Значительная протяженность линий связи затрудняет возможность обмена отдельными сигналами между ЭВМ и оконечным оборудованием. Поэтому взаимодействие ЭВМ и оконечного оборудования организуется с помощью сообщений – блоков данных, передаваемых в виде единого целого. Сообщения имеют специальную структуру, обеспечивающую представление в них наряду с собственно данными служебной информации, необходимой для идентификации сообщения и защиты данных от искажений. Возможность взаимодействия абонентов с ЭВМ только посредством сообщений вносит определенную специфику в организацию программного обеспечения телеобработки.
14.2. КАНАЛЫ СВЯЗИ [50, 51]
Аппаратура линий связи. Формирование сигналов для передачи по линии связи осуществляется аппаратурой передачи данных (Data Circuit terminating Equipment). Примерами DCE являются модемы. Подготовка данных для передачи осуществляется оконечным оборудованием данных (Data Terminal Equipment). Для усиления сигнала, проходящего через линию, а также для организации совместного использования линий связи (мультиплексирования и коммутации) может использоваться дополнительное оборудование.
Хотя сами сигналы в линиях связи всегда являются аналоговыми (непрерывными или кусочно-непрерывными), в зависимости от способа передачи данных линии связи делятся на цифровые и аналоговые. В цифровых линиях данные представляются сигналами, имеющими конечное число состояний, т.е. информация заключена в значениях сигнала в определенные моменты времени, причем сигнал может принимать конечное число значений. В аналоговых линиях используются сигналы с непрерывным диапазоном своих значений.
При передаче данных в аналоговой форме сигналы имеют более узкий спектр, поэтому их используют в линиях связи с узкой полосой пропускания, например в телефонных сетях. Цифровые сигналы имеют высокую скорость передачи данных, но более широкий спектр.
Характеристики линий связи. Основные характеристики канала связи – пропускная способность и достоверность передачи данных. Пропускная способность канала (количество информации, передаваемое в единицу времени) оценивается числом бит данных, передаваемых по каналу за единицу времени (в бит/с). Достоверность передачи данных оценивается по интенсивности битовых ошибок (Bit Error Rate), определяемой вероятностью искажения передаваемого бита данных. Величина BER для каналов связи без дополнительной защиты от ошибок составляет 10-4 – 10-6. Основная причина искажений – воздействие помех на линию связи. Помехи, как правило, носят импульсный характер и имеют тенденцию к группированию – образованию пачек помех, искажающих сразу группу соседних бит в передаваемых данных.
Пропускная способность канала связи определяется полосой частот и помехоустойчивостью канала. Полоса частот, в которой амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) линии связи имеет значение не ниже заданного (например, по уровню 0.5) называется полосой пропускания. Полоса частот DF = fв-fн, где fн и fв – нижняя и верхняя границы частот, определяет диапазон частот, эффективно передаваемых по линии. Полоса частот зависит от типа линии и ее протяженности. Проводные линии связи имеют полосу частот примерно 10 кГц, кабельные – 100 кГц, коаксиальные – 100 МГц, радиорелейные – 1000 МГц, волоконно-оптические – 100 ГГц. Коротковолновая радиосвязь для передачи данных использует диапазон частот от 3 до 30 МГц.
Помехоустойчивость линии зависит от мощности помех, создаваемых в линии внешней средой или возникающих в самой линии. Обычно для уменьшения помех проводники экранируют или скручивают. Наименее помехоустойчивыми являются радиолинии, хорошей помехоустойчивостью обладают кабельные линии, отличной – волоконно-оптические линии, не восприимчивые к электромагнитному излучению.
Пропускная способность канала зависит от ширины полосы частот линии связи и отношения мощностей сигнала и шума. Математически эта связь описывается формулами Шенона (14.2.1) и Найквиста (14.2.2). Максимальная пропускная способность канала, построенного на основе линии с полосой частот DF и отношением сигнал-шум Рс/Рш, составляет (бит в секунду):
Сmax = DF log2(1+ Рс/Рш). (14.2.1)
Значение (1+Рс/Рш) определяет число уровней сигнала, которое может быть воспринято приемником. Так, если отношение Рс/Рш>3, то единичный сигнал может переносить четыре значения, т. е. 2 бита информации.
С=F log2(M), (14.2.2)
где М – число различимых состояний сигнала.
Практическая пропускная способность канала зависит от способа физического кодирования информации. При этом стремятся выбрать способ кодирования таким, чтобы максимально использовать возможности линии. Возможность применения на линии того или иного способа кодирования определяется полосой пропускания и затуханием сигнала. Затухание - это отношение амплитуд входного и выходного сигналов на заданной частоте для определенной длины линии связи, выражается в децибелах и вычисляется по формуле A=20log10(Aвых/Aвх).
При передаче данных широко используются двоичные сигналы, принимающие значения 0 и 1. Минимальная длительность такта, с которой могут передавался сигналы по каналу с полосой частот DF, равна Tmin = 1/(2DF). Если вероятность искажения символов 0 и 1 из-за помех одинакова и равна p, то число двоичных символов, которые можно безошибочно передать по каналу в секунду:
C = 2DF[1 + p log2 p + (1-p) log2(1-p)]. (14.2.3)
Это выражение определяет пропускную способность двоичного канала. Величина в квадратных скобках определяет долю двоичных символов, которые передаются по каналу с частотой 2DF без искажений. Если помехи отсутствуют, вероятность искажения символа р=0 и пропускная способность C=2DF. Если вероятность искажения р=0,5, то пропускная способность С=0. Если по каналу передается сообщение длиной n двоичных символов, то вероятность появления в нем m ошибок P(n, m)=.
Телефонный канал имеет полосу пропускания 3,1 кГц (диапазон частот 0,3-3,4 кГц). Коммутируемый телефонный канал обеспечивает скорость передачи данных С=1200 бит/с, некоммутируемый – до 9600 бит/с.
Стандартизированы следующие скорости передачи данных по каналам связи: 200, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 12000, 24000, 48000 и 96000 бит/с. Каналы с пропускной способностью до 300 бит/с называются низкоскоростными, от 600 до 4800 бит/с – среднескоростными, и с большей пропускной способность – высокоскоростными.
Пропускная способность зависит не только от физического кодирования, но и от предварительного логического кодирования, которое заключается в предварительной подготовке данных, влияющей на ширину спектра итогового сигнала.
Типы кабелей. В компьютерных сетях применяются кабели, соответствующие стандартам. Наиболее употребительным является международный стандарт ISO/IEC 11801. В стандартах должны быть регламентированы следующие основные характеристики кабелей:
· Затухание (в дБ/м).
· Устойчивость кабеля к внутренним источникам помех. Если в кабеле проложены две пары проводов, одна из которых используется для передачи, а другая для приема, то возникают перекрестные наводки. Для оценки перекрестных наводок используется показатель NEXT (Near End Cross Tolk), рассчитываемый по формуле 20log10(Aвых/Aвх), где Aвых и Авх – амплитуды выходного и наведенного входного сигналов.
· Импеданс (волновое сопротивление) – эффективное входное сопротивление кабеля для переменного тока. При изменении напряжения реакция системы зависит не только от нагрузки на удаленном конце кабеля, а от эффективного сопротивления, которое определяется погонной емкостью и индуктивностью кабеля. Если нагрузка на кабеле не совпадает с его волновым сопротивлением (кабель рассогласован), то в кабеле возникают отражения сигнала от нагрузки (вплоть до возникновения стоячей волны при большом сопротивлении нагрузки), что приводит к невозможности передачи данных. Для обеспечения согласования необходимо, чтобы кабели в сети и концевые нагрузки имели одинаковое волновое сопротивление.
· Уровень внешнего электромагнитного излучения в проводнике, характеризующий помехозащищенность кабеля, то есть степень ослабления внешних помех от различных источников (линий электропередачи, средств связи, оргтехники и бытовой техники, электромоторов).
Наиболее широкое применение находят следующие типы кабелей.
Неэкранированная витая пара UTP является наиболее употребительной в локальных сетях и подразделяется по категориям. Кабели категории 3 и 4 имеют рабочий диапазон до 16 и 20 МГц, предназначены для передачи данных со скоростью до 10 и 15 Мбит/с. Кабели категории 5 - наиболее распространенный вид, ориентированы на рабочий диапазон до 100 МГц. Кабели категорий 6 и 7 имеют рабочий диапазон 200 и 600 МГц и лучшие характеристики затухания и помехозащищенности, но используются редко из-за своей дороговизны. Волновое сопротивление кабелей витой пары составляет 100 Ом. Все кабели выпускаются в 4-парном исполнении.
Экранированная витая пара STP имеет лучшие характеристики по сравнению с неэкранированной. Основным стандартом, определяющим параметры кабелей данного типа, является стандарт фирмы IBM, в котором кабели разделены на девять типов.
Коаксиальные кабели широко используются не только в компьютерных сетях, но и для передачи ВЧ телевизионных сигналов.
Кабель RG-8 и RG-11 – «толстый» коаксиальный кабель, имеет волновое сопротивление 50 Ом и внешний диаметр 2.5 см. Это дорогой кабель с высокими характеристиками.
Кабели RG-58/U (сплошной тонкий проводник), RG-58 A/U (многожильный проводник) и RG-58 C/U, RG-59 – тонкие коаксиальные кабели с волновым сопротивлением 50 Ом.