Беспроводная передача данных: типы, технология и устройства. Передача данных в сетях Связь и передача данных

Если вы хотите понять принцип работы интернета, необходимо разобраться, что он из себя представляет. Интернет – это всего лишь сеть передачи данных. Недаром его вторым названием является словосочетание «глобальная сеть». Она представляет собой совокупность программно-аппаратного оборудования, которое соединяется каналами связи.

К оборудованию относятся клиент, сервер и сетевое оборудование. Их назначение состоит в передаче данных, которые могут являться абсолютно любой информацией от обычного текста до длительного видео.

Под клиентом подразумевается персональный компьютер, ноутбук, телефон или любое другое устройство, которое способно отправлять запросы на получение информации из сети, принимать ответы на них и отображать их в доступном виде. Под сервером понимается то место, где информация хранится. Это базы данных, которые отвечают на запросы клиента и передают ему то, чем он интересуется. Сетевое оборудование – это канал, который соединяет сервер и клиента.

Как происходит передача информации

Если рассмотреть суть работы глобальной сети схематически, то она будет выглядеть следующим образом. Клиент направляет на сервер запрос на информацию. Этот запрос передается на обработку через сетевое оборудование на сервер. После получения сервер сформирует ответ на вопрос и отправит его обратно по сетевому оборудованию клиенту. Так получается схема взаимодействия между клиентом и сервером. Для того чтобы эта схема бесперебойно работала, сервер должен круглосуточно находиться в рабочем состоянии, иначе информация, которая хранится в его владении, будет недоступна.

Как работает сетевое оборудование

Для того чтобы клиент и сервер могли взаимодействовать между собой, используется сетевое оборудование: модемы, маршрутизаторы, коммутаторы и каналы связи.

Модем работает посредством переработки информации из цифрового вида в аналоговые сигналы и наоборот, после чего он передает ее по оптическим каналам связи.

Маршрутизаторы работают посредством хранения «таблицы маршрутизации», в которой содержатся пакеты для передачи данных и соответствующие им адреса.

Коммутатор передает информацию между устройствами, которые подключены к нему напрямую на небольшом расстоянии с помощью специального кабеля. Как правило, коммутаторы используются для создания локальных сетей, поэтому для работы в интернете применяют модемы и маршрутизаторы.

Примечание

Если вы еще помните, что такое тип данных MIME, то, взглянув на приведенные выше названия методов кодирования данных, сразу увидите, что это как раз типы MIME. Именно с их помощью задаются методы кодирования.

В подавляющем большинстве случаев используется метод кодирования application/x-www-form-uriencoded. Кстати, именно он применяется по умолчанию, если метод кодирования не задан. Метод кодирования multipart/form-data используется, если вы собираетесь отправить на Web-сервер файлы; он обеспечивает соответствующее такому случаю преобразование двоичных данных. Последний метод - text/plain -- представляет данные в виде обычного текста, что может быть полезно, если данные формы будут отправляться по электронной почте (иногда применяется и такой способ передачи данных).

Итак, с кодированием данных разобрались. Остается выяснить, как же эти данные передаются по каналам Сети.

Как вы уже знаете, для пересылки данных по Интернету, да и по любой локальной или глобальной компьютерной сети, используется особый набор.правил, называемый протоколом. Протокол определяет, каким образом данные будут шифроваться и упаковываться для последующей передачи по сети. Естественно, что и передающая, и принимающая программы должны поддерживать один и тот же протокол, чтобы "понять" друг друга. (Иначе возникнет так называемая несовместимость по протоколу передачи данных, штука весьма неприятная.) Собственно, уже говорилось об интернет-протоколах и повторяться сейчас нет смысла.

Также вы знаете, что для пересылки по Сети Web-страниц и связанных с ними файлов (графических изображений, звуков, архивов и т. п.) используется протокол HTTP. Он же применяется и для передачи данных, причем для этого предусмотрены два метода передачи данных. Оба способа широко используются в интернет-программировании и имеют свои преимущества и недостатки. Давайте их рассмотрим.

Первый способ носит название GET по значению соответствующего параметра формы. При его использовании данные передаются как часть интернет-адреса в HTTP-запросе.

Как вы помните, Web-обозреватель для того, чтобы получить от Web-сервера нужный ему файл, отправляет этому серверу так называемый HTTP-запрос, включающий в себя интернет-адрес необходимого файла. Так вот, данные могут быть переданы как часть этого адреса.

Возьмем, например, такой набор данных, приведенный чуть выше:

name1 = Ivan surname = Ivanovich name2 = Ivanov age = 30

Теперь подготовим его для пересылки по методу GET (сами данные выделены полужирным шрифтом):

Как видите, пересылаемые по методу GET данные помещаются в самый конец интернет-адреса и отделяются от него вопросительным знаком. При этом пары "имя" = "значение" отделяются друг от друга знаком "коммерческое и" ("&"). Все очень просто и наглядно.

Такая простота и наглядность представления данных - основное преимущество метода GET. Как говорится, все на виду. Также значительно упрощается отладка Web-страниц: поскольку передаваемый Web-серверу адрес отображается в строке адреса Web-обозревателя, вы всегда сможете увидеть, что именно было передано. (Однако, как вы понимаете, конфиденциальные данные таким методом не передашь - их увидят все, кто стоит за вашей спиной.)

http://www.mysite.ru/bin/choose.exe?chapter=3

Как видите, фактически это ссылки на серверную программу, содержащие один параметр chapter и его значение. Это значит, что все остальные страницы такого сайта формируются серверной программой динамически, на основании полученных параметров. По такому принципу очень часто строятся сайты-справочники, сайты-каталоги программ, электронные магазины и другие сайты, содержащие большое количество классифицированной информации.

К несчастью, метод GET обладает огромным недостатком: с его помощью невозможно передавать большие объемы данных. Это происходит из-за ограничения, накладываемого стандартами на длину интернет-адреса: не более 256 символов. Вычтите отсюда длину собственно адреса серверной программы - и вы получите максимально допустимый размер ваших данных. Второй недостаток метода GET - обратная сторона его достоинства. Данные, пересылаемые им, открыты для всеобщего обозрения и могут быть легко прочитаны в строке адреса Web-обозревателя.

Метод GET стоит использовать, если пересылаемые серверной программе данные заведомо невелики и не являются секретными. В частности, он используется для пересылки ключевых слов поисковым машинам, в сайтах, построенных на основе серверной программы (см. выше) и т. п. Если же вам нужно пересылать объемистые либо конфиденциальные данные, используйте второй метод передачи, называемый POST.

Метод POST передает данные серверной программе все в том же HTTP-запросе, но уже не частью интернет-адреса, а в виде так называемых дополнительных данных. Поскольку размер дополнительных данных не ограничен (по крайней мере, он может быть очень велик), вы можете передавать все, что угодно, в каких угодно количествах. В частности, именно этим способом Web-серверу могут передаваться даже файлы.

Достоинства метода POST: отсутствие ограничения на объем передаваемых данных и "невидимость" их. Недостатки: сложность расшифровки данных и трудность отладки. Методом POST передаются, например, анкетные данные, адреса покупателей в электронных магазинах, литературные произведения на сайты http://www.stihi.ru и http://www.proza.ru и т. п. В общем, то, что имеет большие объемы.

Как говорят, комитет WWWC намерен вообще со временем отказаться от метода GET и все данные передавать с помощью метода POST. Пока что метод GET просто объявлен не рекомендованным для использования во вновь создаваемых сайтах, реально же он еще поддерживается Web-обозревателями.

Линия связи состоит в общем случае из физической среды, по которой передаются электрические информационные сигналы, аппаратуры передачи дан­ных и промежуточной аппаратуры. Синонимом термина линия связи (line) являет­ся термин канал связи (channel).

Физическая среда передачи данных может представлять собой кабель, то есть набор проводов, изоляционных и защитных оболочек и соединительных разъемов, а также земную атмосферу или космическое пространство, через кото­рые распространяются электромагнитные волны.

В зависимости от среды передачи данных линии связи разделяются на следую­щие:

§ проводные (воздушные);

§ кабельные (медные и волоконно-оптические);

§ радиоканалы наземной и спутниковой связи.

Проводные (воздушные) линии связи представляют собой провода без каких-либо изолирующих или экранирующих оплеток, проложенные между столбами и вися­щие в воздухе. По таким линиям связи традиционно передаются телефонные или телеграфные сигналы, но при отсутствии других возможностей эти линии исполь­зуются и для передачи компьютерных данных. Скоростные качества и помехоза­щищенность этих линий оставляют желать много лучшего. Сегодня проводные линии связи быстро вытесняются кабельными.

Кабельные линии представляют собой достаточно сложную конструкцию. Кабель состоит из проводников, заключенных в несколько слоев изоляции: электрической, электромагнитной, механической, а также, возможно, климатической. Кроме того, кабель может быть оснащен разъемами, позволяющими быстро выполнять присоединение к нему различного оборудования. В компьютерных сетях применяются три основных типа кабеля: кабели на основе скрученных пар медных проводов, коак­сиальные кабели с медной жилой, а также волоконно-оптические кабели.

Скрученная пара проводов называется витой парой. Витая пара существует в экранированном варианте, когда пара мед­ных проводов обертывается в изоляционный экран, и неэкранированном, когда изоляционная обертка отсутствует. Скручивание проводов снижает влияние внешних помех на полезные сигналы, передаваемые по кабелю.

Коаксиальный кабель имеет несимметричную конструкцию и состоит из внутренней медной жилы и оплетки, отделенной от жилы слоем изоляции. Суще­ствует несколько типов коаксиального кабеля, отличающихся характеристиками и областями применения - для локальных сетей, для глобальных сетей, для кабельно­го телевидения и т. п.

Волоконно-оптический кабель состоит из тонких волокон, по которым распространяются световые сигналы. Это наиболее качественный тип кабеля - он обеспечивает передачу данных с очень высокой скоростью (до 10 Гбит/с и выше) и лучше других типов передающей среды обеспечивает защиту данных от внешних помех.

Радиоканалы наземной и спутниковой связи образуются с помощью передатчика и приемника радиоволн. Существует большое количество различных типов радио­каналов, отличающихся как используемым частотным диапазоном, так и дальностью канала. Диапазоны коротких, средних и длинных волн (KB, СВ и ДВ), называемые также диапазонами амплитудной модуляции (Amplitude Modulation, AM) по типу используемого в них метода модуляции сигнала, обеспечивают дальнюю связь, но при невысокой скорости передачи данных. Более скоростными являются каналы, работающие на диапазонах ультракоротких волн (УКВ), для которых характерна частотная модуляция, а также диапазонах сверхвысо­ких частот (СВЧ или microwaves).

В диапазоне СВЧ (свыше 4 ГГц) сигналы уже не отражаются ионосферой Земли и для устойчивой связи требуется наличие прямой видимости между передатчиком и приемником. Поэтому такие частоты использу­ют либо спутниковые каналы, либо радиорелейные каналы, где это условие выпол­няется.

В компьютерных сетях сегодня применяются практически все описанные типы физических сред передачи данных, но наиболее перспективными являются воло­конно-оптические. На них сегодня строятся как магистрали крупных территори­альных сетей, так и высокоскоростные линии связи локальных сетей.

Популярной средой является также витая пара, которая характеризуется отличным соотноше­нием качества к стоимости, а также простотой монтажа. С помощью витой пары обычно подключают конечных абонентов сетей на расстояниях до 100 метров от концентратора. Спутниковые каналы и радиосвязь используются чаще всего в тех случаях, когда кабельные связи применить нельзя - например, при прохождении канала через малонаселенную местность или же для связи с мобильным пользова­телем сети.

Даже при рассмотрении простейшей сети, состоящей всего из двух машин, можно увидеть многие проблемы, присущие любой вычислительной сети, в том числе проблемы, связанные с физической передачей сигналов по линиям связи , без решения которой невозможен любой вид связи.

В вычислительной технике для представления данных используется двоичный код . Внутри компьютера единицам и нулям данных соответствуют дискретные электрические сигналы. Представление данных в виде электрических или оптических сигналов называется кодированием. Существуют различные способы кодирования двоичных цифр 1 и 0, например, потенциальный способ, при котором единице соответствует один уровень напряжения, а нулю - другой, или импульсный способ, когда для представления цифр используются импульсы различной или одной полярности.

Аналогичные подходы могут быть использованы для кодирования данных и при передаче их между двумя компьютерами по линиям связи. Однако эти линии связи отличаются по своим электрическим характеристикам от тех, которые существуют внутри компьютера. Главное отличие внешних линий связи от внутренних состоит в их гораздо большей протяженности , а также в том, что они проходят вне экранированного корпуса по пространствам, зачастую подверженным воздействию сильных электромагнитных помех. Все это приводит к значительно большим искажениям прямоугольных импульсов (например, «заваливанию» фронтов), чем внутри компьютера. Поэтому для надежного распознавания импульсов на приемном конце линии связи при передаче данных внутри и вне компьютера не всегда можно использовать одни и те же скорости и способы кодирования. Например, медленное нарастание фронта импульса из-за высокой емкостной нагрузки линии требует передачи импульсов с меньшей скоростью (чтобы передний и задний фронты соседних импульсов не перекрывались и импульс успел дорасти до требуемого уровня).

В вычислительных сетях применяют как потенциальное, так и импульсное кодирование дискретных данных , а также специфический способ представления данных, который никогда не используется внутри компьютера, - модуляцию (рис. 3). При модуляции дискретная информация представляется синусоидальным сигналом той частоты, которую хорошо передает имеющаяся линия связи.

Потенциальное или импульсное кодирование применяется на каналах высокого качества, а модуляция на основе синусоидальных сигналов предпочтительнее в том случае, когда канал вносит сильные искажения в передаваемые сигналы. Обычно модуляция используется в глобальных сетях при передаче данных через аналоговые телефонные каналы связи, которые были разработаны для передачи голоса в аналоговой форме и поэтому плохо подходят для непосредственной передачи импульсов.

Для преобразования данных из одного вида в другой используются модемы. Термин «модем» - сокращение от слов модулятор/демодулятор. Двоичный ноль преобразуется, например, им в сигнал низкой, а единица - высокой частоты. Другими словами, преобразуя данные, модем модулирует частоту аналогового сигнала (рис. 4).

На способ передачи сигналом влияет и количество проводов в линиях связи между компьютерами.

Передача данных может происходить происходит параллельно (рис. 5) или последовательно (рис. 6).

Для сокращения стоимости линий связи в сетях обычно стремятся к сокращению количества проводов и из-за этого используют не параллельную передачу всех бит одного байта или даже нескольких байт, как это делается внутри компьютера, а последовательную, побитную передачу, требующую всего одной пары проводов.

При соединении компьютеров и устройств используются также три различных метода, обозначаемые тремя различными терминами. Соединение бывает: симплексное, полудуп­лексное и дуплексное (рис. 7).

О симплексном соединении говорят, когда данные перемещаются лишь в одном направлении. Полудуплексное соединение позво­ляет данным перемещаться в обоих направлениях, но в разное время, и, наконец, дуплексное соединение, это когда данные следуют в обоих направлениях одновременно.

Рис. 7. Примеры потоков данных.

Другим важным понятием является переключение (коммутация) соединения.

Любые сети связи поддерживают некоторый способ коммутации своих абонентов между собой. Этими абонентами могут быть удаленные компьютеры, локальные сети, факс-аппараты или просто собеседники, общающиеся с помощью телефон­ных аппаратов. Практически невозможно предоставить каждой паре взаимодействующих абонентов свою собственную некоммутируемую (т.е. постоянное соединение) физическую линию связи, которой они могли бы монопольно «владеть» в течение длительного времени. По­этому в любой сети всегда применяется какой-либо способ коммутации абонентов, который обеспечивает доступность имеющихся физических каналов одновременно для нескольких сеансов связи между абонентами сети.

Переключение соединения позволяет аппаратным средствам сети разделять один и тот же физический канал связи между многими устройствами. Два основных способа переключения соединения - пере­ключение цепей и переключение пакетов.

Переключение цепей создает единое непрерывное соединение между двумя сетевыми устройствами. Пока эти устройства взаимодействуют, ни одно другое не сможет воспользоваться этим соединением для передачи собственной инфор­мации - оно вынуждено ждать, пока соединение не освободится.

Простой пример переключателя цепей - переключатель типа А-В, служащий, чтобы два компьютера соединить с одним принтером. Чтобы один из компьюте­ров мог печатать, вы поворачиваете тумблер на переключателе, устанавливая непрерывное соединение между компьютером и принтером. Образуется соеди­нение типа «точка-точка». Как изображено на рисунке, только один компьютер может печатать в одно и то же время.

Рис. 6Переключение цепей

Большинство современных сетей, включая Интернет, используют переключение пакетов. Программы передачи данных в таких сетях делят данные на кусочки, называе­мые пакетами. В сети пакетной коммутации данные могут следовать одновременно одним пакетом, а могут - в нескольких. Данные прибудут в одно и тоже место назначения, несмотря на то, что пути, которыми они следовали, могут быть совершенно различны.

Для сравнения двух видов соединения в сети, предположим, что мы прервали канал в каждом их них. Например, отключив принтер от менеджера на рис. 6 (переставив тумблер в положение В), вы лишили его возможности печатать. Соединение с переключением цепей требует наличия непрерывного канала связи.

Рис. 7. Переключение пакетов

Наоборот, данные в сети с переключением пакетов могут двигаться различными путями. Это видно на рис. 7. Данные необязательно следуют одной дорогой на пути между офисным и домашним компьютерами, разрыв одного из каналов не приведет к потере соединения - данные просто пойдут другим маршрутом. Сети с переключением пакетов имеют множество альтернативных маршрутов для пакетов.

Коммутация пакетов - это техника коммутации абонентов, которая была специ­ально разработана для эффективной передачи компьютерного трафика.

Суть проблемы заключается в пульсирующем ха­рактере трафика , который генерируют типичные сетевые приложения. Например, при обращении к удаленному файловому серверу пользователь сначала просмат­ривает содержимое каталога этого сервера, что порождает передачу небольшого объема данных. Затем он открывает требуемый файл в текстовом редакторе, и эта операция может создать достаточно интенсивный обмен данными, особенно если файл содержит объемные графические включения. После отображения нескольких страниц файла пользователь некоторое время работает с ними локально, что вооб­ще не требует передачи данных по сети, а затем возвращает модифицированные копии страниц на сервер - и это снова порождает интенсивную передачу данных по сети.

Коэффициент пульсации трафика отдельного пользователя сети, равный отно­шению средней интенсивности обмена данными к максимально возможной, может составлять 1:50 или 1:100. Если для описанной сессии организовать коммутацию канала между компьютером пользователя и сервером, то большую часть времени канал будет простаивать. В то же время коммутационные возможности сети будут использоваться и будут недоступны другим пользователям сети.

При коммутации пакетов все передаваемые пользователем сети сообщения раз­биваются в исходном узле на сравнительно небольшие части, называемые пакета­ми. Сообщением называется логически завершенная порция данных - запрос на передачу файла, ответ на этот запрос, содержащий весь файл, и т. п.

Сообщения могут иметь произвольную длину, от нескольких байт до многих мега­байт. Напротив, пакеты обычно тоже могут иметь переменную длину, но в узких пределах, например от 46 до 1500 байт. Каждый пакет снабжается заголовком, в котором указывается адресная информация, необходимая для доставки пакета узлу назначения, а также номер пакета, который будет использоваться узлом назначения для сборки сообщения.

Пакеты транспортируются в сети как независи­мые информационные блоки. Коммутаторы сети принимают пакеты от конечных узлов и на основании адресной информации передают их друг другу, а в конечном итоге - узлу назначения.

Коммутаторы пакетной сети отличаются от коммутаторов каналов тем, что они имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов, если выходной порт коммутатора в момент принятия пакета занят передачей другого пакета. В этом случае пакет находится некоторое время в очереди пакетов буферной памяти выходного порта, а когда до него дойдет очередь, то он передается следующему коммутатору. Такая схема передачи данных позволяет сглаживать пульсации трафика на магистральных связях между коммутаторами и тем самым использовать их наиболее эффективным образом для повышения пропускной способности сети в целом.

Действительно, для пары абонентов наиболее эффективным было бы предоставление им в единоличное пользование скоммутированного канала связи, как это дается в сетях с коммутацией каналов. При этом способе время взаимодействия пары абонентов было бы минимальным, так как данные без задержек передавались бы от одного абонента другому.

Сеть с коммутацией пакетов замедляет процесс взаимодействия конкретной пары абонентов. Тем не менее, общий объем передаваемых сетью компьютерных данных в едини­цу времени при технике коммутации пакетов будет выше, чем при технике ком­мутации каналов.

Обычно при равенстве предоставляемой скоро­сти доступа сеть с коммутацией пакетов оказывается в 2-3 раза дешевле, чем сеть с коммутацией каналов, то есть публичная телефонная сеть.

Каждая из этих схем (коммутация каналов (circuit switching) или коммутация пакетов (packet switching)) имеет свои преимущества и недостатки, но по долгосроч­ным прогнозам многих специалистов будущее принадлежит технологии коммута­ции пакетов, как более гибкой и универсальной.

Сети с коммутацией каналов хорошо приспособлены для коммутации данных с постоянной скоростью, когда единицей коммутации является не отдельный байт или пакет данных, а долговременный синхронный поток данных между двумя абонентами.

Как сети с коммутацией пакетов, так и сети с коммутацией каналов можно разделить на два класса по другому признаку - на сети с динамической коммутацией и сети с постоянной коммутацией.

В первом случае сеть разрешает устанавливать соединение по инициативе пользователя сети. Коммутация выполняется на время сеанса связи, а затем (опять же по инициативе одного из взаимодействующих пользователей) связь разрывается. В общем случае любой пользователь сети может соединиться с любым другим пользователем сети. Обычно период соединения между парой пользователей при динамической коммутации составляет от нескольких секунд до нескольких часов и завершается при выполнении определенной работы - передачи файла, просмотра страницы текста или изображения и т. п.

Во втором случае сеть не предоставляет пользователю возможность выполнить динамическую коммутацию с другим произвольным пользователем сети. Вместо этого сеть разрешает паре пользователей заказать соединение на длительный период[ времени. Соединение устанавливается не пользователями, а персоналом, обслуживающим сеть. Время, на которое устанавливается постоянная коммутация, меряется обычно несколькими месяцами. Режим постоянной коммутации в сетях с коммутацией каналов часто называется сервисом выделенных (dedicated) или арендуемых (leased) каналов.

Примерами сетей, поддерживающих режим динамической коммутации, являются телефонные сети общего пользования, локальные сети, сеть Internet.

Некоторые типы сетей поддерживают оба режима работы.

Еще одной проблемой, которую нужно решать при передаче сигналов, является проблема взаимной синхронизации передатчика одного компьютера с приемником другого . При организации взаимодействия модулей внутри компьютера эта проблема решается очень просто, так как в этом случае все модули синхронизируются от общего тактового генератора. Проблема синхронизации при связи компьютеров может решаться разными способами, как с помощью обмена специальными тактовыми синхроимпульсами по отдельной линии, так и с помощью периодической синхронизации заранее обусловленными кодами или импульсами характерной формы, отличающейся от формы импульсов данных.

Асинхронная и синхронная передачи. При обмене данными на физическом уровне единицей информации является бит, поэтому средства физического уровня всегда поддерживают побитовую синхрони­зацию между приемником и передатчиком.

Однако при плохом качестве линии связи (обычно это относится к телефонным коммутируемым каналам) для удешевления аппаратуры и повышения надежности передачи данных вводят дополнительные средства синх­ронизации на уровне байт.

Такой режим работы называется асинхронным или старт-стопным. Другой причиной использования такого режима работы является наличие устройств, ко­торые генерируют байты данных в случайные моменты времени. Так работает кла­виатура дисплея или другого терминального устройства, с которого человек вводит данные для обработки их компьютером.

В асинхронном режиме каждый байт данных сопровождается специальными сиг­налами «старт» и «стоп». Назначение этих сигналов состоит в том, чтобы, во-первых, известить приемник о приходе данных и, во-вторых, чтобы дать приемнику достаточно времени для выполнения некоторых функций, связанных с синхронизацией, до поступления следующего байта..

Асинхронным описанный режим называется потому, что каждый байт может быть несколько смещен во времени относительно побитовых тактов предыдущего байта

Задачи надежного обмена двоичными сигналами, представленными соответствующими электромагнитными сигналами, в вычислительных сетях решает определенный класс оборудования. В локальных сетях это сетевые адаптеры, а в глобальных сетях - аппаратура передачи данных, к которой относятся, например, рассмотренные модемы. Это оборудование кодирует и декодирует каждый информационный бит, синхронизирует передачу электромагнитных сигналов по линиям связи, проверяет правильность передачи по контрольной сумме и может выполнять некоторые другие операции.

Контрольные вопросы:

3. Какие линии связи используются в компьютерных сетях?

4. Какие линии связи являются наиболее перспективными?

5. Как передаются двоичные сигналы в сети? Что такое модуляция?

6. Для чего используется модем?

7. Что такое последовательная и параллельная передача данных?

8. Что такое симплексное, полудуп­лексное и дуплексное соединение?

9. Что такое коммутация соединения?

10. Какие существуют два основных способа коммутации соединения?

11. Что такое пакетная коммутация и в чем ее преимущество?

12. Когда целесообразно использовать коммутацию каналов?

13. Поясните понятия асинхронной и синхронной передачи данных?

Я рассказывал о цифровых сигналах. Чем же так хороши эти цифровые сигналы? Как это бы странно не звучало, но цифровые сигналы по своей природе являются аналоговыми, так как передаются путем изменения значения напряжения или тока, но передают сигналы с ранее оговоренными уровнями. По своей сути, они являются дискретными сигналами. А что означает слово “дискретный”? Дискретный – это значит состоящий из отдельных частей, раздельный, прерывистый. Цифровые сигналы относятся как раз к дискретным сигналам, так как имеют только ДВА СОСТОЯНИЯ: «активно» и «не активно» - «есть напряжение/ток» и «нет напряжения/тока».

Главный плюс цифровых сигналов в том, что их проще передавать и обрабатывать. Для передачи чаще всего используют напряжение. Поэтому, принято два состояния: напряжение близко к нулю (менее 10% от значения напряжения) и напряжение близко к напряжению питания (более 65% от значения). Например, при напряжении питания схемы 5 Вольт мы получаем сигнал с напряжением 0,5 Вольт - «ноль», если же 4,1 Вольта - «единица».

Последовательный метод передачи информации

Есть просто два провода, источник электрического сигнала и приемник электрического сигнала, которые цепляются к этим проводам.

Это ФИЗИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ.

Как мы уже сказали, по этим двум проводам мы можем передавать только два сигнала: «есть напряжение/ток» и «нет напряжения/тока». Какие способы передачи информации мы можем реализовать?

Самый простой способ – сигнал есть (лампочка горит) – это ЕДИНИЧКА, сигнала нет (лампочка не горит) – это НОЛЬ

Если пораскинуть мозгами, можно придумать еще несколько различных комбинаций. Например, широкий импульс принять за единичку, а узкий – за ноль:

Или даже вообще взять за единичку и ноль фронт и срез импульса. Внизу рисунок, если подзабыли, что такое фронт и срез импульса.

А вот и практическая реализация:

Да можно хоть сколько придумать различных комбинаций, если “получатель” и “отправитель” согласуют прием и передачу . Здесь я привел просто самые популярные способы передачи цифрового сигнала. То есть все эти способы и есть ПРОТОКОЛЫ. И их, как я уже сказал, можно напридумывать очень много.

Скорость обмена данными

Представьте себе картину… Студенты, идет лекция… Преподаватель диктует лекцию, а студенты ее записывают

Но если преподаватель очень быстро диктует лекцию и в придачу эта лекция по физике или матанализу, то в результате получаем:

Почему же так произошло?

С точки зрения цифровой передачи данных, можно сказать, что скорость обмена данными между «Отправителем» и «Получателем» разная. Поэтому, может быть реальна ситуация, когда «Получатель» (студент) не в состоянии принять данные от «Отправителя» (преподавателя) из-за несоответствия скорости передачи данных: скорость передачи может быть выше или ниже той, на которую настроен приемник (студент).

Данная проблема в разных стандартах последовательной передачи данных решается по-разному:

• предварительная договоренность о скорости передачи данных (договориться с преподавателем, чтобы диктовал лекцию медленнее или чуть быстрее);
• перед передачей информации «Отправитель» передает некую служебную информацию, используя которую «Получатель» подстраивается под «Отправителя» (Преподаватель: “Кто не запишет эту лекцию полностью, тот не получит зачет”)

Чаще всего, используется первый способ: в устройствах связи заранее устанавливается необходимая скорость обмена данными. Для этого используется тактовый генератор, который вырабатывает импульсы для синхронизации всех узлов устройства, а также для синхронизации процесса связи между устройствами.

Управление потоком

Также возможна ситуация, когда «Получатель»(студент) не готов принимать передаваемые «Отправителем»(преподавателем) данные по какой-либо причине: занятость, неисправность и др.

Решается эта проблема различными методами:

1) На уровне протоколов . Например, в протоколе обмена оговорено: после передачи «Отправителем» служебного сигнала «начало передачи данных» в течение определенного времени «Получатель» обязан подтвердить принятие этого сигнала путем передачи специального служебного сигнала «готовность к приему». Данный способ называют «программным управлением потоком» – «Soft»

2) На физическом уровне - используются дополнительные каналы связи, по которым «Отправитель» ДО передачи информации запрашивает у «Получателя» о его готовности к приему). Такой способ называют «аппаратным управлением потоком» – «Hard»;

Оба метода очень распространены. Иногда они используются одновременно: и на физическом уровне, и на уровне протокола обмена.

При передаче информации важно засинхронизировать работу передатчика и приемника . Способ установки режима связи между устройствами называют «синхронизацией». Только в этом случае «Получатель» может правильно (достоверно) принять переданное «Отправителем» сообщение.

Режимы связи

Симплексная связь.

В этом случае Получатель может только принимать сигналы от отправителя и никак не может на него повлиять. Это в основном телевидение или радио. Мы можем их только или смотреть или слушать.

Полудуплексная связь.

В этом режиме и отправитель и получатель могут передавать друг другу сигналы поочередно, если канал свободен. Отличный пример полудуплексной связи – это рации. Если оба абонента будут трещать каждый в свою рацию одновременно, то никто никого не услышит.

– Первый, первый. Я второй. Как слышно?

– Слышу вас нормально, отбой!

Сигнал может посылать только отправитель, в этом случае получатель его принимает. Либо сигнал может отправлять получатель, а в этом случае отправитель его получает. То есть и отправитель и получатель имеют равные права на доступ к каналу (линии связи). Если они сразу оба будут передавать сигнал в линию, то, как я уже сказал, ничего из этого не получится.

Дуплексная связь.

В этом режиме и прием и передача сигнала могут вестись сразу в двух направлениях одновременно . Яркий тому пример – разговор по мобильному или домашнему телефону, или разговор в Skype.

Мы рассматривали историю развития компьютерных сетей. Рассмотрели все важные этапы становления сети Интернет и общие принципы ее работы.

Сегодняшняя наша тема будет называться: технологии передачи данных в сетях . Естественно, прежде всего, - компьютерных. В рамках данной статьи мы также рассмотрим основные средства передачи данных (понятия физических и логических интерфейсов), разберем основные технологии кодирования сигнала при его передаче, характеристики линий связи, а также - механизмы защиты от потерь.

Итак! Для чего существует сеть? Правильно, - для передачи по ней данных (информации). А как передается (распространяется) эта самая информация? Правильно, - через определенную среду передачи (кабельную инфраструктуру или - в диапазоне беспроводной связи).

Технологии передачи данных в своей работе используют (в зависимости от конкретной их реализации) различные физические интерфейсы.

Примечание: интерфейс это - физическая (или логическая) граница при взаимодействии нескольких независимых объектов - своеобразная прослойка между ними.

Интерфейсы делятся на две категории:

1. физические интерфейсы
2. интерфейсы логические

Физический интерфейс это - конечный порт подключения (разъем с группой электрических контактов). Например - интерфейс . А пара портов , соединенная с помощью разъемов и кабеля называется линией (каналом) передачи данных.

Логический интерфейс - это набор правил (протокол), который определяет саму логику обмена данными между связанными линией (сетью) устройствами.

Организация передачи данных в компьютерной сети происходит в тесном взаимодействии этих двух интерфейсов: физический компонент (сетевая карта) и логический (ее драйвер).

Обязательным условием для успешной реализации любой из технологий передачи данных является присутствие в потоке данных дополнительного компонента - протокола передачи .

Протокол передачи на логическом уровне представляет собой набор правил, которые определяют обмен данными между различными приложениями или устройствами. Эти правила задают единый способ передачи сообщений и обработки ошибок передачи. На физическом уровне протокол это - набор служебных данных, прикрепляющихся к основным пакетам (кадрам) информации, без которых просто невозможно эффективное взаимодействие в сети.

Протокол должен абстрагироваться (игнорировать) конкретную среду передачи, его задача - обеспечивать надежную связь между узлами в коммутационном облаке .

Давайте рассмотрим сам процесс организации передачи данных более подробно!

Сначала происходит вот что: приложение (программа) обращается к ОС за разрешением для сетевого взаимодействия с другим устройством (принтером, удаленным компьютером, камерой наблюдения и т.д.) Операционная система дает команду драйверу сетевой карты, который загружает в буфер карты первую порцию данных и инициирует работу интерфейса на передачу

На другом конце линии (сети) удаленное устройство принимает в буфер своей сетевой карты поступающие данные. После окончания передачи протокол проверяет нет ли в передаваемых частях (пакетах) данных ошибок (если надо запрашивает их повторную передачу) и загружает принятые данные из буфера карты в заранее зарезервированное пространство оперативной памяти. Оттуда уже конечное приложение (программа) извлекает информацию и работает с ней.

Вот - схемка, для наглядности (кликабельно):

На основании всего сказано выше, можно сделать такой вывод: технологии построения сети сводятся к тому, чтобы связать между собой удаленные устройства электрически и информационно! Т.е. - создать физическую среду передачи (кабель, беспроводная связь) и обеспечить общий протокол передачи данных по сети.

Клиент это - модуль (программа, служба, отдельный компьютер), служащий для формирования и передачи сообщений (запросов) к ресурсам удаленного устройства (серверу), с последующим приемом результатов от него и передачей их соответствующим приложениям на клиенте.

Сервер это - модуль (программа, служба...), который постоянно ожидает прихода из сети запросов от клиентов и обслуживающий (с участием локальной ОС) эти запросы.

Один сервер может обслуживать сразу множество клиентов.. Вот - еще пример: база данных, с которой работают клиенты. На них установлены клиентские модули программ, которые подключаются к базе и поддерживают только графический интерфейс работы с ней. Все вычисления и обработка, при этом, происходят на сервере и с использованием его ресурсов.

Познакомимся еще с одним определением! Клиент-серверная составляющая, которая предоставляет доступ к какому-то ресурсу компьютера через сеть называется сетевой службой . Причем, каждая служба связана с определенным типом сетевых ресурсов.

Например: служба печати позволяет нам распечатывать документы на сетевом принтере, а файловая служба - получать доступ к данным, находящимся на удаленных компьютерах. Для серфинга по Интернету есть своя веб-служба, которая состоит из серверной части (веб-сервера) и клиентской (веб-браузера) пользователя (IE, Opera, Firefox и т.д.)

В свете всего сказанного выше, технологии передачи данных должны опираться не просто на операционные системы, а на сетевые ОС, которые предоставляют пользователю доступ к информационным и аппаратным ресурсам других компьютеров. Причем эти операционные системы, согласно изложенным выше определениям, также делятся на два больших класса: серверные и клиентские ОС.

Клиентские системы обращаются, в основном, с запросами к серверным компонентам других компьютеров а серверные компоненты серверной ОС предоставляют эти услуги. Конечно, на данный момент, практически любая современная ОС способна выполнять как роль клиента, так и сервера. Серверные системы просто изначально созданы из расчета обслуживания ими максимального количества обращений и обладают лучшей отказоустойчивостью (надежностью).

Вот, к примеру, какая "игрушка" стоит у нас в серверной:

Но о ней - в другой раз:)

Давайте теперь с Вами поговорим вот о чем: современные (цифровые) технологии передачи сигнала связаны с его преобразованием (кодированием). Зачем нам это нужно? На то есть несколько причин:

1. Предотвращение ошибок передачи данных (за счет уверенного распознавания сигнала принимающей стороной)
2. Данные передаются быстрее (за счет более высокой плотности полезной информации в потоке)

Как видите, это - уже две весьма веские причины для того, чтобы уделить методам кодирования должное внимание:)

На фото ниже представлено два сигнала: аналоговый (красная линия) и цифровой (черные "ступеньки")

В данном случае аналоговая последовательность была оцифрована (дискретизирована) с определенной частотой. Чем выше будет частота дискритизации, тем меньший шаг будут иметь наши "ступеньки" и тем более похож будет оцифрованный сигнал на исходный (красный).

Похожие процессы происходят и при дискретизации (оцифровке) нашего голоса, снимаемого со входа микрофона .

В вычислительной технике используется двоичный код . Внутри компьютера это эквивалентно двум состояниям: наличию и отсутствию электрического напряжения (логический «ноль» или «единица»). Здесь - все просто: есть ток - "единица", нету - "ноль".

Современные технологии передачи данных позволяют производить кодирование сигнала и другими (более эффективными) способами. Но прежде, - еще одна небольшая классификация. По способу реализации процедура делится на:

1. Физическое кодирование сигнала
2. и - логическое (на более высоком уровне - поверх физического)

Давайте сначала обзорно рассмотрим первый пункт. Есть, к примеру, потенциальный способ кодирования , при котором единице соответствует один уровень напряжения (один потенциал), а нулю - другой. А при импульсном способе , для представления цифр используются импульсы разной полярности.

Для технологии кодирования определенная проблема при передаче данных состоит в том, что внешние (по отношению к самому компьютеру) линии передачи данных могут быть растянуты на большие расстояния и подвержены воздействию различных помех и наводок. Это приводит к искажению эталонных прямоугольных импульсов передачи сигнала и нужны новые (надежные) алгоритмы его кодирования и передачи.

В вычислительных сетях применяется как потенциальное , так и импульсное кодирование. Также применяется и такой способ передачи данных, как модуляция .

При модуляции дискретные данные передаются с помощью синусоидального сигнала той частоты, которую хорошо передает имеющаяся в распоряжении линия связи.

Первые два варианта преобразования применяются для линий высокого качества, а модуляция используется в каналах с сильными искажениями сигнала. Модуляция, к примеру, используется в глобальных сетях при передаче трафика через аналоговые телефонные каналы связи, которые были разработаны специально для передачи голоса (аналоговой составляющей) и поэтому плохо подходят для передачи цифровых импульсов.

На сам способ передачи оказывает влияние и такая вещь, как количество проводников (жил) в линиях связи. Для снижения их стоимости количество проводов, зачастую, снижается. При такой технологии передача данных осуществляется последовательно, а не параллельно (как это принято для линий связи внутри компьютера).

К способам кодирования на физическом уровне относятся такие алгоритмы, как NRZ (Non Return Zero), Манчестерский код (Manchester ), MLT-3 (Multi Level Transmission) и ряд других. Не вижу особого смысла останавливаться на них подробно, если будет интересно - Вы всегда сможете почитать о них в Интернете. Короче, я - отмазался! :)

Давайте пару слов скажем и о логическом кодировании. Как можно понять из названия, оно осуществляется по верху физического (накладываясь на него) и служит для обеспечения дополнительной надежности при передаче данных. Каким же образом?

Например: если характер передаваемого сигнала долгое время не изменяется (при передаче длинных последовательностей логических нулей или единиц) приемник может ошибиться при считывании очередного бита информации. Он просто не сможет разложить общий поток данных на отдельные составляющие и, как следствие, - правильно собрать в своем буфере из них исходную структуру.

Логическое кодирование (которому подвергается исходная последовательность данных) внедряет в длинные последовательности бит свои биты с противоположным значением, или - вообще заменяет их другими последовательностями. Кроме того, оно позволяет улучшить спектральные характеристики сигнала, в целом - упростить его расшифровку, а кроме того - передавать в общем потоке дополнительные служебные сигналы управления.

В основном, для логического преобразования применяются три технологии:

1. вставка бит (bit stuffing)
2. избыточное кодирование
3. скремблирование

Также - не останавливаюсь отдельно (чтобы не занудить) :) основную идею Вы, надеюсь, уловили!

Коротко отчитаюсь следующим скриншотом:

На нем Вы можете видеть, как выглядит один и тот же сигнал, при наложении на него различных алгоритмов:

Технологии передачи данных имеют еще ряд проблем, с которыми приходится бороться. И одна из них - проблема взаимной синхронизации передатчика одного компьютера и приемника другого. Согласитесь, что сложно будет разобраться в потоке данных, если два устройства начнут генерировать его одновременно "навстречу" друг другу. Начнется бардак! :)

Проблема же синхронизации удаленных компьютеров может решаться разными способами: путем обмена специальными тактовыми синхроимпульсами или же - передачей служебных данных, не имеющих отношения к основному потоку информации. Один из стандартных приемов, служащий для повышения надежности передачи это - подсчет контрольной суммы каждого байта (блока байтов) и передача этого значения принимающей стороне.

Примечание: контрольная сумма это - некоторое значение, рассчитанное путем "наложения" на данные определённого алгоритма и используемое для проверки их целостности при передаче. Контрольные суммы могут использоваться для быстрого сравнения двух наборов данных на их идентичность. Отличающиеся данные будут иметь разные контрольные суммы..

Еще одна технология подтверждения целостности данных это - обмен между взаимодействующими устройствами служебными сигналами-квитанциями , подтверждающими правильность приема. Зачастую эта функция по умолчанию включается в сам протокол сетевого взаимодействия.

Технологии передачи данных подразумевают передачу информации от одного компьютера к другому - в обеих направлениях. Даже в том случае, когда нам кажется, что мы только принимаем данные (например - скачиваем музыку), то на самом деле - обмен идет в двух направлениях. Просто есть основной поток данных (который интересует нас - музыка) и вспомогательный (служебный), идущий в обратном направлении, образуемый квитанциями об успешной (или не успешной) передаче.

В зависимости от того, могут ли они передавать данные в обоих направлениях или нет, физические каналы делятся на несколько видов:

• Дуплексный канал - обеспечивает одновременную передачу информации в обоих направлениях Дуплекс может состоять из двух независимых физических сред (один проводник на прием, второй - на передачу). Возможен и вариант, при котором одна среда используется для обеспечения дуплексного режима работы. В этом случае на клиентах применяются дополнительные алгоритмы выделения каждого потока данных из общего массива информации.
• Полудуплексный канал - также обеспечивает передачу в обоих направлениях, но не одновременно, а - по очереди. Т.е. в течение определенного времени данные передаются в одном направлении, а затем - в обратном.
• Симплексный канал - позволяет передавать информацию только в одном направлении. Дуплексный может состоять из двух симплексных каналов.

Ой, что-то много букв получилось:) Думаю, на сегодня - достаточно, будем продвигаться постепенно. В следующих статьях обязательно продолжим наше знакомство с , а пока что - до свидания, и - до следующих статей!

В завершение, посмотрите тематическое видео: