Многоуровневый подход. Протокол. Интерфейс. Стек протоколов

Существует очень большое разнообразие служб прикладного уровня. Приведем в качестве примера хотя бы несколько  наиболее распространенных реализации файловых служб: NCP в операционной системе Novell NetWare, SMB в Microsoft Windows NT, NFS, FTP и TFTP, входящие в стек TCP/IP.

Характеристики линии связи.

 

К основным характеристикам  линии связи относятся:

1. АЧХ
2. Полоса пропускания
3. Затухание
4. Помехоустойчивость
5. Перекрестные наводки
6. Пропускная способность
7. Достоверность передачи данных
8. Удельная стоимость

В первую очередь разработчика передачи данных интересует пропускная способность и достоверность  передачи данных, так как эти характеристики прямо влияют на производительность и надежность создаваемой сети.

Пропускная способность  и достоверность – это характеристики, как линии связи, так и способа передачи данных. По этому, если способ передачи данных, то есть протокол, уже определен, то известны эти характеристики. Однако нельзя говорить о пропускной способности линии связи до того, как для нее определен протокол физического уровня. Именно в таких случаях, когда только предстоит определить, какое из множества существующих протоколов, можно использовать на данной линии, очень важными являются остальные характеристики. Для определения линий связи часто используют анализ ее реакций на некоторые эталоны воздействия. Такой подход позволяет достаточно просто и однотипно определять характеристики линий связи, не прибегая к сложным исследованиям. Чаще всего в качестве эталонных сигналов для исследования реакции линии связи используются синусоидальные сигналы различных частот. Это связанно с тем, что сигналы этого типа часто встречаются в технике и с их помощью можно представить любую функцию времени, как непрерывные процессы колебаний, так и прямоугольные импульсы, генерируемые компьютером.

Спектральный  анализ связи на линиях связи.

 

Из теории гармонического анализа известно, что любой периодический процесс можно представить в виде суммы синусоидальных колебаний различных частот и амплитуд. При этом каждая составляющая синусоида называется гармоникой. Набор всех гармоник называют спектральным разложение исходного сигнала. Непериодические сигналы можно представить в виде интеграла синусоидальных сигналов с непрерывным спектром частот. Техника нахождения спектра любого исходного сигнала известна. Для некоторых сигналов, которые хорошо описываются аналитически, например, для последовательности прямоугольных импульсов одинаковой длины и амплитуды, спектр легко вычисляется с помощью формул Фурье. Для сигналов произвольной формы, встречающихся на практике, спектр можно найти с помощью специальных приборов (спектральных анализаторов), которые измеряют спектр реального сигнала и отображают амплитуды составляющих гармоник на экране.

Искажение передающей линии, синусоиды какой либо частоты приводит,  в конечном счете, к искажению передаваемого сигнала любой формы, особенно если синусоиды различных частот искажаются неодинаково. Линии связи искажают передаваемые сигналы из-за того, что ее физические параметры отличаются от идеальных, например: медные провода всегда представляют собой некоторую распределенную по длине комбинацию активного и емкостного сопротивления емкостной и индуктивной нагрузки.

 

 

 

 

 

Рис.

В результате для синусоид различных частот линия связи обладает различным полным сопротивлением, следовательно, эти синусоиды будут передаваться по разному. Волоконно-оптический кабель так же имеет отклонения от идеальной среды для передачи света — вакуума. Если линия связи встречает промежуточную аппаратуру, то и она может вносить дополнительное искажение, так как невозможно создать устройство, которое одинаково хорошо передавало бы весь спектр или набор всех синусоид. Кроме искажения сигналов, вносимых внутренними параметрами линий связи, существуют и внешние помехи, создаваемые различными электрическими двигателями, электронными устройствами, атмосферными явлениями и т.д.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

05.04.2013

Связь между полосой и  пропускной способностью.

Чем выше частота несущего периодического сигнала, те больше информации в единицу времени передается по линии связи и тем выше пропускная способность линии связи при  фиксированном способе физического  кодирования. Однако с увеличением  частоты, периодического не сущего сигнала  увеличивается ширина спектра этого  сигнала, то есть разность между максимальной и минимальной частотами того набора синусоид, которые в сумме  дадут выбранную для физического  кодирования последовательность сигналов. Линия связи передает этот спектр синусоид с теми искажениями, которые  определяются ее полосой пропускания. Чем больше несоответствие между  полосой пропускания линии связи  и шириной спектра, передаваемых информационных сигналов, тем больше сигналы искажаются и тем вероятнее  ошибки в распознавании информации принимающей стороной. Следовательно, скорость передаваемой информации оказывается  меньше чем можно было бы предположить. Связь между полосой пропускания линии связи и ее максимально возможной пропускной способностью, в не зависимости от принятого способа физического кодирования, определяется формулой шеннона.

 

C – максимальная пропускная способность линий связи в битах в секунду

F – ширина полосы пропускания в герцах

Pc – мощность сигнала

Pш – мощность шума

Из этой формулы видно, что хотя теретического предела  пропускной способности линии связи  с фиксированной полосой пропускания  не существует, на практике такой пример всегда имеется. Повысить пропускную способность  линии связи можно повысить за счет величины передатчика, либо за счет уменьшения шума на линии связи. Однако, обе эти составляющие поддаются  изменению с большим трудом. Повышение мощности передатчика ведет к существенному увеличению габаритов и стоимости, снижение уровня шума требует применение специальных кабелей с хорошими защитными экранами, что весьма дорого, а так же требует снижения шума в передатчике и промежуточной аппаратуре, чего достичь весьма не просто. К тому же влияние мощностей полезного сигнала и шума на пропускную способность ограниченно логарифмической зависимостью , которая растет далеко не так быстро, как прямо пропорциональная

Рис.

Например, при достаточно типичном исходном отношении мощности сигнала к мощности шума Рс/Рш=100 повышение мощности передатчика в два раза даст только 15% увеличения пропускной способности линии связи (Р_с -> 2H_c => Р_с/Р_ш = 200 => C -> 1,15C)

Близким по сути к формуле  Шеннона является соотношение, полученное Найквистом , которое так же определяет максимально возможную пропускную способность линии связи без  учета шума на линии.

С= 2Flog₂M

M – Количество различимых состояний информационного параметра

F – Ширина полосы пропускания

Если сигнал имеет два  различимых состояния (напр. низкий уровень  потенциала и высокий), то пропускная способность равна удвоенному значению ширины полосы пропускания линии  связи.

 

Если же передачи используют более чем два устойчивых состояния  сигнала для кодир данных то пропуск  способность линии повыш т.к. за один такт работы передатчик передает несколько бит исходных данных, например два бита при наличии 4х различимых состояния сигнала.

Хотя формула Найквиста  явно не учитывает уровня шума косвенное  его влияние отражается в выборе количества состояний информационного  сигнала  .

Для повышения пропускной способности линии связи можно  было бы увеличить это количество (величину М ) до значительных величин, но на практике мы не сможем этого сделать  из-за шума на линии. Поэтому количество возможных (различимых) состояний сигнала фактически ограничивается соотношением мощности сигнала и шума , а формула Найквиста определяет пределбную скорость переачи данных в том случае, когда количество состояний сигнала уже выбрано с учетом возможностей устойчивого распознавания приемником. Формулы Шеннона и Найквиста определяют предельное значение пропускной способности линии связи а степень приближения к этому пределу зависит от конкретных методов физического кодирования.

 

Помехоустойчивость и  достоверность.

Помехоустойчивость линии  связи определяет ее способность  уменьшать уровень помех, создаваемых  во внешней среде , на внутренних проводниках. Помехоустойчивость линии зависит  от типа используемой физической среды  передачи данных а так же от экранирующих и подавляющих помехи средств самой линии. Наименее помехоустойчивыми являются радиолинии, хорошей устойчивостью обладают кабельные линии и очень хорошей устойчивостью обладают волоконно-оптические линии, малочувствительные к внешнему электромагнитному излучению. Обычно для уменьшения помех появляющихся из-за внешних электромагнитных полей проводники экранируют или скручивают.

Перекрестные наводки  на ближнем конце определяют помехоустойчивость кабеля к внутренним источникам помех, когда электромагнитное поле сигнала передаваемого выходом передатчика по одной паре проводников наводит на другую пару проводников сигнал помехи. Если ко второй паре будет подключен приемник , то он может принять наведенную внутреннюю помеху за полезный сигнал. Показатель NEXT, выраженный в децибелах равен 10lg(Pвых/Рнав), Рвых – мощность вых сигнала, Рнав- мощность наведенного сигнала. Чем меньше значение NEXT тем лучше кабель. Показатель НЕКСТ обычно используется применительно к кабелю, состоящему из нескольких витых пар , т.к. в этом случае взаимные наводки одной пары на другую могут достигать существенных величин.

В связи  с тем, что в  некоторых новых технологиях  используется передача данных одновременно по нескольким витым парам , часто  применяется показатель PowerSUM, являющийся модификацией НЕКСТ , этот показатель отражает суммарную мощность перекрестных наводок от всех передающих пар кабеля. Достоверность передачи данных характеризует вероятность искажения для каждого передаваемого бита данных. Этот паказатель также называют интенсивностью битовых ошибок (BER). Величина BER для каналов связи без дополнитеьных средств защиты от ошибок составляюет как правило от 10 в -6 до 10 в -4, в оптоволоконных линиях связи эта величина порядка 10 в -9. Значение BER например 10 в -4 говорит о том что в среденем из 10000 бит искажается значение одного бита.  Искажение бит происходит как из-за наличия помех на линии так и по причине искажений формы сигнала ограниченной полосой пропускания линии. Для повышения достоверности передаваемых данных нужно повышать степень помехозащищенности линии, снижать уровень перекрестных наводок в кабеле, а так же использовать более широкополосные линии связи.

Цифровое кодирование.