Способы передачи данных по физическим линиям

 

Взаимное проникновение вычислительной техники и технических средств связи оказало серьезное влияние как на структуру компьютеров, так и на структуру каналов связи.

Средства связи, предназначенные для передачи информации между людьми, имеют длительную историю, развитую структуру (в мировом масштабе), мощную научную и технологическую базу и, начиная с 60-х годов, стали использоваться для передачи данных, т.е. для передачи информации между техническими средствами вычислительной техники, что потребовало включения в каналы связи дополнительных технических устройств.

В настоящее время для распределенных вычислительных систем наиболее широко используются телефонные каналы.

На рис. 3.1 представлена упрощенная схема линии аналоговой телефонной междугородней связи.

 

Рис. 3.1. Схема междугородней телефонной связи

 

На участке от телефонного аппарата до местной АТС происходит передача в первичной полосе частот 200 – 3100 Гц (полоса частот человеческого голоса). При этом от каждого аппарата до АТС проводится двухпроводная электрическая линия для передачи этого сигнала, в дальнейшем происходит преобразование его в иную форму с целью уплотнения передачи. В каждом из последующих каналов идет очень большое количество передач. Существует два типа уплотнения: частотное и временное. В традиционных линиях связи, как правило, используется частотное уплотнение.

Сущность частотного уплотнения для трех абонентов представлена на рис. 3.2.

 

Рис. 3.2. Частотное уплотнение телефонных каналов

 

Передаваемый сигнал на входе в магистральную линию «смешивается» с так называемой несущей (более высокой) частотой и одновременно с другими сигналами (которые передаются на других «несущих» частотах) распространяется по магистралям. На выходе передаваемые сигналы выделяются из несущих частот и по индивидуальным линиям доставляются абоненту.

Процедура на входе в магистральные линии связана с различного вида модуляцией несущих частот, а обратное преобразование на выходе из магистральных линий, соответственно, с демодуляцией.

Модуляция несущей – изменение ее амплитуды, частоты, фазы или комбинации этих характеристик в соответствие с передаваемым сигналом.

Использование описанных средств связи для передачи данных, т.е. замена абонента-человека на техническое устройство (ЭВМ), требует включения в эту систему дополнительных устройств, адаптирующих информационные СОД к передаче по каналу связи.

 

 

Рис. 3.3. Типовая схема передачи данных: а – блок-схема системы

передачи данных; б – реальная система передачи данных

 

На рис. 3.3, а представлена структурная схема передачи данных, а на рис. 3.3, б – реальные физические устройства, которые могут быть включены в канал.

На рис. 3.3, а приведены традиционно используемые сокращения для обозначения устройств систем передачи данных (СПД):

ООД – оконечное оборудование данных, в качестве которого может выступать персональный компьютер, большой компьютер, терминал и т.п. В литературе часто употребляется международный термин DTE (Data Terminal Equipment);

АКД – аппаратура канала данных, которую иногда называют аппаратурой передачи данных (АПД), функции которой состоят в обеспечении возможности передачи информации по каналу определенного типа, эти устройства, как правило, называются модемами (модулятор-демодулятор); DCE (Data Communications Equipment) – международный термин, используемый для обозначения этого устройства.

Канал передачи включает описанную выше структуру, если используется коммутируемая телефонная сеть общего назначения. Интерфейс между каналами передачи и АКД в отечественной практике называется «стык 1» (С1), а интерфейс между ООД и АКД «стык 2» (С2).

В зависимости от типа передачи различают аналоговые (традиционно используемые, имеющие длительную историю развития) и цифровые каналы (систем ИКМ, ISDN* и др.), являющиеся битовым трактом с цифровым импульсным сигналом на выходе и входе канала. Цифровые каналы отличаются рядом преимуществ перед аналоговыми, поэтому вновь создаваемые системы передачи данных стараются строить на основе цифровых каналов. Следует отметить, что цифровые каналы весьма успешно применяются не только для передачи данных, но и в средствах бытовой связи (звук, изображение и т.д.), при этом аналоговые сигналы кодируются в цифровые перед передачей в канал.

Термины «аналоговый» и «цифровой» соответствуют непрерывным и дискретным процессам и используются при обсуждении коммуникационных систем в различных контекстах – данных, сигналов и передачи.

Аналоговые данные представляются физической величиной, которая может изменяться в непрерывном диапазоне значений. Величина прямо пропорциональна данным или является их функцией.

Цифровые данные принимают дискретные значения – текст, целые числа, двоичные данные.

Аналоговый сигнал – непрерывно изменяющаяся электромагнитная волна, распространяющаяся в различных средах.

Цифровой сигнал – дискретный (разрывной) сигнал, такой, как последовательность импульсов напряжения.

Возможны четыре вида передачи данных:

цифровые данные – цифровой сигнал, используется наиболее простое оборудование;

аналоговые данные – цифровой сигнал, необходимо преобразование аналоговых данных в цифровую форму, что позволяет использовать современное (высокоэффективное) оборудование передачи данных;

цифровые данные – аналоговый сигнал, необходимость преобразования связана с тем, что через некоторые среды (оптоволокно, беспроводные среды) может распространяться только аналоговый сигнал;

аналоговые данные – аналоговый сигнал, традиционная передача, аналоговые данные легко преобразуются в аналоговый сигнал.

Среди преимуществ цифровой передачи необходимо отметить следующие.

Быстрое развитие цифровых систем и уменьшение цены и размеров оборудования, цены и размеры аналогового оборудования остаются на прежнем уровне. Обслуживание цифровых систем намного дешевле аналоговых.

Использование повторителей (в цифровых системах) вместо аналоговых усилителей позволяет передавать данные на большие расстояния по менее качественным линиям (нет накопления шумов) – сохранение целостности данных.

Большая пропускная способность дает возможность более полно использовать пропускную способность оптоволокна и спутниковых средств связи. Временное разделение оказывается более эффективным, чем частотное.

Используется интеграция, когда при обработке аналоговой и цифровой информации по цифровым технологиям все сигналы имеют одинаковую форму (вид­). Это позволяет сэкономить на оборудовании и трудозатратах при интеграции: голос, видео, цифровые данные.

Термин «модем» (DCE) применяется в настоящие время (в связи с распространением цифровых каналов) достаточно широко, при этом необязательно подразумевается какая-либо модуляция, а просто называются определенные операции преобразования сигналов, поступающих от DTE для их дальнейшей передачи по используемому каналу.

Существует очень много разновидностей модемов, отличающихся:

по области применения – для коммутируемых и выделенных каналов, для цифровых систем передачи (CSV/DSU), для сотовых систем связи, радиорелейных и т.п.;

по конструкции – внутренние (вставляемые в разъемы компьютера) и внешние, портативные, групповые и т.п.;

по методу передачи – асинхронные, синхронные, синхронно-асинхронные.

Асинхронный метод передачи (или стартстопный) – посимвольный режим передачи с контролем начала и конца символа, имеет низкую скорость и малую эффективность. Синхронный метод передачи осуществляет объединение большого количества символов или байт в отдельные блоки – кадры, которые передаются без задержек между восьмибитными элементами.

Очень важной характеристикой канала передачи являются режимы его работы в зависимости от направления возможной передачи данных:

симплексный – передача осуществляется по линии связи только в одном направлении;

полудуплексный – передача ведется в обоих направлениях, но попеременно во времени (технология Ethernet);

дуплексный – передача ведется одновременно в двух направлениях.

Дуплексный режим – наиболее универсальный и производительный. Самым простым вариантом организации дуплекcного режима является использование двух независимых функциональных каналов (двух пар проводников или двух световодов) в кабеле, каждый из которых работает в симплексном режиме, т.е. передает данные в одном направлении. Такая организация дуплексного режима применяется во многих сетевых технологиях (Fast Ethernet, ATM и т.п.).

В заключение обсуждения способов передачи данных по физическим линиям несколько слов о повышении эффективности использования среды передачи данных.

Существует два основных способа повышения эффективности.

Первый, о котором упоминалось выше, – уплотнение информации, или в современной терминологии мультиплексирование, – функция, позволяющая двум или более источникам данных совместно использовать общую среду передачи данных таким образом, что каждый получает собственный канал передачи данных.

Традиционным считается частотное мультиплексирование, о котором достаточно подробно говорилось выше, – разделение системы передачи на два или более канала путем разделения всей доступной полосы частот на более узкие полосы, каждая из которых образует отдельный канал.

Второй тип – временное мультиплексирование, интенсивное внедрение которого связано с современным развитием систем передачи на два или более канала путем поочередного подключения общей линии к разным информационным каналам. Распространению временного мультиплексирования способствовало значительное увеличение пропускной способности каналов, поскольку чем выше пропускная способность канала, тем больше эффективность временного мультиплексирования.

Различают синхронное временное мультиплексирование – методика временного мультиплексирования, когда порядок выделения временных интервалов жестко задан, в отличие от статистического (асинхронного) временного мультиплексирования, при котором временные интервалы, на которые общая линия выделяется устройством, а также порядок их выделения не определены заранее (определяется динамически).

Частотное мультиплексирование – разделение системы передачи на два или более канала путем разделения всей доступной полосы частот на более узкие полосы, каждая из которых образует отдельный канал.

Общий случай частного мультиплексирования иллюстрирует рис. 3.4, а. Шесть источников сигналов подключены к мультиплексору, который модулирует каждый сигнал определенной частотой (f₁…,f₆). Для передачи каждого сигнала требуется полоса частот, центр которой находится вблизи несущей частоты. Эта полоса частот обычно называется каналом. С целью предотвращения перекрестного шума каналы разделяются защитными полосами, которые не используются для передачи информации.

Сигнал, передаваемый по среде передачи, является аналоговым. Однако входные сигналы могут быть как цифровыми, так и аналоговыми. В случае цифровых сигналов их необходимо пропустить через модемы для преобразования в аналоговую форму. В любом случае должен модулироваться для сдвига в необходимую полосу частот.

Временное мультиплексирование – разделение системы передачи на два или более канала путем поочередного подключения общей линии к разным информационным каналам.

Временное мультиплексирование становится возможным, когда скорость распространения сигналов в среде превышает скорость их передачи. В таком случае ряд цифровых или аналоговых сигналов может передаваться одновременно путем поочередной передачи «порции» каждого сигнала. Общий случай временного мультиплексирования показан на рис. 3.4, б. Шесть источников сигналов подключены к мультиплексору, который чередует биты сигналов, поочередно передавая информацию от каждого из источников. Этот мультиплексор обладает шестью входами. Если каждый из них может поддерживать скорость передачи данных, скажем, 9,6 Кбит/с, тогда единая линия пропускной способностью 57,6 Кбит/с будет передавать сигналы сразу от всех шести источников.

 

Рис. 3.4. Частотное и временное мультиплексирование

 

Второй способ повышения эффективности использования среды передачи данных – компрессия или сжатие данных, заключающееся в уменьшении количества битов, требуемых для представления данного объема информации. Это позволяет увеличить объем информации передаваемой по линии, сократить сеанс связи, кроме этого кодирование информации, связанное с компрессией, повышает информационную безопасность.