиплексувати і самі кадри Т1. Для подолання цього недоліку в мережах PDH реалізують деякі додаткові прийоми, що зменшують кількість операцій демультиплексування при витягання призначених для користувача даних з високошвидкісних каналів. Наприклад, одним з таких прийомів є «зворотна доставка» (back hauling). Хай комутатор 1 каналу ТЗ приймає потік даних, що складається з 672 призначених для користувача каналів, при цьому він повинен передати дані одного з цих каналів користувачу, підключеному до низькошвидкісного виходу комутатора, а всю решту потоку даних направити транзитом через інші комутатори в деякий кінцевий демультиплексор 2, де потік ТЗ повністю демультиплексувати на канали 64 Кбіт/с. Для економії комутатор 1 не виконує операцію демультиплексування свого потоку, а одержує дані свого користувача тільки при їх «зворотному проході», коли кінцевий демультиплексор виконає операцію розбору кадрів і поверне дані одного з каналів комутатору 1. Природно, такі складні взаємостосунки комутаторів ускладнюють роботу мережі, вимагають її тонкої конфігурації, що веде до великого об'єму ручної роботи і помилок.

Іншим істотним недоліком технології PDH є відсутність розвинених вбудованих процедур контролю і управління мережею. Службові біти дають мало інформації про стан каналу, не дозволяють його конфігурувати і т.п. Немає в технології і процедур підтримки відмовостійкості, які дуже корисні для первинних мереж, на основі яких будуються відповідальні міжміські і міжнародні мережі. У сучасних мережах управлінню надається велика увага, причому вважається, що управляючі процедури бажано вбудовувати в основний протокол передачі даних мережі.

Третій недолік полягає в дуже низьких за сучасними поняттями швидкостях ієрархії PDH. Волоконно-оптичні кабелі дозволяють передавати дані з швидкостями в декілька Гбіт в секунду по одному волокну, що забезпечує консолідацію в одному кабелі десятків тисяч призначених для користувача каналів, але цю властивість технологія PDH не реалізує - її ієрархія швидкостей закінчується рівнем 139 Мбіт/с.

Всі ці недоліки усунені в новій технології первинних цифрових мереж, що одержала назву синхронної цифрової ієрархії – Synchronous DigitalHierarchy, SDH.

1.4. Фізична сутність та порядок використання каналів передачі даних в гетерогенних комп’ютерних мережах

Канали передачі даних є фундаментом будь-якої мережі. Якщо в каналах щодня відбуваються короткі замикання, контакти роз’ємів то відходять, то знову входять у щільне з’єднання, додавання нової станції призводить до необхідності тестування десятків контактів роз’ємів через те, що документація на фізичні з’єднання не ведеться [8-10]. Очевидно, що на основі таких каналів передачі даних будь-яке найсучасніше і продуктивне устаткування буде працювати погано. Користувачі будуть незадоволені великими періодами простоїв і низькою продуктивністю мережі, а обслуговуючий персонал буде в постійній «запарці», розшукуючи місця коротких замикань, обривів і поганих контактів. Причому проблем з каналами передачі даних стає набагато більше при збільшенні розмірів мережі.

1.4.1. Структурована кабельна система гетерогенної комп’ютерної мережі

Відповіддю на високі вимоги до якості каналів передачі даних в комп’ютерних мережах стали структуровані кабельні системи.

Структурована кабельна система (СКС) (Structured Cabling System, SCS) – це набір комутаційних елементів (кабелів, роз’ємів, конекторів, кросових панелей і шаф), а також методика їх спільного використання, яка дозволяє створювати регулярні, легко розширювані структури зв’язків в комп’ютерних мережах.

Структурована кабельна система представляє свого роду «конструктор», за допомогою якого проектувальник мережі будує потрібну йому конфігурацію зі стандартних кабелів, з’єднаних стандартними роз’ємами, які комутуються на стандартних кросових панелях. При необхідності конфігурацію зв’язків можна легко змінити – додати комп’ютер, сегмент, комутатор, вилучити непотрібне устаткування, а також замінити з’єднання між комп’ютерами і концентраторами.

При побудові структурованої кабельної системи мається на увазі, що кожне робоче місце на підприємстві повинне бути оснащене розетками для підключення телефону і комп’ютера, навіть якщо на даний момент цього не потрібно. Тобто добре структурована кабельна система будується надлишковою. У майбутньому це може заощадити час тому, що зміни в підключенні нових пристроїв можна здійснювати за рахунок перекомутації вже прокладених кабелів.

Структурована кабельна система планується і будується ієрархічно з головною магістраллю і численними відгалуженнями від неї (рис. 1.6).

Ця система може бути побудована на базі вже існуючих сучасних телефонних кабельних систем, у яких кабелі, що представляють собою набір кручених пар, прокладаються в кожному будинку, розводяться між поверхами. На кожному поверсі використовується спеціальна кросова шафа, від якої кабелі в трубах і коробах підводяться до кожної кімнати і розводяться по розетках. На жаль, далеко не у всіх будинках телефонні лінії прокладаються крученими парами, тому вони непридатні для створення комп’ютерних мереж, і кабельну систему в такому випадку потрібно будувати заново.

Типова ієрархічна структура структурованої кабельної системи (рис. 1.7) включає:

  •  горизонтальні підсистеми (у межах поверху);
  •  вертикальні підсистеми (усередині будинку);
  •  підсистему кампусу (у межах однієї території з декількома будинками).

Горизонтальна підсистема з’єднує кросову шафу поверху з розетками користувачів. Підсистеми цього типу відповідають поверхам будинку.

Вертикальна підсистема з’єднує кросові шафи кожного поверху з центральною апаратною будинку.

Наступним кроком ієрархії є підсистема кампусу, що з’єднує кілька будинків з головною апаратною усього кампусу. Ця частина кабельної системи звичайно називається магістраллю (backbone).

Рис. 1.6. Ієрархія структурованої кабельної системи

Використання структурованої кабельної системи замість хаотично прокладених кабелів дає підприємству багато переваг.

Універсальність. Структурована кабельна система при продуманій організації може стати єдиним середовищем для передачі комп’ютерних даних у локальній обчислювальній мережі, організації локальної телефонної мережі, передачі відеоінформації і навіть передачі сигналів від датчиків пожежної безпеки або охоронних систем. Це дозволяє автоматизувати більшість процесів контролю, моніторингу та управління господарськими службами і системами життєзабезпечення підприємства.

Збільшення терміну служби. Термін морального старіння добре структурованої кабельної системи може складати 10 – 15 років.

Зменшення вартості добавлення нових користувачів і зміни місць їх розташування.

Відомо, що вартість кабельної системи значна і визначається в основному не вартістю кабелю, а вартістю робіт з його прокладки. Тому більш вигідно провести однократну роботу по прокладці кабелю, можливо, з великим запасом по довжині, ніж кілька разів виконувати прокладку, нарощуючи довжину кабелю. При такому підході всі роботи з добавлення або переміщення користувача зводяться до підключення комп’ютера до вже наявної розетки.

Можливість легкого розширення мережі. Структурована кабельна система є модульною, тому її легко розширювати. Наприклад, до магістралі можна додати нову під мережу, не роблячи ніякого впливу на існуючі під мережі. Можна замінити в окремій під мережі тип кабелю незалежно від іншої частини мережі. Структурована кабельна система є основою для розподілу мережі на легко управляючі логічні сегменти тому, що вона сама вже розділена на фізичні сегменти.

Забезпечення більш ефективного обслуговування. Структурована кабельна система полегшує обслуговування і пошук несправностей у порівнянні із шинною кабельною системою. При шинній організації кабельної системи відмова одного з пристроїв або сполучних елементів призводить до відмови всієї мережі, яку важко локалізувати. У структурованих кабельних системах відмова одного сегмента не діє на інші тому, що об’єднання сегментів здійснюється за допомогою концентраторів. Концентратори діагностують і локалізують несправний сегмент.

Надійність. Структурована кабельна система має підвищену надійність, оскільки виробник такої системи гарантує не тільки якість її окремих компонентів, але і їх сумісність.

Більшість проектувальників починає розробку СКС з горизонтальних підсистем тому, що саме до них підключаються кінцеві користувачі. При цьому вони можуть вибирати між екранованою крученою парою, неекранованою крученою парою, коаксіальним кабелем і волоконно-оптичним кабелем. Можливе використання й безпровідних ліній зв’язку.

Горизонтальна підсистема характеризується дуже великою кількістю відгалужень кабелю (рис. 1.8) тому, що його потрібно провести до кожної розетки, причому й у тих кімнатах, де поки комп’ютери в мережу не об’єднуються. Тому до кабелю, який використовується в горизонтальній проводці, пред’являються підвищені вимоги до зручності виконання відгалужень, а також зручностей його прокладки в приміщеннях. На поверсі звичайно встановлюється кросова шафа, яка дозволяє за допомогою коротких відрізків кабелю, оснащеного роз’ємами, провести перекомутацію з’єднань між устаткуванням і концентраторами/комутаторами.

При виборі кабелю приймають до уваги такі характеристики: пропускна спроможність, відстань, фізична захищеність, електромагнітна перешкодозахищеність, вартість. Крім того, при виборі кабелю потрібно враховувати, яка кабельна система уже встановлена на підприємстві, а також які тенденції і перспективи існують на ринку на даний момент.

1.4.2. Кабель – кручена пара

Мідний провід, зокрема неекранована кручена пара (Twisted Pair – TP), є кращим середовищем для горизонтальної кабельної підсистеми, хоча, якщо користувачам потрібна дуже висока пропускна спроможність, або кабельна система прокладається в агресивному середовищі, для неї підійде і волоконно-оптичний кабель. Коаксіальний кабель – це застаріла технологія, якої варто уникати, якщо тільки вона вже не використовується широко на підприємстві. Безпровідний зв’язок є новою і багатообіцяючою технологією, однак через порівняльну новизну і низьку перешкодостійкість краще обмежити масштаби її використання.

Кручена пара, як середовище передачі, використовується у всіх сучасних мережних технологіях, а також в аналоговій і цифровій телефонії. Уніфікація пасивних елементів мережі на крученій парі стала основою для концепції побудови структурованих кабельних систем, незалежних від прикладень (мережних технологій). Будь-які мережі на крученій парі (крім застарілої LocalTalk) засновані на зіркоподібній фізичній топології, що при відповідному активному устаткуванні може бути основою для будь-якої логічної топології.

Рис. 1.8. Структура кабельної системи поверху та будівлі

Провід кручена пара являє собою два скручених ізольованих провідники. Провід застосовують для кросування (cross-wires) усередині комутаційних шаф або стійок, але ніяк не для прокладки з’єднань між приміщеннями, такий провід може складатися з однієї, двох, трьох і навіть чотирьох кручених пар.

Кабель відрізняється від проводу наявністю зовнішньої ізоляційної панчохи (jacket). Ця панчоха головним чином захищає провід (елементи кабелю) від механічних впливів і вологи. Найбільше поширення одержали кабелі, що містять дві або чотири кручені пари. Існують кабелі і на більше число пар – 25 пар і більше.

Категорія (Category) крученої пари визначає частотний діапазон, у якому її застосування ефективне (ACR має позитивне значення). На даний час діють стандартні шість категорій кабелю (Category 1 ÷ Category 5е), проробляється 6-а категорія й очікується поява кабелів категорії 7. Частотні діапазони кабелів різних категорій наведені в табл. 1.2.

Таблиця 1.2. Класифікація кабелів на крученій парі

Категорія

Клас лінії

Смуга пропускання, МГц

Типове мережне застосування

1

A

0,1

Аналогова телефонія

2

B

1

Цифрова телефонія, ISDN

3

C

16

10Base-T (Ethernet)

4

20

Token Ring 16 Mбіт/с

5

D

100

100Base-TX (Fast Ethernet)

D

125

1000Base-TX (Gigabit Ethernet)

6*

E1

200 (250)

7*

F1

600

* Категорії 6 і 7 ще нестандартизовані.

Категорії визначаються стандартом EIA/TIA 568A. В останньому стовпці наводиться класифікація ліній зв’язку, які забезпечуються цими кабелями згідно стандарту ISO 11801 і EN 50173.

Кручена пара може бути як екранованою (shielded), так і неекранованою (unshielded), вид кабелів наведений на рис. 1.9. Термінологія конструкцій екрана неоднозначна, тут використовуються слова braid (оплітка), shield і screen (екран, захист), foil (фольга), tinned drain wire (луджений «дренажний» провід, що йде уздовж фольги).

Неекранована кручена пара (НКП) більше відома по абревіатурі UTP (Unshielded Twisted Pair). Якщо кабель укладений у загальний екран, але пари не мають індивідуальних екранів, то, відповідно до стандарту ISO 11801, він теж відноситься до неекранованих кручених пар і позначається UTP або S/UTP. Сюди ж відноситься ScTP (Screened Twisted Pair) або FTP (Foiled Twisted Pair) – кабель, у якому кручені пари укладені в загальний екран з фольги, а також SFTP (Shielded Foil Twisted Pair) – кабель, у якого загальний екран складається з фольги й оплітки.

Рис. 1.9. Кабелі кручена пара: а – UTP категорії 3-5, б – UTP категорії 6, в – ScTP, FTP, г – SFTP, д – STP Турe 1, е – PiMF.

1 – провід в ізоляції, 2 – зовнішня оболонка, 3 – сепаратор,

4 – екран з фольги, 5 – дренажний провід, 6 – оплітка, що екранує

Екранована кручена пара (ЕКП), вона ж STP (Shielded Twisted Pair), має багато різновидів, але кожна пара обов’язково має власний екран.

Найбільше поширення одержали кабелі з числом пар 2 і 4. Існують і подвійні конструкції – два кабелі по дві або чотири пари, укладені в суміжні ізоляційні панчохи. У загальну панчоху можуть бути укладені і кабелі STP+UTP. З багатопарних популярні 25-парні, а також зборки по 6 штук 4-парних. Кабелі з великим числом пар (50, 100) застосовуються тільки в телефонії, оскільки виготовлення багатопарних кабелів високих категорій – дуже складна задача.

Для багатопарних кабелів стандартизоване колірне маркування проводів, яке дозволяє швидко і безпомилково виконувати їх обробку без попередньої перевірки. Кожна пара має умовно прямий (Tip) і зворотний (Ring) провід. Маркування для 25-парного кабелю наведені в табл. 1.3, для 4-парного – у табл. 1.4; крім основного варіанта існує й альтернативне маркування.

Таблиця 1.3. Колірне маркування 25-парного кабелю

№ пари

Колір:

основний/смужки

Прямий (Tip)

Зворотний (Ring)

  1.  

Білий/синій

Синій/білий

  1.  

Білий/жовтогарячий

Жовтогарячий/білий

  1.  

Білий/зелений

Зелений/білий

  1.  

Білий/коричневий

Коричневий/білий

  1.  

Білий/сірий

Сірий/білий

  1.  

Червоний/синій

Синій/червоний

  1.  

Червоний/жовтогарячий

Жовтогарячий/червоний

  1.  

Червоний/зелений

Зелений/червоний

  1.  

Червоний/коричневий

Коричневий/червоний

  1.  

Червоний/сірий

Сірий/червоний

  1.  

Чорний/синій

Синій/чорний

  1.  

Чорний/жовтогарячий

Жовтогарячий/чорний

  1.  

Чорний/зелений

Зелений/чорний

  1.  

Чорний/коричневий

Коричневий/чорний

  1.  

Чорний /сірий

Сірий/чорний

  1.  

Жовтий/синій

Синій/жовтий

  1.  

Жовтий/жовтогарячий

Жовтогарячий/жовтий

  1.  

Жовтий/зелений

Зелений/жовтий

  1.  

Жовтий/коричневий

Коричневий/жовтий

  1.  

Жовтий/сірий

Сірий/жовтий

  1.  

Фіолетовий/синій

Синій/фіолетовий

  1.  

Фіолетовий/жовтогарячий

Жовтогарячий/фіолетовий

  1.  

Фіолетовий/зелений

Зелений/фіолетовий

  1.  

Фіолетовий/коричневий

Коричневий/фіолетовий

  1.  

Фіолетовий/сірий

Сірий/фіолетовий

Таблиця 1.4. Колірне маркування 4-парного кабелю

№ пари

Колір: основний/смужки

Основний варіант (EIA/TIA 568A)

Альтернативний варіант

Прямий (Tip)

Зворотний (Ring)

Прямий (Tip)

Зворотний (Ring)

  1.  

Білий/зелений

Зелений

Білий

Синій

  1.  

Білий/жовтогарячий

Жовтогарячий

Чорний

Жовтий

  1.  

Білий/синій

Синій

Зелений

Червоний

  1.  

Білий/коричневий

Коричневий

Жовтогарячий

Коричневий

Дешеві кабелі найчастіше мають невиразне маркування – у парі з кожним кольоровим проводом йде просто білий, що ускладнює візуальний контроль правильності обтиску.

З’єднувальна апаратура забезпечує можливість підключення до кабелів, тобто надає кабельні інтерфейси. Для крученої пари мається різноманітний асортимент конекторів, призначених як для нероз’ємного, так і роз’ємного з’єднання проводів, кабелів і шнурів. З нероз’ємних конекторів поширені роз’єми типів S110, S66 і Krone, що є промисловими стандартами. Серед роз’ємних найбільш популярні стандартизовані модульні роз’єми (RJ-11, RJ-45 та ін.). Зустрічаються і конектори фірми IBM, уведені з мережами Token Ring, а також деякі специфічні не стандартизовані конектори. Багатопарні кабелі часто з’єднують 25-парними роз’ємами Telco (RJ-21). До з’єднувальної апаратури відносяться і різні адаптери, що дозволяють поєднувати різнотипні кабельні інтерфейси.

Модульні роз’єми Modular Jack (гнізда, розетки) і Modular Plug (вилки) є роз’ємами для 1-, 2-, 3-, 4-парних кабелів категорій 3 – 6. У кабельних системах застосовуються 8- і 6-позиційні роз’єми, більше відомі під назвами RJ-45 і RJ-11 відповідно. Уявлення про конструкції вилок розповсюджених видів роз’ємів надає рис. 1.10.

Рис. 1.10. Геометрія модульних розеток:

а – 6-позиційні, б – 8-позиційні, в – модифіковані (MMJ), г – із ключем

Коректне позначення для розетки, яка використовується для підключення мережної апаратури, має вигляд «Modular Jack 8P8C», для вилки – «Modular Plug 8Р8С», де 8Р указує на розмір (8-позиційний), а 8С – на число контактів (8). Для підключення телефонів використовують конфігурацію 6Р4С (6 позицій, 4 контакти). Зустрічаються й інші позначення, наприклад «Р-6-4» – вилка (plug) на 6 позицій і 4 контакти, «PS-8-8» – вилка екранована (plug shielded) на 8 позицій і 8 контактів. 6-позиційні вилки можуть бути вставлені й у 8-позиційні розетки, але не навпаки. Крім звичайних симетричних роз’ємів (рис. 3.16, а і б), зустрічаються модифіковані (рис. 1.10, в) MMJ (Modified Modular Jack) і з ключем (keyed, рис. 1.10, г). У деяких випадках застосовують і 10-позиційні 10-контактні роз’єми.

Призначення контактів модульних роз’ємів, які застосовуються у телекомунікаціях, стандартизоване, розповсюджені варіанти наведені на рис. 1.11. Наведені розкладки розрізняються положенням пар проводів, кольори пар проводів повинні відповідати стандартній послідовності EIA/TIA 568A: біло-зелений – зелений – біло-жовтий – синій – біло-синій – жовтий – біло-коричневий – коричневий (табл. 1.5).

Рис. 1.11. Розкладка проводів для модульних роз’ємів 10Base-T (100BaseTX)

Модульні вилки різних категорій зовні можуть майже не відрізнятися одна від одної, але мати різну конструкцію (рис. 1.12). Вилки для категорії 5 можуть мати сепаратор, який надягається на проводи до зборки й обтиску, що дозволяє скоротити довжину розплетеної частини кабелю і полегшити розкладку проводів. Проте сепаратор – не обов’язковий атрибут вилок високих категорій. Контакти при установці (обтиску) врізаються в проводи крізь ізоляцію.

Вилки для одножильного і багатожильного кабелю розрізняються формою контактів. Голчасті контакти (рис. 1.12, г) використовуються для багатожильного кабелю, голки встромляються між жилами проводів, забезпечуючи надійне з’єднання. Для одножильного кабелю використовуються контакти, які обтискують жилу з двох боків (рис. 1.12, д). Ряд фірм випускає й універсальні вилки, що надійно з’єднуються з будь-яким кабелем відповідного типу. Застосування типів вилок, які не відповідають кабелю, чревате великим відсотком браку і недовговічністю з’єднання. Під час обтиску вдавлюється і виступ 3, що фіксує кабель (ту частину, що ще в панчосі). Фіксатор 2 служить для фіксації вилки в розетці.

Досить бажаний аксесуар вилки – гумовий ковпачок, що надягається позаду для пом’якшення навантаження на кабель у місці його виходу з вилки. Більш дорогі ковпачки мають виступ, що захищає фіксатор, і обтічну форму. Такі ковпачки корисні для комутаційних шнурів – вони дозволяють без ушкоджень витягати шнур з пучка «за хвіст» (вилка без ковпачків буде чіплятися своїми кутами і виступаючим фіксатором за інші проводи).

Рис. 1.12. Модульні вилки:

а – із сепаратором (розріз), б – без сепаратора (розріз), в – у зборі з ковпачком, г – контакт для багатожильного кабелю, д – для одножильного кабелю

Модульні вилки допускають тільки однократну установку. До установки контакти в них підняті над каналами для проводів, затиск для кабелю не продавлений. У такому положенні в розетки вони не входять. При установці контактів затиск для кабелю вдавлюється всередину. Вилки різних виробників розрізняються кількістю точок закріплення кабелю і зручністю установки. Для установки вилок існує спеціальний обтискний інструмент (crimping tool), без якого якісна обробка кабелю неможлива. Якісна і надійна установка вилок вимагає навичок, оскільки контроль якості цієї операції проблематичний, в особливо відповідальних випадках є сенс придбати фірмові шнури заводського виготовлення.

1.4.3. Коаксіальний кабель (coaxial cable)

Коаксіальний кабель (coaxial cable, або coax) усе ще залишається одним з можливих варіантів кабелю для горизонтальних підсистем, особливо у випадках, коли високий рівень електромагнітних перешкод не дозволяє використовувати кручену пару, або ж невеликі розміри мережі не створюють великих проблем з експлуатацією кабельної системи.

Товстий Ethernet має в порівнянні з тонким більшу пропускну спроможність, він більш стійкий до ушкоджень і передає дані на великі відстані, однак до нього складніше приєднатися і він менш гнучкий. З товстим Ethernet складніше працювати, і він мало підходить для горизонтальних підсистем. Однак його можна використовувати у вертикальній підсистемі як магістраль, якщо оптоволоконний кабель з якихось причин не підходить.

Тонкий Ethernet – це кабель, що повинен був вирішити проблеми, позв’язані з застосуванням товстого Ethernet. До появи стандарту 10Base-T тонкий Ethernet був основним кабелем для горизонтальних підсистем. Тонкий Ethernet простіше монтувати, ніж товстий. Мережі з тонкого Ethernet можна швидко зібрати тому, що комп’ютери з’єднуються один з одним безпосередньо.

Головний недолік тонкого Ethernet – складність його обслуговування. Кожен кінець кабелю повинен закінчуватися термінатором 50 Ом. При відсутності термінатора або втраті ним своїх робочих властивостей (наприклад, через відсутність контакту) перестає працювати весь сегмент мережі, підключений до цього кабелю. Аналогічні наслідки має погане з’єднання будь-якої робочої станції (яке здійснюється через Т-конектор). Несправності в мережах на тонкому Ethernet складно локалізувати. Часто доводиться від’єднувати Т-конектор від мережного адаптера, тестувати кабельний сегмент і потім послідовно повторювати цю процедуру для всіх приєднаних вузлів. Тому вартість експлуатації мережі на тонкому Ethernet звичайно значно перевищує вартість експлуатації аналогічної мережі на крученій парі, хоча капітальні витрати на кабельну систему для тонкого Ethernet звичайно нижче.

Коаксіальний кабель як середовище передачі даних використовується тільки в застарілих мережних технологіях Ethernet 10Base5, Ethernet 10Base2 і ARCnet. Крім того, він використовується в кабельному телебаченні (CATV) як антенний кабель.

Коаксіальний кабель має конструкцію, схематично представлену на рис. 1.13.

Електричними провідниками є центральна жила і екрануюча оплітка. Діаметр жили і внутрішній діаметр оплітки, а також діелектрична проникність ізоляції між ними визначають частотні властивості кабелю. Матеріал і переріз провідників з ізоляцією визначають втрати сигналу в кабелі та його імпеданс. В ідеальному випадку електричне і магнітне поля, що утворюються при проходженні сигналу, цілком залишаються всередині кабелю, так що коаксіальний кабель не створює електромагнітних перешкод. Також він малочутливий до зовнішніх перешкод (якщо він знаходиться в однорідному полі перешкод). На практиці, звичайно ж, коаксіальний кабель і випромінює, і приймає перешкоди, але у відносно невеликому ступені. Найкращий за властивостями коаксіальний кабель, який застосовується в телекомунікаціях, товстий жовтий кабель Ethernet має посріблену центральну жилу товщиною 2 мм і подвійний шар екрануючої оплітки. Коаксіальний кабель використовується тільки при асиметричній передачі сигналів, оскільки він сам принципово асиметричний.

Головний недолік коаксіального кабелю – обмежена пропускна спроможність: у локальних мережах це 10 Мбіт/с, яка досягнута у технології Ethernet 10Base-2 і 10Base-5. У залежності від застосування використовується коаксіальний кабель з різними значеннями імпедансу: 50 Ом – Ethernet, 75 Ом – передача радіо- і телевізійних сигналів, 93 Ом – у ЛКМ ARCnet.

Для з’єднання коаксіального кабелю застосовують коаксіальні конектори (рис. 1.14). Щоб не виникало луни на кінцях, кожен кабельний сегмент повинен закінчуватися термінатором – резистором, опір якого збігається з імпедансом кабелю. Термінатор може бути зовнішнім – підключатися до конектору на кінці кабелю, або внутрішнім – знаходитись усередині пристрою, що підключається цим кабелем. Для кожного коаксіального кабелю характерний свій набір аксесуарів і правил підключення (топологічних обмежень). Тут буде розглянуте застосування коаксіала тільки для технології Ethernet. Технологія ARCnet, що також використовує коаксіальний кабель, уже давно не розвивається і не підтримується стандартами СКС.

Рис. 1.14. Коаксіальні конектори:

а – вилка, б – I-конектор, в, г – термінатори, д – перехідник до BNC

Коаксіальні кабелі застосовуються в технологіях Ethernet 10Base-5 («товстий» кабель, класичний Ethernet) і 10Base-2 («тонкий» кабель, CheaperNet) зі швидкістю передачі 10 Мбіт/с. Ethernet для коаксіала допускає тільки шинну топологію, Т-подібні відгалуження для підключення абонентів неприпустимі. Кабельний сегмент (послідовність електрично-з’єднаних відрізків) повинен мати на кінцях 50-Омні зовнішні термінатори (2 шт.). Неправильний термінований сегмент (термінатори відсутні або їх опір не 50 Ом) є непрацездатним. До відмови всього сегмента призводить обрив або коротке замикання в будь-якій його частині (не зможуть зв’язатися абоненти, розташовані навіть з однієї сторони обриву). Кожен сегмент повинен заземлюватися в одній (і тільки одній!) точці. Кабелі компонуються коаксіальними вилками з обох боків. Для поєднання відрізків кабелю застосовують I-конектори (N і BNC, у залежності від типу кабелю).

Переважним кабелем для горизонтальної підсистеми є неекранована кручена пара категорії 5. Її позиції ще більш зміцняться з прийняттям специфікації 802.3аb для застосування на цьому виді кабелю технології Gigabit Ethernet.

На рис. 1.15 показані типові комутаційні елементи структурованої кабельної системи, які застосовані на поверсі при прокладці неекранованої крученої пари. Для скорочення кількості кабелів тут установлені 25-парний кабель і роз’єм для такого типу кабелю Telco, який має 50 контактів.

Кабель вертикальної (або магістральної) підсистеми, що з’єднує поверхи будинку, повинен передавати дані на великі відстані і з більшою швидкістю в порівнянні з кабелем горизонтальної підсистеми. У минулому основним видом кабелю для вертикальних підсистем був коаксіал. Тепер для цієї мети все частіше використовується оптоволоконний кабель.

Для вертикальної підсистеми вибір кабелю на даний час обмежується трьома варіантами:

Оптоволокно – відмінні характеристики пропускної спроможності, відстані і захисту даних, стійкість до електромагнітних перешкод. Може передавати голос, відео і дані. Порівняно дорогий та складний в обслуговуванні.

Товстий коаксіал – гарні характеристики пропускної спроможності, відстані і захисту даних, може передавати дані. Але з ним складно працювати.

Широкосмуговий кабель – використовується у кабельному телебаченні – гарні показники пропускної спроможності і відстані. Може передавати голос, відео і дані. Потрібні великі витрати під час експлуатації.

Рис. 1.15. Комутаційні елементи горизонтальної підсистеми

1.4.4. Оптоволоконний кабель

Основні області застосування оптоволоконного кабелю – вертикальна підсистема і підсистеми кампусів. Однак, якщо потрібен високий ступінь захищеності даних, висока пропускна спроможність або стійкість до електромагнітних перешкод, волоконно-оптичний кабель може використовуватися й у горизонтальних підсистемах. З волоконно-оптичним кабелем працюють протоколи AppleTalk, ArcNet, Ethernet, FDDI і Token Ring, l00VG-AnyLAN, Fast Ethernet, ATM.

Вартість установки мереж на оптоволоконному кабелі для горизонтальної підсистеми виявляється досить високою. Ця вартість складається з вартості мережних адаптерів і вартості монтажних робіт, що у випадку оптоволокна набагато вище, ніж при роботі з іншими видами кабелю.

Застосування волоконно-оптичного кабелю у вертикальній підсистемі має ряд переваг. Він передає дані на дуже великі відстані без необхідності регенерації сигналу. Він має осердя меншого діаметра, тому може бути прокладений у вужчих місцях. Оптоволоконний кабель нечутливий до електромагнітних і радіочастотних перешкод, на відміну від мідного коаксіального кабелю тому, що сигнали є світловими, а не електричними. Це робить оптоволоконний кабель ідеальним середовищем передачі даних для промислових мереж. Оптоволоконному кабелю не страшна блискавка, тому він підходить для зовнішньої прокладки. Він забезпечує більш високий ступінь захисту від несанкціонованого доступу тому, що відгалуження набагато легше знайти, ніж у випадку мідного кабелю (при відгалуженні різко зменшується інтенсивність світла).

Оптоволоконний кабель має і недоліки. Він дорожчий за мідний кабель, дорожче обходиться і його прокладка. Оптоволоконний кабель менш міцний, ніж коаксіальний. Інструменти, які використовуються при прокладці і тестуванні оптоволоконного кабелю, мають високу вартість і складні в роботі. Приєднання конекторів до оптоволоконного кабелю вимагає спеціального обладнання, великого мистецтва і часу, а отже, і грошей.

Для зменшення вартості побудови міжповерхової магістралі на оптоволоконні деякі компанії, наприклад AMP, пропонують кабельну систему з одним комутаційним центром. Звичайно, комутаційний центр є на кожному поверсі, а в будинку мається загальний комутаційний центр (рис. 1.7), який з’єднує між собою комутаційні центри поверхів. При такій традиційній схемі і використанні волоконно-оптичного кабелю між поверхами потрібно виконувати досить велике число оптоволоконних з’єднань в комутаційних центрах поверхів. Якщо ж комутаційний центр у будинку один, то всі оптичні кабелі розходяться з єдиної кросової шафи прямо до роз’ємів кінцевого устаткування – комутаторів, концентраторів або мережних адаптерів з оптоволоконними трансиверами.

Товстий коаксіальний кабель також можливо використовувати як магістраль мережі, однак для нових кабельних систем більш раціонально використовувати оптоволоконний кабель тому, що він має більший термін служби і зможе в майбутньому підтримувати високошвидкісні і мультимедійні прикладення. Але для вже існуючих систем товстий коаксіальний кабель служив магістраллю системи багато років, і з цим потрібно рахуватися.

Хоча товстий коаксіальний кабель і дешевше, ніж оптоволокно, але з ним набагато складніше працювати. Він особливо чутливий до різних рівнів напруги заземлення, що часто буває при переході від одного поверху до іншого. Цю проблему складно обійти, тому «кабелем номер один» для горизонтальної підсистеми сьогодні є волоконно-оптичний кабель.

Як і для вертикальних підсистем, оптоволоконний кабель є найкращим вибором для підсистем декількох будинків, розташованих у радіусі декількох кілометрів. Для цих підсистем також підходить товстий коаксіальний кабель.

При виборі кабелю для кампусу потрібно враховувати вплив середовища на кабель поза приміщенням. Для запобігання ураження блискавкою краще вибрати для зовнішньої проводки неметалевий оптоволоконний кабель. З багатьох причин зовнішній кабель виробляється в поліетиленовій захисній оболонці високої щільності. При підземній прокладці кабель повинен мати спеціальну вологозахисну оболонку (від дощу і підземної вологи), а також металевий захисний шар від гризунів і вандалів. Вологозахищений кабель має прошарок з інертного газу між діелектриком, екраном і зовнішньою оболонкою.

Висновки до розділу 1

Таким чином, виходячи з проведеного аналізу організації каналів передачі даних в комп’ютерних мережах можна зробити ряд висновків:

  •  у межах тієї або іншої архітектури КМ повинна забезпечуватись погоджена взаємодія різних її структур, тобто можлива множина фізичних структур у вигляді різнорідних каналів передачі даних, що впливають на властивості та можливості мережі;
  •  при передачі дискретних даних по каналах передачі даних застосовуються два основні типи фізичного кодування – на основі синусоїдального несучого сигналу і на основі послідовності прямокутних імпульсів. Перший спосіб часто називається також модуляцією або аналоговою модуляцією, підкреслюючи той факт, що кодування здійснюється за рахунок зміни параметрів аналогового сигналу. Другий спосіб звичайно називають цифровим кодуванням. Ці способи відрізняються шириною спектру результуючого сигналу і складністю апаратури, необхідної для їх реалізації;
  •  канали передачі даних у КМ діляться на аналогові і цифрові залежно від того, якого типу комутаційна апаратура застосована для постійної комутації абонентів – з частотним розділенням каналів (Frequency Division Multiplexing – FDM) або часовим розділенням каналів (Time Division Multiplexing – TDM);
  •  використання структурованої кабельної системи дає багато переваг: універсальність, збільшення терміну служби, зменшення вартості добавлення нових користувачів і зміни місць їх розташування, можливість легкого розширення мережі, забезпечення ефективнішого обслуговування, надійність;
  •  при виборі типу кабелю приймають до уваги такі характеристики: пропускна спроможність, відстань, фізична захищеність, електромагнітна перешкодозахищеність, вартість;
  •  найбільш поширеними є такі типи кабелю: кручена пара (екранована і неекранована), коаксіальний кабель, оптоволоконний кабель (одно- і багатомодовий);
  •  для горизонтальної підсистеми найбільш прийнятним варіантом є неекранована кручена пара, для вертикальної підсистеми і підсистеми кампусу – оптоволоконний кабель або коаксіал.

Тому для детального вивчення особливостей кожного типу каналу передачі даних розглянемо математичну сутність характеристик передачі даних.


РОЗДІЛ 2. МАТЕМАТИЧНА СУТНІСТЬ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕРЕДАЧІ ДАНИХ

2.1. Імовірнісні характеристики передачі даних

Однією з найважливіших характеристик обміну інформацією в комп'ютерних мережах є ймовірність передачі даних [11-14]. Під імовірністю (інформаційною надійністю) передачі даних розуміється ступінь відповідності прийнятих повідомлень переданим. Імовірність залежить від параметрів самої мережі, ступеня її технічної досконалості й умов роботи. Останні ж визначаються типом і станом каналів зв'язку, метеорологічними показниками, видом та інтенсивністю перешкод, а також організаційними заходами щодо дотримання правил радіообміну й експлуатації апаратури. Кількісно ймовірність передачі може оцінюватися:

  •  ймовірністю помилкового прийому біта (утратою ймовірності):

де nпом і nзаг – кількість помилково прийнятих і загальне число переданих біт відповідно;

  •  ймовірністю помилкового прийому пакета даних:

де Nпом і Nзаг, – кількість помилково прийнятих і загальне число переданих кодових послідовностей (пакетів) відповідно.

Наведені ймовірності помилкового прийому біта Р0 та помилкового прийому пакета даних Рпом пов’язані з ймовірностями правильного прийому біта Р0пр та правильного прийому пакета даних Рпрп, причому, очевидно:

Зауважимо, що імовірності помилкового і правильного прийому біта (Р0 і Р0пр) фактично є характеристиками дискретного каналу зв'язку, імовірності ж помилкового прийому пакета даних Рпом і правильного прийому пакета Рпрп є характеристиками комп'ютерної мережі у цілому, тому що вони визначаються не тільки характером і інтенсивністю перешкод у каналі зв'язку, видом і швидкістю модуляції, але і способом захисту від помилок у системі.

На практиці кількість дослідів, як правило, обмежена. Тому можливо лише з певною точністю оцінити значення імовірності помилки біта Р0 та помилкового прийому пакета даних Рпом. Оцінка імовірності події, яка отримана в результаті статистичного експерименту, називається її частотою.

RATE або BER (Bit Error Rate – частота бітових помилок, коефіцієнт помилок на біт) – основний параметр комп'ютерної мережі, який дорівнює відношенню кількості бітових помилок до загальної кількості біт, переданих за час проведення тесту по каналу передачі даних, який знаходиться у стані готовності.

BLER або PER (Block Error Rate – частота блокових помилок або Packet Error Rate – частота помилкових пакетів, коефіцієнт помилок на пакет) – параметр комп'ютерної мережі, який дорівнює відношенню кількості помилкових пакетів до загальної кількості пакетів. Помилковим вважається пакет, який містить хоч би одну помилку.

Таким чином, параметри BER та PER, якими користуються на практиці, є приблизними оцінками ймовірностей помилкового прийому біта Р0 та помилкового прийому пакета Рпом.

Відповідно до інтегральної граничної теореми Муавра-Лапласа частота помилки біта BER відхилиться від імовірності помилки біта Р0 не більш, ніж на величину довірчого інтервалу ε з довірчою імовірністю Рдов:

де Рдов – довірча імовірність;

BER – частота помилки біта;

Р0 – імовірність помилки біта;

ε – величина довірчого інтервалу;

Φ(x) – функція Лапласа;

nзаг – загальна кількість переданих біт.

При фіксованих значеннях nзаг і ε величина x є функцією від Р0. Причому найменше значення x буде приймати в точці Р0 = 0,5. Тоді для того, щоб знайти число біт nзаг, необхідне для оцінки якості каналу передачі даних з довірчою імовірністю і довірчим інтервалом ε при будь-якому Р0, підставимо значення Р0 = 0,5 у формулу для обчислення x:

Тоді частота помилки біта:

з довірчою імовірністю:

при будь-яких значеннях P0.

Число біт nзаг, можна знайти, обчисливши для заданого значення Рдов відповідне йому значення x, задати ε, а потім обчислити:

Наприклад, при Рдов = 0,95 і ε = 0,001, Φ(x) = 0,475, x = 1,96. Число біт, необхідне для отримання значення частоти помилки біта BER дорівнює nзаг = 960400.

Отримати значення імовірності помилки пакета даних Рпом можливо як шляхом підрахунку кількості помилкових пакетів в послідовності пакетів, що передається, так і за допомогою аналітичних виразів. Для цього треба скористуватися математичною моделлю каналу передачі даних.

Найбільш простою моделлю каналу передачі даних є модель, заснована на припущенні, що помилки в каналі рівно імовірні й взаємонезалежні. Така модель каналу одержала назву дискретного симетричного каналу (ДСК). Граф станів ДСК приведений на рис. 2.1. З малюнка видно, що в ДСК імовірність переходу логічної одиниці на вході каналу в нуль на виході каналу дорівнює імовірності переходу логічного нуля в одиницю, тобто:

Рис. 2.1. Граф станів ДСК

Для ДСК легко обчислюється імовірність одержання будь-якої послідовності на виході каналу при заданій послідовності на вході і відомій імовірності помилки біта Р0, тому що випадкова величина числа помилок E = {0, 1, 2,…m,…,n} у послідовності з n біт належить біноміальному закону розподілу. Як відомо, імовірність певного числа помилок визначається за формулою:

де  – число сполучень з n по m:

Імовірність правильного прийому пакета даних Рпрп (відсутності помилок) у послідовності з n біт дорівнює:

2.2. Часові характеристики передачі даних

Оперативність процесу обміну інформацією – це спроможність системи передачі даних здійснити доставку інформації від відправника до отримувача за час, що не перевищує припустимий. Оперативність характеризується часом доставки інформації.

Час доставки інформації – інтервал часу від початку надходження повідомлення даних на вхід передавальної частини обчислювальної мережі до початку його видачі одержувачу даних приймальною частиною. Час доставки tд характеризує здатність обчислювальної мережі вчасно доставляти інформацію.

Час доставки повідомлення в задану адресу tд залежить від багатьох факторів: структури каналів, надійності і завантаження мережі, методу комутації, наявності і характеру заважаючих впливів, що приводять до помилок і повторних передач. Воно є випадковою величиною, яка характеризується щільністю розподілу f(tд).

Для мереж, у яких не використовується повторна передача, час доставки пакета tд дорівнює (рис. 2.2):

де tп – час передачі пакета по каналу,

tз – час затримки поширення сигналу по каналу.

Час передачі пакета по каналу дорівнює:

де n – довжина пакета, біт,

С – пропускна здатність каналу, біт/с.

Рис. 2.2. Часова діаграма передачі пакету по каналу

Час затримки поширення сигналу по каналу дорівнює:

де L – довжина каналу зв'язку, м;

Vр – швидкість поширення сигналу в середовищі, м/с.

Тоді час доставки пакета дорівнює:

2.3. Методи підвищення достовірності передачі даних

Для підвищення імовірності при передачі пакетів по каналу передачі даних застосовуються різні методи (рис. 2.3). Найбільш розповсюдженим методом є застосування циклічних кодів, причому, як правило, вони використовуються в режимі виявлення помилок. Будь-які перешкодостійкі коди мають обмежену виявляючу спроможність, тому можливі випадки невиявлення помилок, що виникли при передачі пакету по каналу. Циклічні коди дозволяють виявляти всі комбінації помилок кратності до r включно, а також всіх більш довгих комбінацій помилок:

,

де r – ступінь породжуючого полінома циклічного коду.

Класифікація методів підвищення імовірності при передачі пакетів по каналах виглядає наступним чином.

Рис. 2.3. Класифікація методів підвищення імовірності передачі даних

При використанні циклічних кодів у режимі виявлення помилок можливі такі стани та варіанти переходів з початкового стану (рис. 2.4):

S0 – початок передачі пакета;

S1 – пакет переданий без помилок;

S2 – пакет переданий з помилкою, яка виявлена перешкодостійким кодом на прийомному боці;

S3 – пакет переданий з помилкою, яка не виявлена перешкодостійким кодом на прийомному боці.

Рис. 2.4. Граф станів системи з виявленням помилок при однократній передачі пакета

Стан S0 відповідає передачі пакета в канал. Після одержання пакета вузлом-отримувачем відбувається перевірка правильності передачі і при відсутності помилок (стан S1) приймається рішення про правильність отриманого пакета. Цьому відповідає імовірність Pпрп. При наявності помилки хоча б в одному біті пакета помилка може бути виявлена і пакет бракується (стан S2). Цьому відповідає імовірність виявлення помилки Pвп. Якщо ж помилка не виявляється, приймається рішення про правильність отриманого перекрученого пакета (стан S3). Цьому відповідає імовірність Pнп. Очевидно, що події S1, S2, S3 складають повну групу подій, тобто:

Pпрп + Pвп + Pнп = 1.

При використанні циклічних кодів у режимі виявлення помилок імовірність виявлення помилки дорівнює імовірності того, що відбудеться будь-яка можлива комбінація помилок кратністю від 1 до r плюс імовірність того, що відбудеться будь-яка можлива комбінація помилок кратністю від r до n з ваговим коефіцієнтом K, тобто:

де n – довжина пакета, біт;

r – ступінь породжуючого полінома;

Cin – число сполучень з n по i.

Імовірність невиявлення помилки:

Можливе використання циклічних кодів також в режимі виправлення помилок. У цьому випадку циклічні коди дозволяють виправляти всі комбінації помилок кратності до t включно, де t – виправляюча спроможність коду. При використанні циклічних кодів у режимі виправлення помилок можливі такі варіанти (рис. 2.5):

S0 – початок передачі пакета;

S1 – пакет переданий без помилок;

S2 – пакет переданий з помилкою, яка виправлена циклічним кодом на прийомному боці;

S3 – пакет переданий з помилкою, яка не виправлена (або виправлена невірно) циклічним кодом на прийомному боці.

Рис. 2.5. Граф станів системи з виправленням помилок при однократній передачі пакета

Стан S0 відповідає передачі пакета в канал. Після одержання пакета вузлом-отримувачем відбувається перевірка правильності передачі і при відсутності помилок (стан S1) приймається рішення про правильність отриманого пакета. Цьому відповідає імовірність Pпрп. При наявності помилки вона може бути виправлена циклічним кодом (стан S2). Цьому відповідає імовірність виправлення помилки Pвипр. Помилка також може бути не виправлена, але при цьому приймається рішення про правильність перекрученого пакета (стан S3). Цьому відповідає імовірність Pневипр. Очевидно, що події S1, S2, S3 складають повну групу подій, тобто:

Pпрп + Pвипр + Pневипр = 1.

Імовірність виправлення помилки дорівнює імовірності того, що відбудеться будь-яка можлива комбінація помилок від 1 до t, де t – кратність помилок, які виправляються:

де t – виправляюча спроможність коду;

n – довжина пакета, бітів;

Cin число сполучень з n по i.

Імовірність не виправлення помилки:

Імовірність правильної доставки пакета в даному випадку дорівнює:

На практиці найчастіше застосовується метод з вирішальним зворотним зв’язком і безупинною передачею пакетів «Повернення-на-N». У якості прикладу розглянемо процес функціонування комп’ютерної мережі, що працює на основі протоколу Х.25. Тут і далі блок переданих даних називається кадром, тому що функції контролю правильності доставки і відновлення перекручених даних покладаються на канальний рівень стека протоколів X.25, у термінології якого пакети мережного (відповідно до моделі OSI) рівня інкапсулюються в кадри канального рівня.

У протоколі Функції канального рівня в стеці протоколів Х.25 виконує протокол LAP-B (Link Access Procedure Balanced – збалансована процедура доступу до каналу), який є підмножиною множини протоколів HDLC. До складу HDLC входять також протокол LLC, застосований у всіх протоколах локальних мереж, протокол LAP-M, застосований у модемах, протокол LAP-D, застосований у мережах ISDN та інші (рис. 2.6). LAP-B існують кадри трьох типів: інформаційний (I), супервізорний (S) і ненумерований (U). Формат I-кадру протоколу LAP-B наведено на рис. 2.7. Формат S- і U-кадрів відрізняється від нього тільки відсутністю поля даних і має довжину 4 чи 5 байтів без урахування прапорців у залежності від режиму нумерації кадрів (нормальний і розширений відповідно).

Стандартні довжини I-кадрів протоколу LAP-B без урахування прапорців наведені в табл. 2.1.

Протокол LAP-B використовує для формування контрольних розрядів породжуючий поліном циклічного коду CRC-16, що визначений рекомендацією МККТТ V.41 і має вигляд x16 + x12 + x5 + 1.

Таблиця 2.1. Стандартні довжини I-кадрів протоколу LAP-B

№ з/п

Довжина пакета даних (інкапсульованого пакета мережного рівня) L

Режими нумерації кадрів

нормальний

(за модулем 8)

розширений

(за модулем 128)

байт

біт

байт

біт

байт

біт

1

16

128

20

160

21

168

2

32

256

36

288

37

296

3

64

512

68

544

69

552

4

128

1024

132

1056

133

1064

5

256

2048

260

2080

261

2088

6

512

4096

516

4128

517

4136

7

1024

8192

1028

8224

1029

8232

8

2048

16384

2052

16416

2053

16424

9

4096

32768

4100

32800

4101

32808

У протоколі LAP-B застосована схема з вирішуючим зворотним зв’язком і безперервною передачею кадрів «Повернення-на-N» («Go-Back-N» – GBN) (рис. 2.8).

Розмір вікна W вибирається в діапазоні від 1 до 7 у нормальному режимі нумерації кадрів і від 1 до 127 у розширеному. При цьому величина W може адоптивно мінятися в залежності від завантаженості каналу передачі даних. На рис. 8 W = 3. Відправник починає передавати I-кадри з номерами від 0 до W-1 включно, не очікуючи одержання підтвердження. Якщо всі W I-кадрів отримані отримувачем без перекручувань, то він посилає відправнику підтвердження з номером наступного очікуваного I-кадру (3+). Відправник після одержання підтвердження починає передачу наступних W І-кадрів.

Отримувач, знайшовши помилку в одному з I-кадрів (4), посилає відправнику перезапит з номером перекрученого I-кадру й ігнорує всі наступні I-кадри, крім повторної посилки очікуваного I-кадру. Одержавши перезапит, відправник перериває передачу поточного I-кадру і повторно здійснює передачу W I-кадрів, починаючи з перезапитуваного (4, 5, 6). При цьому всі непідтверджені I-кадри з номерами, менше перезапитуваного (1, 2, 3), вважаються неявно підтвердженими.

Для запобігання помилок внаслідок перекручування підтверджень і перезапитів використовується механізм тайм-аутів. Починаючи передачу чергової послідовності з W I-кадрів, відправник включає таймер, установлений на величину Т, визначену адміністратором при настроюванні мережі. Якщо після закінчення часу Т не отримане підтвердження чи перезапит, усі W I-кадрів передаються повторно.

За допомогою наведених аналітичних виразів розраховуються імовірнісні характеристики обміну інформацією в комп’ютерних мережах з вирішуючим зворотним зв’язком.

Висновки до розділу 2

Таким чином, метою процесу обміну інформацією є доставка інформації від відправника до отримувача за припустимий час із заданою імовірністю. В якості показників ефективності виступають дві основні характеристики: імовірність і оперативність.

Імовірність правильного прийому пакета даних Рпрп у послідовності з n біт дорівнює:

Час доставки пакета дорівнює:

Для підвищення імовірності при передачі пакетів по каналу передачі даних застосовуються різні методи, найчастіше з яких застосовується метод з вирішальним зворотним зв’язком і безупинною передачею пакетів «Повернення-на-N». Метод «Повернення-на-N» реалізований у всіх протоколах канального рівня сімейства HDLC, до складу якого входять протокол LLC, застосований у всіх протоколах локальних мереж, протокол LAP-M (V.42), застосований у модемах, протокол LAP-B, застосований у мережах Х.25, протокол LAP-D, застосований у мережах ISDN та інші.


РОЗДІЛ 3. МОДЕЛЮВАННЯ ГЕТЕРОГЕННОЇ КОМП’ЮТЕРНОЇ МЕРЕЖІ З РІЗНОРІДНИМИ КАНАЛАМИ ПЕРЕДАЧІ ДАНИХ

Виходячи з поставлених завдань щодо дослідження характеристик каналів передачі даних промоделюємо процеси обміну даних в каналах зв’язку різної фізичної природи. Це зручно зробити на прикладі гетерогенної комп'ютерної мережі. Саме така мережа спроектована, створена і функціонує на підприємстві. Для такої мережі використаємо спеціальне програмне забезпечення проектування і моделювання гетерогенних комп'ютерних мереж (ГКМ) NetCracker Professional версії 4.0.

3.1. Програмний пакет проектування і моделювання гетерогенних комп'ютерних мереж NetCracker Professional

Призначення системи: автоматизоване проектування і моделювання локальних і корпоративних комп'ютерних мереж з метою мінімізації витрат часу і засобів на розробку та верифікацію проектів.

Функції: створення проекту мережі; анімаційне моделювання мережі; моделювання трафіку мережі і збір статистики; створення багаторівневих мережевих проектів; вибір оптимальних компонентів мережі; використання бази даних мережевих компонентів; інтерактивне проектування мережі.

Система є CASE-засобом автоматизованого проектування, моделювання і аналізу комп'ютерних мереж з метою мінімізації витрат на розробку мереж і підготовку проектної документації. Дозволяє провести експерименти, результати яких можуть бути використані для обґрунтування вибору типу мережі, середовищ передачі, мережевих компонент устаткування і програмно-математичного забезпечення. Програмні засоби NetCracker дозволяють виконати збір відповідних даних про існуючу мережу без зупинення її роботи, створити проект цієї мережі і виконати необхідні експерименти для визначення граничних характеристик, можливості розширення, зміни топології і модифікації мережевого устаткування з метою подальшого її вдосконалення і розвитку.

За допомогою NetCracker можна проектувати комп'ютерні мережі різного масштабу і призначення: від локальних мереж, що налічують декілька десятків комп'ютерів, до міждержавних глобальних мереж, побудованих з використанням супутникового зв'язку.

У складі програмного забезпечення NetCracker є могутня база даних мережевих пристроїв провідних виробників: робочих станцій, серверів, середовищ передачі, мережевих адаптерів, повторювачів, мостів, комутаторів, маршрутизаторів, використовуваних для різних типів мереж і мережевих технологій.

У випадку, якщо розробника мережі не задовольняють запропоновані варіанти устаткування, за допомогою NetCracker можна самому створювати нові пристрої на базі аналогів або ж унікальні з абсолютно новими характеристиками.

NetCracker дозволяє розробляти багаторівневі проекти із заданим проектувальником ступенем деталізації; при цьому є достатньо зручний інтерфейс і засоби швидкого перегляду всіх рівнів проекту.

Для реалізацій функцій імітаційного моделювання у складі NetCracker передбачені засоби завдання характеристик трафіків різних протоколів; засоби візуального контролю заданих параметрів; засоби накопичення статистичної інформації і формування звітної документації про проведені експерименти.

Таким чином, NetCracker – інструмент моделювання, який дозволяє провести моделювання мережі в динаміці, з використанням інтелектуальної анімації. Даний інструмент надає базу даних з тисячами мережевих пристроїв, break/restore функції, автоматичну перевірку з'єднань, і графічний інтерфейс (drag-and-drop), що дозволяє легко проектувати мережі. Після проектування мережі, можна легко перевіряти її роботу, використовуючи NetCracker simulation engine і статистичні дані. Одна з багатьох особливостей NetCracker – це Device Factory Wizard, що дає вам можливість визначення нових мережевих пристроїв і приєднання їх до ваших проектів. Використовуючи NetCracker, можна перепланувати мережу – в результаті отримуючи значне зменшення мережі, часу простою і збільшення швидкості роботи. Вікно програми показане на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Вікно програмного пакету NetCracker

3.2. Моделювання процесів обміну даними в гетерогенної комп'ютерної мережі

Використання можливостей NetCracker для моделювання процесів обміну даними проілюструємо на прикладі. В якості прикладу розглянемо комп'ютерну мережу підприємства, яке організаційно складається з 10 відділів, розташованих на двох поверхах будівлі (рис. 3.2), і експлуатує комп’ютерну мережу. Опишемо її більш детально.

Комп'ютерна мережа головного корпусу організації включає більше 500 комп'ютерів, і організована за технологією Fast Ethernet, по специфікаціях Fast Ethernet 100 Base–FX (на оптоволокні) – між комутаторами, Fast Ethernet 100 Base–TX (на витій парі) і – Ethernet 10 Base–5 (на коаксіальному кабелі) між кінцевими хостами мережі.

Рис. 3.2. Розташування мережі в головному корпусі в пакеті NetCracker

У апаратній головного корпусу розташовані головні мережеві вузли і лінії зв'язку, які з’єднують її з іншими корпусами (рис. 3.3). До складу мережевих засобів входить маршрутизатор Cisco 2821, який з’єднує мережу через модем з міськими лініями зв'язку і комутатор Cisco Catalyst 3560G-48TS, який з’єднує всі комутатори відділів головного корпусу оптоволоконними лініями зв'язку на основі технології Fast Ethernet специфікації 100 Base–FX.

Рис. 3.3. Склад мережевих засобів апаратної головного корпусу

На першому поверсі головного корпусу розташовані серверна, IT-відділ і комп'ютерні класи (рис. 3.4). На другому поверсі – відділ планування, лабораторія, бухгалтерія і відділ маркетингу (рис. 3.5).

Рис. 3.4. Розташування мережі першого поверху в головному корпусі

Рис. 3.5. Розташування мережі другого поверху в головному корпусі

До складу мережевих засобів «серверної» входять комутатор 2950SX-48-S4 і 8 серверів на основі станції HP Proliant DL380 G5 Server (458562-421) (рис. 3.6). На кожен вид сервера з метою моделювання трафіку мережі встановлене відповідне ПЗ (рис. 3.7).

Рис. 3.6. Склад технічних засобів «серверної» головного корпусу

Рис. 3.7. Склад технічних засобів «серверної» головного корпусу

IT-відділ включає 10 робочих станцій за технологією Fast Ethernet 100 Base-TX (на витій парі), комутатор Catalyst 2950SX-48(24)-Sl і принтер (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Склад технічних засобів IT-відділу головного корпусу

До складу технічних засобів решти відділів входять комутатор Catalyst 2950SX-48(24)-Sl, принтер і робочі станції HP DC5800 MT/AK819AW по кількості згідно завдання (рис. 3.8). Локальні мережі кожного відділу організовані за технологією Ethernet 10 Base–5 (на коаксіальному кабелі) і ідентичні між собою.

З метою економії часу на проектування моделі загальна кількість кінцевих хостів з однаковими параметрами функціонування в програмному пакеті NetCracker можна представити у вигляді одного об'єкту – робочої групи (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Склад технічних засобів на прикладі комп'ютерного класу

З метою перевірки працездатності проекту мережі промоделюємо в програмному пакеті NetCracker функціонування мережі шляхом установки трафіку і перевірки завантаженості каналів зв'язку і мережевих вузлів.

Для перевірки завантаженості максимально призначимо трафік між різними хостами і відділами (рис. 3.10).

Рис. 3.10. Tрафик між різними хостами і відділами

Рис. 3.11. Приклад завантаженості сегменту мережі в IT-відділі

Висновки до розділу 3

Детальний аналіз фізичної сутності та порядку використання каналів передачі даних в гетерогенних комп’ютерних мережах дозволив зробити ряд висновків:

  •  використання каналів передачі даних при побудові гетерогенних комп’ютерних мережах відбувається в основному в рамках структурованої кабельної системи;
  •  типова ієрархічна структура структурованої кабельної системи включає: горизонтальні підсистеми; вертикальні підсистеми; підсистему кампусу.

Крім того, результати аналізу побудованої моделі комп'ютерної мережі за допомогою програмного пакету проектування і моделювання гетерогенних комп'ютерних мереж NetCracker Professional дозволили зробити висновок, про те, що вибрані технології і фізичне середовище каналів передачі даних в мережі дозволяють функціонувати даній ГКМ в повному об'ємі покладених на неї функцій по обміну інформацією між хостами мережі.

Але, з метою точного розрахунку інформаційних характеристик каналів передачі даних, які були використані в запропонованій ГКМ, проведемо їх розрахунок за допомогою спеціалізованого програмного забезпечення MathCAD.


РОЗДІЛ 4. ДОСЛІДЖЕННЯ ХАРАКТЕРИСТИК КАНАЛІВ ПЕРЕДАЧІ ДАНИХ НА ОСНОВІ ЇХ РОЗРАХУНКІВ

4.1. Спеціалізоване програмне забезпечення MathCAD

MathCAD – популярна система комп'ютерної математики, призначена для автоматизації вирішення масових математичних задач в самих різних галузях науки, техніки і освіти. Назва системи походить від двох слів – MATHematica (математика) і CAD (Computer Aided Design – системи автоматичного проектування, або САПР). Отже цілком правомірно вважати MathCAD за математичних САПР.

Сьогодні різні версії MathCAD є математично орієнтованими універсальними системами. Окрім власне обчислень, як чисельних, так і аналітичних, вони дозволяють з блиском вирішувати складні оформлювальні задачі, які насилу даються популярним текстовим редакторам або електронним таблицям. За допомогою MathCAD можна, наприклад, готувати статті, книги, дисертації, наукові звіти, дипломні і курсові проекти не тільки з якісними текстами, але і з легко здійснюваним набором найскладніших математичних формул, вишуканим графічним представленням результатів обчислень і численними «живими» прикладами. А застосування бібліотек і пакетів розширення забезпечує професійну орієнтацію MathCAD на будь-яку галузь науки, техніки і освіти.

До важливих достоїнств MathCAD відносяться також налаштування під будь-який відомий тип друкуючих пристроїв, багатий набір шрифтів, можливість використання всіх інструментів Windows, прекрасна графіка і сучасний багатовіконний інтерфейс. У версії MathCAD включені ефективні засоби оформлення документів в кольорі, можливість створення анімованих (рухомих) графіків і звукового супроводу. Тут же текстовий, формульний і графічний редактори, об'єднані з могутнім обчислювальним потенціалом. Передбачена і можливість об'єднання з іншими математичними і графічними системами для вирішення особливо складних завдань. Звідси і назва таких систем – інтегровані системи.

Система MathCAD надає собою могутній, зручний і наочний засіб опису алгоритмів вирішення математичних задач. Система MathCAD настільки гнучка і універсальна, що може надати неоціниму допомогу у вирішенні математичних задач як школяру, що осягає ази математики, так і академікові, що працює з складними науковими проблемами.

Система має достатні можливості для виконання найбільш масових символьних (аналітичних) обчислень і перетворень.

MathCAD привносить інновації і пропонує значні переваги в підвищенні продуктивності праці як для окремих інженерів, так і робочих процесів для розробки виробів і інженерних об'єктів. На відміну від спеціальних розрахункових систем і електронних таблиць, MathCAD дозволяє інженерам проектувати і документувати інженерні обчислення одночасно зі всеосяжною функціональністю прикладної математики з динамічними обчисленнями, що враховують одиниці вимірювання.

Як інтегрована система MathCAD містить наступні основні компоненти:

1. Редактор документів – редактор з можливістю вставки математичних виразів, шаблонів графіків і текстових коментарів;

2. MathConnex – системний інтегратор, що забезпечує інтеграцію MathCAD з рядом інших програмних продуктів;

3. Центр ресурсів – система управління ресурсами системи;

4. Електронні книги – електронні книги з описом типових розрахунків в  різних галузях науки і техніки;

5. Довідкова система – система для отримання довідкових даних по тематичному і індексному каталогу, а також для пошуку потрібних даних по ключовому слову або фразі;

6. Швидкі шпаргалки QuickSheets – короткі приклади з мінімальними коментарями, що описують застосування всіх вбудованих операторів і функцій системи;

7. Броузер Інтернету – власний засіб виходу в Інтернет.

Системи реалізують типові і вельми обширні можливості Windows, включаючи доступність безлічі шрифтів, роботу зі всіма типами принтерів, одночасне виконання декількох різнохарактерних завдань і реалізацію технології обміну об'єктами OLE2. У режимі редагування можлива одночасна робота з рядом документів і перенесення об'єктів з одного вікна в інше.

Передбачений також імпорт будь-яких графічних зображень — від простих і спеціальних графіків функцій до багатобарвних репродукцій художніх творів. Введені засоби анімації малюнків і відтворення відеофайлів із звуковим стереофонічним супроводом. Це разом з покращуваною візуалізацією складних розрахунків дозволяє користувачеві готувати електронні статті і книги високої якості. Починаючи з версії MathCAD 8.0, була передбачена спрощена побудова двовимірних графіків і обертання тривимірних графіків мишею.

Особливий інтерес представляють вбудовуванні в систему електронні книги, що містять довідки і приклади застосувань системи по ряду розділів математики, механіки, фізики, електротехніки і радіотехніки, а також по інтерфейсу системи. Довідки містять математичні формули і ілюстрації.

Можна виділити потрібну довідку (формулу або малюнок) і перенести її в текст документа. Бібліотеки і пакети розширень системи MathCAD – ще один щонайпотужніший засіб розширення можливостей системи і її професійної орієнтації на вирішення завдань в різних наочних областях. Особливо треба відзначити системний інтегратор MathConnex. По суті, це окреме застосування, що забезпечує використання у складі одного документа блоків з різних систем, наприклад MathCAD, Excel, MATLAB і ін. Інтеграції різних математичних і графічних систем, поза сумнівом, належить майбутнє комп'ютерної математики, і MathConnex – хороший початок цьому.

Таким чином можна виділити такі переваги MathCAD:

  •  Легкий в навчанні і використанні – не вимагається спеціальних знань програмування.
  •  Підвищує продуктивність, економлячи час проектування і скорочуючи помилки.
  •  Покращує перевірку і оцінку критичних розрахунків.
  •  Сприяє впровадженню якнайкращих методик розрахунків і повторному використанню розрахункових методик, знань і даних.
  •  Надає можливість повного оформлення результатів розрахунків відповідно до нормативних вимог.
  •  Гнучкість у вибиранні засобів обчислення.
  •  Сотні вбудованих функцій, додаткові бібліотеки і пакети розширення.
  •  Повна математична функціональність.
  •  Динамічні обчислення, що враховують одиниці вимірювання.
  •  Інтегровані стандартні математичні позначення, тексти і графіки.
  •  Весь зміст розрахунку може бути представлене на єдиному робочому листі.
  •  Легко використовувана система допомоги.

4.2. Параметри розрахунку характеристик передачі даних

Як було раніше відзначено, серед основних характеристик каналів передачі даних виділяють імовірнісні та часові характеристики.

Найбільш важливими імовірнісними характеристиками каналів передачі даних слід вважати: імовірність правильного прийому пакета даних, імовірність правильної доставки пакета даних. Проте слід зазначити, що наведені характеристики залежать від багатьох факторів та чинників, серед яких найбільш цікавими є:

  •  залежність імовірності правильного прийому пакета даних Рпрп(Р0) від імовірності помилки біта Р0 при фіксованій кількості біт
  •  залежність імовірності правильного прийому пакета даних Рпрп(n) від кількості біт при фіксованому значенні імовірності помилки біта Р0;
  •  залежність імовірності правильного прийому пакета даних Рпрп(Р0) для систем з виправленням помилок циклічним кодом при фіксованому значенні кількості біт.

Найбільш важливими часовими характеристиками каналів передачі даних слід вважати залежності часу доставки пакета та його математичного очікування від цілої низки параметрів: довжини каналу зв'язку, довжини пакету, пропускної здатності каналу, імовірності помилок. Найбільш важливими та цікавими є такі залежності:

  •  залежність часу доставки пакета від довжини каналу зв'язку при фіксованих значеннях кількості бітів;
  •  залежність часу доставки пакета від довжини пакету при фіксованих значеннях довжини каналу та пропускної здатності;
  •  залежність часу доставки пакета від пропускної здатності каналу при фіксованих значеннях довжини каналу та кількості бітів;
  •  залежність математичного очікування часу доставки пакета даних від довжини каналу зв’язку при фіксованих значеннях деяких параметрів;
  •  залежність математичного очікування часу доставки пакета даних від довжини пакета даних при фіксованих значеннях деяких параметрів;
  •  залежність математичного очікування часу доставки пакета даних від імовірності помилок у каналі при фіксованих значеннях деяких параметрів.

Для проведення обчислювальних експериментів визначимо порядок та послідовність використання вихідних даних та отриманих результатів. Звичайно, для різних задач вихідні дані будуть різними, тому для всіх задач встановлена наступна послідовність дій:

  •  постановка задачі – мета обчислювального експерименту та які параметри досліджуються;
  •  вихідні дані – значення деяких параметрів та формули розрахунків;
  •  основні результати – графік основної залежності та значення шуканого параметра;
  •  висновок – що дав проведений обчислювальний експеримент.

Нижче послідовно розглянуті розрахунки всіх наведених залежностей.

4.3. Розрахунок імовірнісних характеристик передачі даних

Проведемо розрахунок імовірнісних характеристик передачі даних для гетерогенної комп'ютерної мережі, яка була запропонована і змодельована у третьому розділі, виходячи з характеристик мережевих технологій, що були використані в даній мережі.

Для розв'язку цієї і наступних задач будемо використовувати пакет MathCAD.

4.3.1. Імовірність прийому пакета при фіксованій кількості біт

Дослідимо залежність імовірності правильного прийому пакета даних Рпрп(Р0) при фіксованому значенні кількості біт в пакеті даних n = 400 (для мережі, яка побудована за технологією Ethernet). Знайдемо максимальне значення імовірності Р0max помилки біта Р0, при якому виконується умова Рпрп ≥ 0,95.

Вихідні дані:

  1.  n := 400, Р(х) := 0,95.
  2.  Рпрпо) := (1 – Pо)n.
  3.  Границі значення Ро виберемо в діапазоні від 0 до 0,01.
  4.  Виберемо границі значення Рпрпо) від 0 до 1.
  5.  .

Результат: отримано графік (рис. 4.1), на якому по горизонтальній вісі відкладено значення Р0, вертикальна вісь – значення Рпрп(Р0), шукане значення Р0max = 0,00128225.

Висновок: при довжині пакета n = 400 бітів максимальне значення імовірності бітових помилок Р0, при якому виконується умова за імовірністю інформації Рпрп ≥ 0,95, дорівнює Р0 = 0,000128225.

Рис. 4.1. Графік залежності імовірності правильного прийому пакета даних від імовірності помилки біта Рпрп(Р0) при фіксованій довжині пакета n = 400 бітів

4.3.2. Імовірність прийому пакета при фіксованому значені Р0

Дослідимо залежність імовірності правильного прийому пакета даних Рпрп(n) при фіксованому значенні Р0 = 0,01. Знайдемо максимальне значення кількості біт nmax в пакеті даних, при якому виконується умова Рпрп ≥ 0,95.

Вихідні дані:

  1.  Po: = 0,01, Р(х) := 0,95.
  2.  Рпрпо) := (1 – Pо)n.
  3.  Границі значення n виберемо в діапазоні від 0 до 500.
  4.  Виберемо границі значення Рпрп(n) від 0 до 1.
  5.  .

Результат: отримано графік (рис. 4.2), на якому горизонтальна вісь – кількість бітів в пакеті, вертикальна – значення Рпрп(Р0), значення nmax = 5.

Рис. 4.2. Графік залежності імовірності правильного прийому пакета даних від довжини пакета Рпрп(n) при фіксованій імовірності помилки біта Р0 = 0,01

Висновок: при імовірності бітових помилок Р0 = 0,01 максимальне значення довжини пакета n, при якому виконується умова за імовірністю інформації Рпрп ≥ 0,95, дорівнює nmax = 5.

4.3.3. Імовірність прийому пакета з виправленням помилок

Дослідимо залежність імовірності правильного прийому пакета даних Рпрп(Р0) для систем з виправленням помилок циклічним кодом та систем з вирішуючим зворотним зв’язком та безперервною передачею кадрів «Повернення-на-N» при фіксованому значенні n = 400 бітів. Знайдемо максимальне значення Р0, при якому виконується умова Рпрп ≥ 0,95.

До вихідних даних додамо:

  1.  r := 16, t := 8, P := 0,01.
  2.  Функція MathCAD pbinom(k,n,p) дорівнює:

.

  1.  Запишемо формули:

;

;

;

;

;

;

.

  1.  Для того, щоб знайти максимальне значення Р0, при якому виконується умова Рпрп ≥ 0,95, слід помістити курсор мишки над графіком та натиснути праву кнопку. У випадаючому контекстному меню вибрано команду Trace..., та мишкою вибрано потрібний графік (наприклад, Рпр(Ро)). Після цього, натискуючи клавіші управління курсором, переміщувалися по окремих точках графіку. У вікні X-Y Trace відображалася абсциса (X-Value) та ордината (Y-Value) даної точки.

Результат: отримано графік (рис. 4.3) та значення Р0max = 0,02736.

Висновок: при застосуванні в мережі для підвищення імовірності передачі даних методу «Повернення-на-N» можливо істотно знизити вимоги до перешкодостійкості каналу передачі даних. Так, заданий рівень імовірності інформації Рпрп ≥ 0,95 досягається при довжині пакета даних n = 400 бітів при рівні помилок у каналі P0 = 0,02736. У порівнянні з першим прикладом, де P0 = 0,000128225, це в 213 разів вище.

Рис. 4.3. Графік залежності імовірності правильної доставки пакета даних від імовірності помилки в каналі Рпр(Р0) при фіксованій довжині пакета n = 400 бітів

4.3.4. Імовірність доставки пакета з виправленням помилок

Дослідимо залежність імовірності правильної доставки пакета даних Рпрп(n) для систем з виправленням помилок циклічним кодом та систем з вирішуючим зворотним зв’язком та безперервною передачею кадрів «Повернення-на-N» при фіксованому значенні Р0 = 0,01. Знайти максимальне значення n, при якому виконується умова Рпрп ≥ 0,95.

До вихідних даних додамо:

  1.  r := 16, t := 8, P0 :=0,01.
  2.  Запишемо формули:

;

;

;

;

;

.

  1.  Знайдемо максимальне значення n, при якому виконується умова Рпрп ≥ 0,95 за графіком.

Результат: отримано графіки (рис. 4.4) та значення n _max = 1099 бітів.

Рис. 4.4. Графік залежності імовірності правильної доставки пакета даних від довжини пакета Рпрп(n) при фіксованій імовірності помилки в каналі P0 = 0,01

Висновок: при застосуванні для даної мережі для підвищення імовірності передачі даних методу «Повернення-на-N» можливо істотно знизити вимоги до перешкодостійкості каналу передачі даних. Так, заданий рівень імовірності інформації Рпрп ≥ 0,95 досягається при рівні помилок у каналі P0 = 0,01 при довжині пакета даних n = 1099 бітів. У порівнянні з другим прикладом, де n = 5 бітів, це в 219 разів більше.

4.4. Розрахунок часових характеристик передачі даних

Проведемо розрахунок часових характеристик передачі даних для гетерогенної комп'ютерної мережі, яка була запропонована у третьому розділі, виходячи з характеристик мережевих технологій, що були використані в даній мережі.

4.4.1. Залежність часу доставки пакета від довжини каналу зв’язку

Дослідимо залежність часу доставки пакета від довжини каналу зв'язку tд(L) при фіксованих значеннях n = 400 бітів, C = 9600 біт/с, V = 3∙108 м/c, tд ТР:= 0.044 с. Знайдемо максимальне значення L, при якому виконується умова tдtд ТР.

Вихідні дані:

  1.  n := 400, C := 9600, tд_тр := 0,044, V := 3·108.
  2.  Запишемо функцію:

.

  1.  Границі значення х виберемо в діапазоні від 0 до 1000000.
  2.  Границі значення tд(х) виберемо від 0,041 до 0,0046.
  3.  Запишемо формулу:

.

Результат: отримано графік (рис. 4.5) та значення Lmax = 700000 м.

Висновок: час доставки пакета даних tд прямо пропорційний довжині каналу передачі даних L. При довжині пакета n = 400 бітів, пропускній спроможності каналу C = 9600 біт/с, максимальне значення довжини каналу передачі даних, при якому виконується умова за часом доставки пакета tд ТР ≤ 0,044 с, дорівнює L = 700000 м = 700 км.

Рис. 4.5. Графік залежності часу доставки пакета даних від довжини каналу передачі даних tд(L) при фіксованих довжині пакета даних n = 400 бітів та пропускній спроможності каналу C = 9600 біт/с

4.4.2. Залежність часу доставки пакета при фіксованій довжини каналу зв’язку

Дослідимо залежність часу доставки пакета від довжини пакету tд(n) при фіксованих значеннях L = 10000 м, C = 9600 біт/с, V = 3 108 м/c. Знайдемо максимальне значення n, при якому виконується умова tд ≤ 0,044 с.

Вихідні дані:

  1.  L := 10000, C := 9600, tд_тр := 0,044, V := 3·108.
  2.  Запишемо функцію:

.

  1.  Границі значення х виберемо в діапазоні від 0 до 425.
  2.  Запишемо формулу:

.

Результат: отримано графік (рис. 4.6) та значення n_max = 422 біти.

Рис. 4.6. Графік залежності часу доставки пакета даних від довжини пакета даних tд(n) при фіксованих довжині каналу зв’язку L = 10000 м та пропускній спроможності каналу C = 9600 біт/с

Висновок: час доставки пакета даних tд прямо пропорційний довжині пакета даних n. При довжині каналу передачі L = 10000 м, пропускній спроможності каналу C = 9600 біт/с, максимальне значення довжини пакета даних, при якому виконується умова за часом доставки пакета tд ТР ≤ 0,044 с, дорівнює n = 422 біти.

4.4.3. Залежність часу доставки пакета від пропускної здатності

Дослідимо залежність часу доставки пакета від пропускної здатності каналу tд(C) при фіксованих значеннях L = 10000 м, n = 400 бітів, V = 3 108 м/c. Знайдемо максимальне значення C, при якому виконується умова tд ≤ 0,044 с.

  1.  Вихідні дані: L := 10000, n := 400, tд_тр := 0,044, Vр := 3·108.
  2.  Запишемо функцію .
  3.  Границі значення х виберемо в діапазоні від 0 до 10000.
  4.  Запишемо формулу .

Результат: отримано графік (рис. 4.7) та значення C_min = 9098 біт/с.

Рис. 4.7. Графік залежності часу доставки пакета даних від пропускної спроможності каналу tд(C) при фіксованих довжині пакета даних n = 400 бітів та довжині каналу зв’язку L = 10000 м

Висновок: час доставки пакета даних tд експоненційно зменшується при збільшенні пропускної спроможності каналу C. При довжині пакета n = 400 бітів, довжині каналу передачі даних L = 10000 м, мінімальне значення пропускної спроможності, при якому виконується умова за часом доставки пакета tд ТР  ≤ 0,044 с, дорівнює C = 9098 біт/с.

4.4.4. Залежність математичного очікування від довжини каналу

Дослідимо залежність математичного очікування часу доставки пакета даних від довжини каналу зв’язку M(L) при фіксованих значеннях n = 400 бітів, s := 32 біти, P0 = 0,01, r := 16, C = 9600 біт/с, V = 3 108 м/c.

До вихідних даних додамо:

  1.  r := 16, P0 := 0,01, s := 32.
  2.  Запишемо формули:

,

,

,

.

Результат: отримано графік (рис. 4.8).

Висновок: при застосуванні вирішуючого зворотного зв’язку час доставки пакета даних tд значно збільшується внаслідок повторних передач (прилизно в 70 разів) та прямо пропорційний довжині каналу передачі даних L.

Рис. 4.8. Графік залежності математичного очікування часу доставки пакета даних M(L) від довжини каналу зв’язку tд(L) при фіксованих довжині пакета даних n = 400 бітів, квитанції s = 32 біти, пропускній спроможності каналу C = 9600 біт/с, імовірності помилок у каналі P0 = 0,01 та виявляючій спроможності коду r = 16

4.4.5. Залежність математичного очікування при фіксованій довжини каналу

Дослідимо залежність математичного очікування часу доставки пакета даних M(n) від довжини пакета даних при фіксованих значеннях L = 10000 м, s :=32 біти, P0 = 0,01, r := 16, C = 9600біт/с, V = 3 108 м/c.

До вихідних даних додамо:

  1.  r := 16, P := 0,01, s := 32.
  2.  Запишемо формули:

, ,

,

.

Результат: отримано графік (рис. 4.9).

Рис. 4.9. Графік залежності математичного очікування часу доставки пакета даних M(n) від довжини пакета даних при фіксованих довжині каналу зв’язку L = 10000 м, пропускній спроможності каналу C = 9600 біт/с, довжині квитанції s = 32 біти, імовірності помилок у каналі P0 = 0,01 та виявляючій спроможності коду r = 16

Висновок: при застосуванні вирішуючого зворотного зв’язку час доставки пакета даних tд значно збільшується внаслідок повторних передач (приблизно в 2000 разів) та експоненційно зростає при збільшенні довжини пакета даних n.

4.4.6. Залежність математичного очікування від імовірності помилок

Дослідимо залежність математичного очікування часу доставки пакета даних M(P0) від імовірності помилок у каналі M(P0) при фіксованих значеннях L = 10000 м, n = 100 біт, s := 32 біти, P0 = 0,01, r := 16, C = 9600 біт/с, V = 3 108 м/c.

У вихідних даних змінимо:

  1.  Pо := 0,01 на n = 100.
  2.  Запишемо формули:

, ,

,

.

Результат: отримано графік (рис. 4.10).

Рис. 4.10. Графік залежності математичного очікування часу доставки пакета даних M(P0) від імовірності помилок у каналі при фіксованих довжині каналу зв’язку L = 10000 м, пропускній спроможності каналу C = 9600 біт/с, довжині пакета даних n = 100, квитанції s = 32 біти та виявляючій спроможності коду r = 16

Висновок: при застосуванні вирішуючого зворотного зв’язку час доставки пакета даних tд експоненційно зростає при збільшенні імовірності помилок у каналі внаслідок повторних передач і досягає порядку десятків хвилин при P0 = 0,1.

Висновки до розділу 4

Проведені розрахунки імовірносних характеристик передачі даних для гетерогенної комп'ютерної мережі, яка була запропонована у третьому розділі, виходячи з характеристик мережевих технологій, що були використані в даній мережі, показали, що при застосуванні для даної мережі для підвищення імовірності передачі даних методу «Повернення-на-N» можливо істотно знизити вимоги до перешкодостійкості каналу передачі даних. Так, заданий рівень імовірності інформації Рпрп ≥ 0,95 досягається при рівні помилок у каналі P0 = 0,01 при довжині пакета даних n = 1099 бітів. У порівнянні з другим прикладом, де n = 5 бітів, це в 219 разів більше.

Розрахунок часових характеристик передачі даних показав, що в даній мережі час доставки пакета даних tд прямо пропорційний довжині каналу передачі даних L, прямо пропорційний довжині пакета даних n, експоненційно зменшується при збільшенні пропускної спроможності каналу C. При застосуванні вирішуючого зворотного зв’язку час доставки пакета даних tд значно збільшується внаслідок повторних передач та експоненційно зростає при збільшенні довжини пакета даних n або збільшенні імовірності помилок у каналі внаслідок повторних передач. Тобто основний висновок – запропонована модель часу доставки пакета цілком адекватна.


ВИСНОВКИ

Основним результатом данної роботи є дослідження і розрахунок інформаційних характеристик каналів передачі даних для гетерогенних комп’ютерних мережах.

В роботі отримані наступні результати:

  •  проведено аналіз організації каналів передачі даних в гетерогенних комп’ютерних мережах;
  •  досліджено фізичну сутність та порядок використання каналів передачі даних в гетерогенних комп’ютерних мережах;
  •  досліджено математичну сутність найбільш важливих інформаційних характеристик передачі даних в комп’ютерних мережах;
  •  розроблено модель гетерогенної комп’ютерної мережі з різнорідними каналами передачі даних за допомогою спеціального програмного забезпечення проектування і моделювання гетерогенних комп'ютерних мереж NetCracker Professional;
  •  проведено розрахунки інформаційних характеристик передачі даних для розробленої моделі комп’ютерної мережі за допомогою системи MathCAD.

Результати роботи можуть бути застосовані при виконанні задач моніторингу та мережеметрії комп’ютерних мереж, а також їх аналізу та оптимізації.


Список використаних джерел

  1.  А.Б. Семенов, С.К. Стрижаков, И.Р. Сунчелей. «Структурированные Кабельные Системы АйТи-СКС», издание 3-е. Москва, АйТи-Пресс, 2006.
  2.  А.Б. Семенов. «Волоконная оптика в локальных и корпоративных сетях». – Москва, АйТи-Пресс, 2008.
  3.  PC-Week № 40, 2009. Паула Мусич. Gigabit на медном кабеле.
  4.  Ермаков А.Е. Основы конфигурирования коммутаторов и маршрутизаторов Cisco. – М.: РГОТУПС, 2008. – 140 с.
  5.  Брейман А.Д. Сети ЭВМ и телекоммуникации. Учебное пособие. Часть 1. Общие принципы построения сетей. Локальные Сети: МГАПИ, 2001. – 75 с.
  6.  Бэрри Нанс. «Компьютерные сети» М.: БИНОМ, 2004.
  7.  Корнеев В.В. Вычислительные системы. – М.: Гелиос АРВ, 2004.
  8.  Новиков Ю. «Локальные сети: архитектура, алгоритмы, проектирование». Москва, ЭКОМ, 2000.
  9.  Олифер В.Г., Олифер Н.А. «Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы», 2-е изд., СПб: Питер-пресс, 2002.
  10.  Ретана А., Слайс Д., Расс У. Принципы проектирования корпоративных IP-сетей. – Издательский дом «Вильямс», 2002. – 368 с.
  11.  Танненбаум Э. Архитектура компьютера. – М.: Питер, 2003.
  12.  Шнитман В.З., Кузнецов С.Д. Аппаратно-программные платформы корпоративных информационных систем. www.citforum.ru.
  13.  В.А. Игнатов Теория информации и передачи сигналов: Учебник для вузов. – 2–ое изд. – М.: Радио и связь, 1990. – 280 с.
  14.  Денисенко В.В. Компьютерное управление технологическим процессом, экспериментом, оборудованием. – М.: Горячая линия – Телеком, 2009. – 608 с.
  15.  «LAN/Журнал сетевых решений». Москва, Открытые системы, январь, 2004.
  16.  http://www.3com.ru.
  17.  http://www.apс.ru.
  18.  http://www.cisco.ru.
  19.  http://www.citforum.ru. В. Олифер, Н. Олифер. Сетевые операционные системы.
  20.  http://www.granch.ru.
  21.  http://www.sibacc.nsk.su. Киселев А.Г.
  22.  http://www.telpro.ru.
  23.  Microsoft Corporation. Компьютерные сети. Учебный курс/Пер. с англ. М.: Издательский отдел «Русская Редакция» ТОО «Channel Trading».
  24.  Шнитман В.З. Архитектура PowerScale. Открытые системы. №4 (18). 1996.
  25.  Шнитман В.З. Отказоустойчивые серверы ServerNet. Открытые системы. №3 (17). 1996.
  26.  Шнитман В.З. Семейство высокопроизводительных серверов RM600E. Открытые системы. № 2. 1998.
  27.  Шнитман В.З. Серверы баз данных: проблемы оценки конфигурации системы. М.: СУБД, № 5-6. 1996.
  28.  Шнитман В.З. Современные высокопроизводительные компьютеры. www.citforum.ru.


А

B

C

D

E

F

G

K1

K3

K2

ІС

1

2

3

i

NG

1

2

NF

ІС

ІС

1

2

k

NC

N1

N2

Ni

Nj

Nn

L12

L1n

Lni

Lji

Ljn

Передавач

Передавач

0

0

0

0

1

1

1

Інформація

Потенційний код NRZ

Біполярний код AMI (NRZI)

Біполярний імпульсний код

Манчестерський код

Потенційний код 2B1Q

Телефонна мережа

...

DTE

(комп’ютер, маршрутизатор)

...

M

D

H

H

M

D

DTE

Інтерфейс RS-449

(RS-232C)

H-трансформатор

2-провідна лінія

Телефонна мережа

...

DTE

...

M

D

M

D

DTE

4-провідна лінія

Модем

Модем

Модем

Модем

а)

б)

Комунікаційні засоби

Система кампусу

(back bone)

Вертикальні

підсистеми

Горизон- тальні

(окремі)

підсистеми

Місця

користувачів

Рис. 1.7. Структура кабельних підсистем

Горизонтальні підсистеми

Вертикальні підсистеми

Підсистема кампусу

Головний

комунікаційний центр

Будівля офісу

Концентратор

Кросова панель поверху

Горизонтальна

підсистема

Вертикальна

підсистема

UTP

Голос

Робочі

місця

Дані по UTP

UTP

RJ-45

Поверх  3

Оптоволокно

Концентратор

Поверх  2

Центральна кросова

шафа будівлі

EMBED PBrush  

EMBED PBrush  

Вилка

Кабель

Ковпачок

8

а

б

в

г

1

а

б

10Base-T

100Base-TX

Пара 1

Пара 2

T1       R1    T2                         R2

1

2

3

4

5

6

7

8

a

б

в

г

д

EMBED PBrush  

Рис. 1.13. Коаксіальний кабель:

1 – центральна жила, 2 – діелектрик, 3 – оплітка, 4 – ізолююча захисна панчоха

EMBED PBrush  

а

б

в

г

д

EMBED PBrush  

Концентратор

Кросова шафа

Робоче місце

Кросова панель UTP

Перфорований блок

з 50-контактним розємом Telco

50-контактний

роз’єм Telco

25-парний кабель

Стійка

Стіна

Кросовий кабель UTP

Кабель AUI

10Base-Tтрансивер

Станція Ethernet

Мережний адаптер з інтерфейсом AUI

1

1

0

0

Р0

Р0

1–Р0

1–Р0

0

0

tз

tп

t

Приймач

Передавач

0

- пакет, що передається

Методи підвищення імовірності

Методи

без зворотного зв’язку

З кодом, виправляючим помилки

З кодом, виявляючим помилки

З n-кратною передачею пакета

Методи

зі зворотним зв’язком (ЗЗ)

З вирішуючим ЗЗ

З інформаційним ЗЗ

З комбінованим ЗЗ

З паралельно працюючими каналами

S3

S2

S1

S0

Pпрп

Pвп

Pнп

S3

S2

S1

S0

Pпрп

Pвипр

Pневипр

HDLC

LAP-B

(X.25)

LAP-D

(ISDN)

V.120

(ISDN)

LLC

(LAN)

LAP-M

(телефонні мережі)

LAP-X

(TELETEX)

SDLC

(SNA)

PPP

(TCP/IP)

LAP-F

(Frame Relay)

Рис. 2.6. Сімейство протоколів HDLC

Прапорець

01111110

Адреса

1 байт

Управління

1 (2*) байт

Дані

16-4096 байт

CRC-16

2 байти

Прапорець

01111110

* – в розширеному (по модулю 128) режимі нумерації кадрів

Рис. 2.7. Формат кадру LAP-B

Рис. 2.8. Схема передачі даних «Повернення-на-N» (Go-Back-N)

0

1

2

0

1

2

3+

3

4

5

3

4

4

5

6

4

5

6

6

5

6

4

3+

4–

4–

4–

4–

W

T

W

T

W

T

t

W

T

6+

6+

Відправник

Відправник

Отримувач

Отримувач

Прямий канал

Зворотний канал

2

- інформаційний кадр;

3+

- кадр підтвердження (ACK);

4–

- кадр перезапиту (NAK);

4

- перекручений кадр;

- відкинутий кадр.



 

Другие похожие работы, которые могут вас заинтересовать.
6496. Види каналів зв’язку в структурі СДЕЗ. Класифікація та характеристики. Передача повідомлень каналами з шумами. Швидкість передачі інформації та пропускна здатність дискретного каналу 17.12 KB
  Швидкість передачі інформації та пропускна здатність дискретного каналу. Швидкість передачі інформації та пропускна здатність неперервного каналу. Система зв’язку при передачі дискретної інформації являє собою сукупність каналу ПДІ джерела ДІ та її одержувача при заданих методах перетворення дискретного повідомлення в сигнал і його відновлення по прийнятому сигналу. Канали можна поділити: Неперервнонеперервний тобто неперервний переносник і неперервні сигнали на вході і виході каналу тлф канал з ЧМ.
6504. Сучасні мережі передачі даних (ПД). Еталонна модель взаємодії відкритих систем (ЕМВВС), застосування при побудові СДЕЗ 32.63 KB
  Сучасні мережі передачі даних ПД. Враховується що надання різних інформаційних послуг є вже функцією інтегральної мережі зв’язку й ЕОМ – інформаційної мережі. Пункти мережі поділяються на кінцеві в тому числі абонентські з апаратурою введення і виведення інформації вузли зв’язку що забезпечують розподіл інформації і різні обчислювальні комплекси центри що здійснюють обробку і збереження інформації. Канали зв’язку об’єднані в лінії ребра мережі між окремими пунктами мережі служать для передачі переносу інформації в просторі.
6497. Дискретні сигнали. Методи їх передачі і прийому в СДЕЗ. Синхронна та асинхронна передача сигналів 10.63 KB
  Параметр сигналу даних зміна якого відображує зміну повідомлення називають інформаційним. Момент в який здійснюється зміна значущої позиції сигналу називається значущим моментом ЗМ. Інтервал часу між двома сусідніми ЗМ сигналу називається значущим інтервалом ЗІ. Мінімальний інтервал часу якому дорівнюють ЗІ часу сигналу називається одиничним.
4395. Засоби очищення повітря від пилу. Індивідуальні засоби захисту 5.95 KB
  До засобів індивідуального захисту органів дихання ЗІЗОД належать: респіратори промислові протигази та ізолюючі дихальні апарати які застосовуються для захисту від шкідливих речовин аерозолів газів пари що знаходяться в оточуючому середовищі. За принципом дії ЗІЗОД поділяються на фільтруючі застосовуються при наявності в повітрі вільного кисню більше 18 і обмеженого вмісту шкідливих речовин та ізолюючі при недостатньому вмісті кисню в повітрі та необмеженої кількості шкідливих речовин.
8763. Реляційна модель даних. Структура реляційних даних 19.59 KB
  Структура реляційних даних Мета: знати призначення реляційної моделі даних та головні її поняття. Література Бази даних. Бази даних: основи проектування використання Малихіна М.
10633. Електронні таблиці. Табличний процесор, запуск, відкриття й збереження документа. Копіювання, переміщення й видалення даних, форматування даних 101.89 KB
  Електронні таблиці програми для обробки даних у вигляді таблиці. Для запуску програми слід виконати команду Пуск Програми Microsoft Office Microsoft Office Excel або іншим стандартним способом запуску наприклад з ярлику на Робочому столі.для 2003 версії Стовпці позначаються латинськими літерами в алфавітному порядку B C D. Для редактирования данных в ячейке необходимо сделать её текущей установить на неё табличный курсор и нажать клавишу F2 либо два раза левой клавишей мышки в ячейке появится текстовый курсор вносим...
8765. Моделі даних. Ієрархічна модель даних 17.26 KB
  Ієрархічна модель даних Мета: засвоєння поняття модель даних її призначення види моделей даних властивості ієрархічної моделі даних. Література Бази даних. Бази даних: основи проектування використання Малихіна М.
4349. Методика розрахунку часу на евакуацію людей із приміщень під час пожежі 9.77 KB
  Методика розрахунку часу на евакуацію людей із приміщень під час пожежі. Захист людей у разі пожежі є найважливішим завданням всієї системи протипожежного захисту. Час на евакуацію людей розраховується за формулою: де L – довжина оптимального шляху людей; V – швидкість яка залежить від щільності людей чим менша щільність тим більша швидкість. Для повного врахування часу треба визначити час який витрачається на проходження дверей...
6516. Основні електричні характеристики і параметри каналів ТЧ 81.49 KB
  В даний час розрізняють наступні види каналів звязку: канал тональної частоти, широкосмугові канали, канали звукового мовлення, канали телебачення, канали звукового супроводу, телеграфні канали. На основі використання набору стандартних каналів будується
4781. Проект підстанції «Арена» 110/10 кВ з використанням сучасних методів розрахунку, комп’ютерних програм 854.82 KB
  Виконаний проект підстанції «Арена» 110/10 кВ з використанням сучасних методів розрахунку, комп’ютерних програм, з дотриманням норм та наказів Міненерго України та керівних вказівок з проектування енергооб’єктів, а також проект розвитку електричної мережі 110 кВ, здійснено розрахунки усталених режимів.
© "REFLEADER" http://refleader.ru/
Все права на сайт и размещенные работы
защищены законом об авторском праве.