Технологии компьютерных сетей. 2.8 Синхронизация в цифровых сетях
Для обеспечения качественной работы цифровых сетей требуется битовая синхронизация, с помощью которой передатчик и приемник работают с импульсами одинаковой длительности. Другими словами, битовая синхронизация определяет, что каждый кадр передается на 125 мсек и каждый импульс имеет соответствующую длительность.
С битовой синхронизацией связаны два распространенных типа помех – вставки и выпадения. Они получаются за счет того, что тактовая частота, на которой работает передатчик, неточно совпадает с частотой работы приемника. Так, если приемник сканирует принимаемый сигнал несколько чаще, чем их выдает передатчик, то вскоре окажется, что на интервал одного бита попадет два синхроимпульса, и, таким образом, этот бит как бы раздвоится, т.е. произойдет вставка бита, что и вызовет ошибку при приеме. Другой тип ошибки – выпадение – происходит, если частота приемника меньше частоты передатчика. В этом случае произойдет ситуация, когда на один из битов не придется ни одного синхроимпульса. Очевидно, что чем более совпадают частоты передатчика и приемника, тем меньше будет встречаться вставок и выпадений.
Чтобы предотвратить ошибки такого рода, необходимо обеспечить синхронную и синфазную работу передатчика и приемника. Это можно осуществить двумя способами. На верхнем уровне сети вводится высокостабильный главный тактовый генератор, на частоту и фазу которого настраиваются тактовые генераторы всех станций. Известен и другой метод, при котором синхронизация достигается за счет взаимной регулировки тактовых генераторов сети. При этом каждый тактовый генератор устанавливает свою частоту, усредняя фазы тактовых сигналов, поступающих от других генераторов. В этом случае для устранения различий в фазах на входах приемников также необходимы запоминающие устройства.
Таким образом, для точной работы цифровых каналов и сетей необходимо выполнять, во-первых, протокольные методы синхронизации (битовой или цикловой) и, во-вторых, осуществлять чисто физическую синхронизацию взаимодействующих устройств. Для этого на сети необходим очень точный тактовый генератор. Так, главный тактовый генератор имеет атомный эталон частоты, стабильность которого равна 10 — 11 Гц. При такой стабильности ошибки, связанные с синхронностью и синфазностью, встречаются столь редко, что средний коэффициент ошибок остается в допустимых пределах.
Вопросы для самопроверки
1. Можно ли цифровые сигналы передавать по аналоговым каналам связи?
2. Может ли пропускная способность канала быть ниже ширины спектра канала?
3. Для восстановления сигнала необходимо знать значение несущей частоты и значения гармоник. Верно ли это утверждение, если да, то сколько гармоник необходимо знать?
4. Какая пропускная способность канала является основой для цифрового телефонного сигнала?
5. Зачем используется кодирование информации перед передачей ее по каналам связи?
3.2 Типы синхронизации данных
Процессы передачи или приема информации в вычислительных сетях могут быть привязаны к определенным отметкам, т.е. один из процессов может начаться только после того, как получит полностью данные от другого процесса. Такие процессы называются синхронными.
В тоже время существуют процессы, в которых нет такой привязки и они могут выполняться независимо от степени полноты переданных данных. Такие процессы называются асинхронными.
Синхронизация данных – согласование различных процессов во времени. В системах передачи данных используется два способа передачи данных: синхронный и асинхронный.
При синхронной передачи информация передается блоками, которые обрамляются специальными управляющими символами. В состав блока включаются также специальные синхросимволы, обеспечивающие контроль состояния физической передающей среды, и символы, позволяющие обнаруживать ошибки при обмене информацией. В конце блока данных при синхронной передаче в канал связи выдается контрольная последовательность, сформированная по специальному алгоритму. По этому же алгоритму формируется контрольная последовательность при приеме информации из канала связи. Если обе последовательности совпадают – ошибок нет. Блок данных принят. Если же последовательность не совпадает – ошибка. Передача повторяется до положительного результата проверки. Если повторные передачи не дают положительного результата, то фиксируется состояние аварии.
Синхронная передача – высоко скоростная и почти безошибочная. Она используется для обмена сообщениями между ЭВМ в вычислительных сетях. Синхронная передача требует дорогостоящего оборудования.
При асинхронной передаче данные передаются в канал связи как последовательности битов, из которой при приеме необходимо выделить байты для последующей их обработки. Для этого каждый байт ограничивается стартовым и стоповым битами, которые и позволяют произвести выделение их из потока передачи. Иногда в линиях связи с низкой надежностью используются несколько таких битов. Дополнительные стартовые и стоповые биты несколько снижают эффективную скорость передачи данных и соответственно пропускную способность канала связи. В тоже время асинхронная передача не требует дорогостоящего оборудования и отвечает требованиям организации диалогов в вычислительной сети при взаимодействии персональных ЭВМ.
3.3 Способы передачи цифровой информации
Цифровые данные по проводнику передаются путем смены текущего напряжения: нет напряжения – «0», есть напряжение – «1». Существуют два способа передачи информации по физической передающей среде: цифровой и аналоговый.
