АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОШИБОЧНОСТИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ В СЕТЯХ

АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОШИБОЧНОСТИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ В СЕТЯХ. Для повышения достоверности и качества работы систем связи применяются групповые методы защиты от ошибок, избыточное кодирование и системы с обратной связью. На практике часто используют комбинированное сочетание этих способов.

К групповым методам защиты от ошибок можно отнести давно уже используемый в телеграфии способ, известный как принцип Вердана вся информация или отдельные кодовые комбинации передается несколько раз, обычно не четное число раз минимум три раза. Принимаемая информация запоминается специальным устройством и сравнивается.

Суждение о правильности передачи выносится по совпадению большинства из принятой информации методами два из трех, три из пяти и так далее. Например кодовая комбинация 01101 при трехразовой передаче была частично искажена помехами, поэтому приемник принял следующие комбинации 10101, 01110, 01001. В результате проверки каждой позиции отдельно правильной считается комбинация 01101. Другой метод, также не требующий перекодирования информации, предполагает передачу информации блоками, состоящими из нескольких кодовых комбинаций.

В конце каждого блока посылается информация, содержащая количественные характеристики переданного блока, например число единиц или нулей в блоке. На приемном конце эти характеристики вновь подсчитываются, сравниваются с переданными по каналу связи, и если они совпадают, то блок считается принятым - 6 - правильно. При несовпадении количественных характеристик на передающую сторону посылается сигнал ошибки.

Среди методов защиты от ошибок наибольшее распространение получило помехоустойчивое кодирование, позволяющее получить более высокие качественные показатели работы систем связи. Его основное назначение - принятие всех возможных мер для того, чтобы вероятность искажений информации была достаточно малой, несмотря на присутствие помех или сбоев в работе сети. Помехоустойчивое кодирование предполагает разработку корректирующих помехоустойчивых кодов, обнаруживающих и исправляющих определенного рода ошибки, а также построение и реализацию кодирующих и декодирующих устройств.

Специалистами доказано, что при использовании помехоустойчивого кодирования вероятность неверной передачи во много раз снижается. Так, например, с помощью кода M из N, используемого фирмой IBM в вычислительных сетях, можно обнаружить в блоке, насчитывающем около тридцати двух тысяч символов, все ошибки, кратные трем или меньше, или пачки ошибок длиной до шестнадцати символов. При передаче информации в зависимости от системы счисления коды могут быть двухпозиционными и многопозиционными.

По степени помехозащищенности двухпозиционные коды делятся на обыкновенные и помехоустойчивые. Двухпозиционные обыкновенные коды используют для передачи данных все возможные элементы кодовых комбинаций и бывают равномерными, когда длина всех кодовых комбинаций одинакова, например пятиэлементный телеграфный код, и неравномерными, когда кодовые комбинации состоят из разного числа элементов, например код - 7 - Морзе. В этом коде точке соответствует одна единица, тире - три единицы. Для отделения точек и тире друг от друга записывается ноль, а для завершения комбинации - три нуля. Так, буква А, состоящая из точки и тире, представляется как 10111000, а буква Б тире и три точки - как 111010101000. В помехоустойчивых кодах, кроме информационных элементов, всегда содержится один или несколько дополнительных элементов, являющихся проверочными и служащих для достижения более высокого качества передачи данных.

Наличие в кодах избыточной информации позволяет обнаруживать и исправлять или только обнаруживать ошибки.

Основными среди многочисленных характеристик корректирующих кодов являются значность, корректирующая способность, избыточность и оптимальность кода, коэффициент обнаружения и исправления ошибки, простота технической реализации метода и другие. Так, значность кода, или длина кодовой комбинации, включает как информационные элементы m, так и проверочные контрольные k. Как правило, значность кода n равна mk. Оптимальность кода указывает на полноту использования его корректирующих возможностей.

Выбор корректирующих кодов в определенной степени зависит от требований, предъявляемых к достоверности передачи. Для правильного его выбора необходимо иметь статистические данные о закономерностях возникновения ошибок, их характере, численности и распределении во времени. Так, например, корректирующий код, исправляющий одиночные ошибки, может быть эффективен лишь при условии, что ошибки статистически независимы, а вероятность их появления не превышает некоторой величины.

Этот код оказывается совершенно не пригодным 8 - если ошибки появляются группами пачками. Рекуррентные коды, исправляющие групповые ошибки, также могут оказаться неэффективными, если количество ошибок при передаче будет больше допустимой нормы. Разработанные различные корректирующие коды подразделяются на непрерывные и блочные. В непрерывных, или рекуррентных, кодах контрольные элементы располагаются между информационными.

В блочных кодах информация кодируется, передается и декодируется отдельными группами блоками равной длины. Блочные коды бывают разделимые все информационные и контрольные элементы размещаются на строго определенных позициях и неразделимые элементы кодовой комбинации не имеют четкого деления на избыточные и информационные. К неразделимым относится код с постоянным числом нулей и единиц. Разделимые коды состоят из систематических и несистематических.

В систематических кодах проверочные символы образуются с помощью различных линейных комбинаций. Систематические коды - самая обширная и наиболее применяемая группа корректирующих кодов. Они включают такие коды, как код Хэмминга, циклические коды, коды Боуза-Чоудхури и другие. Классификация кодов приведена на рисунке 2.1. Большие вычислительные системы Amdal, IBM, Burroughs, ICL используют очень сложную методику проверки ошибок при передаче по линиям связи между машинами. В ПЭВМ обычно применяется более простая техника проверки ошибок.

Одной из простейших форм проверки ошибок является так называемый эхоплекс. В соответствии с этой методикой каждый символ, посылаемый ПЭВМ по дуплексной линии связи удаленному абоненту 9 - возвращается обратно к ПЭВМ в виде эха. Если ПЭВМ принимает тот же символ, что и был послан, подразумевается, что передача символа прошла правильно. Если нет, значит, при передаче произошла ошибка и необходима повторная передача этого же символа.

Эхоплекс применяется в двунаправленных дуплексных каналах связи. Некоторые пользователи ПЭВМ путают эхоплекс с местным эхо. Местное эхо часто используется при подключении полудуплексного модема к телефонному каналу. В этом случае данные возвращаются к ПЭВМ не от удаленного окончания, а от местного ближнего модема. Если устройство не было настроено соответствующим образом, ПЭВМ может выдать на экран двойные символы. Это случается, если от модема возвращается местное эхо, а от удаленного окончания - удаленное эхо эхоплекс. Проблема дублирования символов решается путем подавления местного эха. Другим часто используемым на практике и сравнительно простым методом является контроль на четность.

Его суть заключается в том, что каждой кодовой комбинации добавляется один разряд, в который записывается единица, если число единиц в кодовой комбинации нечетное, или ноль, если четное. При декодировании подсчитывается количество единиц в кодовой комбинации. Если оно оказывается четным, то поступившая информация считается правильной, если нет, то ошибочной.

Кроме проверки по горизонтали контроль на четность и нечетность может проводиться и по вертикали. Преимущества контроля на четность заключается в минимальном значении коэффициента избыточности для пятиэлементного кода К 0,17 и в простоте его технической реализации, а недостаток - в том, что обнаруживаются ошибки, имеющие только нечетную кратность 10 - Однако такая методика проверки не может обнаружить ошибки в случае двойного переброса например, две единицы перебросились в ноль, что может привести к высокому уровню ошибок в некоторых передачах.

Многоуровневая модуляция когда проверка проверка сигнала осуществляется по двум или трем битам требует более сложной техники. Проверка на четностьнечетность по одному биту также является неприемлемой и для многих аналоговых линий речевого диапазона из-за группирования ошибок, которое обычно происходит в линиях связи такого типа. Двойная проверка на четностьнечетность является усовершенствованием одинарной проверки.

В этой методике вместо бита четности в каждом символе определяется четность или нечетность целого блока символов. Проверка блока позволяет обнаруживать ошибки как внутри символа, так и между символами. Эта проверка называется также двумерным кодом проверки на четность. Она имеет значительное преимущество по сравнению с одинарной. С помощью такой перекрестной проверки может быть существенно улучшена надежность работы обычной телефонной лини, вероятность появления ошибки в которой составляет 10 . Однако как ординарная, так и двойная проверка на четность означают увеличение накладных расходов и относительное уменьшение выхода информации для пользователя.

К систематическим кодам также относится и код Хэмминга, который позволяет не только обнаруживать, но и исправлять ошибки. В этом коде каждая кодовая комбинация состоит из m информационных а k контрольных элементов. Так, например, в семиэлементном коде Хэмминга n7, m4, k3 для всех остальных элементов существует специальная таблица.

Контрольные символы 0 или 1 записываются в - 11 - первый, второй и четвертый элементы кодовой комбинации, причем в первый элемент - в соответствии с контролем на четность для третьего, пятого и седьмого элементов, во второй - для третьего, шестого и седьмого элементов, и в четвертый - для пятого - седьмого элементов. В соответствии с этим правилом комбинация 1001 будет представляться в коде Хэмминга как 0011001, и в этом виде она будет представляться в канал связи.

При декодировании в начале проверяются на четность первый, третий, пятый и седьмой элементы, результат проверки записывается в первый элемент контрольного числа. Далее контролируется четвертый - седьмой элементы - результат проставляется в младшем элементе контрольного числа. При правильно выполненной передаче контрольное число состоит из одних нулей, а при неправильной - из комбинаций нулей и единиц, соответствующей при чтении ее справа налево номеру элемента, содержащего ошибку.

Для устранения этой ошибки необходимо изменить находящийся в этом элементе символ на обратный. Код Хэмминга имеет существенный недостаток при обнаружении любого числа ошибок он исправляет лишь одиночные ошибки. Избыточность семиэлементного кода Хэмминга равна 0,43. При увеличении значности кодовых комбинаций увеличивается число проверок, но уменьшается избыточность кода. К тому же код Хэмминга не позволяет обнаружить групповые ошибки, сконцентрированные в пакетах.

Длина пакета ошибок представляет собой увеличенную на единицу разность между именами старшего и младшего ошибочных элементов. Распространенным кодом, но не относящимся к группе неразделенных, является код с постоянным числом нулей или единиц - 12 - или код M из N. Так, семиэлементный код имеет соотношение единиц и нулей, равное 34. Кодирование и декодирование выполняются заменой одной кодовой группой другой. Например, комбинация 01110 посылается в канал связи в виде 0101010. На приемном конце она вновь декодируется в 01110. Фирма IMB использует восьмиэлементный код, содержащий четыре единицы и четыре нуля. Еще одной формой проверки ошибок служит подсчет контрольных сумм. Это несложный способ, который обычно применяется вместе с контролем ошибок с помощью эхоплекса или проверки на четностьнечетность.

Сущность его состоит в том, что передающая ПЭВМ суммирует численные значения всех передаваемых символов. Шестнадцать младших разрядов суммы помещаются в шестнадцатиразрядный счетчик контрольной суммы, который вместе с информацией пользователей передается принимающей ПЭВМ. Принимающая ПЭВМ выполняет такие же вычисления и сравнивает полученную контрольную сумму с переданной.

Если эти суммы совпадают, подразумевается, что блок передан без ошибок. При этом имеется незначительная вероятность того, что в результате такой проверки ошибочный блок может быть не обнаружен, но опыт показывает, что это случается не чаще одного раза но тысячу сеансов передач.

Сколько же при этом может быть передано безошибочных блоков, прежде чем встретится один ошибочный Если передача производится по высококачественной линии, то - несколько тысяч. В обычной конфигурации необнаруженный ошибочный блок может возникнуть не более одного раза в течение нескольких месяцев работы. Последним словом в области контроля ошибок в сфере ПЭВМ является циклическая проверка с избыточным кодом CRC - cyclic redunduncy check. Она широко используется в протоколах HDLC, SDLC 13 - но в индустрии ПЭВМ появилась сравнительно недавно.

Поле контроля ошибок включается в кадр передающим узлом. Его значение получается как некоторая функция от содержимого всех других полей. В принимающем узле производятся идентичные вычисления еще одного поля контроля ошибок. Эти поля затем сравниваются если они совпадают, велика вероятность того, что пакет был передан без ошибок. Этот процесс, как уже было упомянуто, называется циклическим контролем по избыточности CRC, а поле называется контрольной последовательностью кадра КПК. В случае несовпадения, возможно, имела место ошибка передачи, и принимающая станция посылает сигнал, означающий, что необходимо повторить передачу кадра.

При вычислении КПК используется производящий полином 161251. Вычисление и использование кода CRC производится в соответствии со следующими правилами - К содержимому кадра добавляется набор нулей, количество которых равно длине поля КПК Образованное таким образом число делится на производящий полином, который содержит на один разряд больше, чем КПК, и который в качестве старшего и младшего разрядов имеет единицы Остаток от деления помещается в поле КПК и передается в приемник Приемник выполняет деление содержимого кадра и поля КПК на полином Если результат равен некоторому определенному числу, считается, что передача выполнена без ошибок.

Метод CRC позволяет обнаруживать всевозможные кортежи ошибок - 14 - длиной не более шестнадцати разрядов, вызываемых одиночной ошибкой, а также 99,9984 всевозможных более длинных кортежей ошибок.

Рассмотрим на конкретном примере рисунки 1.1, 1.2, и 1.3 способы обработки ошибок передачи протокол HDLC. На рисунке 1.1 показано использование поля порядкового номера приема для Отрицательного подтверждения NAK кадра. На рисунке 1.2 показано использование Неприема REJ, а рисунок 1.3 иллюстрирует использование Выборочного неприема SREJ. Здесь рассматривается момент n продолжающегося сеанса, когда станция А передает кадр с номером 6. Ниже приведены моменты времени и события для процесса, показанного на рисунке 1.1 не поддерживаемого протоколом LAPB n, n1, 2, 3 - Станция А посылает информационные кадры 6, 7, 0 и 1 так как 7 является наибольшим допустимым порядковым номером, после 7 следует 0. Во время этого периода станция В обнаруживает ошибку в кадре 7. В n3 станция А посылает бит опроса, который производит такое же действие, как и контрольная точка, то есть разрешает ответ от станции В. n4, 5, 6, 7 - Станция А повторно передает кадра 7, 0 и 1 и устанавливает бит Р в качестве контрольной точки. n8 - Станция В подтверждает кадры 7, 0, и 1 командой Готов к приему RR и порядковым номером 2, а также устанавливает бит F. Исключительное использование поля порядкового номера приема NПр для отрицательного подтверждения кадра не рекомендуется для полнодуплексной передачи.

Так как кадры передаются по каналу в обоих направлениях, порядковые номера посылки и приема часто перекрываются.

Например, предположим, что кадр 4 станции А NПос4 передается примерно в то же время, что и кадр станции В 15 - который содержит NПр4. Станция А может ошибочно заключить, что ее кадр 4 является недействительным, в то время как станция В просто указывает, что следующим она ожидает кадр 4. Более эффективный подход к исправлению ошибок состоит в том, чтобы указать ошибочный кадр я в н о. Рисунки 1.2 и 1.3 иллюстрируют два метода реализации явных отрицательных подтверждений NAK. Ниже приведены моменты времени и события для процесса, который поясняется рисунком 1.2 n, n1, 2 - Станция А посылает информационные кадра 6,7 и 0. Станция В обнаруживает ошибку в кадра 7 и немедленно посылает кадр Неприема с порядковым номером приема 7. Станция В не ожидает санкции на реализацию контрольной точки, но посылает в качестве ответа REJ Неприем с установленным битом 1. Если бы станция В послала REJ в качестве команды то есть с адресным полем, содержащимся в А, станция А потребовала бы ответить кадрами RR, RNR или REJ. Однако, поскольку REJ - это ответ, станция А немедленно осуществит повторную передачу искаженного кадра. n3, 4, 5 - Станция А повторно передает кадры 7 и 0 и устанавливает бит Р в момент времени 5. n6 - Станция В подтверждает кадры 7, 0 и 1, используя Готов к приему и порядковый номер приема, равный 2. Ниже приведены моменты времени и события для процесса, который представлен на рисунке 1.3 не поддерживаемого протоколом LAPB n, n1,2 - Станция А передает информационные кадры 6, 7 и 0. Станция В обнаруживает ошибку в кадре 7 и передает Выборочный неприем с порядковым номером 7. Станция В не требует RR, RNR или REJ, так как кадр в n2 не является командой. n3, 4 - Станция А повторно передает только кадр 7 и впервые - 16 - передает кадр 1. Поскольку это Выборочный неприем, кадр 0 не передается повторно. n5 - Станция подтверждает все остальные кадры с Готов к приему и порядковым номером приема 2.