Сетевые технологии, каналы связи и их основные характеристики.

Ц ели:

Обучать основам сетевых технологий.

Развивать познавательный интерес.

Воспитывать информационную культуру.

П роверка домашнего задания.

Х од урока:

Сетевая технология - это согласованный набор стандартных протоколов и программно-аппаратных средств (например, сетевых адаптеров, драйверов, кабелей и разъемов), достаточный для построения вычислительной сети.
Сегодня Интернет – это объединение большого количества сетей. Каждая сеть состоит из десятков и сотен серверов. Серверы соединены между собой напрямую различными линиями связи: кабельными, наземной радиосвязью, спутниковой радиосвязью. К каждому серверу подключается большое количество компьютеров и локальных компьютерных сетей, которые являются клиентами сети. Клиенты могут соединяться с сервером не только по прямым линиям, но и по обычным телефонным каналам.
Каналами связи называют технические средства, позволяющие осуществлять передачу данных на расстоянии. В рассматриваемом нами контексте каналами связи будем называть средства установления связи для передачи информации между удаленными компьютерами . В качестве технических средств передачи информации могут использоваться обычные каналы связи (телефонные, телеграфные, спутниковые и т. д.). Сейчас более прогрессивными средствами считаются каналы связи, построенные специально для передачи цифровой информации. К таковым относятся, например, оптоволоконные сети.

Основными характеристиками каналов связи являются пропускная способность и помехоустойчивость . Пропускная способность отражает способность канала передавать заданное количество сообщений за единицу времени. Данный параметр зависит от физических свойств канала связи. Другими словами, пропускная способность - это объем данных, передаваемых модемом в единицу времени, без учета дополнительной служебной информации, например стартового и стопового битов, начальных конечных записей Стоков и т. д.
Помехоустойчивость задает параметр уровня искажения передаваемой информации. Для того чтобы избежать изменения или потери информации при ее передаче, используют специальные методы, позволяющие сократить влияние шумов.

Классификация компьютерных каналов связи:

по способу кодирования: цифровые и аналоговые ;

по способу коммуникации: выделенные (постоянное соединение) и коммутируемые (временное соединение);

по способу передачи сигнала: кабельные (витая пара, коаксиальный кабель, оптико-волоконные, оптические (световоды), радиорелейные, беспроводные, спутниковые; телефонные , радио (радиорелейные, спутниковые).

Витая пара состоит из двух изолированных проводов, свитых между собой. Скручивание проводов уменьшает влияние внешних электромагнитных полей на передаваемые сигналы.

Коаксиальный кабель по сравнению с витой парой обладает более высокой механической прочностью, помехозащищённостью.

Оптоволоконный кабель - идеальная передающая среда, он не подвержен действию электромагнитных полей и сам практически не имеет излучения.

Линии связи:
Радиорелейные линии связи (РРЛ) предназначены для передачи сигналов в диапазонах дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн. Передача ведется через систему ретрансляторов, расположенных на расстоянии прямой видимости.

Беспроводное сетевое оборудование предназначено для передачи по радиоканалам информации между компьютерами, сетевыми и другими специализированными устройствами.

Спутниковые линии связи работают в 9 - 11 диапазонах частот и, в перспективе, в оптических диапазонах. В этих системах сигнал с земной станции посылается на спутник, содержащий приемопередающую аппаратуру, там усиливается, обрабатывается и посылается обратно на Землю, обеспечивая связь на большие расстояния и перекрывая большие площади.

Каналы связи делятся на симплексные и дуплексные . В одном случае информация передается только в одном направлении, что является менее эффективным средством. В другом случае информация передается в двух направлениях, причем одновременно могут передаваться несколько сообщений.

В качестве физического процесса, осуществляющего передачу данных на расстоянии, используют сигналы . На этот процесс могут влиять различные явления, создающие помехи (например, это может быть напряжение постороннего происхождения, появляющееся в каналах связи и ограничивающее дальность передачи полезных сигналов).

В зависимости от источника возникновения и от характера их воздействия помехи делятся на:

собственные помехи канала связи;

взаимные , создаваемые влиянием каналов друг на друга;

внешние - от посторонних электромагнитных полей.

Практика показала, что избавление от шумов (помех) невозможно из-за естественных (неустранимых) причин их возникновения. Тогда была предложена идея поиска возможности защиты в самом передаваемом тексте (К.Э. Шеннон). Наилучшим способом стало использование избыточного кода. Функция защиты информации при передаче по каналам связи включает три компонента: подтверждение , обнаружение ошибок и уведомление о них, возврат в исходное состояние. Информация кодируется соответствующим образом, вместе с основным содержанием передается информация о размере передаваемой информации. При получении информации сверяется информация о длине сообщения с исходным состоянием, при несовпадении значений в пункт передачи информации передается сигнал о необходимости повторной пересылки.

Прокси-сервер - промежуточный, транзитный веб-сервер, используемый как посредник между браузером и конечным веб-сервером. Основная причина использования прокси-сервера - экономия объема передачи информации и увеличение скорости доступа за счет кэширования. Например, если большинство сотрудников компании часто пользуются одним и тем же веб-сервером, содержащим актуальный курс валют, то эта информация сохранится в прокси, и, таким образом, страницы будут запрошены с оригинального сервера всего 1 раз. При использовании прокси компании нужен всего один публичный IP-адрес.

Протокол (protocol) - совокупность правил, регламентирующих формат и процедуры обмена информацией между двумя независимыми процессами или устройствами.

Протокол сетевой (network protocol) - совокупность правил и соглашений, использующихся при передаче данных.

Различают три основных типа протоколов, работающих в разных сетях и с разными операционными системами: Novell IPX (Inter Packet Exchange), TCP/IP, NetBEUI (Network BIOS User Interface).
Протокол управления передачей/межсетевой протокол TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) - набор протоколов, разработанный для Интернета и ставший его основой. TCP гарантирует, что каждый посланный байт дойдет до получателя без потерь. IP присваивает локальные IP-адреса физическим сетевым адресам, обеспечивая тем самым адресное пространство с которым работают маршрутизаторы.

В семейство TCP/IP входят:

протокол Telnet, который позволяет удаленным терминалам подключаться к удаленным узлам (компьютерам);

система доменной адресации DNS, дающая возможность пользователям адресоваться к узлам сети по символьному доменному имени вместо цифрового IP-адреса;

протокол передачи файлов FTP, который определяет механизм хранения и передачи файлов;

протокол передачи гипертекста HTTP.

Вопросы и задания

Что называется сетевыми технологиями?

Что такое каналы связи?

Назовите основные характеристики каналов связи.

Приведите классификацию каналов связи.

Что такое прокси-сервер?

Что такое протоколы?

Какую функцию выполняет протокол TCP/IP?

Домашнее задание : конспект.

Каналы связи (КС) служат для передачи сигнала и являются общим звеном любой системы передачи информации.

По физической природе каналы связи подразделяются на механические, используемые для передачи материальных носителей информации, акустические , оптические и электрические , передающие соответственно звуковые, световые и электрические сигналы.

Электрические и оптические каналы связи в зависимости от способа передачи сигналов можно подразделить на проводные, использующие для передачи сигналов физические проводники (электрические провода, кабели, световоды), и беспроводные, использующие для передачи сигналов электромагнитные волны (радиоканалы, инфракрасные каналы).

По форме представления передаваемой информации каналы связи делятся на аналоговые , по которым информация передается в непрерывной форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины, и цифровые, передающие информацию, представленную в виде цифровых (дискретных, импульсных) сигналов различной физической природы.

В зависимости от возможных направлений передачи информации каналы связи подразделяются на симплексные, позволяющие передавать информацию только в одном направлении; полудуплексные , обеспечивающие попеременную передачу информации как в прямом, так и в обратном направлениях; дуплексные , позволяющие вести передачу информации одновременно в прямом и обратном направлениях.

Каналы связи бывают коммутируемые , которые создаются из отдельных участков (сегментов) только на время передачи по ним информации, а по окончании передачи такой канал ликвидируется (разъединяется), и некоммутируемые (выделенные), создаваемые на длительное время и имеющие постоянные характеристики по длине, пропускной способности, помехозащищенности.

Широко используемые в автоматизированных системах обработки информации и управления электрические проводные каналы связи различаются по пропускной способности:

низкоскоростные, скорость передачи информации в которых от 50 до 200 бит/с. Это телеграфные каналы связи, как коммутируемые (абонентский телеграф), так и некоммутируемые;

среднескоростные, использующие аналоговые (телефонные) каналы связи; скорость передачи в них от 300 до 9600 бит/с, а в новых стандартах V.32 - V.34 Международного консультативного комитета по телеграфии и телефонии (МККТТ) и от 14400 до 56 000 бит/с;

высокоскоростные (широкополосные), обеспечивающие скорость передачи информации свыше 56 000 бит/с.

Для передачи информации в низкоскоростных и среднескоростных КС физической средой обычно являются проводные линии связи: группы либо параллельных, либо скрученных проводов, называемых витая пара. Она представляет собой изолированные проводники, попарно свитые между собой для уменьшения как перекрестных электромагнитных наводок, так и затухания сигнала при передаче на высоких частотах.

Для организации высокоскоростных (широкополосных) КС используются различные кабели:

Экранированные с витыми парами из медных проводов;

Неэкранированные с витыми парами из медных проводов;

Коаксиальные;

Оптоволоконные.

STP-кабели (экранированные с витыми парами из медных проводов) имеют хорошие технические характеристики, но неудобны в работе и дороги.

UTP-кабели (неэкранированные с витыми парами из медных проводов) довольно широко используются в системах передачи данных, в частности в вычислительных сетях.

Выделяют пять категорий витых пар: первая и вторая категории используются при низкоскоростной передаче данных; третья, четвертая и пятая - при скоростях передачи соответственно до 16,25 и 155 Мбит/с. Эти кабели обладают хорошими техническими характеристиками, сравнительно недороги, удобны в работе, не требуют заземления.

Коаксиальный кабель представляет собой медный проводник, покрытый диэлектриком и окруженный свитой из тонких медных проводников экранирующей защитной оболочкой. Скорость передачи данных по коаксиальному кабелю довольно высокая (до 300 Мбит/с), но он недостаточно удобен в работе и имеет высокую стоимость.

Оптоволоконный кабель (рис. 8.2) состоит из стеклянных или пластиковых волокон диаметром несколько микрометров (свето-ведущая жила) с высоким показателем преломления п с, окруженных изоляцией с низким показателем преломления n 0 и помещенных в защитную полиэтиленовую оболочку. На рис. 8.2, а показано распределение показателя преломления по сечению оптоволоконного кабеля, а на рис. 8.2, б - схема распространения лучей. Источником излучения, распространяемого по оптоволоконному кабелю, является светодиод или полупроводниковый лазер, приемником излучения - фотодиод, который преобразует световые сигналы в электрические. Передача светового луча по волокну основана на принципе полного внутреннего отражения луча от стенок световедущей жилы, за счет чего обеспечивается минимальное затухание сигнала.

Рис. 8.2. Распространение лучей по оптоволоконному кабелю:

а - распределение показателя преломления по сечению оптоволоконного кабеля;

б - схема распространения лучей

Кроме того, оптоволоконные кабели обеспечивают защиту передаваемой информации от внешних электромагнитных полей и высокую скорость передачи до 1000 Мбит/с. Кодирование информации осуществляется с помощью аналоговой, цифровой или импульсной модуляции светового луча. Оптоволоконный кабель достаточно дорогой и используется обычно лишь для прокладки ответственных магистральных каналов связи, например, проложенный по дну Атлантического океана кабель связывает Европу с Америкой. В вычислительных сетях оптоволоконный кабель используется на наиболее ответственных участках, в частности, в Internet. По одному толстому магистральному оптоволоконному кабелю можно одновременно организовать несколько сотен тысяч телефонных, несколько тысяч видеотелефонных и около тысячи телевизионных каналов связи.

Высокоскоростные КС организуются на базе беспроводных радиоканалов.

Радиоканал - это беспроводный канал связи, прокладываемый через эфир. Для формирования радиоканала используются радиопередатчик и радиоприемник. Скорости передачи данных по радиоканалу практически ограничиваются полосой пропускания приемопередающей аппаратуры. Радиоволновый диапазон определяется используемой для передачи данных частотной полосой электромагнитного спектра. В табл. 8.1 представлены диапазоны радиоволн и соответствующие им частотные полосы.

Для коммерческих телекоммуникационных систем чаще всего используются частотные диапазоны 902 - 928 МГц и 2,40 - 2,48 ГГц.

Беспроводные каналы связи обладают плохой помехозащищенностью, но обеспечивают пользователю максимальную мобильность и быстроту реакции.

Телефонные линии связи наиболее разветвлены и распространены. Они осуществляют передачу звуковых (тональных) и факсимильных сообщений. На базе телефонной линии связи построены информационно-справочные системы, системы электронной почты и вычислительных сетей. На базе телефонных линий могут быть созданы аналоговые и цифровые каналы передачи информации.

В аналоговых телефонных линиях телефонный микрофон преобразует звуковые колебания в аналоговый электрический сигнал, который и передается по абонентской линии в АТС. Требуемая для передачи человеческого голоса полоса частот составляет примерно 3 кГц (диапазон 300 Гц -3,3 кГц). Передача сигналов вызова производится по тому же каналу, что и передача речи.

В цифровых каналах связи аналоговый сигнал перед вводом дискретизируется - преобразуется в цифровую форму: каждые 125 мкс (частота дискретизации равна 8 кГц) текущее значение аналогового сигнала отображается 8-разрядным двоичным кодом.

Таблица 8.1

Диапазоны радиоволн и соответствующие им частотные полосы

Контрольная

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Канал связи - система технических средств и среда распространения сигналов для передачи сообщений (не только данных) от источника к получателю (и наоборот). Канал связи, понимаемый в узком смысле (тракт связи), представляет только физическую среду распространения сигналов, например, физическую линию связи.

Вопрос №3 «Каналы связи. Классификация каналов связи. Параметры каналов связи. Условие передачи сигнала по каналу связи».

Канал связи

Канал связи — система технических средств и среда распространения сигналов для передачи сообщений (не только данных) от источника к получателю (и наоборот). Канал связи, понимаемый в узком смысле (тракт связи ), представляет только физическую среду распространения сигналов, например, физическую линию связи.

Канал связи предназначен для передачи сигналов между удаленными устройствами. Сигналы несут информацию, предназначенную для представления пользователю (человеку), либо для использования прикладными программами ЭВМ.

Канал связи включает следующие компоненты:

1. передающее устройство;
2. приемное устройство;
3. среду передачи различной физической природы (Рис.1) .

Формируемый передатчиком сигнал, несущий информацию, после прохождения через среду передачи поступает на вход приемного устройства. Далее информация выделяется из сигнала и передается потребителю. Физическая природа сигнала выбирается таким образом, чтобы он мог распространяться через среду передачи с минимальным ослаблением и искажениями. Сигнал необходим в качестве переносчика информации, сам он информации не несет.

Рис.1. Канала связи (вариант №1)

Рис.2 Канал связи (вариант №2)

Т.е. это (канал) — техническое устройство (техника+среда).

Классификация

Классификаций будет приведено ровно три типа. Выбирайте на вкус и цвет:

Классификация №1:

Существует множество видов каналов связи, среди которых наиболее часто выделяют каналы проводной связи (воздушные, кабельные, световодные и др.) и каналы радиосвязи (тропосферные, спутниковые и др.). Такие каналы в свою очередь принято квалифицировать на основе характеристик входного и выходного сигналов, а также по изменению характеристик сигналов в зависимости от таких явлений, происходящих в канале, как замирания и затухание сигналов.

По типу среды распространения каналы связи делятся на:

• проводные;
• акустические;
• оптические;
• инфракрасные;
• радиоканалы.

Каналы связи также классифицируют на:

• непрерывные (на входе и выходе канала – непрерывные сигналы),
• дискретные или цифровые (на входе и выходе канала – дискретные сигналы),
• непрерывно-дискретные (на входе канала–непрерывные сигналы, а на выходе–дискретные сигналы),
• дискретно-непрерывные (на входе канала–дискретные сигналы, а на выходе–непрерывные сигналы).

Каналы могут быть как линейными и нелинейными , временными и пространственно-временными .

Возможна классификация каналов связи по диапазону частот .

Системы передачи информации бывают одноканальные и многоканальные . Тип системы определяется каналом связи. Если система связи построена на однотипных каналах связи, то ее название определяется типовым названием каналов. В противном случае используется детализация классификационных признаков.

Классификация №2 (более подробная) :

1. Классификация по диапазону используемых частот

• Километровые (ДВ) 1-10 км, 30-300 кГц;
• Гектометровые (СВ) 100-1000 м, 300-3000 кГц;
• Декаметровые (КВ) 10-100 м, 3-30 МГц;
• Метровые (МВ) 1-10 м, 30-300 МГц;
• Дециметровые (ДМВ) 10-100 см, 300-3000 МГц;
• Сантиметровые (СМВ) 1-10 см, 3-30 ГГц;
• Миллиметровые (ММВ) 1-10 мм, 30-300 ГГц;
• Децимилимитровые (ДММВ) 0,1-1 мм, 300-3000 ГГц.
  1. По направленности линий связи
     • направленные (используются различные проводники):
• коаксиальные,
• витые пары на основе медных проводников,
• волоконнооптические.
  • ненаправленные (радиолинии);
• прямой видимости;
• тропосферные;
• ионосферные
• космические;
• радиорелейные (ретрансляция на дециметровых и более коротких радиоволнах).
  1. 
     По виду передаваемых сообщений:
• телеграфные;
• телефонные;
• передачи данных;
• факсимильные.
  1. По виду сигналов:
• аналоговые;
• цифровые;
• импульсные.
  1. По виду модуляции (манипуляции)
     • В аналоговых системах связи :
• с амплитудной модуляцией;
• с однополосной модуляцией;
• с частотной модуляцией.
• В цифровых системах связи :
• с амплитудной манипуляцией;
• с частотной манипуляцией;
• с фазовой манипуляцией;
• с относительной фазовой манипуляцией;
• с тональной манипуляцией (единичные элементы манипулируют поднесущим колебанием (тоном), после чего осуществляется манипуляция на более высокой частоте).
  1. По значению базы радиосигнала
• широкополосные (B>> 1);
• узкополосные (B»1).

7. По количеству одновременно передаваемых сообщений

• одноканальные;
• многоканальные (частотное, временное, кодовое разделение каналов);
  

8. По направлению обмена сообщений

• односторонние;
• двусторонние.
  9. По порядку обмена сообщения
• симплексная связь — двусторонняя радиосвязь, при которой передача и прием каждой радиостанции осуществляется поочередно;
• дуплексная связь — передача и прием осуществляется одновременно (наиболее оперативная);
• полудуплексная связь — относится к симплексной, в которой предусматривается автоматический переход с передачи на прием и возможность переспроса корреспондента.

10. По способам защиты передаваемой информации

• открытая связь;
• закрытая связь (засекреченная).

11. По степени автоматизации обмена информацией

• неавтоматизированные — управление радиостанцией и обмен сообщениями выполняется оператором;
• автоматизированные — вручную осуществляется только ввод информации;
• автоматические — процесс обмена сообщениями выполняется между автоматическим устройством и ЭВМ без участия оператора.

Классификация №3 (что-то может повторяться):

1. По назначению

Телефонные

Телеграфные

Телевизионные

- радиовещательные

2. По направлению передачи

- симплексные (передача только в одном направлении)

- полудуплексные (передача поочередно в обоих направлениях)

- дуплексные (передача одновременно в обоих направлениях)

3. По характеру линии связи

Механические

Гидравлические

Акустические

- электрические (проводные)

- радио (беспроводные)

Оптические

4. По характеру сигналов на входе и выходе канала связи

- аналоговые (непрерывные)

- дискретные по времени

- дискретные по уровню сигнала

- цифровые (дискретные и по времени и по уровню)

5. По числу каналов на одну линию связи

Одноканальные

Многоканальные

И еще рисунок сюда:

Рис.3. Классификация линий связи.

Характеристики (параметры) каналов связи

1. Передаточная функция канала : представляется в виде амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и показывает, как затухает амплитуда синусоиды на выходе канала связи по сравнению с амплитудой на ее входе для всех возможных частот передаваемого сигнала. Нормированная амплитудно-частотная характеристика канала показана на рис.4. Знание амплитудно-частотной характеристики реального канала позволяет определить форму выходного сигнала практически для любого входного сигнала. Для этого необходимо найти спектр входного сигнала, преобразовать амплитуду составляющих его гармоник в соответствии с амплитудно-частотной характеристикой, а затем найти форму выходного сигнала, сложив преобразованные гармоники. Для экспериментальной проверки амплитудно-частотной характеристики нужно провести тестирование канала эталонными (равными по амплитуде) синусоидами по всему диапазону частот от нуля до некоторого максимального значения, которое может встретиться во входных сигналах. Причем менять частоту входных синусоид нужно с небольшим шагом, а значит количество экспериментов должно быть большим.

—- отношение спектра выходного сигнала к входному
— полоса пропускания

Рис.4 Нормированная амплитудно-частотная характеристика канала

1. Полоса пропускания : является производной характеристикой от АЧХ. Она представляет собой непрерывный диапазон частот, для которых отношение амплитуды выходного сигнала к входному превышает некоторый заранее заданный предел, то есть полоса пропускания определяет диапазон частот сигнала, при которых этот сигнал передается по каналу связи без значительных искажений. Обычно полоса пропускания отсчитывается на уровне 0,7 от максимального значения АЧХ. Ширина полосы пропускания в наибольшей степени влияет на максимально возможную скорость передачи информации по каналу связи.
2. Затухание : определяется как относительное уменьшение амплитуды или мощности сигнала при передаче по каналу сигнала определенной частоты. Часто при эксплуатации канала заранее известна основная частота передаваемого сигнала, то есть та частота, гармоника которой имеет наибольшую амплитуду и мощность. Поэтому достаточно знать затухание на этой частоте, чтобы приблизительно оценить искажения передаваемых по каналу сигналов. Более точные оценки возможны при знании затухания на нескольких частотах, соответствующих нескольким основным гармоникам передаваемого сигнала.

Затухание обычно измеряется в децибелах (дБ) и вычисляется по следующей формуле: , где

— мощность сигнала на выходе канала,

— мощность сигнала на входе канала.

Затухание всегда рассчитывается для определенной частоты и соотносится с длиной канала. На практике всегда пользуются понятием "погонное затухание", т.е. затухание сигнала на единицу длины канала, например, затухание 0.1 дБ/метр.

1. Скорость передачи : характеризует количество бит, передаваемых по каналу в единицу времени. Она измеряется в битах в секунду — бит/с , а также производных единицах: Кбит/c, Мбит/c, Гбит/с . Скорость передачи зависит от ширины полосы пропускания канала, уровня шумов, вида кодирования и модуляции.
2. Помехоустойчивость канала : характеризует его способность обеспечивать передачу сигналов в условиях помех. Помехи принято делить на внутренние (представляет собой тепловые шумы аппаратуры ) и внешние (они многообразны и зависят от среды передачи ). Помехоустойчивость канала зависит от аппаратных и алгоритмических решений по обработке принятого сигнала, которые заложены в приемо-передающее устройство. Помехоустойчивость передачи сигналов через канал может быть повышена за счет кодирования и специальной обработки сигнала.
3. Динамический диапазон : логарифм отношения максимальной мощности сигналов, пропускаемых каналом, к минимальной.
4. Помехозащищенность: это помехозащищенность, т. е. помехозащищенность.

Условие передачи сигналов по каналам связи.

Канал, по сути, это фильтр. Чтобы сигнал прошел через него без искажений, объем этого канала должен быть больше сигнала или равен ему (см. рис).

Математически условие можно записать так: , где

; (1)

В приведенных формулах

– полоса пропускания канала, или полоса частот, которую канал может пропустить при нормированном затухании сигнала;

– динамический диапазон, равный отношению максимально допустимого уровня сигнала в канале к уровню помех, нормированных для этого типов каналов;

– время, в течение которого канал используется для передачи данных;

– ширину спектра частот сигнала, т. е. интервал по шкале частотного спектра, занимаемый сигналом;

– динамический диапазон, равный отношению средней мощности сигнала к средней мощности помехи в канале;

– длительность сигнала, или время его существования.

Другая форма записи условия (развернутая):

P . S .: Параметр «Объем канала» в некоторых источниках так же указывается, как один из параметров канала связи, но не везде. Математическая формула приведена выше в (1).

Литература

1. http://edu.dvgups.ru/METDOC/ENF/BGD/BGD_CHS/METOD/ANDREEV/WEBUMK/frame/1.htm ;

2. http://supervideoman.narod.ru/index.htm .

Для передачи сигналов между взаимодействующими системами в компьютерных сетях используются линии связи.

В узком смысле под терминомлиния связи (transmission link, link ) подразумевается физическая среда, по которой передаются сигналы между двумя конечными системами. Сигналы формируются специальными техническими средствами (передатчиками, усилителями, мультиплексорами и т.д.), относящимися к сетевому оборудованию.

Среда передачи (transmission medium ) или физическая среда - материальная субстанция, через которую осуществляется распространение сигналов.

В компьютерных сетях используют два типа сред передачи: кабельную и беспроводную.

Рис. 3.1 Типы сред передачи

Основой беспроводных сред передачи является земная атмосфера или космическое пространство, через которые распространяются электромагнитные волны. В кабельных средах передачи используются кабели различных типов: коаксиальные, волоконно-оптические, витая пара. Передача сигналов в них осуществляется с помощью электрических (электрический ток) или оптических (свет) сигналов.

В широком смысле под термином « линия связи» в области компьютерных сетей подразумевают канал связи .

Канал связи (channel, data link ) представляет собой совокупность одной или нескольких физических сред передачи и каналообразующего (сетевого) оборудования, которые обеспечивают передачу данных между взаимодействующими системами в виде сигналов, соответствующих типу физической среды.

В этом контексте термины «линия связи» и «канал связи» являются синонимами.

Рис. 3.2 Канал связи

Различают физические (physical link ) и логические (logical link ) каналы. Физический канал связи представляет собой средство передачи сигналов между взаимодействующими системами. В зависимости от типа передаваемых сигналов и физической среды, используемой для их распространения, физические каналы подразделяются на электрические (витая пара, коаксиальный кабель), оптические (волоконно-оптический кабель) и беспроводные (радиоканалы, инфракрасные каналы и т.д).

Логические каналы устанавливаются между протоколами любых уровней модели OSI взаимодействующих систем и определяют путь, по которому данные передаются от источника к приемнику через один или последовательность физических каналов.

При прокладке в физическом канале нескольких логических каналов, ресурсы физического канала распределяются между логическими каналами с помощью методов мультиплексирования .

Рис. 3.3 Физический и логический каналы связи

Каналы (линии) связи можно классифицировать на основе следующих признаков:

● по типу физической среды;

● по типу представления передаваемой информации;

● по направлению передачи данных;

● по времени существования;

● по способу подключения;

● по ширине полосы пропускания.

В зависимости от типа представления передаваемой информации каналы делятся на аналоговые , предназначенные для передачи аналоговых сигналов и дискретные , служащие для передачи дискретных (цифровых) сигналов.

В зависимости от направления передачи данных различают каналы:

● симплексные (simplex ), в которых передача осуществляется только в одном направлении;

● полудуплексные (half-duplex поочередно в прямом и обратном направлении;

● дуплексные (duplex ), в которых передача ведется одновременно в двух направлениях - прямом и обратном.

Рис. 3.4 Симплексный канал

Рис. 3.5 Полудуплексный канал

Рис. 3.6 Дуплексный канал

Также каналы можно классифицировать по времени доступности для абонента. Каналы между конечными системами, которые доступны для передачи данных на длительное время за счет постоянно существующего соединения с заданными характеристиками, называются выделенными или некоммутируемыми . Каналы связи, передача данных по которым возможна только после установления соединения между взаимодействующими системами, называются коммутируемыми или временными . При этом канал будет существовать только в течение сеанса связи, т.е. времени, требуемого для передачи данных.

По способу подключения каналы делятся на: «точка-точка» (point-to-point ), «точка-многоточка» (point-to-multipoint), «многоточка » (multipoint ). Канал «точка-точка» связывает только два узла или две взаимодействующих системы. Канал «точка-многоточка» обеспечивает соединение одной центральной системы (узла) с группой других систем (узлов). Канал «многоточка» обеспечивает подключение друг к другу группы узлов или систем.

Важной характеристикой канала связи является его полоса пропускания (bandwidth ). В зависимости от ширины полосы пропускания (разности между граничными частотами полосы пропускания) и способа передачи сигналов каналы делятся на основополосные (baseband channel ) и широкополосные (broadband channel ).

Основополосный канал характеризуется простотой и дешевизной реализации, в связи с чем, широко используется в локальных сетях (слово «BASE» в названиях спецификаций физического уровня Ethernet (например, 10BASE-T, 100BASE-FX, 1000BASE-SX), указывает на основополосную передачу). Сигнал по основополосному каналу передается в основной полосе частот, т.е. без модуляции несущей, при этом вся полоса пропускания используется для передачи только одного сигнала.

В отличие от основополосного канала, вся полоса пропускания широкополосного канала разделяется между несколькими логическими каналами с помощью методов мультиплексирования, что позволяет одновременно и независимо друг от друга выполнять передачу сигналов между несколькими парами взаимодействующих систем. Технологии широкополосного доступа (например, xDSL, PowerLine (PLC), 3G (UMTS), 4G (LTE)) используются при организации подключения к набору услуг, предлагаемых операторами связи.

Сигналы

Передача данных по каналам связи осуществляется с помощью их физического представления - электрических (электрический ток), оптических (свет) или электромагнитных сигналов.

Если рассматривать сигнал как функцию времени, то он может быть:

● аналоговым (непрерывным ) - его величина непрерывно изменяется во времени;

● цифровым (дискретным ) - имеющим конечное, обычно небольшое число значений.

Рис. 3.7 Аналоговый сигнал

Рис. 3.8 Цифровой сигнал

Сигналы, используемые для передачи потока данных должны быть информативными, т.е. иметь некоторые изменяющиеся параметры, которые позволят приемнику идентифицировать полученные данные. В качестве такого сигнала часто используется гармонический сигнал .

Гармонический сигнал - это гармонические колебания, со временем распространяющиеся в пространстве, которые несут в себе информацию или какие-то данные.Гармонические колебания - это колебания, при которых физическая (или любая другая) величина изменяется с течением времени по синусоидальному или косинусоидальному закону.

Гармонический сигнал несет в себе информацию в виде трех параметров: амплитуды , фазы и частоты и описывается формулой:

где А – амплитуда сигнала; ω – круговая частота: ω=2πf (f – линейная частота: f =1/T, величина обратная периоду Т); φ 0 – начальная фаза гармонического сигнала; t – время.

Рис. 3.9 Гармонический сигнал

Для обеспечения высокой скорости передачи данных важна частота: чем выше частота, тем больше скорость передачи.

Функция времени y(t) может быть произвольной и иметь различные частоты.

Вспомним теорию гармонического анализа и преобразование Фурье. Французский ученый Ж.Б. Фурье доказал, что любое изменение во времени некоторой функции можно аппроксимировать в виде конечной или бесконечной суммы ряда гармонических колебаний с разными амплитудами, частотами и начальными фазами.

Другими словами, любой периодический сигнал (аналоговый или цифровой), описываемый сложной функцией времени, может быть представлен в виде бесконечной или конечной суммы простых гармонических колебаний (гармоник) с частотами кратными основной частоте ω=2π/Т :

где i – номер гармоники; А i – амплитуда, φ i – начальная фаза, ω i – круговая частота i -й гармоники; t – время.

Первая гармоника ω 1 называется первой или основной гармоникой сигнала, все остальные гармоники называются высшими. При этом частота каждой последующей гармоники больше предыдущей ω 1 < ω 2 < ω 3 ….. < ω ∞.

Периодическим сигналом называют такой вид воздействия, когда форма сигнала повторяется через некоторый интервал времени T , который называется периодом.

Рис. 3.10 Формирование сигнала из суммы первых 4 гармоник и спектральная амплитудная диаграмма периодического сигнала

Набор гармонических колебаний, в сумме составляющий исходный сигнал, образует частотный спектр этого сигнала, т.е. область частот, составляющих данный сигнал.

Сигналов, которые обладали бы бесконечным спектром, в природе практически нет. Преобладающая часть энергии реальных сигналов сосредоточена в ограниченной области (полосе) частот, а сам сигнал представляется в виде конечной суммы гармонических колебаний. В этом случае спектр сигнала y(t) определяется как разность между частотами верхней и нижней гармоник: f n -f 1 , где n < ∞.

Из набора гармоник, составляющих сигнал, выделяют и различают амплитудный и фазовый спектр. Амплитудным спектром называют набор амплитуд всех гармоник, который обычно представляют диаграммой в виде набора вертикальных линий, длины которых пропорциональны (в выбранном масштабе) амплитудным значениям гармонических колебаний, а место на горизонтальной оси определяется частотой (номером гармоники) данной составляющей. Амплитудный и фазовый спектр однозначно определяют сигнал. Однако для многих практических задач достаточно ограничиться амплитудным спектром.

При передаче сигнала по каналу связи его форма искажается вследствие неодинаковой деформации гармоник различных частот. Это происходит из-за того, что физические параметры канала связи отличаются от идеальных. На сигнал влияют такие факторы, как затухание, шумы и помехи. Однако, основным фактором, оказывающим влияние на форму сигнала, является полоса пропускания канала связи. Для того чтобы передать сигнал без значительных искажений, канал связи должен иметь ширину полосы пропускания не менее ширины спектра частот передаваемого сигнала.

Рис. 3.11 Влияние физических параметров среды передачи на сигнал

Характеристики

Используют следующие характеристики канала

Помехозащищённость

Помехозащищённость . Где - минимальное отношение сигнал/шум ;

Объём канала

Объём канала определяется по формуле: ,

где - время, в течение которого канал занят передаваемым сигналом;

Для передачи сигнала по каналу без искажений объём канала должен быть больше либо равен объёму сигнала , т.е. . Простейший случай вписывания объёма сигнала в объём канала - это достижение выполнения неравенств , > и . Тем не менее, может выполняться и в других случаях, что даёт возможность добиться требуемых характеристик канала изменением других параметров. Например, с уменьшением диапазона частот можно увеличить полосу пропускания.

Классификация

Существует множество видов каналов связи, среди которых наиболее часто выделяют каналы проводной связи (воздушные, кабельные, световодные и др.) и каналы радиосвязи (тропосферные, спутниковые и др.). Такие каналы в свою очередь принято квалифицировать на основе характеристик входного и выходного сигналов, а также по изменению характеристик сигналов в зависимости от таких явлений, происходящих в канале, как замирания и затухание сигналов.

По типу среды распространения каналы связи делятся на проводные , акустические , оптические , инфракрасные и радиоканалы.

Каналы связи также классифицируют на

• непрерывные (на входе и выходе канала - непрерывные сигналы),
• дискретные или цифровые (на входе и выходе канала - дискретные сигналы),
• непрерывно-дискретные (на входе канала - непрерывные сигналы, а на выходе - дискретные сигналы),
• дискретно-непрерывные (на входе канала - дискретные сигналы, а на выходе - непрерывные сигналы).

Каналы могут быть как линейными и нелинейными, временными и пространственно-временными . Возможна классификация каналов связи по диапазону частот.

Модели канала связи

Канал связи описывается математической моделью , задание которой сводится к определению математических моделей выходного и входного и , а также установлению связи между ними, характеризующейся оператором , т.е.

Модели непрерывных каналов

Модели непрерывных каналов можно классифицировать на модель канала с аддитивным гауссовским шумом, модель канала с неопределенной фазой сигнала и аддитивным шумом и модель канала с межсимвольной интерференцией и аддитивным шумом.

Модель идеального канала

Модель идеального канала используется тогда, когда можно пренебречь наличием помех. При использовании этой модели выходной сигнал является детерминированным, т.е.

где γ – константа, определяющая коэффициент передачи, τ – постоянная задержка.

Модель канала с неопределённой фазой сигнала и аддитивным шумом

Модель канала с неопределённой фазой сигнала и аддитивным шумом отличается от модели идеального канала тем, что является случайной величиной . Например, если входной сигнал является узкополосным, то сигнал на выходе канала с неопределённой фазой сигнала и аддитивным шумом определяется следующим образом:

где учтено, что входной сигнал может быть представлен в виде:

где - преобразование Гильберта , - случайная фаза, распределение которой считается обычно равномерным на интервале .

Модель канала с межсимвольной интерференцией и аддитивным шумом

Модель канала с межсимвольной интерференцией и аддитивным шумом учитывает появление рассеяния сигнала во времени из-за нелинейности фазо-частотной характеристики канала и ограниченности его полосы пропускания, т.е. например, при передаче дискретных сообщений через канал на значение выходного сигнала будут влиять отклики канала не только на переданный символ, но и на более ранние или более поздние символы. В радиоканалах на возникновение межсимвольной интерференции влияет многолучёвое распространение радиоволн.

Модели дискретных каналов связи

Для задания модели дискретного канала необходимо определить множество входных и выходных кодовых символов, а также множество условных вероятностей выходных символов при заданных входных .

Модели дискретно-непрерывных каналов связи

Также существуют модели дискретно-непрерывных каналов связи

См. также

Примечания

Литература

• Зюко А. Г., Кловский Д.Д., Коржик В. И., Назаров М.В., Теория электрической связи / Под ред. Д. Д. Кловского. - Учебник для ВУЗов. - М .: Радио и связь, 1999. - 432 с. -