При цифровом или узкополосном способе передачи данные передаются в их сетевом виде на единой частоте. Узкополосный способ позволяет передавать только цифровую информацию, обеспечивает в каждый момент времени возможность использования передающей среды только двумя пользователями и допускает нормальную работу только на ограниченном расстоянии. В то же время узкополосный способ передачи обеспечивает высокую скорость обмена данными – до 10 Мбит / с и позволяет создавать легко конфигурируемые вычислительные сети. Подавляющее число локальных вычислительных сетей используют узкополосную передачу.
Аналоговый способ передачи цифровых данных обеспечивает широкополосную передачу за счет использования в одном канале сигналов различных несущих частот.
При аналоговом способе передачи происходит управление параметрами сигнала несущей частоты для передачи по каналу связи цифровых данных.
В сетях высокого уровня иерархии – глобальных и региональных используется также и широкополосная передача, которая предусматривает работу для каждого абонента на своей частоте в пределах одного канала. Это обеспечивает взаимодействие большого количества абонентов при высокой скорости передачи данных.
Широкополосная передача позволяет совмещать в одном канале передачу цифровых данных, изображение и звука, что является необходимым требованием современных систем мультимедиа.
Типичным аналоговым каналом является телефонный канал. Когда абонент снимает трубку, то слышит равномерный звуковой сигнал – это и есть сигнал несущей частоты.
Тема 2. Каналы передачи данных и их характеристики лекция 2.2. Синхронизация данных и характеристики каналов связи
Процессы передачи или приема информации в вычислительных комплексах и сетях могут быть привязаны к определенным временным отметкам, т.е. один из процессов может начаться только после того, как полностью завершится другой процесс. Такие процессы называются синхронными. В то же время существуют процессы, в которых нет такой привязки, и они могут выполняться независимо от степени полноты переданных данных. Такие процессы называются асинхронными. Таким образом, синхронизация данных — согласование различных информационных процессов во времени. При организации взаимодействия устройств внутри компьютера задача синхронизации решается очень просто, так как в этом случае все модули синхронизируются от общего тактового генератора. Для внешней передачи данных в компьютерных сетях могут использоваться как синхронный, так и асинхронный способы передачи данных. При синхронном способе передачи приемник работает синхронно с передатчиком (с фазовым сдвигом, обусловленным временем распространения сигнала), при этом проблема синхронизации приемника и передатчика может решаться двумя способами:
- с помощью внешней синхронизации путем обмена специальными тактовыми синхроимпульсами (флагами) по отдельной линии (практически не применяется из-за дороговизны реализации дополнительного канала),
- путем самосинхронизирующего кодирования, когда синхросигналы периодически вставляются в основной сигнал и выделяются приемником, так как имеют заранее обусловленные коды или импульсы характерной формы, отличные от формы импульсов данных. В ЛВС чаще других применяют самосинхронизирующийся манчестерский код.
Рассмотрим синхронную передачу данных по телефонным сетям с использованием модемов. В этом случае (рис. 2.2) информация передается пакетами или блоками (от 1 до 1024 байтов) через строго определенные временные интервалы. В состав блока включаются специальные синхронизирующие символы и символы, позволяющие обнаруживать ошибки при обмене информацией. Несколько слов об используемых при синхронной передаче методах повышения достоверности передачи, так как вероятность искажения некоторых бит передаваемых данных не исключена. В конце блока данных в канал связи выдается контрольная последовательность (1,2 или 4 байта), сформированная по специальному алгоритму. Чаще всего это контрольная сумма блока (checksum) или реже 16-битный циклический код CRC (Cyclic Redundancy Check – избыточный циклический контроль). Более подробно о методах контроля достоверности передачи в другой теме. Рис.2.2. Синхронная передача данных По этому же алгоритму формируется контрольная последовательность при приеме информации из канала связи. Если обе последовательности (или младшая их части совпадают) – принимающая сторона считает, что блок данных передан без ошибок. Если же последовательности не совпадают, то произошла – ошибка и необходима повторная передача этого блока. Для этой цели в протокол обмена данными включается как обязательный элемент сигнал-квитанция, которая подтверждает правильность приема данных и посылается приемником передатчику. Передача повторяется до получения передатчиком квитирующего сигнала. Если повторные передачи не дают положительного результата, то фиксируется состояние аварии. Так работает старт-стопный протокол передачи файлов (протоколы X- и YModem), в конвейерных протоколах (протокол ZModem) такое подтверждение может быть получено после передачи нескольких блоков (кадров). В последнем случае меньше задержки на ожидание подтверждений (квитанций), но больше затраты на повторную пересылку в случае ошибок Вероятность обнаружения ошибок с помощью контрольной суммы достигает 99,6%. Вероятность обнаружения ошибок с помощью CRC-контроля существенно выше и достигает 99,9984% В случае синхронной передачи передатчик постоянно активен — он непрерывно посылает битовую последовательность если не полезных данных, то символов синхронизации, как некоторого заполнителя. Синхронная передача — высокоскоростная и почти безошибочная. Она используется не только для обмена сообщениями между устройствами ЭВМ, а также в глобальных вычислительных сетях для высокоскоростной передачи данных по телефонным линиям. Синхронная передача требует дорогостоящего оборудования. Параллельные интерфейсы персонального компьютера всегда работают в синхронном режиме.
Для продолжения скачивания необходимо пройти капчу: