Lokalne sieci komputerowe - wprowadzenie

Lokalne sieci komputerowe - wprowadzenie. Transmisja cyfrowa.

Specyfika sieci lokalnych.

Sieci lokalne posiadają swoją specyfikę przede wszystkim w warstwach najniższych modelu OSI. W celu uzyskania dużych szybkości transmisji oraz małej stopy błędów stosuje się specyficzne rodzaje łączy i techniki transmisji, co znajduje swoje odzwierciedlenie w warstwach: fiz 17317f51r ycznej i liniowej. Wszystkie stacje dołączone do LSK korzystają ze wspólnego medium transmisyjnego. Pojawia się więc tutaj problem bezkolizyjnego dostępu do tego medium (np. te same stacje nie mogą zacząć jednocześnie nadawania). W celu rozwiązania tego problemu zdecydowano się na rozbicie warstwy liniowej na dwie podwarstwy: niższą (odpowiedzialną za bezkonfliktowy dostęp do łączy) - podwarstwę dostępu i wyższą (realizującą pozostałe funkcje) - podwarstwę łącza logicznego.

Okazało się, że niektóre zasady dostępu do łącza wymagają dodatkowych, specjalnych usług warstwy fizycznej. Nie można więc łączyć w dowolny sposób rozwiązań odnośnie podwarstwy dostępu i warstwy fizycznej. Zalecenia i normy dotyczące LSK (obecnie są to już standardy) zebrano w dokumentach ISO o numerach 8802.X. X oznacza poszczególne warianty, tak jak to przedstawiono na rysunku.

Najistotniejszymi warstwami są, jak wspomniano, warstwy: fizyczna i liniowa. Funkcje warstwy sieciowej są praktyczni zbędne w LSK, gdyż wszystkie stacje są przyłączone do wspólnego łącza. Gdyby więc pominąć problem łączenia sieci lokalnych między sobą oraz z sieciami rozległymi to warstwę sieciową można by pominąć, natomiast funkcje warstwy transportowej należałoby tak dobrać by nie dublowały funkcji warstwy liniowej (warstwa transportowa zapewniać miała transmisję między stacjami końcowymi, a liniowe między sąsiednimi). Takie podejście stosowane było w sieciach starszych. W nowszych rozwiązaniach wprowadzono warstwę sieciową z prostymi, bezpołączeniowymi protokołami oraz połączeniową warstwę transportową. Jeśli chodzi o warstwy wyższe, to warstwę prezentacji często pomija się w ramach sieci, w których pracują stację z jednakowym systemem operacyjnym, a funkcje warstwy sesji drastycznie się ogranicza.

Przesyłanie informacji cyfrowej.

Podstawowym warunkiem wymiany informacji pomiędzy komputerami jest sprzężenie ich łączem. Rodzaj użytych łączy, konfiguracja, sposób reprezentacji przesyłanej informacji, szybkość i zasięg przesyłania, odporność na zakłócenia zewnętrzne decydują w głównej mierze o parametrach sieci lokalnej. Elementarne zadanie przesyłania informacji cyfrowej można przedstawić następująco: dana jest informacja źródłowa w postaci ciągu bitów I, którego elementy należą do zbioru B=. Ciąg ten powinien zostać przekazany z miejsca przeznaczenia (źródła) za pomocą nadajnika do miejsca przeznaczenia, które odbierze ciąg przy użyciu pewnego odbiornika Nadajnik transformuje ciąg I w przebieg czasowy pewnego sygnału S_N (elektrycznego, świetlnego, radiowego) i wprowadza go w ośrodek (medium) zdolny do przesyłania sygnału tego typu. Rozprzestrzeniając się w ośrodku sygnał ulega opóźnieniom, zniekształceniom oraz modyfikacjom przez zakłócające źródła zewnętrzne. Dociera do odbiornika jako sygnał S_O. Różnica między sygnałem S_O a S_N musi być na tyle mała by mogła umożliwić odtworzenie ciągu I. Układ: nadajnik, ośrodek, odbiornik tworzy łącze.

Reprezentacja i przesyłanie ciągu bitów. Synchronizacja bitowa.

Przebieg S_O jest zwykle konstruowany jako sekwencja kilku wybranych przebiegów elementarnych S o czasie trwania T zwanym okresem sygnalizacji. Reprezentacja ta nosi nazwę kodu. Najprostszym sposobem reprezentacji wartości logicznych 0 i 1, tworzących ciąg I, jest przedstawienie każdej z nich jako pewnego, ustalonego w okresie sygnalizacji T, poziomu sygnału (napięcia). Kod taki nazywa się kodem NRZ (Non Return to Zero). Przykład transmisji ciągu złożonego z naprzemian pojawiających się 0 i 1 przedstawiono na rysunku. Rysunek (część b) przedstawia przebieg sygnału po wniesieniu zniekształceń przez tor transmisyjny, a w części c widać jak wygląda rzeczywisty sygnał odbierany przez odbiornik dla dwóch różnych okresów sygnalizacji T i T₁=2T. Widać tutaj typowy kształt wykresu, tzw. oka sygnału, który często zamieszczany jest w dokumentacji łączy jako ich charakterystyka. Widać, że zniekształcenia zwiększają się wraz ze zmniejszaniem się okresu sygnalizacji (wzrostem szybkości transmisji). Odbiornik po odebraniu takiego sygnału musi odtworzyć ciąg wysyłany I. Mimo bardzo dużego zniekształcenia sygnału jest to możliwe, pod warunkiem próbkowania poziomu odbieranego sygnału we właściwym momencie. Próbki często pobiera się w 1/4, 1/3 lub 1/2 każdego okresu sygnalizacji. Ważne staje się więc określenie przez odbiornik momentu rozpoczęcia okresu sygnalizacji. Jest to tzw. problem synchronizacji bitowej.

Jednak nawet przy najbardziej precyzyjnej synchronizacji bitowej istnieje długość toru transmisji, przy której sygnał ulega takiemu zniekształceniu, że nie jest możliwe odtworzenie informacji, która była w nim zawarta. Długość ta maleje ze wzrostem szybkości transmisji. Wprowadzenie wzmacniaczy sygnałów nie wpływa na ograniczenie długości łącza. W celu wyeliminowania tego problemu stosuje się regeneratory sygnału. Są to układy odbierające i dekodujące sygnał do postaci pośredniego kodu zerojedynkowego, który jest następnie ponownie kodowany i nadawany dalej.

Rys. 10.Regeneracja sygnału cyfrowego.

W przypadku transmisji asynchronicznej zakłada się, że odbiornik ma możliwość określenia początku pierwszego okresu sygnalizacji oraz dysponuje zegarem taktującym o częstotliwości równej częstotliwości sygnału przychodzącego lub jej wielokrotności. Można np. przyjąć, że gdy łącze jest bezczynne to znajduje się w stanie niskim L. Nadanie pierwszego bitu informacji poprzedzone jest wysłaniem tzw. bitu startu, który charakteryzuje się utrzymaniem stanu wysokiego H przez jeden okres sygnalizacji. Odbiornik zaczyna próbkować sygnał wejściowy w chwilach 3/2T, 5/2T, 7/2T itd. Po nadaniu określonej z góry liczby bitów informacji przesyłany jest sygnał stopu, polegający na wprowadzeniu łącza w stan L na co najmniej jeden okres sygnalizacji. Następnie transmitowana jest kolejna część informacji. Jak widać występuje tutaj ograniczenie na liczbę bitów informacji zawartej pomiędzy bitami startu i stopu, ale jest to niezbędne, gdyż może nastąpić ponowne ustalenie początku informacji i pewne niestabilności zegarów taktujących nadajnika i odbiornika nie wpływają na przesyłanie informacji. Metoda ta nie umożliwia szybkich transmisji.

Do przesyłania danych z większymi szybkościami stosuje się transmisję synchroniczną. W tym przypadku przesyłanie informacji poprzedzane jest dostosowaniem fazy zegarów taktujących nadajnika i odbiornika (synchronizacja wstępna), co uzyskuje się podczas transmisji ustalonego, wstępnego ciągu bitów (np. 1, 0, 1, 0) zwanego preambułą. Preambuła powinna być przesyłana po każdym okresie bezczynności łącza. Odbiornik może być jednak niezdolny do odebrania pierwszych bitów preambuły. W celu wyeliminowania preambuły stosuje się inne rozwiązania, np. utrzymuje się stałą gotowość odbiornika przez ciągłą aktywność nadajnika, który przesyła informacje nie mające znaczenia zamiast pozostawać w stanie nieaktywnym. Można również na bieżąco korygować różnice pomiędzy taktami zegara nadajnika i odbiornika np. przez zastosowanie dodatkowej linii łączącej nadajnik z odbiornikiem, którą przekazywane są impulsy zegarowe. Inną możliwością jest wprowadzenie takiego sposobu kodowania informacji źródłowej, aby przesyłany sygnał zawierał dodatkowo informację taktującą, a więc użycie tzw. kodów samosynchronizujących.

Najczęściej używane kody i ich własności.

Najczęściej używane w sieciach komputerowych są kody przedstawione w tabeli:

Informacja źródłowa jest reprezentowana przebiegiem sygnału w czasie

t, 0<t<T. W niektórych przypadkach przebieg ten zależy od poziomu

sygnału w drugiej połowie poprzedniego okresu sygnalizacji, tj. w czasie

t, -0.5T<t<0.

Na rysunku poniżej zilustrowano przykładowe przebiegi czasowe powstałe przy użyciu tych kodów.

We wszystkich wymienionych kodach w jednym okresie sygnalizacji reprezentuje się jeden bit. Jak widać dla kodów NRZ i NRZI szybkość sygnalizacji jest równa szybkości transmisji, dla pozostałych szybkość sygnalizacji jest dwukrotnie większa niż szybkość transmisji i dlatego zastosowanie kodów Manchester i Manchester różnicowy może wymagać ograniczenia szybkości transmisji lub długości łącza (większe tłumienie sygnałów o wyższych częstotliwościach). Kody Manchester i Manchester różnicowy są kodami samosynchronizującymi, bowiem cechują się zmianą poziomą sygnału zawsze w połowie okresu sygnalizacji, można więc w łatwy sposób ustalić takt strony kodującej (nadajnika).

Kody NRZ i NRZI mogą generować na wyjściu przez dowolnie długi okres czasu sygnał o stałym poziomie, jeśli na wejście kodera podany zostanie ciąg jedynek (w przypadku NRZI - także zer). Może to spowodować utratę synchronizacji bitowej w odbiorniku. Dlatego użycie tych kodów wymaga zastosowania w koderze dodatkowego układu uniemożliwiającego pojawienie się długich sekwencji jedynek (NRZ - również zer).

Bardzo popularne jest rozwiązanie tego układu w postaci licznika działającego według zasad:

a)         licznik jest zerowany, gdy w źródłowym ciągu zerojedynkowym pojawia się zero, a powiększa swą zawartość o jeden, gdy pojawia się jedynka;

b)        bezpośrednio po jedynce, która spowodowała dojście licznika do pewnej przyjętej wartości (np. 5), do ciągu źródłowego jest sztucznie wprowadzany bit o wartości zero i licznik jest zerowany;

Dla przykładu: ciąg 111111 zostanie wysłany jako 1111101, a zamiast 111110 - sekwencja 1111100. Rozwiązanie to nosi nazwę "faszerowania zerami" (zero stuffing). Dzięki niemu w kodzie NRZI istnieje pewność, że zmiana sygnału nastąpi nie rzadziej niż co pięć bitów. Oczywiście odbiornik musi pominąć przy odtwarzaniu informacji sztucznie wprowadzone zera.

Wartość średnia sygnału przesyłanego przez łącze dla kodów NZR i NZRI może być różna od wartości 0,5(L+H). Jest to własność niekorzystna w wielu przypadkach transmisji. Wolne od niej są kody Manchester i Manchester różnicowy.

Sygnał uzyskiwany na wyjściu kodera stanowi ciąg impulsów prostokątnych. W celu zmniejszenia wpływu niedogodności związanych z przesyłaniem sygnału (zakłócenia zewnętrzne, zniekształcenia związane z rzeczywistymi właściwościami medium transmisyjnego i inne) często przed wprowadzeniem go w tor transmisyjny dokonywane jest wstępne kształtowani sygnału: "wygładzanie" go w celu ograniczenia jego widma. W efekcie przebieg wprowadzony w tor bardziej przypomina ciąg trapezów lub fragmentów sinusoid niż ciąg impulsów prostokątnych. Precyzyjne określenie sygnału jaki powinien zostać wprowadzony w tor transmisyjny znajduje się w normach odnoszących się do poszczególnych rodzajów LSK. Odebrany sygnał jest oczywiście przed dekodowaniem go przekształcany w ciąg impulsów prostokątnych.

Rodzaje transmisji, elementarne konfiguracje łączy.

Transmisja w paśmie podstawowym (baseband) - polega na przesłaniu ciągu impulsów uzyskanego na wyjściu dekodera (i być może lekko zniekształconego). Widmo sygnału jest tutaj nieograniczone. Jest to rozwiązanie dominujące w obecnie istniejących LSK.

