ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ И ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ СПОСОБЫ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ
ТЕМА 2. КАНАЛЫ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ЛЕКЦИЯ 2.1. РЕЖИМЫ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ И КОДИРОВАНИЕ
КЛАССИФИКАЦИЯ КАНАЛОВ СВЯЗИ
Мы будем рассматривать только коммуникационные системы передачи данных между ЭВМ (сети ЭВМ или вычислительные сети), поэтому источником и получателем сообщений могут быть только компьютер, терминал или какое-либо цифровое устройство.
Сообщением в этом случае будут цифровые данные определенного формата, предназначенные для передачи. Это может быть файл базы данных, таблица, ответ на запрос, текст или изображение.
Каналом связи называют совокупность устройств и физических сред, предназначенных для передачи сообщений (приемник-передатчик и линия связи).
Для передачи сообщений в вычислительных сетях используются различные типы каналов связи (каналы передачи данных). Каналы связи, по которым передаются аналоговые сигналы, называются непрерывными (аналоговыми), а каналы для передачи цифровых сигналов – дискретными (или цифровыми).
Для передачи данных на большие расстояния в глобальных сетях (WAN – wide area network) используются каналы двух типов:
· выделенные (leased – арендуемые)
· коммутируемые (switched или dual-up)
При соединении по выделенной линии связь между сетевыми устройствами существует постоянно. Использование выделенного канала – дорогостоящее решение, т.к. приходится платить за аренду линии вне зависимости от ее фактического использования. Поэтому данный вариант оправдан, только если между компьютерами (ЛВС) циркулируют большие объемы данных. Если же трафик невелик, выгоднее использовать коммутируемую линию.
|
|
|
В коммутируемой линии связь с другим сетевым устройством устанавливается только при необходимости. При этом пользователь платит только за фактическое время соединения, однако на установление самого соединения тратится время, а также возможны отказы в установлении соединения по причине занятости линии. Частным случаем коммутируемого канала является соединение домашнего компьютера с провайдером Интернет по телефонной линии с использованием модема.
Существуют различные типы выделенных и коммутируемых каналов:
· коммутируемые и выделенные аналоговые телефонные каналы,
· выделенные магистральные цифровые каналы PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy –плезиохронная цифровая иерархия) с интерфейсами Т1/Е1, Т2/Е2, Т3/Е3 и SONET/SDN (в начале с 1984 Synchronous Optical Nets, затем технология Synchronous Digital Hierarchy – синхронная цифровая иерархия),
· цифровые коммутируемые каналы ISDN (Integrated Services Digital Network- цифровая сеть с интегрированными услугами),
· асимметричные цифровые абонентские линии ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)
|
|
|
Применяются также радиоканалы, в первую очередь каналы спутниковой связи.
Для передачи данных в ЛВС (абоненты которой расположены в ограниченном пространстве LAN – local area network) используют цифровые каналы связи с проводными линиями передачи данных. Намного реже используется беспроводная связь (wireless).
В одной линии можно образовать несколько каналов связи, по каждому из которых передается своя информация. Такая линия связи называется многоканальной. При этом говорят, что линия разделяется между несколькими каналами. Существуют два метода разделения (уплотнения, мультиплексирования) линии передачи данных:
· временное мультиплексирование (TDM – Time Division Multiplexing иначе разделение по времени), при котором каждому каналу в передаваемой порции данных (кадре) выделяется некоторый интервал времени (тайм-слот). Используется в локальных вычислительных сетях и в цифровых каналах передачи данных глобальных сетей.
· частотное разделение (FDM - Frequency Division Multiplexing), при котором каналу выделяется некоторая полоса частот, пример радиовещание. В широкополосных аналоговых телефонных каналах также используется частотное разделение. Каналы группируются в первичные (полоса 60...108 кГц), вторичные (312...552 кГц), третичные (812...2044 кГц) и т.д. В группе первичных каналов помещаются 12 каналов тональной частоты, в группе вторичных каналов - пять первичных групп и т.д.
|
|
|
РЕЖИМЫ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ
Для характеристики процесса обмена сообщениями в вычислительной сети по каналам связи используются следующие понятия: режим передачи, код передачи, тип синхронизации.
Режим передачи (transmission mode) определяет возможные направления передачи сигналов между узлами сети. Существуют три режима передачи (режима использования канала):
· симплексный или односторонний (simplex mode),
· полудуплексный (half-duplex mode) и
· дуплексный (full-duplex mode).
Симплексный режим позволяет передавать данные только в одном предварительно определенном направлении. Примером симплексного режима передачи является телеметрическая система, в которой информация, собираемая с помощью датчиков, передается для обработки на ЭВМ. В вычислительных сетях симплексная передача практически не используется, так как передатчик полностью занимает канал и не может получить подтверждение о приеме информации, что необходимо для обеспечения нормальной связи.
Полудуплексный режим допускает двустороннюю связь, но передача и прием ведутся по очереди, когда передатчик и приемник последовательно меняются местами. Для смены направления требуется подача специального сигнала и получение подтверждения.
|
|
|
Дуплексный режим допускает одновременную передачу и прием сообщений. Дуплексная связь может быть Организована с помощью:
· четырехпроводной линии связи - одна пара проводов для прямой и другая для обратной передачи (применяются в основном на выделенных линиях с интенсивным трафиком);
· частотного разделения - прямая и обратная передачи ведутся на разных частотах, т.е. полоса для каждого направления занимает только часть канала и сужается более чем вдвое по сравнению с полосой симплексной связи. Применяется в коммутируемых каналах (протоколы V.21, V.22, V.22bis)
· эхо-компенсации - при установлении соединения с помощью посылки зондирующего сигнала определяются параметры (запаздывание и мощность) эха - отраженного собственного сигнала; в дальнейшем из принимаемого сигнала вычитается эхо собственного сигнала. Применяется в коммутируемых каналах (современные протоколы, начиная с V.29).
Пример дуплексного режима - телефонный разговор. Дуплексный режим может быть симметричным (полоса пропускания канала в обоих направлениях одинакова) и несимметричным (пропускная способность в одном направлении значительно больше, чем в противоположном). Несимметричный режим позволяет оптимизировать использование канала, например, в клиент-серверных системах: поток данных от сервера (например, при работе пользователя Интернета) гораздо больше, чем от клиента.
Дуплексный режим является наиболее скоростным режимом работы и позволяет эффективно использовать вычислительные возможности быстродействующих ЭВМ в сочетании с высокой скоростью передачи данных по каналам связи.
КОДИРОВАНИЕ ДАННЫХ
Для передачи цифровых данных по каналам связи используются специальные двоичные коды. Коды эти стандартизованы и определены рекомендациями ISO (International Organization for Standardization) - Международной организации по стандартизации (МОС) или CCITT (по-французски Comite Consultatie International Telegraphique et Telefonique) – Международного консультативного комитета по телеграфии и телефонии (МККТТ). Сейчас последняя организация имеет название ITU-T (International Telecommunication Union – Technical Standard Sector) – Международный Союз Электросвязи, Сектор Технических стандартов телекоммуникаций (МСЭ-Т).
В узком смысле под термином кодирование понимают переход от одной формы представления информации к другой форме, в частности к двоичной форме. При таком способе кодирования любая информация представляется в виде последовательности двоичных символов (0 и 1). Устройство, выполняющее операцию кодирования, называют кодирующим или кодером.
При двоичном кодировании букв, цифр, знаков (например, математических операций), так как набор этих символов намного больше двух, каждому символу соответствует некоторая последовательность двоичных цифр (бит), которую называют кодовой комбинацией или просто кодом. Например, русский алфавит из 32 букв можно закодировать последовательность из пяти двоичных цифр.
Кодом часто называют и само правило, описывающее отображение одного набора знаков в другой набор знаков (например, двоичный). Объем алфавита (набора) символов, используемых при кодировании, называют основанием кода. Например, если набор символов двоичный, то такой код имеет основание 2 и называется двоичным. Таким кодом является азбука Морзе, 7-разрядный код ASCII и т.п.
Число символов в кодовой комбинации называют длиной кода, значностью или разрядностью. Если значность всех кодовых комбинаций одинакова, то код называется равномерным. Код Морзе неравномерный, 7-разрядный код ASCII – равномерный.
Обратную операцию перевода кодовых комбинаций в знаки исходного сообщения называют декодированием. Техническая ее реализация осуществляется декодирующим устройством или декодером. Совокупность кодирующего и декодирующего устройств образует подсистему, называемую кодеком.
Наиболее распространенным двоичным кодом является код ASCII (American Standard Code for Information Interchange), принятый для кодирования информации практически во всем мире (отечественный аналог - код КОИ-7), однако есть и другие виды кодирования, например, одношаговые, помехоустойчивые коды и т.д., но об этом в другой теме.
Чрезвычайно важным разделом кодирования (который называется физическим или сигнальным кодированием – signal encoding) является способ представления двоичных цифр (0 и 1) в виде электрических или оптических сигналов, распространяющихся по линиям связи. Существуют несколько способов сигнального кодирования двоичных цифр:
· потенциальный (potencial coding) способ, при котором единице соответствует один уровень напряжения, а нулю другой (рис. 2.1). Разность величин верхнего и нижнего уровня может быть различной.
Существуют большое количество разновидностей потенциального способа, например биполярное кодирование, при котором используют положительное, отрицательное и нулевое значение напряжения, На рис.2.2. приведена биполярная схема кодирования AMI (Alternate Mark Inversion), где все нулевые биты представляются значением 0 v, а единичные – чередующимися положительными и отрицательными значениями.;
· импульсный способ, когда для представления цифр используются импульсы различной или одной полярности
Эти способы используются для кодирования данных при передаче как внутри компьютера, так и при передаче в компьютерных сетях. Однако линии связи во втором случае существенно отличаются по своим электрическим характеристикам от тех, которые существуют внутри компьютера. Главное отличие внешних линий связи от внутренних состоит в их гораздо большей протяженности, а также в том, что они проходят вне экранированного корпуса по пространствам, зачастую подверженным воздействию сильных электромагнитных помех. Все это приводит к существенно большим искажениям прямоугольных импульсов (например, "заваливанию" фронтов), чем внутри компьютера. Поэтому при передаче данных внутри и вне компьютера не всегда можно использовать одни и те же скорости и способы кодирования. В частности потенциальное или импульсное кодирование применяется только на каналах высокого качества и на небольшие расстояния (до 1000 м), т.е. в ЛВС, а в случае, когда канал вносит сильные искажения в передаваемые сигналы, в вычислительных сетях применяют специфический способ сигнального кодирования (никогда не используемого внутри компьютера) – модуляцию с использованием гармонического (синусоидального) переносчика, той частоты, которую хорошо передает имеющаяся линия связи.
Информация на выходе компьютера
а)
Информация на выходе компьютера
б)
Рис.2.1. Потенциальные способы сигнального кодирования а) – классический, б) - биполярный AMI
Обычно модуляция используется в глобальных сетях при передаче данных через аналоговые телефонные линии, которые были разработаны для передачи голоса в аналоговой форме и поэтому не очень подходят для непосредственной передачи импульсов.
ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ И ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ СПОСОБЫ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ
На способ передачи сигналов влияет и количество проводов в линиях связи. Вначале отметим способ связи, который наиболее широко используется для передачи сигналов внутри компьютера или для связи с периферийными внешними устройствами (внешняя память, принтеры, сканеры) по интерфейсным кабелям. Чтобы обеспечить быстродействие, для каждого сигнала в этом случае выделен отдельный провод. Сигналы передаются в определенной последовательности и в определенных комбинациях друг с другом.
Для передачи двоичной кодовой комбинации используется столько линий, сколько разрядов (битов) эта комбинация содержит. Каждый бит передается по отдельному проводу одновременно. Такая параллельная передача называется передачей с параллельным интерфейсом или передачей параллельным кодом. При параллельной передаче информации кодовая комбинация развертывается как бы не во времени, а в пространстве. Передача параллельным кодом обеспечивает высокое быстродействие, но требует повышенных затрат на создание канала передачи данных и обладает плохой помехозащищенностью из-за взаимного влияния передаваемых сигналов. Используется на небольшие расстояния (до 10 м), в основном для внутренних и внешних связей устройств ЭВМ. В вычислительных сетях передача параллельными кодами не используется.
В персональных ЭВМ для параллельной передачи данных к внешним устройствам (принтер, стример, иногда сканер или внешние дисководы) используется параллельный порт (интерфейс), типа SPP/EPP/ECP (Standard Parallel Port/ Enhanced PP/ Extended Capabilities Port– стандартный параллельный порт/ улучшенный пп/ порт с расширенными возможностями 25-контактный), с пиковой скоростью передачи до 5 Мбайт/с (ECP).
Для связи с внутренними устройствами параллельная передача данных используется в интерфейсах (шинах):
· PCI (Peripheral Component Interconnect bus – шина взаимосвязи периферийных компонентов). Эта 32-разрядная шина используется начиная с систем на базе процессоров 486 и работает на частоте 33 МГц. В настоящее время есть реализация этой шины с частотой 66 МГц и двойной передачей данных за цикл 2x (2x32 бита). При этом скорость передачи данных достигает 528 Мбайт/с. (66 МГц × 64 бит = 4224 Мбит/с;4224 Мбит/с : 8 = 528 Мбайт/с). С его помощью к материнской (системной) плате подключаются самые разнообразные компоненты – звуковые карты, контроллеры SCSI, видеокарты, сетевые адаптеры, внутренние модемы и т.п.;
· AGP (Accelerated Graphics Port – ускоренный графический порт). Эта 32-разрядная шина работает на базовой частоте 66 МГц, при этом рабочая частота может составлять 66 (AGP 1х), 133 (AGP 2х) или 266 МГц (AGP 4х) со скоростью передачи до 1066 Мбайт/с (в режиме передачи 4-ёх 32-разрядных слов за цикл) и предназначена для подключения к материнской плате видеокарт;
· IDE/ATA (Integrated Drive Electronics – встроенная электроника накопителя; AT attachment – подключение к компьютеру AT). Интерфейс IDE, широко используемый в запоминающих устройствах современных компьютеров, разрабатывался как интерфейс жесткого диска. Однако сейчас он используется для поддержки не только жестких дисков, но и многих других устройств, например накопителей на магнитной ленте, CD/DVD-ROM, дисководов Zip и др. Имеет теоретическую скорость передачи по протоколу Ultra DMA-133 (Direct Memory Access – прямой доступ к памяти) – 133 Мбайт/с,
· SCSI (Small Computer system Interface – интерфейс малых компьютерных систем) со скоростью передачи по протоколу SCSI-3 при частоте шины 40 МГц и передачи 2-ёх 16-разрядных слов за цикл до 160 Мбайт/с). Используется для подключения к компьютеру высокоскоростных компонентов: жесткие диски, CD дисководы, сканеры.
Чтобы снизить стоимость линий связи в компьютерных сетях, разработчики стараются сократить количество проводов и из-за этого используют не параллельную передачу всех бит кода, как это делается внутри компьютера, а последовательную, побитную передачу, требующую всего одной пары проводов.
Для передачи кодовой комбинации по двухпроводной линии связи группа битов передается по одному проводу бит за битом. Это передача информации носит название передача с использованием последовательного интерфейса или последовательным кодом. Такая передача вполне естественно, медленнее, требует преобразования данных в параллельный код для дальнейшей обработки в ЭВМ, но экономически более выгодна для передачи сообщений на большие расстояния и что, не менее важно, является более помехоустойчивой.
В персональных ЭВМ для последовательной передачи используются внешние последовательные (Com, т.е. коммуникационные) порты (интерфейсы) типа RS-232C (25- или 9-контактный, длина кабеля 50 м и более, максимальная скорость 64Кбит/с), а также современный последовательный порт типа USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная магистраль) со скоростью до 12 Мбит/с. В последнее время получает распространение высокоскоростной последовательный интерфейс Firewire – огненная линия (IEEE 1394), который призван заменить интерфейсы IDE и SCSI и обеспечить комфортную работу с жесткими дисками и внешними высокоскоростными устройствами (цифровые видеокамеры, аудиоустройства, сканеры и т.д.). Скорость передачи от 100 до 1600 Мбит/с.
Последовательный способ передачи используется чрезвычайно широко. Вот далеко не полный список применений:
· связь ЭВМ с клавиатурой и мышью;
· подключение к ЭВМ графопостроителей, диджитайзеров, сканеров, принтеров;
· связь двух компьютеров с использованием специального кабеля (кабель нуль-модема) и такой программы, как Norton Commander
· передача данных по телефонным линиям с помощью модемов;
· компьютерные сети.
Дата добавления: 2019-11-25; просмотров: 342; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!