Понятие физического уровня OSI. Типы соединений: двухточечное и многоточечное. Топология сети (общая шина, звезда, кольцо, сотовая топология). Сигналы передачи данных – аналоговые и цифровые. Битовая синхронизация: асинхронная передача и синхронная передача. Полоса частот: монополосная передача и широкополосная. Мультиплексирование: с разделением времени и со статическим разделением времени.
Введение
Протоколы физического уровня отвечают за передачу битов. На данном уровне описываются:
1. Физические структуры сети
2. Механические и электрические спецификации для использования носителя передачи данных
3. Кодирование передачи битов и синхронизация битов
На физическом уровне не описывается среда передачи данных. Однако протоколы физического уровня предусматривают определенную среду передачи данных. К физическому уровню OSI относится следующее соединительное оборудование:
- Концентраторы и повторители, которые регенерируют электрические сигналы
- Разъемы носителя для передачи данных, обеспечивающие аппаратный интерфейс между носителем и устройствами
- Модемы и кодеки, которые осуществляют цифровые и аналоговые преобразования.
Уровень OSI Темы Методы
Физический (Physical) Тип связи (connection type) Одноточечное (прямое) (point-to-point)
Многоточечное (multipoint)
Физическая топология (physical topology) Шина (bus)
Кольцо (ring)
Звезда (star)
Сетка (mesh)
Соты (cellular)
Цифровые сигналы (digital signaling) Кодирование уровнем (current state)
Кодирование фронтом (state transition)
Аналоговые сигналы (analog signaling) Кодирование уровнем (current state)
Кодирование фронтом (state transition)
Синхронизация битов (bit synchronization) Асинхронная
Синхронная
Полоса частот Передача в основной полосе частот (baseband)
Широкополосная (broadband)
Мультиплексирование с разделением частот (FDM)
с разделением времени (TDM)
со статистическим разделением времени (StatTDM)
Тип связи
В компьютерных сетях используются одноточечные (point-to-point) и многоточечные (multipoint) типы связи. Тип связи описывает, какое количество сетевых устройств могут быть подключены к одному сегменту кабеля или к одной среде передачи.
Одноточечная связь
Одноточечная связь – это прямое соединение двух устройств. Например, это соединение принтера и компьютера. Другой пример – микроволновая наземная связь между двумя антеннами. Сегодня такой вид связи наиболее часто ассоциируется с модемными соединениями, но одноточечная связь – это прямая связь любых двух устройств. Так как в процессе связи участвуют два устройства, каждому устройству гарантируется необходимая ширина полосы пропускания частот или пропускная способность.
Многоточечная связь
Многоточечная связь (также называемая multidrop) используется для соединения трех и более устройств. Исторически, многоточечная связь была реализована в централизованных вычислительных системах (один главный компьютер и несколько терминалов). В современных сетях топологии шина, звезда и сотовая также опираются на многоточечное соединение.
Многоточечная связь разделяет общую полосу пропускания частот на все устройства, участвующие в соединении.
Физическая топология
Все компьютерные сети используют либо многоточечную либо одноточечную связь. Однако в сети выделяют физическую структуру среды передачи данных и называют ее физической топологией.
При выборе той или иной физической топологии необходимо оценивать сложность следующих операций: установки, изменения конфигурации, нахождения неисправностей в сети и отказоустойчивость сети.
Топология «шина»
Физическая топология шина как правило использует один длинный кабель, называемый магистралью (backbone). К магистрали могут быть присоединены отводки (drop cables) через специальные разъемы (cable taps). Эти специальные разъемы разделяют электромагнитный сигнал. Однако обычно компьютеры напрямую подсоединяются к магистрали используя T-соединитель. Чтобы предотвратить отражения сигнала, на концах магистрали должны быть установлены терминаторы.
В большинстве сетей на основе шинной топологии пакет передается по всей сети. Но информацию принимает только то устройство, чей адрес указан в пакете. В каждый момент времени только один компьютер может вести передачу, поэтому интенсивный сетевой трафик снижает производительность сети. К тому же, компьютеры не координируют момент передачи сигнала и часто прерывают друг друга.
Шина – пассивная топология. Компьютеры только «слушают» передаваемые по сети данные но не перемещают их от отправителя к получателю. Если один компьютер выйдет из строя, это не скажется на работоспособности сети. В активных топологиях компьютеры регенерируют сигналы и передают их по сети.
Произведем оценку шинной топологии по четырем параметрам.
Простота установки. Шинную топологию сравнительно несложно устанавливать. Нужно проложить магистральный кабель через выбранные точки. Так как обычно магистраль прокладывается при условии максимально кратчайшего расстояния до каждого устройства, расход кабеля получается меньше чем в других топологиях. Однако физические и электрические свойства кабеля накладывают свои ограничения.
Например, при прохождении сигнала через разъем (tap) часть сигнала остается на магистрали, а другая часть проходит через отводок и небольшое количество отражается обратно. Поэтому в шинной топологии ограничено число подключаемых разъемов и минимальное расстояние между ними для поддержания работоспособности сети. Было разработано несколько специальных протоколов, чтобы преодолеть эти недостатки и сделать установку сети максимально простой.
Простота изменения конфигурации. Так как шинная топология опирается на минимизацию расхода кабеля и в силу существующих ограничений на расстояние между разъемами изменение конфигурации шинной топологии достаточно трудоемко. При достижении максимально возможного числа подключений магистраль должна быть перестроена. Но в небольших сетях шинная топология легко может быть расширена.
Простота нахождения неисправностей в сети. Для нахождения неисправности необходимо обнаружить и изолировать неисправный сегмент. Поскольку шинная топология базируется на одном кабеле – магистрали, нелегко найти неисправный сегмент.
Отказоустойчивость сети. Неисправность магистрали приводит к полному отказу сети по двум причинам: во-первых, при разрыве кабеля сигнал отражается от места разрыва и создает помехи, и во-вторых, сеть разделяется и компьютеры уже не могут передавать информацию в отделившуюся часть сети.
Ниже приведена таблица преимуществ и недостатков топологии шина
Преимущества Недостатки
Использует устоявшиеся стандарты, относительно проста в установке, хорошо работает в маленьких сетях Трудоемкое изменение конфигурации, особенно если длина сегмента или количество соединений близки к предельному значению
Меньший расход кабеля по сравнению с другими топологиями Поиск неисправностей в сети затруднен
Неисправность кабеля приводит к потере работоспособности всей сети
Интенсивный сетевой трафик снижает производительность сети
Топология «кольцо»
Как становится понятным из названия, данная топология основывается на кольце (или на закрытой петле одноточечных соединений). Каждое устройство либо напрямую входит в кольцо, либо подсоединяется к нему через специальный интерфейс или отводок (drop cable).
Обычно электрические сигналы передаются от одного устройства к другому в одном направлении. Каждое устройство включает в себя приемник для входящего кабеля и передатчик для исходящего кабеля. Соответственно на устройстве происходит регенерация передатчиком принятого сигнала и передача его следующему устройству в кольце, если пакет не адресован данному компьютеру. Если сообщение адресовано данному компьютеру, то оно принимается а адресату отправляется подтверждение. То есть кольцо – активная топология. Так как конца в такой сети нет, то и никаких терминаторов не требуется.
Для управления доступом к сети применяется метод маркерной (token) передачи, при которой маркер с подтверждением доставки информации возвращается отправителю. После этого отправитель передает маркер следующему узлу сети. Если этот узел не располагает информацией для передачи, то маркер будет передан следующему узлу и т.д. Когда маркер достигнет узла, имеющего готовый к передаче пакет, то этот узел захватит маркер и отправит свой пакет вместе с маркером. В кольце диаметром 200 м маркер может циркулировать с частотой 10000 оборотов в секунду.
В некоторых сетях циркулирует сразу несколько маркеров. В других сетях применяются два кольца, для циркуляции маркеров в противоположных направлениях, что повышает отказоустойчивость сети.
Кольцевая топология применяется в сетях, требующих резервирования определенной части полосы пропускания для критичных по времени средств (например, для передачи видео и аудио), в высокопроизводительных сетях, а также при большом числе обращающихся к сети клиентов (что требует ее высокой пропускной способности).
Простота установки. Начальная установка кольца достаточно проста. Так как требуется замкнутая петля, кольцевая топология требует большего расхода кабеля в отличие от шинной. При проектировании кольца также требуется уделять внимание максимальной длине одного сегмента. Однако, так как обычно кольцо передает данные в одном направлении, на этой топологии не сказывается эффект отражения сигнала.
Простота изменения конфигурации. По мере роста узлов кольца, его становится все труднее изменять. Сегмент кольца может быть либо разделен для подключения каждого нового устройства. В кольце уже можно не учитывать минимальное расстояние между подключенными устройствами, но существуют ограничения как на максимальную длину кольца так и на максимальное число подключенных устройств.
Простота нахождения неисправностей в сети. Так как в каждом подключенном устройстве находится повторитель (repeater), можно легко найти сбойный участок кабеля, так как следующее за сбойным участком устройство не будет получать сигнал и сможет сигнализировать об ошибке.
Отказоустойчивость сети. Большинство сетей используют одно кольцо. Отказ устройства в таком кольце приводит к неработоспособности всей сети.
Однако в двойном кольце при повреждении кабель связь может идти по второму кольцу, что повышает отказоустойчивость сети.
Ниже приведена таблица преимуществ и недостатков топологии шина
Преимущества Недостатки
Можно легко найти неисправный участок кабеля Более трудоемка в установке и изменении конфигурации чем топология шина
Использование двойного кольца повышает отказоустойчивость сети При использовании одного кольца повреждение одного участка ведет к неработоспособности всей сети
Так как всем компьютерам предоставляется равный доступ к маркеру, ни один из них не может монополизировать сеть. Количество пользователей мало влияет на производительность сети. В некоторых случаях трудно локализовать неисправность в сети
Топология «звезда»
В топологии звезда сетевые устройства подключаются к центральному устройству через индивидуальные сегменты кабеля. Таким образом осуществляется одноточечное соединение с центральным устройством, которое называют хаб или концентратор. Также с помощью топологии звезда можно организовывать древовидную структуру сети, если соединить концентраторы между собой определенным образом.
В топологии звезда электрический сигнал передается по сегменту кабеля от сетевого устройства к хабу. Хаб пересылает сигнал на остальные сегменты. Хаб может передавать пакет на все сегменты (активный хаб) или только на сегмент получателя (интеллектуальный хаб).
Простота установки. Топология «звезда» отличается средней сложностью установки. Структура сети не сложная, но для каждого устройства требуется прокладка индивидуального сегмента. Поэтому при использовании топологии «звезда» требуется больше кабеля чем в топологии «шина» или «кольцо».
Простота изменения конфигурации. Конфигурацию сети звездообразной топологии можно легко изменять. Для добавления устройства достаточно добавить сегмент кабеля к концентратору. При удалении или изменении местоположения устройства также требуется изменение конфигурации только одного сегмента.
Простота нахождения неисправностей в сети. Так как все данные проходят через центральное устройство, можно легко обнаружить и изолировать неисправный участок. При использовании топологии «звезда» возможна организация иерархической структуры сети, что увеличивает ее гибкость.
Отказоустойчивость сети. Топология «звезда» отличается хорошей отказоустойчивостью. При возникновении ошибки в сети можно легко найти и изолировать неисправный сегмент с помощью концентратора. При повреждении сегмента теряется связь только устройств, принадлежащих данному сегменту. Однако выход из строя концентратора может повлиять на работоспособность всей сети.
Ниже приведена таблица преимуществ и недостатков топологии шина
Преимущества Недостатки
Можно легко найти неисправный сегмент, возможность его автоматической изоляции Значительный расход кабеля
Сеть легко расширять и изменять ее конфигурацию Отказ концентратора может повлиять на работоспособность всей сети
Использование интеллектуальных концентраторов позволяют управлять сетью
В одной сети позволяется применение нескольких типов кабеля
Топология «сетка» (полносвязная топология)
При использовании топологии «сетка» каждое устройство сети осуществляет одноточечное соединение с каждым устройством.
Так как каждое устройство требует наличия интерфейса для остальных устройств, такая сеть редко используется на практике. Кроме того, если устройство не общается сразу со всеми остальными устройствами, большая часть пропускной способности такой сети теряется. Однако такая структура сети отличается высокой отказоустойчивостью и всегда можно гарантировать определенную пропускную способность между двумя устройствами.
На практике обычно в сетях со смешанной топологией используются только элементы топологии «сетка». Если в организации находится 4 или 5 важных сервера, между ними устанавливается топология «сетка» чтобы гарантировать работоспособность сети в случает отказа какого-либо сегмента.
Простота установки. Топологию «сетка» сложно устанавливать, так как нужно соединить каждое устройство с каждым. При росте числа устройств, сложность установки возрастает в геометрической прогрессии.
Простота изменения конфигурации. Изменение конфигурации сети с топологией «сетка» также является трудоемким по тем же причинам.
Простота нахождения неисправностей в сети. В такой топологии сравнительно просто найти и изолировать неисправный сегмент, так как все сегменты являются независимыми.
Отказоустойчивость сети. Сети на основе топологии «сетка» отличаются высокой отказоустойчивостью, так как существует несколько вариантов прохождения сигнала от устройства к устройству. При отказе сегмента, сигнал может быть перенаправлен в обход сбойного участка. Теоретически, повреждение одного сегмента не нарушает работу сети. Однако, при перенаправлении трафика может снизиться скорость работы тех сегментов, которые будут пропускать этот дополнительный трафик.
Ниже приведена таблица преимуществ и недостатков топологии шина
Преимущества Недостатки
Можно легко найти и изолировать неисправный сегмент Сложна в установке и изменении конфигурации
Очень высокая отказоустойчивость при существовании резервов на прохождение дополнительного трафика Требует большого расхода кабеля
Можно гарантировать определенную пропускную способность между устройствами
Сотовая топология
При использовании сотовой топологии применяются беспроводные одноточечные и многоточечные соединения. Физическая область пространства разделяется на соты. Устройства, находящиеся в пределах соты, связываются с центральным устройством или концентратором. Концентраторы связаны между собой и образуют сетевую инфраструктуру.
Так как данная топология использует беспроводные технологии, то не требуется использования кабеля. Структура такой сети зависит от мест расположения концентраторов. Самое важное отличие таких сетей от кабельных – устройство может перемещаться из одной соты в другую (roam) без потери связи.
Простота установки. Сложность установки сети на основе сотовой топологии зависит от сложности установки концентраторов. Если существует место для их размещения, то установка не будет сложной. Если такого места нет, придется либо добавлять оборудование (для WAN), либо производить перепланировку помещений (для LAN). Устройство клиента для получения связи может находиться в любой ячейке, поэтому для него не требуется какая-либо дополнительная установка.
Простота изменения конфигурации. Беспроводные сети не требуют изменения конфигурации при добавлении или перемещении пользователя внутри области действия сети. Пользователь может работать в зоне действия любого концентратора.
Простота нахождения неисправностей в сети. Найти неисправность в клиентском устройстве достаточно просто, так как каждый концентратор производит независимую связь с устройством пользователя. Неисправности во взаимодействии концентраторов между собой немного более сложны в диагностике, но их также можно легко обнаружить и изолировать.
Отказоустойчивость сети. При неисправности концентратора, связь теряют все устройства в его зоне действия. Но достаточно несложно временно переместить устройства в зону действия другого концентратора.
Ниже приведена таблица преимуществ и недостатков топологии шина
Преимущества Недостатки
Не требует изменения конфигурации при добавлении или перемещении пользователя Высокая стоимость и относительно низкие скорости передачи данных. Низкая защита информации.
Можно легко найти и изолировать неисправность
Контрольное задание
1. Что описывается на физическом уровне модели OSI?
2. Какая топология является пассивной?
a. Шина
b. С передачей маркера
c. Кольцо
d. Сетка
3. Какое средство поможет удлинить кабель в сети с топологией шина?
a. Плата сетевого адаптера
b. Терминатор
c. Баррел-соединитель (бочоночного типа)
d. Адаптер для подключения носителя
4. Подтвердите или опровергните утверждение
a. Поскольку каждый компьютер в сети с топологией «шина» имеет адрес, то несколько компьютеров могут одновременно передавать данные по сети, которые дойдут до адресуемого компьютера.
b. В сети с шинной топологией кабель представляет собой проводник без активных электронных компонентов, усиливающих сигнал при передаче его от одного компьютера к другому. Таким образом, шинная топология является активной.
с. Пассивный концентратор регенерирует электрические сигналы и посылает их всем подключенным к нему компьютерам. Активный концентратор выполняет роль точки соединения, не усиливая и не регенерируя сигнал.
d. Ethernet 10BaseT – популярная сеть, основанная на шинной топологии
e. К звездообразной сети легко добавлять новые компьютеры и модифицировать ее, не нарушая остальной сети.
f. Прокладка кабеля в звездообразной сети обходится дороже, поскольку все сетевые кабели требуется протянуть в одну центральную точку. На это уходит больше кабеля чем в некоторых других топологиях.
g. Кольцевая топология является пассивной, так как каждый компьютер передает все, что он получает.
5. You are considering starting a training company that provides on-site classroom instruction to various businesses. Your service will include a temporary networked classroom environment. Assuming that the facilities do not have pre-installed wiring and that the classroom will use 10 or less computers, which topology would require the least equipment and be the easiest to set up and tear down. (Choose the best answer.)
A. Star
B. Bus
C. Ring
D. Mesh
6. If you must configure a network for three mission-critical servers and want to provide a highly fault-tolerant cabling scheme, which topology would you implement? (Choose the best answer.)
A. Star
B. Bus
C. Ring
D. Mesh
7. What connectivity device typically functions at the Physical layer of the OSI model?
a. a router
b. a bridge
c. a repeater
d. a gateway
8. When the computers on a network are connected to a cable that forms a loop, this topology is called a ring. Which of the following statements best describes a ring topology network?
a. It offers equal access for all computers.
b. It requires less cabling than a bus network.
c. It requires terminators to function properly.
d. It requires Category 5 UTP to function properly.
9. Which of the following best describes the purpose of the token in a Token Ring network?
a. The station that holds the token is allowed to transmit a message on the network.
b. The station that holds the token has the highest priority on the network.
c. A token contains information that is used to route messages between rings.
d. Multiple tokens can be passed along different paths to improve performance.
10. How does token passing prevent data collisions on a Token Ring network?
a. by having multiple tokens take alternate paths
b. by broadcasting the intent to transmit before sending data
c. by assigning a priority to each token and transmitting the highest priority token first
d. by allowing only one computer at a time to use the token
11. In a star topology, network traffic goes through a single connection point called a hub. Which of the following statements best describes a star topology?
a. It requires significantly more cabling than a bus topology.
b. It offers equal access to all computers by implementing the CSMA/CD access method.
c. It is more difficult to configure and troubleshoot than a ring topology.
d. It is less reliable than a ring topology because a break in a single cable segment can cause an entire network to fail.
12. Which topology should you implement on a corporate WAN that will rely on routers to determine the best path from multiple available paths?
a. bus
b. star
c. ring
d. mesh
Ответы.
2. a
3. c
4. - - - - + + -
5. B
6. D
7. C
8. A
9. A
10. D
11. A
12. D
Сигналы передачи данных
Сетевые устройства создают сигналы передачи данных с помощью электромагнитных импульсов. Передачей данных (signaling) называется способ пересылки данных в какой-либо среде. Изменение сигналов для передачи информации называется кодированием или модуляцией (encoding и modulation).
Существует два вида модуляции сигналов: аналоговая и цифровая. Соответственно различают два вида представления информации – в аналоговой и цифровой форме.
Оба вида модуляции представляют информацию через изменение характеристик электромагнитных сигналов (states). Характеристики аналоговых сигналов меняются непрерывно, цифровых сигналов – дискретно. (Пример – дискретность изменения значений цифровых часов и непрерывность движения стрелки в механических часах).
Цифровые сигналы
В компьютерных сетях цифровые сигналы модулируются с помощью изменения напряжения (потенциала). Обычно высокое напряжение соответствует 1, а низкое – 0. Однако некоторые системы могут использовать не два, а большее количество уровней напряжения. Существует две наиболее широко используемые схемы кодирования сигнала: кодирование уровнем (current state) и кодирование фронтом (state transition).
Кодирование уровнем
При кодировании уровнем данные представляются наличием или отсутствием характеристики. К примеру, отсутствие или наличие светового пучка в волоконно-оптической сети. Сетевые устройства периодически проверяют уровень сигнала в сети и в соответствии с уровнем присваивают 0 или 1. Кодирование уровнем используется в следующих схемах кодирования:
- однополярное (униполярное) (unipolar)
- полярное (polar)
- с возвратом к нулю (RZ – return to zero)
- двухфазное (biphase)
Кодирование фронтом
При кодировании фронтом для представления сигнала используются переходы сигнала, а не конкретный уровень его напряжения. Вместо измерения напряжения в таком случае можно измерять разницу напряжений. Сетевые устройства периодически проверяют уровень сигнала в сети и при изменении этого уровня присваивают 1, если не было изменения то 0. Кодирование фронтом используется в следующих схемах кодирования:
- биполярное кодирование с чередованием элементов (AMI, bipolar-alternative mark inversion)
- кодирование без возврата к нулю (NRZ, non-return-to-zero)
- манчестерский код (Manchester)
- дифференциальный манчестерский код (Differential Manchester)
- двухфазное пространственное кодирование (FM-0)
Преимущества и недостатки цифровых сигналов перечислены в следующей таблице:
Преимущества Недостатки
Более простое и дешевое оборудование Больший коэффициент затухания в отличие от аналоговых сигналов
Обычно такие сигналы более устойчивы к помехам
Аналоговые сигналы
Характеристики аналоговых сигналов меняются непрерывно. Для описания электромагнитных аналоговых сигналов используются три характеристики: амплитуда, частота и фаза.
Амплитуда определяет уровень сигнала или «высоту» волны на графике. Амплитуда может быть и положительной и отрицательной. Амплитуда измеряется в различных единицах (вольты, амперы и т.д.) в зависимости от измеряемой величины.
Частота – это величина, обратная периоду волны. Она измеряется в герцах – количестве полных колебаний в секунду.
Фаза показывает состояние одной волны относительно другой когда начинается отчет времени. Фаза измеряется в градусах. Например, сдвиг по фазе на полпериода – 180 градусов.
Все три перечисленные характеристики можно использовать для кодирования данных в аналоговом сигнале. Для аналоговых сигналов также применяется кодирование фронтом и уровнем сигнала.
Кодирование уровнем
При кодировании уровнем данные представляются наличием или отсутствием характеристики. Обычно для этого используется изменяющиеся по времени значения амплитуд и частот. Соответственно выделяют две схемы аналогового кодирования:
- амплитудную модуляцию (Amplitude-shift keying (ASK)
- частотную модуляцию (Frequency-shift keying (FSK)
При использовании амплитудной модуляции можно использовать значение амплитуды сигнала для передачи данных. Например, высокое значение амплитуды означает «1», а низкое – «0».
При использовании частотной модуляции вместо амплитуды сигнала используется значение его частоты. Например, одна частота означает «1», а другая – «0».
Сетевые устройства периодически измеряют характеристики сигнала и в зависимости от схемы кодирования присваивают сигналу логический «0» или «1».
Кодирование фронтом
При кодировании фронтом для представления сигнала используются переходы (сдвиги) между фазами сигнала. Такой метод еще называют фазовой модуляцией Phase-shift keying (PSK). Наличие или отсутствие перехода используется для представления данных.
Преимущества и недостатки аналоговых сигналов перечислены в следующей таблице:
Преимущества Недостатки
Позволяют использовать мультиплексирование Более восприимчивы к электромагнитным помехам
Имеют более низкий коэффициент затухания в отличие от цифровых сигналов
Битовая синхронизация
Как уже говорилось ранее, данные могут переданы с помощью цифровых или аналоговых сигналов через изменение характеристик сигнала. Приемник периодически опрашивает среду передачи и измеряет характеристики сигнала. Однако приемник должен знать, в какое время и как часто нужно опрашивать сеть для того чтобы правильно декодировать данные. Координация времени измерения сигнала называется битовая синхронизацией сигнала. Существуют два типа битовой синхронизации: асинхронная (asynchronous) и синхронная (synchronous). При любой передаче данных используется один из видов битовой синхронизации.
Асинхронная битовая синхронизация
При таком способе синхронизации пакеты данных должны начинаться со стартового бита, по которому запускается таймер приемника для синхронизации с таймером передатчика. Далее происходит непродолжительный прием информации до получения стопового бита. После этого приемник готов к приему следующего пакета данных. Когда данные не передаются, среда передачи простаивает, а таймеры приемника и передатчика не синхронизированы. Асинхронная передача относительно недорогая в применении схема и ее использует большинство современных модемов.
Синхронная битовая синхронизация
При таком виде синхронизации применяются другие способы согласования таймеров передатчика и приемника. Существуют следующие способы:
- гарантированное изменение состояния (guaranteed state change)
- отдельный сигнал синхронизации (separate clock signal)
- избыточный замер (oversampling)
В случае использования способа гарантированного изменения состояния, синхронизирующий сигнал встраивается в сигнал передачи данных. Таким образом происходят изменения в сигнале через определенные интервалы. Эти изменения позволяют приемнику настроить свой внутренний таймер. Такой метод часто используется в передаче данных.
Некоторые системы связи используют два раздельных носителя для передачи данных в случае использования отдельного сигнала синхронизации. По одному носителю передаются непосредственно биты информации, по другому носителю – информация синхронизации. Таймер приемника синхронизируется в соответствии с полученной информацией. Такой метод наиболее эффективен только на коротких дистанциях, например при связи принтера и компьютера через кабель RS-232. На больших расстояниях этот метод неэффективен, так как требуется два носителя для передачи информации. К тому же при разных характеристиках носителя может происходить сбой синхронизации на больших расстояниях.
При использовании избыточного замера приемник опрашивает сигнал с более высокой частотой чем скорость передачи данных. Такой метод позволяет синхронизировать данные без дополнительного изменения сигнала. Например, при передаче данных на скорость 10 Mbps приемник должен замерять сигнал 100 миллионов раз в секунду. На каждых 10 измерениях одно дает информацию о бите данных, остальные девять позволяют синхронизировать таймер приемника.
Полоса частот (bandwidth)
Для рассмотрения полосы частот необходимо ввести определение канала (channel) – это часть пропускной способности носителя. Например, при носителе 10 Mbps можно создать 2 канала по 5 Mbps. Существует два способа разделения пропускной способности на каналы.
- передача в основной полосе частот (baseband)
- широкополосная передача (broadband)
Каждый из этих способов обеспечивает разную пропускную способность сети.
При использовании передачи в основной полосе частот используется вся полоса частот для одного канала. В таком виде передаче может использоваться как аналоговая, так и цифровая модуляция, но чаще всего используется цифровая. Хотя, казалось бы, в один момент времени может передаваться только один сигнал, но с помощью использования технологий мультиплексирования (мультиплексирование с разделением времени) может осуществляться передача нескольких сигналов. При использовании передачи в основной полосе частот сигнал можно более надежно декодировать чем при широкополосной передаче. Каждое устройство в сетях с таким типом передачи может посылать данные в обоих направлениях, а некоторые могут одновременно и передавать их, и принимать.
При широкополосной передаче полоса частот разделяется на несколько каналов. Каналы создаются с помощью специальной технологии мультиплексирования (мультиплексирование с разделением частот). При использовании аналоговой модуляции можно вести несколько параллельных сеансов связи по одному кабелю. Например – кабельное телевидение. Сигналы передаются в физической среде только по одному направлению. Поэтому для приема и передачи данных требуется два канала. Повторители, которые используют при такой передаче, называют усилителями (amplifiers).
Мультиплексирование
В одном сегменте носителя можно создать несколько каналов с помощью технологии мультиплексирования. Если в среде передачи существует неиспользованный резерв пропускной способности, то с помощью мультиплексирования можно добавить новые каналы не добавляя новые носители. Также несколько каналов с низкой пропускной способностью можно объединить в один с высокой. Устройства, производящие операцию мультиплексирования называются мультиплексорами (MUX).
Различают три метода мультиплексирования
- с разделением частот (Frequency-Division Multiplexing (FDM)
- с разделением времени (Time-Division Multiplexing (TDM)
- со статистическим разделением времени (Statistical Time-Division Multiplexing (StatTDM)
При использовании мультиплексирования с разделением частот для каждого канала в носителе используются свои частоты. Мультиплексор создает несущие сигналы разной частоты. Один мультиплексор накладывает данные на несущие сигналы, а мультиплексор – получатель декодирует их. Такой способ мультиплексирования используется в широкополосной передаче для разделения трафика, идущего по различным направлениям в одном сегменте или для передачи различных видов данных, например видео и аудиоинформации.
При использовании мультиплексирования с разделением времени каждому каналу выделяются короткие промежутки времени, в течение которых по носителю может идти передача битов канала. Этот способ мультиплексирования используется при передаче в основной полосе частот. Либо его можно использовать на одном из каналов при мультиплексировании с разделением частот.
Так как промежутки времени и порядок их чередования заранее определены, то такое мультиплексированием с разделением времени часто называют синхронным. При этом некоторые временные интервалы могут оставаться незаполненными. Чтобы решить эту проблему, используют мультиплексирование со статистическим разделением времени. Здесь мультиплексор динамически выделяет временные интервалы для каналов, и в каждый интервал помещается идентификатор для правильного приема данных.
Заключение
Протоколы физического уровня отвечают за передачу битов. На данном уровне описываются: физические структуры сети, механические и электрические спецификации для использования носителя передачи данных, кодирование передачи битов и синхронизация битов.
В данной теме изучались следующие разделы:
Тип связи
Физическая топология
Цифровые сигналы
Аналоговые сигналы
Синхронизация битов
Полоса частот
Мультиплексирование
Игра по занятию
Нарисуйте квадрат 4Х4 клетки и расставьте в них любые числа в произвольном порядке от 1 до 24. Ниже на каждую цифру приведен термин. Преподаватель называет определение термина, вы вычеркиваете цифру из квадрата, соответствующую термину . Победит тот, кто первым вычеркнет четыре цифры в одном ряду в произвольном направлении.
1. Connection Types 13. Cellular
2. State Transition 14. Baseband
3.TDM 15.FDM
4. Star 16. Digital Signaling
5. Asynchronous 17.Bus
6. Point-to-point 18. Bandwidth Use
7. Broadband 19.Current State
8. Ring 20. Physical Topology
9. Synchronous 21. Multipoint
10. Mesh 22. Bit Synchronization
11. StatTDM 23. Analog Signaling
12. Multiplexing 24. Amplifier