Transmisja szerokopasmowa (broadband) polega na tym, że za pomocą przebiegu uzyskanego na wyjściu dekodera jest modyfikowany (modulowany) sygnał sinusoidalny o pewnej częstotliwości (zwanej częstotliwością nośną). Modulacji może podlegać dowolny parametr przebiegu sinusoidalnego: amplituda, częstotliwość lub faza. Tak zmodulowany przebieg sinusoidalny jest przekazywany w    tor transmisyjny. Widmo takiego przebiegu mieści się w pewnym ściśle określonym przedziale częstotliwości, którego środkiem jest częstotliwość nośna, a szerokość nie przekracza dwukrotnej szybkości sygnalizacji (częstotliwości sygnału modulującego). Istnieją rozwiązania, które pozwalają jeszcze zawęzić to pasmo. Każde łącze charakteryzuje się pewnym pasmem przenoszenia sygnałów. Pasmo to dzieli się na części (kanały), a w każdej z nich przesyła się sygnał o innej częstotliwości nośnej. Można więc w jednym łączu przesyłać sygnał telewizyjny, informację cyfrową itd.

Na rysunku poniżej przedstawiono elementarne konfiguracje łączy.

W każdej takiej konfiguracji może odbywać się transmisja:

a)         jednokierunkowa (simplex) - gdy łącze umożliwia propagację sygnału tylko w jednym kierunku. Odbiornik nie może przesłać odpowiedzi. Często ten rodzaj transmisji wykorzystywany jest w układach typu master-slave. Przykładem może być transmisja radiowa;

b)        dwukierunkowa (duplex) - w tym przypadku wyróżnia się transmisję naprzemienną (half duplex) - przesyłanie w dowolnym kierunku, ale tylko w jednym w danej chwili, wykorzystuje się system sygnalizacji wskazujący, że jedno urządzenie zakończyło nadawanie lub odbiór, transmisję w tym trybie można zrealizować przy użyciu kabla dwuprzewodowego (np. skrętka), typowy przykład takiej transmisji to komunikacja za pomocą CB - oraz transmisję równoczesną (full duplex) - możliwe jest przesyłanie jednoczesne sygnału w dwóch kierunkach bez jego zniekształcania, w sieciach cyfrowych konieczne są dwie pary przewodów do utworzenia połączenia;

W konfiguracjach wielopunktowych może się zdarzyć sytuacja, w której kilka nadajników zacznie równocześnie emisję sygnału, co spowoduje wzajemne zniekształcenie nadawanych sygnałów. Taka sytuacja nazywa się kolizją. W chwili kolizji całkowita moc sygnału w łączu znacznie się zwiększa, a więc zarówno nadajnik jak i odbiornik muszą być odpowiednio przygotowane do takich warunków pracy. W niektórych rozwiązaniach LSK wprowadza się układy umożliwiające wykrycie kolizji. Działają one na ogół według jednej z dwóch zasad:

a)         analizowana jest moc sygnału odbieranego. Stwierdzenie przekroczenia przez tę moc pewnego poziomu progowego świadczy o wystąpieniu kolizji. Metoda ta jest zawodna w przypadku, gdy w miejscu zainstalowania odbiornika moc kolidujących sygnałów znacznie się różni;

b)        porównywany jest sygnał emitowany przez nadajnik z sygnałem odbieranym. Metoda ta jest możliwa do zastosowania tylko przez uczestników kolizji. Chcąc zapewnić jednoczesne wykrycie kolizji przez wszystkich uczestników korzystających z łącza narzuca się wymaganie emitowania specjalnego sygnału przez stację, która wykryła kolizję;

Wyposażenie do transmisji danych.

Istnieje duże różnorodność sprzętu służącego do transmisji danych, określanego skrótem DCE (Data Communication Equipment) Najczęściej są one powiązanie z urządzeniami końcowymi DTE (Data Terminal Equipment). Urządzenia DCE znajdują się pomiędzy urządzeniami DTE i linią lub kanałem transmisyjnym, umożliwiają podłączenie urządzeń DTE do sieci komunikacyjnej oraz pełnią funkcję terminatora łącza i zapewniają w nim synchronizację. Przykładem urządzenia DCE jest modem.

Interfejsy urządzeń DCE i DTE zdefiniowane są w warstwie fizycznej modelu OSI. W urządzeniach DCE/DTE najpowszechniej stosowane są standardy przyjęte przez EIA: RS-232-C i RS-232-D oraz V.24 komitetu CCITT. Inne standardy to: EIA RS-366-A, CCITT X.20, X.21 i V.35.

Efektywność wykorzystania sieci.

Długość ramki danych można wyznaczyć z zależności: , gdzie R - szybkość przesyłania danych w LSK, d - odległość między stacjami, v - czas propagacji sygnału w medium.

Wtedy maksymalną efektywność jaką można uzyskać w LSK wyznacza się jako: