Физический уровень сетевой модели

4.1. Общие сведения о физическом уровне

Программно-аппаратные средства нижних уровней модели сети (OSI или TCP/IP) обеспечивают доступ к сетевой среде передачи информации. Программные и аппаратные средства физического и канального уровней зависят от сетевых технологий. Аппаратные средства физического уровня представлены медными и оптоволоконными кабелями, беспроводной средой передачи данных, разъемами, повторителями сигналов (repeater), многопортовыми повторителями или концентраторами (hub), преобразователями среды (transceiver), например, преобразователями электрических сигналов в оптические и наоборот. Аппаратные средства канального уровня представлены коммутаторами (switch). Отдельно следует отметить сетевые карты или адаптеры (Network Interface Card - NIC), функционирование которых охватывает как канальный, так и физический уровни. В модели TCP/IP канальный и физический уровни представлены объединенным уровнем сетевого доступа Network Access.

В качестве среды передачи данных используют коаксиальный кабель (coaxial cable), неэкранированную (UTP - Unshielded Twisted Pair) или экранированную витую пару (STP - Shielded Twisted Pair), оптоволоконный кабель (fiber optic), беспроводные радиоканалы. Для каждой среды и технологии передачи данных определены свои протоколы и стандарты, разработкой которых занимается целый ряд международных организаций, перечисленных в разделе 3.2.

Канальный уровень обеспечивает обмен пакетами с сетевым (межсетевым) уровнем и реализует доступ к физической среде передачи данных. Поэтому протоколы сетевого уровня и выше инвариантны к сетевой физической среде.

Различная физическая среда позволяет передавать данные по сети с разной скоростью. При этом измеряются и учитываются следующие параметры:

Как правило, наибольшую скорость и дальность передачи данных обеспечивают оптоволоконные кабели, у которых меньше влияние электромагнитных (EMI) и радиочастотных помех (RFI), а также отсутствуют перекрестные помехи (crosstalk) из-за взаимного влияния сигналов в соседних волокнах. Беспроводная среда характеризуется сравнительно малой скоростью и дальностью передачи. Однако мобильность пользователей и легкость развертывания беспроводных сетей предопределили их бурное развитие. Главной проблемой беспроводных сетей стала информационная безопасность. Медные кабели имеют средние показатели при сравнении с беспроводной средой и оптоволоконными кабелями. Медные кабели получили широкое распространение в локальных сетях технологий Ethernet, FastEthernet, GigabitEthernet.

4.2. Медные кабели

Локальные сети, как правило, строятся на основе неэкранированной витой пары (Unshielded Twisted Pair - UTP). Экранированная витая пара (STP), по сравнению с неэкранированной, обеспечивает лучшую защиту передаваемого сигнала от помех. Однако UTP дешевле, поэтому широко применяется в наиболее популярных технологиях Ethernet, FastEthernet, GigabitEthernet. Такие кабели называют также симметричными в отличие от коаксиальных медных кабелей, используемых, например, в телевидении.

В кабеле UTP четыре пары свитых медных проводов. Для подключения кабеля к сетевым устройствам используется разъем (коннектор) 8Р8С (8 Position, 8 Contact) или, по-другому RJ-45, имеющий 8 контактов.

Основными характеристиками кабелей являются: максимальная частота передаваемого по кабелю сигнала, затухание, величина перекрестных помех. Для снижения влияния электромагнитных (EMI)и радиочастотных помех (RFI), вызванных электромагнитными полями электромоторов, печей СВЧ, ламп дневного света, выполняют свивание пар медных проводов. Эта мера также снижает перекрестные помехи (crosstalk) из-за взаимного влияния сигналов в соседних витых парах. Для лучшего эффекта увеличивают число витков на единицу длины кабеля, а шаг свивания соседних пар делают немного разным.

Основные характеристики кабелей специфицированы международным стандартом ISO/IEC 11801 (или стандартом TIA/EIA-568A, 568В), который специфицирует кабели по категориям (табл. 4.1). Кабели категории 7 - экранированные.

Кабели категорий 3 - 7, предназначены для работы в сетях Ethernet и совместимых с ними, позволяют передавать данные на расстояние до 100 м.

Широко распространенный в настоящее время симметричный кабель UTP категории 5 характеризуется: затуханием от 0,8 дБ на частоте 64 кГц до 22 дБ на частоте 100 МГц; волновое сопротивление 100 или 120 Ом; активное сопротивление не более 9,4 Ом на 100 м; емкость не более 5,6 нФ на 100 м.

В настоящее время кабель UTP категории 5 в сетях FastEthernet 100Base-TХ заменяется кабелем категории 5е, по которому можно передавать данные со скоростью выше 125 Мбит/с.

Симметричные кабели UTP обеспечивают передачу сигналов на расстояние до 100 м.

Кабели категории 7 - экранированные, они имеет общий экран и экраны вокруг каждой пары. Седьмая категория, строго говоря, не UTP, а S/FTP (Screened Fully Shielded Twisted Pair).

Витая пара категории 7aс полосой частот до 1200 МГц разработана для передачи данных на скоростях до 40 Гбит/с на расстояние до 50 м, а при скорости до 100 Гбит/с - на расстояние до 15 м. Это меньше обычного для витой пары расстояния 100 м, но скорость передачи очень высокая.

На рис 4.1 приведена схема формирования витых пар симметричного кабеля с использованием 8-ми контактного разъема 8Р8С (RJ-45). Такие кабели являются основными в локальных сетях технологий Ethernet и совместимых с ними.

Для подключения конечного узла локальной сети, например, компьютера к коммутатору, коммутатора к маршрутизатору (рис 4.2а) используется и приведена на рис 4.2б.

а)

(рис 4.2)

б)

Рис. 4.2. Прямой кабель

Первая пара проводов (бело-оранжевого и оранжевого цвета, контакты 1, 2) используется для передачи, вторая пара (бело-зеленого и зеленого цвета, контакты 3, 6) - для приема. Оставшиеся 2 пары (синего и бело-синего цвета, контакты 4, 5; бело-коричневого и коричневого цвета, контакты 7, 8) в технологии Ethernet не используются.

Прямой кабель в локальных сетях используется для соединения следующей аппаратуры:

Для соединения между собой компьютеров, коммутаторов или концентраторов (рис 4.3а) используется б, позволяет избежать такого соединения.

а)

(рис 4.3)

б)

Рис. 4.3. Кроссовый кабель

В кроссовом кабеле обычно используют 2 витых пары, причем, контакты 1 и 2 одного разъема RJ-45 соединяются с контактами 3 и 6 другого (рис 4.3б).

Кроссовый кабель используется для соединений однотипных устройств:

В современных сетевых устройствах имеются определители портов, которые при необходимости автоматически выполняют кроссирование соединения внутри устройства (технология Auto-MDIX), поэтому кроссовые кабели практически не используются.

Для конфигурирования коммутатора или маршрутизатора их соединяют с последовательным СОМ-портом (RS-232) или с USB-портом компьютера (терминала). При этом используется ). Из рис 4.4 следует, что второй разъем кабеля имеет нумерацию контактов обратную первому. В отличие от прямого или кроссового кабелей, имеющих круглое сечение, консольный кабель - плоский, голубого или черного цвета.

Интерфейс коммутатора или маршрутизатора для связи с терминалом называется консольным портом. Консольные кабели старого типа используют переходные адаптеры от разъема RJ-45 консольного кабеля к разъему DB-9 или DB-25 СОМ-порта терминала. В консольных кабелях нового типа с одной стороны установлен разъем RJ-45, а с другой стороны разъем DB-9 или USB.

4.3. Волоконно-оптические кабели

В качестве среды передачи сигналов в сетях наряду с медными кабелями широко используются волоконно-оптические кабели (fiber optic). Достоинством волоконно-оптического кабеля является отсутствие необходимости свивания волокон или их экранирования, т.к. отсутствуют проблемы перекрестных помех (crosstalk) и электромагнитных помех от внешних источников. Это позволяет передавать сигналы с большей скоростью и на большее расстояние по сравнению с медным кабелем.

Передача оптических сигналов производится в трех диапазонах (окнах прозрачности) оптического волокна (ОВ) со средней длиной волны 830 нм, 1310 нм, 1550 нм, где затухание a существенно меньше, чем на соседних участках инфракрасного диапазона (рис 4.5). Причем, затухание снижается примерно вдвое при переходе к более длинноволновому диапазону.

Оптическое волокно представляет собой двухслойную цилиндрическую структуру в виде сердцевины (оптического световода) и оболочки. Причем, сердцевина и оболочка имеют разную оптическую плотность или показатель преломления $$n$$. Чем больше оптическая плотность материала, тем больше замедляется свет по сравнению со скоростью в вакууме. Значение показателя преломления сердцевины $$n_1$$ выше показателя преломления $$n_2$$ оболочки ($$n_1>n_2$$).

Передача оптического излучения по световоду реализуется за счет свойства внутреннего отражения, которое обеспечивается неравенством показателей преломления сердцевины и оболочки $$n_1>n_2$$, при этом сердцевина с большим показателем преломления является оптически более плотной средой. Когда луч света 1 (рис 4.6)падает на границу раздела двух прозрачных материалов с коэффициентами преломления $$n_1$$ и $$n_2$$, причем $$n_1>n_2$$, свет делится на две части. Часть светового луча отражается назад в исходную среду (сердцевину) с углом отражения $$\vartheta_3$$ равным углу падения $$\vartheta_1$$. Другая часть энергии светового луча пересекает границу раздела двух сред и поступает во второе вещество (оболочку) под углом $$\vartheta_2$$. Эта часть энергии, попавшая в оболочку, характеризует потери энергии, которая должна была распространяться по сердцевине.

При увеличении угла падения $$\vartheta_1$$ возрастает угол преломления $$\vartheta_2$$. При некотором значении угла $$\vartheta_1$$, называемом критическим $$\vartheta_{кр}$$, луч 2 (рис 4.6) не преломляется; часть его отражается, а часть скользит вдоль границы раздела, т.е. угол преломления равен $$90^\circ$$. При условии, что угол падения будет больше критического $$\vartheta_1 > \vartheta_{кр}$$ и $$n_1 > n_2$$, наступает эффект полного внутреннего отражения, когда вся энергия светового луча остается внутри сердцевины, т.е. луч света распространяется по световоду без потерь на большое расстояние.

Диапазон углов падения луча света на торец оптического волокна, при котором реализуется первое условие полного внутреннего отражения ($$\vartheta_1 > \vartheta_{кр}$$), называется числовой апертурой волокна $$\vartheta_А$$ (рис 4.7). Лучи света должны входить в сердцевину только под углом, находящимся внутри числовой апертуры волокна.

Поскольку составляющие луча света входят в оптическое волокно под разными углами, то они отражаются от границы раздела сердцевины и оболочки под разными углами, при этом взаимодействуют между собой (интерферируют) и частично подавляют или усиливают друг друга. Оставшиеся усиленные составляющие части луча света формируют так называемые моды.

Поскольку моды проходят разное расстояние до устройства назначения (рис 4.8а), то формируемый на выходе оптического волокна импульс не только задерживается на время tз и подвергается затуханию (когда снижается его уровень), но и получается размытым (рис 4.8б).

(рис 4.8)
а)	б)
Рис. 4.8. Прохождение импульсного сигнала по оптическому волокну

Явление размыва (уширения) импульса на выходе оптического волокна получило название дисперсия. Таким образом, наличие многих мод в оптическом волокне приводит к появлению межмодовой дисперсии передаваемого импульсного сигнала. Из-за дисперсии снижается скорость передачи данных, т.к. размытые импульсы накладываются друг на друга, и уменьшается расстояние, на которое можно передать данные. Возникновение многих мод в оптическом волокне возможно, когда диаметр сердцевины сравнительно большой. Такое волокно называется многомодовым (multi mode - ММ). В многомодовом оптическом кабеле используется волокно с сердцевиной диаметром 62,5 или 50 микрон и оболочкой диаметром 125 микрон. Такие кабели обозначаются 62,5/125 или 50/125.

Для снижения влияния многих мод на величину дисперсии при большом диаметре сердцевины (50/125) разработано специальное многомодовое волокно с градиентным показателем преломления.

). Диаметр сердцевины одномодового волокна уменьшен до значения 8 - 10 микрон. Обычно одномодовое волокно маркируют следующим образом - 9/125. Это означает, что диаметр сердцевины составляет 9 микрон, а оболочки - 125 микрон. Одномодовое волокно более дорогое по сравнению с многомодовым.

Однако в одномодовых кабелях выше скорость передачи данных и больше расстояние, на которое могут быть переданы данные. Поэтому кабели с одномодовым волокном используется в локальных сетях и сетях доступа для соединений между зданиями, а в технологиях транспортных сетей - для междугородней связи.

В одномодовом волокне межмодовая дисперсия отсутствует. Однако, присутствует хроматическая дисперсия характерная как для многомодового, так и для одномодового волокна. В многомодовом волокне она незаметна на фоне большого значения межмодовой дисперсии. Хроматическая дисперсия возникает из-за того, что волны света разной длины проходят через оптическое волокно с несколько различными скоростями. То есть, дисперсия возникает из-за нелинейности фазо-частотной характеристики ОВ. В идеале источник света (светодиод или лазер) должны генерировать свет только одной частоты, тогда хроматической дисперсии не было бы. Однако лазеры, и особенно светодиоды, генерируют спектр частот (длин волн). Поэтому расстояние и скорость передачи данных ограничиваются как дисперсией, так и затуханием сигнала в волокне.

Таким образом, хроматическая дисперсия одномодового оптического волокна зависит от длины волны. Параметры ОВ определяются рекомендациями Международного союза электросвязи (G.652, G.653, G.654, G.655). Для стандартного одномодового оптического волокна (G.652) эта зависимость проходит через ноль на длине волны 1310 нм. Поэтому для работы в длинноволновом диапазоне ($$\lambda = 1550 нм$$), где наименьшее затухание (рис 4.5), разработано одномодовое оптическое волокно (G.653) со смещенной дисперсией, у которого нулевое значение дисперсии смещено в район 1550 нм. Оптическое волокно (G.655) со смещенной ненулевой дисперсией предназначено для работы в системах со спектральным уплотнением по длине волны WDM.

В современных линиях передачи комбинируют участки оптического волокна, характеризующиеся положительной дисперсией, с участками волокна с отрицательной дисперсией, чтобы в некоторой мере скомпенсировать дисперсию.

Расстояние передачи сигналов в локальных сетях по одномодовому волокну, определенное стандартом GigabitEthernet, составляет до 5 км, а стандартом 10GigabitEthernet - до 40 км. В линейных трактах телекоммуникационных систем на длине волны 1550 нм реализована передача данных на расстояние до 100 км без усиления и регенерации сигналов.

Для приема оптических сигналов используют фотодиоды, которые работают на длинах волн 850, 1310 или 1550 нм, преобразуя принятые оптические импульсы в электрические сигналы.

Для проверки волоконно-оптических кабелей используются различные тестеры. Наиболее полную проверку оптоволоконных кабелей реализуют оптические рефлектометры (OTDR). Тестирующий световой импульс отражается от неоднородностей волокна (обратное рассеивание), что дает возможность локализации этих неоднородностей.

Для подключения оптоволоконных кабелей к сетевым устройствам используют различные соединители (разъемы), приведенные на рис 4.10.

Прямоконечный соединитель (Straight-Tip - ST) ранее использовался с многомодовым волокном.

Разъем абонента (Subscriber Connector - SC) широко используется в настоящее время с одномодовым волокном.

Разъем FC рекомендуется для работы с одномодовым волокном.

Малогабаритный светящийся разъем (LucentConnector - LC) функционирует с одномодовым волокном, а также поддерживает многомодовое волокно.

Для соединения устройств внутри телекоммуникационных шкафов используются сравнительно короткие соединительные оптоволоконные кабели (патчкорды): многомодовый кабель SC-SC, многомодовый ST-LC, одномодовый LC-LC, одномодовый SC-ST. С многомодовыми кабелями используют соединительный кабель SC-SC.

4.4. Беспроводная среда

Беспроводная среда образуется совокупностью радиоканалов, сгруппированных в несколько частотных диапазонов. Три частотных диапазона: 900 МГц, 2,4 ГГц и 5 ГГц, рекомендованы Международным союзом телекоммуникаций ITU для использования в промышленности, науке и медицине (Industrial, Scientific, Medical - ISM) и не требуют лицензирования. В указанных частотных диапазонах и строится большинство беспроводных локальных и глобальных сетей связи. Более низкий частотный диапазон увеличивает расстояние передачи и улучшает распространение радиоволн внутри зданий. Однако число каналов и, следовательно, пользователей при этом снижается.

Техника модуляции широкополосных сигналов позволяют повысить помехозащищенность при сосредоточенных помехах высокого уровня и низком уровне сигнала. На практике широко используются технологии прямого последовательного расширения спектра (Direct Sequence Spread Spectrum - DSSS) и ортогонального частотного мультиплексирования (Orthogonal Frequency Division Multiplexing - OFDM). Устройства, использующие OFDM, имеют более высокую скорость передачи данных. Однако устройства с модуляцией DSSS - проще и дешевле. Мультиплексирование каналов производится на основе техники, называемой Множественным доступом с кодовым разделением (Code Division Multiple Access - CDMA).

В настоящее время широко применяются беспроводные сети, которые реализуют соединения абонентов через точки беспроводного доступа (Wireless Access Point - WAP). При этом абоненты (хосты) должны комплектоваться беспроводными сетевыми картами. В свою очередь, точки беспроводного доступа могут соединяться с другими сетевыми устройствами, например с коммутаторами, маршрутизаторами, посредством кабелей, образуя достаточно разветвленную сеть.

Беспроводная (wireless) среда регламентируется набором стандартов, которые различаются частотным диапазоном, скоростью передачи данных и расстоянием.

Стандарт IEEE 802.11 (Wi-Fi) является основным стандартом беспроводных локальных сетей (Wireless LAN - WLAN). Параметры беспроводных сетей в значительной мере определяются используемой техникой модуляции. Основные параметры технологий стандарта 802.11 (Wi-Fi) приведены в табл. 4.2.

Стандарт IEEE 802.11a регламентирует работу устройств WLAN в частотном диапазоне 5 ГГц. Скорость передачи - до 54 Мбит/с, а в некоторых случаях - до 108 Мбит/с. В производственных технологических сетях скорость передачи обычно оценивается в 20-26 Мбит/с. Использование высокочастотного диапазона 5 ГГц стандарта 802.11a ограничивает расстояние передачи и распространение радиоволн внутри зданий. Используемый вид модуляции - OFDM. Устройства стандарта 802.11a не могут взаимодействовать с устройствами стандарта 802.11b и 802.11g, поскольку последние работают в диапазоне 2,4 ГГц.

В настоящее время устройства стандарта 802.11b и 802.11g получили широкое распространение. Устройства стандарта 802.11b функционируют в частотном диапазоне 2,4 ГГц и характеризуется скоростью передачи до 11 Мбит/с, вид модуляции - DSSS.

Устройства стандарта 802.11g являются совместимыми с устройствами 802.11b, поскольку работают в том же частотном диапазоне 2,4 ГГц. В устройствах этого стандарта может использоваться как техника модуляции OFDM, так и DSSS. При технике модуляции OFDM скорость передачи данных такая же, как в устройствах стандарта 802.11a (до 54 Мбит/с). При технике модуляции DSSS скорость передачи данных - до 11 Мбит/с. В настоящее время разработаны точки доступа, которые позволяют устройствам стандартов 802.11b и 802.11a сосуществовать в одной беспроводной сети WLAN. Точка доступа предоставляет услуги шлюза (gateway) для связи устройств двух разных стандартов. Более низкий частотный диапазон увеличивает расстояние передачи и улучшает распространение радиоволн внутри зданий по сравнению с 802.11a.

Достоинства частотного диапазона 2,4 ГГц обусловили большое количество пользователей, что приводит к его перегрузке и взаимному влиянию устройств.

Устройства стандарта 802.11n способны работать как в частотном диапазоне 5 ГГц, так и 2,4 ГГц. Максимальное значение скорости передачи 200 - 600 Мбит/с. Устройства стандарта 802.11n совместимы с устройствами стандартов 802.11a/b/g.

Новые устройства стандартов 802.11ac и 802.11ad обеспечивают более высокую скорость передачи (табл. 4.2) и совместимость с предыдущими стандартами.

Все технологии 802.11 используют метод множественного доступа к среде с контролем несущей и предотвращением (избежанием) коллизий (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance - CSMA/CA). Согласно этому методу устройство, которому требуется передать данные, проверяет среду передачи на наличие сигнала данных. Если среда свободна, устройство отправляет уведомление о своем намерении использовать ее. Затем устройство отправляет данные.

В отличие от метода множественного доступа к среде с контролем несущей и обнаружением коллизий (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection - CSMA/CD), который использовался в ранних версиях Ethernet, метод CSMA/CA позволяет значительно уменьшить количество коллизий в сети с разделяемой средой передачи, но не предотвратить их полностью.

Помимо сетей вышеприведенных стандартов 802.11 создаются и эксплуатируются сети стандарта IEEE 802.15 (Wireless Personal Area Network - WPAN) или "Bluetooth", которые являются примером персональных сетей (Personal Area Network - PAN). Кроме того, сети стандарт IEEE 802.16 (Worldwide Interoperability for Microwave Access - WiMAX), которые обеспечивают широкополосную связь на значительно большее расстояние по сравнению с вышеприведенными технологиями.

При создании беспроводных сетей особое внимание следует уделять зоне покрытия, помехозащищенности и обеспечению информационной безопасности, поскольку среда является общей для всех пользователей, в том числе и неправомочных.

4.5. Кодирование передаваемых по сети данных

Информационные сигналы могут передаваться по сети синхронно с частотой тактовых сигналов, которые определяют интервал времени для передачи бита информации (бит-тайм), и асинхронно, когда информационные биты передаются без синхронизации с тактовыми импульсами.

.

Кодовая комбинация 01111110 всегда обозначает флаг начала и (или) конца кадра. Если такая кодовая комбинация встречается при передаче информационных данных, то она модифицируется специальными устройствами - скремблерами. В поле адреса кадра задаются физические адреса устройства-назначения и устройства-источника. Поле управления используется для дополнительной служебной информации. Для проверки отсутствия ошибок в передаваемой в кадре информации используется поле контрольной суммы (Frame Check Sequence - FCS), которая вычисляется при передаче кадра. На приемной стороне контрольная сумма вычисляется вновь и сравнивается с принятой. Если они совпадают, то считают, что кадр передан без ошибок. При расхождении значений FCS кадр отбрасывается и требуется его повторная передача.

При передаче по физической среде сигнал подвержен линейным искажениям и воздействию помех. Для уменьшения влияния искажений и помех последовательность бит передаваемой информации преобразуется в линейный код, который передается по линии связи.

В зависимости от направляющей среды (медные или волоконно-оптические кабели, радиоканалы) используются различные коды, которые в разной степени устойчивы к воздействию линейных искажений и помех, имеют разные свойства самосинхронизации и разные спектральные характеристики. Спектры сигналов при использовании разных кодов различаются. В многоканальных системах при передаче информации по линии связи с ограниченной полосой пропускания спектр сигнала должен быть узкополосным, чтобы по одной линии передать много сообщений.

Важной характеристикой кода является свойство самосинхронизации. Оборудование на приемной стороне должно работать синхронно с передающей аппаратурой, поэтому на приемной стороне сигнал синхронизации выделяют из принятого сигнала. Для этого сигнал должен достаточно часто изменять свое состояние (переходить из низкого уровня в высокий и наоборот). Если передается длинная последовательность нулей или единиц, то синхронизация на приемной стороне может быть потеряна. Поэтому принимаются меры по искусственному изменению состояния передаваемого сигнала.

Из всего разнообразия линейных кодов на рис 4.12 приведены наиболее распространенные. Наиболее простым и естественным является потенциальный код без возврата к нулю (Non Return to Zero - ). Однако при длинных последовательностях нулей у кода NRZ плохие свойства самосинхронизации, поскольку нет переходов сигнала из одного состояния в другое. Поэтому применяют специальные меры для улучшения свойств самосинхронизации: использование блочных кодов,искусственная вставка (стаффинг) единичных импульсов при передаче длинных последовательностей нулей.

Наряду с кодом NRZ широко используется код с возвратом к нулю (Return to Zero - RZ), обычно со скважностью q = 2. При передаче по линии связи сигнал кода NRZ (и RZ) подвержен линейным искажениям и воздействию помех. Особенно сильно это проявляется при передаче сигнала по медным кабелям.

Модифицированный (инверсный) потенциальный код (Non-Return to Zero Inverted - ). Его свойства самосинхронизации несколько лучше, чем кода NRZ, поэтому он применяется в технологии FastEthernet спецификации 100 Base-FX.

Для уменьшения влияния помех и линейных искажений в медных кабелях однополярные сигналы кода NRZ (RZ) преобразуются в биполярные (двуполярные) импульсы. Хорошими свойствами самосинхронизации и устойчивостью к воздействию помех характеризуются биполярные коды: Alternate Mark Inversion - ). Нулевые биты кода AMI представлены нулевым уровнем сигнала, а единичные биты - чередующимися значениями +V, -V. При передаче нулевого бита кода MLT-3 значение сигнала не изменяется, оставаясь таким, каким оно было к этому моменту. При передаче единичных бит данных значение сигнала изменяется в следующей последовательности: +V, 0, -V, 0, +V и т.д. Сигналы кода MLT-3 характеризуются более узкой полосой частот по сравнению с кодом NRZI, модификацией которого он является. Коды AMI, MLT-3, как и другие биполярные коды, применяются при передаче информации по медным кабелям. Например, код MLT-3 используется в локальных сетях технологии FastEthernet спецификации 100 Base-ТX.Недостатком кодов AMI, MLT-3 является плохая самосинхронизация при передаче длинной последовательности нулей, поэтому необходимо использование стаффинга или блочных кодов.

Наилучшими свойствами самосинхронизации обладает манчестерский код (Манчестер - рис 4.12). Однако у него более широкая полоса спектра частот по сравнению с потенциальным кодом NRZI и, особенно, по сравнению с биполярными кодами AMI, MLT-3. Манчестерский код использовался в локальных сетях Ethernet спецификации 10 Base-Т. Однако полоса частот его спектра примерно в 1,5 раза шире вышеприведенных кодов. Поэтому в новых технологиях локальных сетей (FastEthernet, GigabitEthernet) манчестерский код не применяется.

Недостатком кодов AMI, MLT-3 является плохая самосинхронизация при передаче длинной последовательности нулей. Для устранения этого недостатка используется либо избыточный блочный код 4В/5В, либо специальное устройство - скремблер.

В случае применения избыточного блочного кода 4В/5В информационная последовательность разбивается на блоки по 4 бита, которые образуют 16 кодовых комбинаций. К каждому блоку добавляется дополнительный (избыточный) пятый бит, при этом можно сформировать 32 кодовых комбинации (табл. 4.3), из которых для передачи данных используются только 16 комбинаций, содержащих чередующиеся значения нулей и единиц. В последовательности передаваемых бит число нулей не может быть больше трех. Остальные кодовые комбинации считаются запрещенными или используются для передачи служебной информации. Наличие запрещенных кодовых комбинаций повышает помехозащищенность передаваемых данных.

Спектр потенциального избыточного кода 4B/5B уже спектра манчестерского кода, поэтому избыточный блочный код применяется в новых высокоскоростных технологиях, например, в FastEthernet.

4.6. Модуляция

При передаче сигналов линейных кодов (рис 4.12) по линиям связи на них воздействуют помехи, линейные и нелинейные искажения, что снижает дальность и скорость передачи. Поэтому для передачи информации на большие расстояния используют специальные сигналы - .

При ).

При частотной модуляции - ЧМ (Frequency Modulation - FM) или частотной манипуляции (Frequency Shift Keying - FSK) значениям 0 и 1 передаваемых данных соответствует разная частота передаваемого сигнала. Если на приемной стороне можно распознать не 2, а 4, 8, 16,… значений амплитуды или частоты, то за один такт Т можно передать 2, 3, 4,… бита информации.

При фазовой манипуляции - ФМ (Phase Shift Keying - PSK) за один такт Т передается один бит информации, когда значению 0 передаваемых данных соответствует фаза $$0^\circ$$ переносчика, а значению 1 - соответствует фаза $$180^\circ$$. Такой вид модуляции получил название двоичной фазовой манипуляции (Binary PSK). На приемной стороне фаза сигнала сравнивается с фазой опорного сигнала, полученного с помощью узкополосного фильтра из принятого сигнала.

При воздействии импульсных помех фаза опорного сигнала может измениться на $$180^\circ$$, тогда начинается обратный прием, т.е. принимается инверсное значение данных. Для борьбы с этим явлением была разработана относительная фазовая модуляция - ).

Если фаза передаваемого сигнала может принимать одно из четырех значений ($$0^\circ$$, $$90^\circ$$, $$180^\circ$$, $$270^\circ$$), то за один такт Т можно передать два бита информации (00, 01, 10, 11), как показано на рис 4.14. Такая модуляция называется квадратурной фазовой манипуляцией.

Скорость передаваемой информации измеряется либо в Бодах, либо в бит/с. Значение в Бодах определяет частоту следования тактов: Бод = 1/Т (рис 4.14). Поскольку при квадратурной фазовой манипуляции за один такт передается два бита информации, то значение "битовой" скорости передачи будет вдвое выше значения скорости, заданной в Бодах. Если же использовать фазовую манипуляцию, при которой значение фазы может принимать 8 значений через $$45^\circ$$, то за один такт будет передаваться три бита информации, а значение "битовой" скорости передачи будет втрое выше значения скорости, заданной в Бодах.

В настоящее время на практике широко используется квадратурная амплитудная модуляция (Quadrature Amplitude Modulation - QAM), когда комбинируется амплитудная и фазовая модуляции. Например, при четырех значениях амплитуды и восьми значениях фазы можно получить 32 информационных комбинации, что отображено на рис 4.15. Из 32 кодовых комбинаций 16 являются разрешенными (затемненные точки на рис 4.15), а остальные - запрещенными. Это сделано для лучшего распознавания на приемной стороне передаваемых кодовых комбинаций на фоне помех, поскольку на диаграмме рис 4.15 разрешенные кодовые комбинации по возможности максимально удалены друг от друга. Такая квадратурная амплитудная модуляция с 16 кодовыми комбинациями получила название КАМ-16 (QAM-16), т.е. за один такт передается четыре бита информации. Для высокоскоростных систем разработана модуляция КАМ-64, когда за один такт передается шесть бит информации.

4.7. Топология сетей

При создании систем и сетей передачи информации сетевые элементы объединяются на основе различных топологий. Выбор топологии зависит от типа сети:

В различных типах сетей используются различные топологии и различные методы обеспечения надежности. Однако некоторые топологии используются практически во всех типах сетей. Далее рассмотрены широко распространенные топологии локальных сетей.

В инфокоммуникационных сетях различают физическую и логическую топологии сети. Физическая топология представляет собой наиболее общую структуру сети и отображает схему соединения сетевых элементов и узлов кабелями связи. Логическая топология показывает, как по сети передаются определенные единицы информации, и определяет метод доступа к сетевой среде передачи данных. В данном разделе рассматривается, главным образом, физическая топология локальных сетей.

В локальных сетях наибольшее распространение получили следующие физические топологии (рис 4.16): шина, кольцо, звезда, расширенная звезда, древовидная (иерархическая) топология, а также полносвязная топология, где все узлы связаны между собой индивидуальными линиями связи.

Разделяемая (shared) линия или среда передачи данных, когда пользователи делят ресурсы линии связи между собой, снижает стоимость сети. Но в каждый момент времени линией может пользоваться только одна пара абонентов, из-за чего могут возникнуть очереди, а также коллизии.

а) характеризуется тем, что передачу данных в данный момент времени может вести только один узел. Ожидание своей очереди на передачу данных является недостатком топологии. Если два узла одновременно начали передачу данных, то в сети возникает коллизия. При выходе какого-то узла из строя вся остальная сеть будет функционировать без изменений. Другими достоинствами топологии являются экономное расходование кабеля, простота, надежность и легкость расширения сети. Топология шина характерна для технологий ранних версий локальных сетей Ethernet, когда использовали коаксиальный кабель.

При использовании б) сигналы передаются в одном направлении от узла к узлу. При выходе из стоя любого узла, прекращается функционирование всей сети, если не предусмотрен обход вышедшего из строя узла. Подобная физическая топология использовалась, например, в технологиях локальных сетей Token Ring, где для исключения коллизий реализован детерминированный доступ к разделяемой среде (кольцу). Передавать данные может только тот узел, который захватывает и удерживает специальный маркер, который циркулирует по кольцу. В настоящее время кольцевая топология широко используется в магистральных транспортных сетях.

в) требует применения центрального устройства, к которому подключены все узлы. Выход из стоя одного узла не влияет на работоспособность остальной сети. Сеть легко модифицируется путем подключения новых узлов, в ней легко организовать управление и обеспечить безопасность. Из недостатков можно отметить уязвимость центра и увеличенный расход кабеля по сравнению с топологией шина.

г) используется в современных крупных локальных сетях и сетях доступа, где широко распространены технологии GigabitEthernet. В качестве центрального устройства обычно устанавливается коммутатор. Разновидностью топологии расширенная звезда является д) топология, где функциональные возможности коммутаторов определяются уровнем иерархии.

Для повышения надежности и отказоустойчивости сетей их строят по е), где все узлы соединены между собой. Подобная топология характеризуется избыточностью, повышенным расходом кабеля, но все узлы постоянно связаны между собой, имеются запасные пути передачи данных.

На практике широко используется комбинация топологий. Например, ядро сети (рис 4.17) содержит сетевые коммутаторы (СК1,…СК5), объединенные для повышения надежности и отказоустойчивости по полносвязной топологии. В целом топология сети представляет собой расширенную звезду или радиально-узловой способ построения сети, когда конечные узлы (У) подключены к концентраторам К, которые в свою очередь, соединены с сетевыми коммутаторами СК ядра сети. Конечные узлы (У) сети вместе с концентраторами (К) образуют локальные сети.

Совокупность локальных сетей образует глобальную (составную, распределенную) сеть (Wide Area Network - WAN). Объединение нескольких локальных сетей в глобальную сеть (Wide Area Network - WAN) происходит с помощью устройств и протоколов сетевого Уровня 3 семиуровневой эталонной модели OSI или уровня межсетевого взаимодействия четырехуровневой модели TCP/IP. Если LAN объединяют рабочие станции, периферию, терминалы и другое сетевое оборудование в одной аудитории или в одном здании, то WAN обеспечивают соединение LAN на широком географическом пространстве.

Логическая топология сети определяет, как узлы общаются через среду, т.е. как обеспечивается управление доступом к среде. Наиболее известные логические топологии: "точка-точка" (point-to-point), множественного доступа (multi access), широковещательная (broadcast) и маркерная (token passing).

Логическая топология "точка-точка" обеспечивает передачу данных от одного узла до другого, независимо от промежуточных устройств между ними. Протокол управления передачей данных при такой топологии может быть очень простым, поскольку другие адресаты отсутствуют.

Логическая топология множественного доступа характерна для Ethernet-сетей, реализованных на многопортовых повторителях (hub). Доступ к разделяемой общей шине имеют все узлы, но в каждый момент времени передавать данные может только один узел. При этом остальные узлы могут только "слушать".

Использование широковещательной топологии определяет, что узел посылает свои данные всем другим узлам сетевой среды.

Маркерная логическая топология, также как топология множественного доступа реализует разделение общей среды. Однако, если в топологии multi-access Ethernet-сетей доступ к среде случайный (не детерминированный), то в маркерной топологии доступ к среде детерминированный. Электронный маркер (token) последовательно передается каждому узлу по кольцу. Узел, получивший маркер, может передавать данные в сеть. Если в узле нет данных для передачи, то он передает маркер следующему узлу и процесс повторяется. Топологию token passing используют сети: Token Ring и Fiber Distributed Data Interface (FDDI).

Широко известная сетевая технология Ethernet может использовать концентраторы (). представляет собой звезду, поскольку все компьютеры подключены к центральному устройству - концентратору (hub). Логическая же топология - шина, поскольку внутри концентратора все компьютеры подсоединены к общей магистрали. Поэтому выяснить, о какой топологии идет речь можно только из контекста.

Краткие итоги лекции 4

Вопросы

Упражнения