Особенности и алгоритмы кодирования голоса

Около 25 лет назад в области музыки появилось новое направление – синтетическая музыка (ярким представителем которой является, например, Жан Мишель Жарр). Это относится как к композиторской, так и к исполнительской деятельности. Зафиксированы даже случаи, когда профессиональные музыканты требовали запретить исполнение музыки электронными средствами во время концертов. Здесь, как и в случае использования фонограмм певцами, присутствия исполнителя на сцене не требуется.

Для улучшения качества передачи низких частот в дополнение к суб-диапазонным фильтрам используется быстрое Фурье-преобразование ( FFT ). Результирующая частота бит при передаче звуковых данных оказывается непостоянной. Практическое измерение показывает, что частота редко превышает 110 Кбит/с, а применение 128 кбит/с делает качество воспроизведения неотличимым от CD. Ограничение скорости на уровне 64 Кбит/с вносит лишь незначительные искажения.

Несколько лет назад (в начале 1990-х) появился новый вид услуг в Интернете – голосовая связь (IP-Phone, VocalTec). Сегодня 30 миллионов абонентов регулярно пользуются IP-phone и его аналогами, до конца текущего десятилетия их число увеличится до 200 миллионов, а качество голосовой связи постепенно приближается к уровню цифровой телефонии.

Среди пользователей есть те, для кого это лишь возможность общения, как для радиолюбителей; но все больше людей использует IP-phone для деловых контактов или даже как объект бизнеса.

Существуют два алгоритма сжатия звуковой информации, используемых для IP-телефонных переговоров: ), которая обеспечивает коэффициент сжатия 5, и алгоритм DSP-группы (True Speech) с коэффициентом сжатия данных 18 (работает при частотах 7,7 Кбит/с). Добавление аппаратных средств сжатия информации позволяет сократить необходимую полосу до 6,2 Кбит/с. Потеря 2-5% пакетов остается незамеченной, 20% оставляет разговор понятным. В таблице 2.1 представлена зависимость необходимой полосы телекоммуникационного канала от частоты стробирования звукового сигнала, которая определяет качество воспроизведения.

Для подключения к сети IP-phone необходима мультимедийная карта, микрофон, динамики (или наушники), 8 Мбайт оперативной памяти, доступ к Интернету и соответствующее программное обеспечение. Качество передачи звука зависит от загруженности IP-канала. В качестве транспорта используется протокол UDP. Для обеспечения высокого качества звука нужна гарантированная ширина IP-канала, ведь задержанные сверх меры UDP-дейтограммы теряются безвозвратно, что и приводит к искажениям. Внедрение протоколов, гарантирующих определенную ширину канала, сделают IP-phone значительно более привлекательным. Многие компании уже предлагают такое оборудование и программы.

В последнее время технология передачи звука по каналам Интернет стала широко использоваться для трансляции новостей и музыки. При этом обеспечивается вполне удовлетворительное качество даже при передаче стереопрограмм. В этом случае имеется возможность применить более эффективное сжатие информации и протоколы типа RTP и RTCP. Задержка при передаче в этом случае никакого значения не имеет, а качество доставки гарантировано.

Современные системы IP-телефонии снабжены гибкой системой буферов, позволяющих использовать для передачи паузы, когда один из партнеров молчит. Дополнительные возможности открывают технологии предоставления гарантированного качества обслуживания (DiffServ или IntServ в рамках протоколов MPLS-TE или RSVP-TE).

В настоящее время имеется практически полный набор технологий, чтобы создать электронную книгу. Такая книга будет представлять собой систему размером с ноутбук (или даже миниатюрнее), снабженную устройством для чтения CD-дисков. Текст книги вместе с иллюстрациями и необходимыми командными последовательностями записывается на CD. При этом в перспективе можно рассматривать возможность того, что такое устройство будет читать "книгу" вслух (вывод на наушники).

В настоящее время имеется достаточно большое количество книг, записанных на CD. Это прежде всего энциклопедические словари, альбомы музеев, Библия и многие другие. Существуют обширные библиотеки художественной литературы в Интернете. Преимущество такой формы книги уже сегодня ощутимо – вы можете использовать современные поисковые средства, чтобы найти нужный раздел или какую-то конкретную информацию. По мере развития этой технологии и интеграции ее с сетями можно будет осуществлять поиск не только по данной книге, но и по книгам или журналам, ссылки на которые в данной книге содержатся, — это может быть особенно полезно при первичном знакомстве с какой-то проблемой. Этому способствует и появление электронных аналогов практически всех научных журналов и многих газет. Я здесь не говорю о компактности, а в перспективе — и долговечности такой формы записи информации.

При звуковом воспроизведении читатель сможет выбирать, голосом какого актера или актеров будет читаться данная книга. Разумеется, актерам не потребуется начитывать данный текст — эту работу на себя возьмет машина.

Достаточно иметь запись характерных особенностей и интонаций конкретного голоса, и процессор сам при генерации звука будет использовать голосовые особенности того или иного человека.

Немного фантазии, и можно будет представить, как ЭВМ будет воспроизводить текст в виде фильма, который она сгенерировала по выданному ей тексту (ведь сгенерирован же на ЭВМ корабль "Титаник" и море, по которому он плывет). Аналогичные услуги смогут оказываться и через сеть Интернет. Наибольшие трудности вызовет реализация качественного воспроизведения. Программы, способные преобразовывать символьный текст в голос, уже существуют. Проблема распознавания индивидуального голоса давно решена в охранных системах. Осталось научиться использовать результаты такого анализа при воспроизведении.

Активно внедряются новые стандарты и протоколы для обеспечения передачи звука по IP-каналам, проведения видеоконференций и управления в реальном масштабе времени. К таким протоколам относятся , ftp://ftp.isi.edu, http://munnari.oz.au и http://ds.internic.net или ftp://ftp.ietf.org/internet-drafts/draft-ietf-rsvp-spec-16.txt), служащий для обеспечения своевременной доставки данных при работе в реальном времени, а также MPLS-TE. Протокол RTP способен работать не только в UDP/IP, но и в сетях CLNP, ATM и IPX. Он обеспечивает детектирование потерь, идентификацию содержимого, синхронизацию и безопасность (доступ по шифрованному паролю, см. RFC-1423). Проблема синхронизации при передаче звука особенно важна, так как даже для локальных сетей время доставки пакетов может варьироваться в весьма широких пределах из-за используемого алгоритма доступа (например, CSMA/CD), а это приводит к искажениям при воспроизведении. Протоколы RTP и RTCP позволяют одновременное голосовое общение большого числа людей в рамках сети Интернет. Протокол же RSVP (или MPLSTE) в случае внедрения гарантирует качество связи (разумеется, при достаточной широкополосности канала) за счет повышения приоритета пакетов реального времени. Следует иметь в виду, что голосовое общение хотя и весьма привлекательно, однако не является единственной и даже главной целью разработчиков. По мере совершенствования протоколов Интернет сделает возможным управление в реальном масштабе времени довольно сложными удаленными объектами.

При внедрении IP-телефонии желательно, чтобы сетевая инфраструктура обеспечивала:

Одна из возможных реализаций IP-телефонии показана на рис 2.6 ( MVW – Multiflex Voice/WAN модуль, включаемый в маршрутизатор).

Связь может осуществляться как с традиционной старой аналоговой телефонной сетью, так и с ISDN. Телефонные аппараты могут подключаться непосредственно к интерфейсу маршрутизатора, к сетевой рабочей станции или к специальному сетевому адаптеру. При построении подобной системы следует непременно реализовать функцию h.323 (Gatekeeper — привратник). Это позволит блокировать бесконтрольное и неэффективное использование ресурсов сети.

Для передачи информации на большие расстояния в настоящее время используются исключительно электромагнитные волны (акустические волны пригодны лишь для ограниченных расстояний, например под водой). При этом пересылка может осуществляться по медным проводам, оптоволоконному кабелю или непосредственно, по схеме "передатчик-приемник". В последнем случае используются антенны. Для того чтобы антенна была эффективна, ее размеры должны быть сравнимы с длиной передаваемой волны. Чем шире динамический диапазон передаваемых частот, тем труднее сделать антенну, пригодную для решения этой задачи. Именно по этой причине для передачи используются частоты, начиная с многих сотен килогерц и выше (длина волн — сотни метров и меньше). Передача сигнала непосредственно по лучу лазера ограничена расстояниями 100-5000 м и становится неустойчивой даже для инфракрасного диапазона волн при наличии осадков.

Между тем человек воспринимает акустические колебания в области 20-12000 Гц, и для целей пересылки звука (например, телефонии) требуется именно этот диапазон частот. Динамический диапазон частот в этом случае равен 600, а для высококачественного воспроизведения звука он в два раза шире. При решении этой проблемы используется преобразование частот и различные методы модуляции. Так, тот же частотный диапазон, лежащий в пределах 100,0 — 00,012 МГц, соответствует динамическому частотному диапазону 0,012%, что позволяет сделать компактную антенну и упростить частотное выделение сигнала.

На рис 2.7 показана зависимость ослабления от частоты передаваемого сигнала для медной линии с сечением 0,5 мм.

От частоты зависит фаза (из расчета на километр) и волновое сопротивление скрученной пары (см. рис 2.8); по этой причине искажения формы сигнала при заметной длине линии неизбежны.

Из формулы (1.1) видно, что расширять пропускную способность канала можно за счет широкополосности и высокого отношения "сигнал-шум". Существует много источников шума, один из главных — тепловые шумы ( N = kTB, где T — температура в градусах Кельвина, B — полоса пропускания приемника, а k — постоянная Больцмана). Этот вид шума вносит наибольший вклад в области высоких частот. Данное обстоятельство иногда позволяет улучшить отношение "сигнал/шум", подавив высокочастотную составляющую. На практике часто существенно большее влияние оказывают различного рода наводки. Увеличение пропускной способности сети достигается путем сокращения длины кабеля (уменьшение расстояния между узлами сети), заменой типа кабеля, например на провод с большим сечением, или применением оптоволоконного кабеля. Определенный эффект может быть получен и с помощью усовершенствованной системы шумоподавления (новый, более эффективный модем).

Сопротивление скрученной пары от коммутатора до терминального оборудования может лежать в пределах 800-20000 Ом. Следует учитывать, что при подаче питания на терминальное оборудование (телефон) по подводящему кабелю большое его сопротивление, помимо прочего, приведет к падению питающего напряжения. В многожильных кабелях определенные проблемы создают перекрестные наводки и шумы. Обычно рассматриваются два случая перекрестных наводок:

NEXT -наводки при большом числе пар проводов в кабеле подчиняются закону f1.5 ( f частота передаваемого сигнала), а их уровень составляет около 55 дБ при частоте 100 КГц. FEXT -наводки сильно зависят от схемы коммутации и разводки проводов и обычно менее опасны, чем NEXT. Еще одним источником наводок является импульсный шум внешних электромагнитных переходных процессов. Этот вид наводок обычно характеризуется процентом времени, в течение которого его уровень превышает порог чувствительности, и варьируется в зависимости от обстоятельств в очень широких пределах.

При передаче по линии сигналы модулируются, и важно обеспечить сохранение среднего уровня сигнала (постоянной составляющей). Определенные искажения сигнала вносит сам кабель. Заметное влияние на характер искажений оказывает межсимвольная интерференция ( ISI — Intersymbol Interference). Эта интерференция возникает из-за расплывания импульсов в процессе их передачи по линии и наезжания их друг на друга. Проблема усложняется тем, что характеристики передающей линии могут меняться со временем из-за коммутаторов и маршрутизаторов. По этой причине очень важно обеспечить идентичность условий передачи различных частот при таких вариациях. Для решения этой задачи используются линейные эквалайзеры (рис 2.9 и 2.10, которые выполняют эту операцию во всем рабочем спектре частот или после стробирования для реального спектра сигнала. Этот метод чувствителен к шумам в системе. Эквалайзеры с решающей обратной связью ( DFE — Decision Feedback Equalizer) нечувствительны к шумам, они управляются принятой информацией. Но влияние ошибок при приеме информации в этом случае может быть усилено.

На практике линейное выравнивание и эквализация с обратной связью совмещаются друг с другом и со специальными методами формирования передаваемых сигналов. Проблема усугубляется тем, что одна и та же линия используется для передачи данных в обоих направлениях одновременно.

Для улучшения отношения сигнал/шум следует поднимать амплитуду передаваемого по линии сигнала. Выбранное значение определяется требованиями перекрестных наводок и возможностями существующих интегральных схем. В результате компромисса выбрана амплитуда 2,5 В на нагрузке 135 Ом. Любые нелинейные искажения должны быть менее 36 дБ по отношению к основному сигналу. Учитывая динамический диапазон сигналов в линиях связи, отношение сигнал-шум предполагается равным 20 дБ, что соответствует ограничению 6 дБ на число ошибок 1/10⁶ для гауссова распределения шума. При аналого-цифровом преобразовании одному биту соответствует 6 дБ.

Обычно двухпроводная линия (тем более 4-проводная) используется для одновременного двухстороннего обмена (full duplex).

Эта задача может быть решена схемотехнически мультиплексированием по времени ( TDD — Time Division Duplex) или частоте ( FDD — Frequency Division Duplex). TDD довольно легко реализовать, этот метод не требует сложных фильтров и эквилайзеров. Метод TDD привлекателен при малых длинах кабеля для коммутируемых телефонных сетей.

При реализации двухстороннего обмена по одной паре проводов используется метод эхо-компенсации. Этот метод предполагает вычитание передаваемого сигнала из принимаемого, определяя тем самым истинную форму входного сигнала. Если на приведенном рисунке 2.11 ). Системы эхо-компенсации весьма чувствительны к временному разбросу срабатывания пороговых схем, так как это приводит к фазовому сдвигу вычитаемых друг из друга сигналов.

На рис 2.13 показана зависимость скорости пропускания от сопротивления петли передающей линии для разных схем кодирования сигнала (пунктирной линией отображен вариант четырехуровневого кодирования). Те, кто работал с выделенными линиями, усвоили эту зависимость на практике. Если сопротивление линии более 1,5 кОм, вы скоро будете знать дежурных вашей телефонной станции по имени, узнаете, что такое грозовые вставки и что они имеют привычку окисляться. Желаю читателям, чтобы проводные системы связи ушли в прошлое как можно скорее.

Различные методы модуляции приводят к разным уровням перекрестных наводок и, как следствие, могут обеспечить разные скорости пропускания сигналов. Так, применение линейной эквализации при амплитудной модуляции дает улучшение пропускной способности примерно в 5 раз. Многоуровневый метод кодирования увеличивает скорость пропускания еще на 30%. Следует, правда, иметь в виду, что многоуровневый метод кодирования характеризуется большим уровнем импульсных помех и, следовательно, ошибок.

На рис 2.14 показана зависимость отношения "сигнал-шум" от сопротивления петли для разных схем передающего канала. Пунктиром проведены зависимости для случая четырехуровневого кодирования. Кривые 1 соответствуют случаю амплитудной модуляции с линейным выравниванием, а кривые 2 — варианту эквилизации с обратной связью.

Современные сверхскоростные системы коммуникаций порождают новые проблемы и новые решения. То, что сегодня кажется сверхскоростным (например, 6,4 Гбит/c), через несколько лет окажется ординарным: достаточно вспомнить магистральные Интернет-каналы десять лет назад, когда 2 Мбит/с представлялось фантастической скоростью. (В 2006 году опорные каналы сети РАН в Москве уже имеют скорость 10 Гбит/c.)

Впрочем, не следует забывать, что мы практически вплотную подошли к теоретическому верхнему пределу скорости передачи, задаваемому временем поляризации диэлектрика (10 ^-13 сек – 10ТГц).

Сегодня большинство маршрутизаторов не способно эффективно обрабатывать потоки, создаваемые Ethernet 1Гбит/с. Как это ни странно, сетевые карты на эту скорость существуют относительно давно, но только самые дорогие модели маршрутизаторов способны нормально работать с такими потоками. Здесь предполагается, что маршрутизатор имеет 2 или более гигабитных и несколько 100Мбит/c-каналов. Для решения задачи маршрутизации такой прибор должен для каждого пакета просмотреть таблицу маршрутизации, принять решение, на какой из выходов переадресовать пакет, и реализовать это переключение — и все это за время менее 0,5 нс. За это время сигнал по обычной проводной линии успеет распространиться лишь на 10 см!

Любой транзистор или тем более полупроводниковый ключ имеет сравнимую с этим временем задержку передачи сигнала. Как же тогда достигается такое быстродействие?

Проблема решается с помощью изощренной системы конвейеров (pipelining). Пакет проходит через эту систему, из него выделяется адрес места назначения и сравнивается сразу с большим числом кодов из маршрутной таблицы. По результатам сравнения принимается решение относительно следующего шага. Когда пакет достигает конечной точки своего пути в маршрутизаторе, нужный ключ в требуемом направлении уже открыт. При этом конец пакета может еще не прийти на вход маршрутизатора. Приведенное выше описание алгоритма конвейерной обработки является достаточно упрощенным, так как реально там оказывается задействовано много таких конвейеров, особенно если требуется гарантированное качество обслуживания. На практике это достаточно дорогостоящее устройство: не удивляйтесь, что стоимость маршрутизатора, способного работать с загрузками 1 Гбит/с (тем более 10 Гбит/с) по нескольким каналам, окажется весьма высокой.

Во весь рост эта проблема встала уже перед разработчиками магистральных многоканальных (до 1000 и более) переключателей сетей АТМ. Там, хотя тактовая скорость всего 150 Мбит/c, система должна принимать решение за время меньше одной наносекунды, так как ячейки могут приходить через все входы одновременно, поднимая загрузку центрального коммутатора в 1000 и более раз. Можете себе представить масштаб проблемы для 1000-канальных ATM-коммутаторов, работающих при рабочих частотах 622 Мбит/с?

Не менее сложные задачи приходится решать, когда пакет из гигабитного канала направляется в канал, рассчитанный на 100 Мбит/c. Если такой пакет один, то это не так страшно, он сначала весь записывается в буфер, а затем ретранслируется через 100-мегабитный канал. Здесь имеет место полная аналогия с переходом 100 Мбит/с —> 10 Мбит/с. Понятно, что в случае потока таких пакетов буфер, каким бы большим он ни был, рано или поздно будет переполнен, а после переполнения буфера будет теряться 9 из 10 пакетов. Проблема улаживается с помощью окна перегрузки в случае протокола TCP или с помощью посылки отправителю соответствующих уведомлений ICMP в остальных вариантах протоколов из стека TCP/IP. Последнее решение не представляется уж слишком изящным, ведь ICMP-пакеты только увеличивают загрузку канала, но главное — они могут просто не дойти до отправителя из-за того, что канал перегружен. Я уже не говорю, что в случае видеоконференций такой метод подавления потерь из-за перегрузки вообще непригоден, ведь для получения нормального изображения и звука нужна постоянная и вполне определенная скорость передачи. Следует также учитывать задержку на пути "отправитель-получатель" и обратно, и все это время высокий процент потерь будет сохраняться. Именно это стало причиной введения кадров PAUSE в логику работы GE и 10GE локальных сетей.

Весьма важной темой при построении сетей является оптимизация их топологии. Эта проблема решается маршрутизацией пакетов или потоков. В одних сетях выбор маршрута обмена определяется на фазе формирования виртуального соединения (X.25, ISDN, ATM, Frame Relay и т.д.), в других, например в Интернет (TCP/IP), маршрут выбирается динамически и может быть изменен в ходе сессии, если текущий путь окажется недоступен или если откроется возможность движения по более короткому пути.

2.1. Алгоритмы работы каналов

В реальной жизни мы сталкиваемся с самыми разными задачами при передаче данных. Вариации проблем сопряжены с объемами пересылаемых данных, со скоростями обмена, требуемыми задержками, надежностью и т.д. На будущее будем считать, что физический, канальный и сетевой уровни передачи данных являются независимыми процессами.

Предположим также, что машина А собирается передать машине Б поток данных с гарантированной доставкой (обычно это называется передачей, ориентированной на соединение). Вообще говоря, вполне реалистичен сценарий, когда машина Б одновременно намерена передавать данные машине А. В рассматриваемой модели будем считать, что имеется неограниченный объем данных, подлежащих передаче, и не требуется времени по их извлечению. Данные обычно передаются форматированными порциями, называемыми пакетами или кадрами.

С точки зрения канального уровня пакет, пришедший от сетевого уровня, является просто данными, каждый бит которых должен быть доставлен сетевому уровню места назначения. Тот факт, что сетевой уровень места назначения будет интерпретировать какие-то биты, как заголовок, канальным уровнем игнорируется. Когда канальный уровень получает пакет, он инкапсулирует его в свой кадр, добавляя некоторую управляющую информацию (протокольный заголовок). Заголовок обычно структурируется и содержит несколько полей различной длины. Этот преобразованный пакет передается другому канальному уровню. Здесь предполагается, что существует необходимая библиотека процедур для приема-передачи кадров на физическом уровне. Приемное устройство является пассивным и просто ждет прихода пакета. Получив кадр, входной сетевой интерфейс осуществляет проверку контрольной суммы этого кадра — если она некорректна, канальный уровень информируется об этом. Если все в порядке, производится разборка заголовка. Хорошей практикой является правило, запрещающее передачу любых полей заголовка с уровня на уровень (это гарантирует их независимость). Этот принцип упрощает модификацию программного обеспечения, ведь программы сетевого уровня не обязаны что-либо знать о канальном протоколе и наоборот.

Канал предполагается ненадежным, по этой причине возможно искажение или даже потеря пакета. Факт потери пакета может быть установлен в случае отсутствия отклика получателя, подтверждающего успешную доставку. В случае искажения пакета подтверждение не посылается. При посылке пакета запускается таймер; если за время работы таймера отклик не получен, пакет считается потерянным. Как было указано выше, пакеты образуют последовательность (поток). По этой причине нужно уметь определять, доставка какого пакета подтверждена. Для решения этой задачи в заголовок пакета включается уникальный номер, которым снабжается и отклик. Такой номер позволяет найти соответствие между посланным пакетом и откликом, подтверждающим его доставку. Код номера пакета лежит в интервале 0 — MAX_SEQ (различно для разных протоколов.).

Простейший вариант протокола предполагает, что очередной пакет может быть послан лишь после получения подтверждения доставки предыдущего ( Simplex Stop-and-Wait ), причем данные следуют только в одном направлении.

На практике большинство протоколов предполагают двухсторонний обмен (full duplex), кроме того, при больших временах доставки алгоритм Stop-and-Wait сильно ограничивает скорость обмена. В таких случаях используется алгоритм со скользящим окном, где можно послать несколько пакетов, не дожидаясь отклика (см., например, описание протокола TCP ). Размер окна определяет число посылаемых пакетов до того, как будет получено подтверждение на первый посланный пакет в рамках окна. После получения отклика окно смещается на единицу и позволяет послать еще один пакет. При размере скользящего окна, равном 1, такой протокол становится эквивалентен схеме Stop-and-Wait. Алгоритм со скользящим окном известен в системах обработки данных как конвейер ( pipelining ). Он требует наличия таймера для каждого из посланных пакетов в пределах окна. В этом алгоритме возникает проблема, когда теряется какой-то пакет. Что делать с кадрами, посланными вслед за ним и получившими подтверждение? Следует учесть, что приемный канальный уровень обязан обрабатывать пакеты сетевого уровня строго по порядку (ведь они образуют единую последовательность).

Здесь существует два решения. Первое: выбросить все подтвержденные пакеты, посланные после потерянного, и повторить их пересылку еще раз (так работает базовая версия протокола TCP ), приемный буфер при этом предназначен для записи лишь одного пакета. При двустороннем обмене отклики могут "прикрепляться" к информационным пакетам, движущимся в противоположном направлении. Если загрузка канала велика и вероятность потери пакета составляет несколько процентов, этот алгоритм весьма неэффективен. При сильно асимметричном трафике пакеты-отклики могут посылаться и самостоятельно. Для этого должен быть введен дополнительный таймер. Если за время выдержки нет ни одного "попутного" информационного пакета, то отклик посылается сам по себе. Время выдержки такого таймера должно быть достаточно коротким, чтобы не слишком замедлять работу алгоритма обмена.

Другой стратегией является селективная повторная пересылка лишь потерянного кадра (метод реализуется в протоколе XTP ). Эта схема требует большого объема памяти на канальном уровне, если размер окна достаточно велик. При получении очередного пакета проверяется его порядковый номер. Если этот номер соответствует окну, пакет записывается в буфер, даже если его номер не является тем, который ожидается. Эта операция производится на канальном уровне и пакет не передается сетевому уровню, пока не будут получены пакеты, посланные раньше. Размер приемного буфера в этом случае должен соответствовать ширине скользящего окна. Здесь возможны вариации стратегии, когда, например, отклик приходит на пакет с номером 2 (в пределах окна), но на пакет 1 его пока нет (а именно подтверждение прихода этого пакета дает команду на сдвиг окна, разрешающего посылку очередного пакета).

Рассмотрим пример, когда посылается группа пакетов 01234. Теперь предположим, что пакет 0 по таймауту признан неподтвержденным, послан пакет 5, пакет 2 не подтвержден и послан пакет 6. Тогда список пакетов, ждущих подтверждения, приобретет вид 3405126. Если признать, что имеется возможность не подтверждения некоторых из этих пакетов, то структура этого списка еще более усложнится. Отсюда видно, что формирование и обслуживание такого рода очередей — отнюдь не простая задача.

Предположим, что MAX_SEQ = 10, отправитель послал 10 пакетов, один из них был потерян и послан повторно. После этого началась посылка очередных 10 пакетов и получение откликов на их доставку. Возникает вопрос: где гарантия того, что пришедший отклик не относится к пакету, "потерянному" в предыдущей последовательности? Здесь все зависит от значения удвоенной задержки доставки ( RTT — Round Trip Time). Если канал является быстродействующим, а задержка велика, как это имеет место в спутниковых каналах, такое вполне возможно. В этом случае следует подумать об увеличении MAX_SEQ. Помимо обычного подтверждения, в случае обнаружения ошибки может быть послано "отрицательное" подтверждение ( NAK ), которое представляет собой запрос повторной посылки оговоренного в отклике пакета. Причиной посылки NAK может быть получение поврежденного пакета, или нарушение порядка поступления кадров, что вызвало подозрение потери пакета. Получатель должен отслеживать ситуацию, чтобы исключить повторную посылку NAK для одного и того же кадра. Потеря NAK не опасна, так как отправитель, не получив подтверждения, все равно запустит процедуру повторной пересылки пакета. Величина RTT и его дисперсия определяют устанавливаемое значение таймаута.

Историческими предшественниками стека Интернет были протоколы, возникшие на базе разработанного компанией IBM стандарта (в нижней части рисунка приведены размеры полей в битах). Октеты - разграничители кадров F несут в себе код 0x7E.

Поле адрес служит для выделения определенного терминала (идентификатор терминала). При соединении "точка-точка" это поле иногда служит для разделения запроса и отклика.

Поле управление служит для записи номера по порядку для установления соответствия между посланным кадром и откликом.

Поле . Протокол использует при передаче алгоритм скользящего окна со значением номера по порядку, имеющим 3 бита. В любой момент времени до семи ненумерованных кадров могут ожидать подтверждения. Для современных коммуникаций 3 бита для номера по порядку ( MAX_SEQ ) крайне мало.

В верхней части рис 2.16 указаны размеры полей в битах. Поле Seq содержит порядковый номер кадра. Поле следующий служит для подтверждения успешно доставленных кадров. Допускается также размещение здесь номера следующего (ожидаемого) кадра. Поле P/F (Poll/Final) используется, когда ЭВМ обращается к группе терминалов. P = 1, когда машина предлагает терминалу прислать данные. Все кадры, приходящие от терминала, кроме последнего, содержат P = 1. Равенство бита нулю означает, что это последний кадр (F). В некоторых модификациях протокола бит P/F используется, чтобы заставить другую машину прислать управляющий кадр, а не сменить направление обмена данными. Тип управляющего (supervisory) кадра определяется содержимым поля тип. Возможные значения этого поля приведены в таблице 2.2.

Как видно из таблицы, тип = 0 означает, что кадр служит для подтверждения получения предыдущего кадра и готовности получить следующий. Тип = 1 является отрицательным подтверждением (NAK). Тип = 3 призывает повторить посылку кадра с указанным номером.

Ненумерованные кадры иногда используются для управления, но чаще для передачи данных в режиме без установления соединения (без подтверждения).

Люди, работающие на ЭВМ дома, часто подсоединяются к Интернету посредством модема через коммутируемую телефонную сеть с привлечением протоколов SLIP или PPP. Схема подключения показана на рис 2.17.

Если телефонная станция — аналоговая, то кодеки не нужны. Число промежуточных телефонных станций может варьироваться в широких пределах. Сервис-провайдеры обычно имеют у себя модемные пулы, которые позволяют подключиться большому числу клиентов одновременно (рис 2.18).

В традиционной телефонной сети для соединения с требуемым клиентом используются аппаратные коммутаторы. Если коммутатор имеет N входов и N выходов, то число коммутирующих ключей будет равно N² и одновременно можно реализовать не более N связей. Реально это число всегда меньше, и клиент слышит в трубке "короткие гудки" сигнала "занято". На рис 2.19 показана обобщенная схема большой телефонной сети.

Телефонные компании знают, что некоторые каналы-направления оказываются загружены особенно сильно, например, Москва–СанктПетербург. В таких случаях иерархия станций может быть нарушена. На самом верхнем уровне станции образуют полносвязный граф, чтобы исключить неоправданные транзитные связи. Неоднозначность пути устраняется процессорами станций, при этом всегда выбирается кратчайший путь.

В случае комбинирования традиционного коммутатора с .

Кружочки на пересечениях линий представляют собой ключи, замыкая которые можно соединить i -й входной канал с j -м выходным. На каждой линии может быть только один замкнутый ключ. Такая схема коммутации называется TST (Time-Space-Time). Именно она преобладает сегодня при построении сетей ISDN. Магистральные каналы ISDN строятся в соответствии со стандартом T1.

Такая схема при числе входных и выходных каналов, равном . Число элементарных переключателей в таком трехкаскадном коммутаторе М равно

M = 2kN + k(N/n)2

Первое слагаемое характеризует число элементарных переключателей во входной и выходной секциях системы, а второе — число элементарных переключателей в k внутренних модулях. При N = 1000, n = 50 и k = 10 требуется 24000 элементарных переключателей вместо миллиона (но и число одновременно формируемых каналов становится много меньше 1000).

Второй каскад данного коммутатора имеет 8 входов, в случае прихода девятого вызова клиент получит сигнал "занято" (блокировка коммутатора) еще до завершения набора телефонного номера. Для увеличения числа одновременно обслуживаемых запросов можно увеличить число коммутирующих устройств во втором каскаде. В 1953 году Клос показал, что при k = 2n -1 блокировка коммутатора не будет происходить никогда. Существуют решения, которые теоретически могут приводить к блокировке, но с очень малой вероятностью.

Совершенно другим типом коммутатора является переключатель с разделением по времени. Будем считать, что такой коммутатор имеет показана структура такого коммутатора. Во входном кадре временные домены пронумерованы от 0 до 5 ( n = 5 ). Последовательность бит с i -го входного канала с помощью мультиплексора TDM (изображен в левой части рисунка) помещается в i -й временной домен входного кадра. Входной кадр заносится в буфер коммутатора. В коммутаторе формируется таблица перекодировки ( lookup-таблица ), которая определяет, какому временному домену в выходном потоке будет соответствовать тот или иной домен во входном кадре. В сущности, эта таблица решает, на какой выходной канал попадут данные, пришедшие по заданному входному каналу. Если вы думаете, что ранее не сталкивались с такого рода таблицами, то это заблуждение.

Первая lookup-таблица, с которой вы познакомились в вашей жизни, была таблицей умножения. Ведь она является таблицей соответствия, и вы реально не производите никаких арифметических действий, пользуясь ей. Когда нужно определить, чему равно 5 x 5, мы не производим умножение, а извлекаем результат непосредственно из памяти.

С помощью таблицы перекодировки формируется выходной кадр. На рис 2.22 коммутатор связывает нулевой входной канал с 4-м выходным каналом, первый входной канал с 5-м выходным и т.д. Выходной демультиплексор (изображен справа) преобразует номер временного домена выходного кадра в номер выходного канала. Так, временной домен с номером 4 попадет в 4-й выходной канал. В сущности, здесь с помощью пакетной методики осуществляется коммутация каналов.

В процессе работы коммутатор должен запоминать n кодов, соответствующих временным доменам, а затем считывать их снова в пределах одного периода, равного по длительности 125 мкс. Если каждая ячейка памяти имеет время доступа t мкс, то для всей этой процедуры потребуется 2nt мкс ( 2nt = 125, что означает n = 125/2t ). По этой причине с 100-наносекундной памятью можно реализовать коммутатор на 625 каналов. На основе данной схемы можно реализовать многокаскадный коммутатор на много большее число каналов.

При цифровой передаче данных желательно максимально эффективно использовать имеющуюся полосу пропускания. Одним из способов повышения эффективности является сжатие данных (архивация) на входе канала и обратное преобразование со стороны приемника.

Существуют методы сжатия с потерей части информации и без потери. Потеря части данных иногда допустима при передаче звука или изображения. Во всех остальных случаях (например, при передаче исполняемой программы) потеря данных недопустима. К числу методов сжатия без потери данных относятся алгоритмы Зива-Лемпеля, Хаффмана и Барроуза-Виллера.