Временное и частотное представление модуляции

1.Временное и частотное представление модуляции. Модуляция – изменение качественных признаков кода. Преобразование Фурье служит инструментом, позволяющим представлять данный сигнал экспоненциальными составляющими. Функция F(ω) есть прямое преобразование Фурье сигнала f(t); она характеризует относительные амплитуды различных частотных составляющих. Поэтому F(ω) представляет сигнал f(t) в частотной области. Временное представление определяет некоторый сигнал в каждый момент времени, тогда как частотное представление характеризует относительные амплитуды частотных составляющих сигнала. Любое из этих представлений полностью определяет сигнал. Но фун-ия F(ω) в общем случае комплексна: и для ее представления необходимо 2 графика: амплитудного |F(ω)| и фазового θ(ω) спектров. Во многих случаях F(ω) – либо действительна, либо мнимая функция, и поэтому для ее представления достаточно одного графика. Если f(t) – действительная функция, то согласно формуле: - обратное преобразование: - прямое преобразование: Таким образом, если: , то Из этих равенств, очевидно, что амплитудный спектр |F(ω)| является четной функцией ω, и фазовый спектр θ(ω) нечетной.
-1-
3.Свойства преобразования Фурье. Разложение Фурье: сигнал любой формы м. б. представлен в виде набора более простых. 1.Тригонометрическое разложение Фурье. 2.Экспоненциальный ряд Фурье. 1)Должны быть ортогональны: Может быть представлен в виде: фун-я симметрична четная   a0=0 bn=0 ω1=2π/T – 1 г. Переход через 0 опр-ся величиной α   ω0=0 – 2г 2) Любой по длительности сигнал имеет бесконечный спектр. 1. Свойство симметрии. колокообразные сигналы спектр сигнала резко ограничен.   2.Свойство линейности. Если f1(t)↔F1(t), f2(t)↔F1(t) то a1f1(t)+ a2f2(t) ↔ a1F1(ω)+ a2F2(ω) 3.Свойство масштабирования. f1(t)↔F1(t), то f(a, t) ↔(1/|a|)*F(ω/a) (Стянутые по времени Растянутые по частотам) Спектр наз-ся “белым шумом”
-3-
4.Теорема свертки. Эта теорема позволяет легко получать важные результаты и в последующем изложении будет часто применяться. Из 2-х данных функций и образуется интеграл: Этот интеграл и определяется как свертка функций и. Символически он записывается в виде: Существуют 2 теоремы: 1 - свертка по времени, 2 - свертка по частоте. Свертка по времени: Если и т. е.   Докажем, что это действительно так: Из (св-во временного сдвига) интеграл в квадратных скобках в правой части этого выражения равен F2(ω)e-iωt. Следовательно: Свертка по частоте: Если и или   Итак, свертка 2-х функций во временной области эквивалентна перемножению их спектров в частотной области, а перемножение 2-х функций во временной области эквивалентна свертке их спектров в частотной области.
-5-
6.Функция отсчетов и ее свойства. Теорема Котельникова гласит, что если непрерывный сигнал x(t) имеет спектр, огра-ниченный частотой Fв, то он может быть по-лностью и однозначно восстановлен по его дискретным отсчетам, взятым через Интер-валы времени T=1/2Fв, т. е. с частотой f=2Fв. Восстановление сигнала осуществляется при помощи функции: Sinc(x)=sin(x)/x   Котельниковым было доказано, что непрерывный сигнал, удовлетворяющий приведенным выше критериям, может быть представлен в виде ряда: Поэтому функция sinc(x) отсчета или функцией Котельникова. Эта функция имеет бесконечную протяженность во времени и достигает наибольшего значения, равного 1, в точке k=t/T, относительно которой она симметрична. Данная функция является преобразованием Фурье для периодической стробирующей функции.
-7-
8.Первичные коды NRZ, RZ их основные характеристики. NRZ. Потенциальный код без возвращения к нулю. Последнее название отражает то обстоятельство, что при передаче последовательности единиц сигнал не возвращается к нулю в течение такта. Метод NRZ прост в реализации, обладает хорошей распознаваемостью ошибок (из-за двух резко отличающихся потенциалов), но не обладает св-ом самосинхронизации. При передаче длинной последовательности единиц или нулей сигнал на линии не изменяется, поэтому приемник лишен возможности определять по входному сигналу моменты времени, когда нужно в очередной раз считывать данные. Поэтому при высоких скоростях обмена данными и длинных последовательностях единиц или нулей небольшое рассогласование тактовых частот может привести к ошибке в целый такт и, соответственно, считыванию некорректного значения бита. Другим недостатком метода NRZ является наличие низко-частотной составляющей, которая приближается к нулю при передаче длинных последовательностей единиц или нулей. Из-за этого многие каналы связи, этот вид кодирования не поддерживают. Чем уже полоса спектра, тем лучше код. Биполярный код NRZ. Спектр каждого сигнала стал вдвое шире (т. к. длит-ть каждого сигнала ум-ся вдвое). Любой “значащий момент” (“1” и “0”) можно обнаружить. RZ. (Биполярный импульсный код). Импульсные коды, когда данные представлены полным импульсом или же его частью – фронтом - биполярный импульсный код, в котором единица представлена импульсом одной полярности, а ноль – другой. Каждый импульс длится половину такта. Такой код обладает отличными самосинхронизирующими свойствами, но постоянная составляющая, может присутствовать, например, при передаче длинной последовательности единиц или нулей. Кроме того, спектр у него шире, чем у потенциальных кодов. Так, при передаче всех нулей или единиц частота основной гармоники кода будет равна N Гц, что в 2 раза выше основной гармоники кода NRZ при передаче чередующихся единиц и нулей. Из-за слишком широкого спектра биполярный импульсный код используется редко. 1.Потенциальный код NRZ. 2.Биполярный импульсный код. Уровень сигнала может меняться, тогда следует менять линию порога срабатывания, чтобы этого избежать перенесем линию порога срабатывания и получим биполярный код NRZ.
-9-
11.Амплитудная модуляция с ОБП. fm(t)=cos(ω n- ωc)t=cos(ωnt)cos(ωct)+sin(ωnt)sin(ωct) f’m(t)=cos(ωnt)cos(ωct)   Преобразователь Гилберта (ПГ) [f1(t)cos(ωnt)+ f2(t)sin(ωnt)]cos(ωnt)=[f1(t)cos(ωnt)2+ f2(t)]sin(ωnt)]cos(ωnt)= @=f1(t)cos(ωnt)2+ f2(t)sin(2ωnt) $=f1(t)sin(2ωnt)2+ f2(t)sin(ωnt)2
-11-
14.Частотная модуляция. - несущая час-та. - девиация час-ы. - индекс модуляции. По величине различают узкополосную (β<1) и широкополосную (β<1) модуляцию. - сигнал расползается. При малых индексах β: - широкополосная при β = 0,6 спектр соответствует спектру амплитудной модуляции. Частотный демодулятор.
-13-
18. Коды Хемминга. Св-ва кода Хэмминга: 1.Кодовое расстояние равно 3, что означает: - код обнаруживает и корректирует любые одиночные ошибки (четные ошибки не обнаруживает); - код только обнаруживает одиночные и двойные ошибки. 2.Контрольные символы в коде Хэмминга находятся на позициях с номером 2i, где i=0,1,2… 3.В уравнение проверок, формирующее разряд синдрома с весом 2i входят элементы с 2i по 2i через 2i, где i=0,1,2,… 4.В коде Хэмминга синдром ошибки представляет собой номер искаженной позиции, представленный в двоичном виде. 1910 →10011 a1 a2 a3 a4 a5 a6 a7 a8 a9 _ _ 1 _ 0 0 1 _ 1 прочерки – контрольные символы (см. пункт 2 в св-вах) Составим уравнения для нахождения контрольных символов: *Первое ур-ние формирует синдром младшего разряда i=0 2i=1, т. е. берем с первого элемента по одному через один (п.3, св-ва): (равно 0, т. е. ошибки нет) *2i =2, i=1 *2i =4, i=2 * 2i=8, i=3 Отсюда следует, что a1=1, a2=0, a4=1, a8=1 (контрольные символы) Для того, чтобы узнать в каком разряде ошибка, необходимо посчитать синдром ошибки. Если он равен 0, ошибки нет, иначе он представляет собой номер искаженной позиции в принятом сообщении. Допустим, вместо сообщения пришло сообщение . Считаем синдром ошибки. S=01002=410 Следовательно, необходимо инвертировать символ на 4-ой позиции.→Получим правильное сообщение. Модифицированный код Хэмминга. Строится на основе КХ и имеет кодовое расстояние 4, может работать в двух режимах: - обнаруживает одиночные и двойные ошибки, корректирует одиночные; - обнаруживает ошибки кратности до 3. Построение кода: код Хэмминга разряд четности (сумма по мод.2 всех символов, вкл. разр. четности) При декодировании вычисляется два синдрома: - синдром ошибки по Хэммингу; - синдром по паритету.
-15-
7.Аналоговые и цифровые сигналы, их сравнительные характеристики. Виды сигналов: аналоговые (чертеж), цифровые (текст). Аналоговый преобразуется в цифровой и наоборот. Все линии связи аналоговые. Цифровые сигналы более защищены, возможны предпринимаемые меры по обнаружению ошибок и их устранению. Форма представления сигнала: - совокупность спектральных сигналов (частот); - экспоненциальный закон геометрии (одно из выражений): - простые, стандартные решения; - гармонический сигнал. Сигнал включения (единичный сигнал) Гармонический сигнал. Дельта функция – функция Дирака. δ (ω) – введена искусственно (бесконечная длительность) Цифровой сигнал Аналоговый сигнал В аналоговых линиях промежуточная аппаратура предназначена для усиления аналоговых сигналов, то есть сигналов, которые имеют непрерывный диапазон значений (в телефонных сетях для связи АТС между собой). Для создания высокоскоростных каналов, которые мультиплексируют несколько низкоскоростных аналоговых абонентских каналов, при аналоговом подходе обычно используется техника частотного мультиплексирования. В цифровых линиях связи – цифровые, передаваемые сигналы имеют конечное число состояний. Как правило, элементарный сигнал, то есть сигнал, передаваемый за один такт работы передающей аппаратуры, имеет 2 или 3 состояния, которые передаются в линиях связи импульсами прямоугольной формы. С помощью таких сигналов передаются как компьютерные данные, так и оцифрованные речь и изображение. В цифровых каналах связи используется промежуточная аппаратура, которая улучшает форму импульсов и обеспечивает их ресинхронизацию, то есть восстанавливает период их следования. Промежуточная аппаратура образования высокоскоростных цифровых каналов (мультиплексоры, демультиплексоры, коммутаторы) работает по принципу временного мультиплексирования каналов, когда каждому низкоскоростному каналу выделяется определенная доля времени (тайм-слот или квант) высокоскоростного канала. На цифровых линиях связи протокол физиического уровня определен, а на аналоговых линиях - нет.
-8-
5.Теорема Котельникова. Любой сигнал с ограниченным спектром может быть точно воспроизведен своим отчетом, если частота их совпадает с частотой верхней. (1947г.) Др. вариант: Если сигнал с ограниченным спектром замерить (взять отчеты) в моменты времени такие, что частота отчета в более чем 2 раза выше предельной частоты, то сигнал может произойти полностью. Пусть некий сигнал, имеет преобразование Фурье: Пусть: граница - Δt=2π/2ωв Получаем набор отсчетных функций: Линии связи пусть идеальны: Идеальная линия связи A(ω)=1 времен. запаздывание A(ω)e-jωt   В реальности конечный спектр идеального фильтра:
-6-
4.Свойство частотного сдвига. Если f(t)↔F(ω), то f(t)ejωt↔F’(ω-ω0) f(cos ω0t)=f(t)1/2(e-jωt+ejωt) Полосовой фильтр   На этом эффекте работает вся радиовещательная сеть. 5.Свойство временного сдвига. Если f(t)↔F(ω), то f(t-T0)↔F(ω) e-jωt0 →cosωt →sinωt ↔ (1/2)F(ω)cosωT0 6.Свойство дифференцирования и интегрирования по времени. Если f(t)↔F(ω), то δn(t)/ δ(tn) ↔(jω)nF(ω) диф-м. 1 раз   cos ωt -cos ωt   диф-м. 2 раз   f(t) →   d2f(t)/dt2=(jω)2F(ω) f(t)↔F(ω),
-4-
2.Преобразование Фурье: периодических и непериодических функций. В общем случае, когда функция f(t) не является периодической, она может быть представлена по теореме Фурье в виде непрерывного набора гармонических колебаний с раз-личными частотами. (1 Соотношения (1.1) и (1.2) называются обратным и прямым Фурье – преобразованием соответственно. В общем случае спектр F(ω) оказывается непрерывным. Рассмотрим в качестве примера прямо-угольный импульс длительности Δt и амплитуды A. Спектр F(ω) (по положительным и отрицательным частотам) оказался в данном случае чисто действительным (рис. 1). Полуширина «главного максимума» функции F(ω) = Δω=2π/Δt. Произведение длительности сигнала Δt на Δω есть: Δt*Δω=2π (1.3) Это соотношение справедливо для любых функций f(t) и F(ω), связанных преобразованием Фурье, если понимать это соотношение как равенство по порядку величины. Рис1.Спектр одиночного прямого импульса Рассмотрим еще один важный пример спектрального разложения: Функция f(t) в данном случае представляет собой гармонический процесс частоты ω0, промодулированный прямоугольным импульсом длительности Δt. Сигнал f(t) и его спектр F(ω) изображены на рис. 2 Рис 2. Прямоугольный цуг и его спектр. Таким образом, были рассмотрены Фурье – преобразования функций времени (периодических и непериодических).
-2-
19.Циклические коды. Порождающий полином. Циклический сдвиг разрешенной кодовой комбинации дает разрешенную кодовую комбинацию. Линейный код является циклическим, но не любой циклический код является линейным. Построение циклического кода 1 способ. A(X) – информационный полином P(X) – специальный полином. F(X) = A(X)*P(X) если полученный полином передается без ошибки, то при делении не будет остатка. Недостатки: - нельзя сказать в полиноме A(X)*P(X), где информационная, а где специальная часть. - могут быть ошибки, при которых деление происходит без остатка. - полином сам может быть на что-то делится (например, x4+x3+x2+x1+1) - чем короче P(x), тем больше вероятность, что деление произойдет без остатка. - порождающий полином P(x) обладает свойством неприводимости. 2 способ. F(x) – передаваемый полином. G(x) – информационный полином. P(x) – порождающий. G(x)xk–остаток от деления на порождающий полином. - сдвиг в лево порождающего полинома на К разрядов. Всегда делится на порождающий полином.
-16-
16.Избыточные коды, их классификация. 000 – разрешенные биты. 001 |- мин-ное кодовое раст-ние Хемминга. 010 | 011 – число битов, которыми одна разрешен- 100 ная кодовая комбинация различается 101 от другой. 110 111 У натурального кода чисел расстояние (минимальное) всегда равно 1. Порядок естественного возрастания. 00|0←контрольные биты по паритету 01|1 10|1 11|0 010 (Лин. обнаруженная) dmin обн.≥S+1 (кратность ошибки). (Лин. исправленная) dmin испр.≥2r+1 (кратность ошибки). Чем выше кратность ошибки, тем меньше ее вероятность. Код Хемминга (исправляющий) .a1 .a2……….am. r1 .r2……..kk 2k≥m+k+1 m=11 → k=4 17.Кодовое расстояние и корректирующая способность кода. Кодовое расстояние – число разрядов, в которых одна кодовая комбинация отличается от другой. Корректирующая способность кода – способность кода обнаруживать и корректировать ошибки.
-14-
12.Квадратурная модуляция. Комбинированный метод модуляции используется для повышения скорости передачи данных (QAM). Основан на сочетании фазовой модуляции (8 значений величин сдвига фазы) и амплитудной (4 уровня амплитуды).Но из 32 используются не все, в кодах Треллиса допустимы6,7,8 комбинаций, остальные запрещённые. Эта избыточность необходима для распозна-вания модемом ошибочных сигналов (значительны по А и продолжительны по времени). Чем больше точек, тем разница между соседними меньше. 13. Фазовая (фазоразностная) модуляция. 1.Абсолютная фазовая модуляция. 2.Относительная модуляция. Четыре рабочие точки (2 бита) Техническая реализация фазовой модуляции: ЗГ – задающий генератор ФСЦ – фазосдвигающая цепь МХ – мультиплексор Модулятор ФМ Демодулятор ФМ КС – канал связи. УС – устройство синхронизации. ФИК – формирователь коротких импульсов. УВКК – устройство выбора когерен-тных колебаний. ИФД – импульсный фазовый детектор ФЗЦ – фазосдвигающая цепь. ПК – преобразователь кода. Однократная ФМ Предельная пропускная способность канала связи – 1 бит/сек. Двукратная ФМ 1.7 бит/сек. При многократной ФМ увеличивается возможность возникновения ошибки. Расстояние между точками мало, любой сбой приводит к ошибке.
-12-
9. Код Манчестер-2 , его свойства. Он применяется в технологиях Ethernet и Token Ring. В манчестерском коде для кодирования единиц и нулей используется перепад потенциала, то есть фронт импульса. При манчестерском кодировании каждый такт делится на две части. Информация коди-руется перепадами потенциала, происходя-щими в середине каждого такта. Единица кодируется перепадом от низкого уровня сигнала к высокому, а ноль - обратным перепадом. В начале каждого такта может происходить служебный перепад сигнала, если нужно представить несколько единиц или нулей подряд. Так как сигнал изменяется по крайней мере один раз за такт передачи одного бита данных, то манчестерский код обладает хорошими самосинхронизирующи-ми свойствами. Полоса пропускания манчес-терского кода уже, чем у биполярного импу-льсного. У него также нет постоянной составляющей, а основная гармоника в худ-шем случае (при передаче последователь-ности единиц или нулей) имеет частоту N Гц, а в лучшем (при передаче чередующихся единиц и нулей) она равна N/2 Гц, как и у кодов AMI или NRZ. В среднем ширина полосы манчестерского кода в полтора раза уже, чем у биполярного импульсного кода, а основная гармоника колеблется вблизи значения 3N/4. Манчестерский код имеет еще одно преимущество перед биполярным импульсным кодом. В последнем, для передачи данных используются 3 уровня сигнала, а в манчестерском - 2. 10. Амплитудная модуляция. f (t)=Acos(wt +j) s(t)=A0+∆ Af(t)= A0 (1+ (∆ A / A0 )*f(t)) (∆ A / A0 )=m, где m –глубина модуляции; s(t)=A0+∆ Af(t) =A0 (1+ (∆ A / A0 )*f(t)) = wн = несущая частота. Недостатки: 1.амплитуда уменьшается в 2 раза, 2. частота увеличивается
-10-
20.Порождающие матрицы. Циклический код может быть задан порождающей и проверочной матрицами. Для их построения достаточно знать порождающий g(x) и проверочный h(x) многочлены. Для несистематического циклического кода матрицы строятся циклическим сдвигом порождающего и проверочного многочленов, т. е. путем их умножения на x. Пример для циклического (7,4)-кода с порождающим многочленом g(x)=x3+x+1 Для систематического циклического кода матрица G(n, k) определяется из выражения. Gnk=|Ik, Rk, r|, где Ik - единичная матрица, Rk, r - прямоугольная матрица. Строки матрицы Rk, r определяются из выражений: или , где ai(x) - значение i-той строки матрицы Ik, i – номер строки матрицы Rk, r. Пример. Матрица G(n, k) для (7,4)-кода на основе порождающего многочлена g(x)=x3+x+1. Определяется R4,3, используя , Получаем
-17-
22.Кодеры и декодеры цик-их кодов. Кодер. Перед началом кодирования K2-замкнут, K1 - разомкнут Декодер.
-19-
24.Семиуровневая модель сетей OSI/ISO. Более высокий уровень всегда опирается на ресурсы, предоставляемые более низким уровнем. Структура взаимодействия уровней называется интерфейсом. Взаимодействие 2-х уровней – протокол. Третий и выше уровни всегда реализуются программно. Функции уровней: Физический – электрическое сопряжение абонентов. Канальный – кадры, определяет занятость сети, правила доступа к сети, проверка адресов приемника, проверка правильности принятых кадров (не всегда). Сетевой – организация передачи в сетях с произвольной структурой. Транспортный – обеспечивает надежность передачи, которая требуется абоненту. Существует 5 уровней надежности. Сеансовый – организация диалога между объектами и необходимая синхронизация. Представительный - уровень представления информации. Позволяет преодолевать синтаксические различия в представлении данных. Прикладной – набор протоколов, обеспечивающих доступ к разделяемым ресурсам.
-21-
26.Основные функции сетевого адаптера. Сетевой адаптер - это плата расширения компьютера, которая взаимодействует со средой передачи данных прямо или через другое коммуникационное оборудование, связывая его с другими компьютерами. Сетевой адаптер устанавливается в один из свободных разъемов материнской платы и работает под управлением драйвера операционной системы, решая задачи обмена двоичными данными по внешним линиям связи. Сетевые адаптеры являются основой основ любой сети. Основные функции сетевого адаптера: Кодирование и декодирование сигнала. Должно обеспечить передачу исходной информации по линиям связи с определенной полосой пропускания и определенным уровнем помех таким образом, чтобы принимающая сторона смогла распознать с высокой степенью вероятности посланную инф-ию. Обнаружение конфликтных ситуаций и контроль состояния сети. Преобразование информации из параллельного кода в последовательный и обратно. Эта операция связана с тем, что для упрощения проблемы синхронизации сигналов и удешевления линий связи в вычислительных сетях информация передается в последовательной форме, бит за битом, а не побайтно, как внутри компьютера. Идентификация своего адреса в принимаемом пакете. Получение доступа к среде передачи данных. В локальных сетях в основном применяются разделяемые между группой компьютеров каналы связи (общая шина, кольцо), доступ к которым предоставляется по специальному алгоритму (наиболее часто применяются метод случайного доступа или метод с передачей маркера доступа по кольцу).
-23-
28.Приоритетный арбитраж. Существует множество алгоритмов доступа, зачастую очень сложных. Их выбор зависит от скорости передачи в сети, от длины «шины», загруженности сети. Простейшим методом, используемым в сравнительно медленных сетях, стал децентрализованный кодовый приоритетный арбитраж. Его смысл состоит в распознавании столкновений двух или более пакетов в начале передачи всеми абонентами кроме одного. Вероятность столкновения при малой интенсивности обмена в сети ничтожно мала — для этого должны одновременно начать передачу двое или более абонентов. При малой интенсивности обмена все абоненты равноправны, однако каждый из них имеет свои собственные приоритеты, которые могут динамически изменяться в зависимости от важности информации, что проявляется при возрастании загрузки сети. Величина времени доступа к сети здесь не может быть гарантирована, так как абоненты с высокими приоритетами могут надолго занять сеть, не позволяя начать передачу абонентам с низкими приоритетами. 29.Случ-ый доступ с контролем несущей. Все виды стандартов Ethernet используют один и тот же метод доступа - метод коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий. Этот метод применяется в сетях с логической общей шиной. Все передаваемые данные по сети помещаются в кадры определённой структуры и снабжаются уникальным адресом станции назначения, чтобы получить возможность передавать этот кадр станция должна убедиться, что разделяемая среда свободна. Это достигается прослушиванием основной гармоники сигнала. Признаком не занятости сети явл. Отсутствие несущей частоты, при коде Manchestera. Если среда свободна, то начинается передача кадров. Каждый кадр снабжается преамбулой, которая состоит из сети байт() и восьмого байта (). Преамбула нужна для вхождения приёмника в побитовый и побайтовый синхронизм передатчика. Все станции подключены к кабелям и легко распознают факт передачи и та станция, которая распознаёт свой адрес принимает этот кадр в свой буфер. После принятия она его обрабатывает и передаёт его вверх по своему стеку, затем передаёт кадр-ответ. После окончания передачи кадра все узлы сети должны выдержать технологическую паузу = 9.6 мкс. Эта пауза наз. межкадровым интервалом. Нужна для приведения сетевых адаптеров в исходное сост. После окончания паузы все станции этой сети имеют право начать передачу свого кадра.
-25-
32.Концентраторы. Репитеры - повторители сигналов, позволяющие преодолеть ограничения на максимальную длину кабельного сегмента. Основная функция повторителя (repeater), как это следует из его названия - повторение сигналов, поступающих на один из его портов, на всех остальных портах (Ethernet) или на следующем в логическом кольце порте (Token Ring, FDDI) синхронно с сигналами-оригиналами. Повторитель улучшает электрические характеристики сигналов и их синхронность, и за счет этого появляется возможность увеличивать общую длину кабеля между самыми удаленными в сети станциями. Многопортовый повторитель часто называют концентратором (hub, concentrator), что отражает тот факт, что данное устройство реализует не только функцию повторения сигналов, но и концентрирует в одном центральном устройстве функции объединения компьютеров в сеть. Практически во всех современных сетевых стандартах концентратор является необходимым элементом сети, соединяющим отдельные компьютеры в сеть. Отрезки кабеля, соединяющие два компьютера или какие либо два других сетевых устройства называются физическими сегментам. Т. о, концентраторы и повторители, которые используются для добавления новых физических сегментов, яв-ся средством физической структуризации сети. Концентраторы образуют из отдельных физических отрезков кабеля общую среду передачи данных - логический сегмент: Логический сегмент также называют доменом коллизий, поскольку при попытке одновременной передачи данных любых двух компьютеров этого сегмента, хотя бы и принадлежащих разным физическим сегментам, возникает блокировка передающей среды. Следует особо подчеркнуть, что какую бы сложную структуру не образовывали концентраторы, например, путем иерархического соединения (рис. см. ниже), все компьютеры, подключенные к ним, образуют единый логический сегмент, в котором любая пара взаимодействующих компьютеров полностью блокирует возможность обмена данными для других компьютеров Рис. Повторитель Ethernet синхронно повторяет биты кадра на всех своих портах. Появление устройств, централизующих соединения между отдельными сетевыми устройствами, потенциально позволяет улучшить управляемость сети и ее эксплуатационные характеристики (модифицируемость, ремонтопригодность и т. п.). С этой целью разработчики концентраторов часто встраивают в свои устр-тва, кроме основной функции повторителя, ряд вспомогательных функций, весьма полезных для улучшения качества сети. Различные производители концентраторов реализуют в своих
-27-
34.Функции мостов и коммутаторов. Коллективное использование многими компьютерами общей кабельной системы в режиме разделения времени приводит к существенному снижению производительности сети при интенсивном трафике. Мост (bridge), а также его быстродействующий функциональный аналог - коммутатор (switching hub), делит общую среду передачи данных на логические сегменты. Логический сегмент образуется путем объединения нескольких физических сегментов (отрезков кабеля) с помощью одного или нескольких концентраторов. Каждый логический сегмент подключается к отдельному порту моста/коммутатора. Коммутаторы принимают решение о том, на какой порт нужно передать кадр, анализируя адрес назначения, помещенный в кадре, а также на основании информации о принадлежности того или иного компьютера определенному сегменту, подключенному к одному из портов коммутатора, то есть на основании информации о конфигурации сети. Для того, чтобы собрать и обработать информацию о конфигурации подключенных к нему сегментов, коммутатор должен пройти стадию "обучения", то есть самостоятельно проделать некоторую предварительную работу по изучению проходящего через него трафика. Определение принадлежности компьютеров сегментам возможно за счет наличия в кадре не только адреса назначения, но и адреса источника, сгенерировавшего пакет. Используя информацию об адресе источника, коммутатор устанавливает соответствие между номерами портов и адресами компьютеров. В процессе изучения сети мост/коммутатор просто передает появляющиеся на входах его портов кадры на все остальные порты, работая некоторое время повторителем. После того, как мост/коммутатор узнает о принадлежности адресов сегментам, он начинает передавать кадры между портами только в случае межсегментной передачи. Если, уже после завершения обучения, на входе коммутатора вдруг появится кадр с неизвестным адресом назначения, то этот кадр будет повторен на всех портах. Мосты/коммутаторы, работающие описанным способом, обычно называются прозрачными (transparent), поскольку появление таких мостов/коммутаторов в сети совершенно не заметно для ее конечных узлов. Это позволяет не изменять их программное обеспечение при переходе от простых конфигураций, использующих только концентраторы, к более сложным, сегментированным Существует и другой класс мостов/коммутаторов, передающих кадры между сегментами на основе полной информации о межсегментном маршруте. Эту информацию записывает в кадр станция-источник кадра, поэтому говорят, что такие устройства реализуют алгоритм маршрутизации от источника (source routing). При использовании мостов/коммутаторов с маршрутизацией от источника конечные узлы должны быть в курсе деления сети на сегменты и сетевые адаптеры, в этом случае должны в своем программном обеспечении иметь компонент, занимающийся выбором маршрута кадров.
-29-
-31-
27.Понятие о доступе к сети и конф-ах. Ниже приведены типичные ошибки, вызванные коллизиями, для кадров протокола Ethernet: Локальная коллизия. Является результатом одновременной передачи двух или более узлов, принадлежащих к тому сегменту, в котором производятся измерения. Если сетевой анализатор не генерирует кадры, то в сети локальные коллизии не фиксируются. Слишком высокий уровень локальных коллизий является следствием проблем с кабельной системой. Удаленная коллизия. Эти коллизии происходят на другой стороне повторителя. Поздняя коллизия. Это коллизия, которая происходит после передачи первых 64 байт кадра (по протоколу Ethernet коллизия должна обнаруживаться при передаче первых 64 байт кадра). Результатом поздней коллизии будет пакет, который имеет длину более 64 байт и содержит неверное значение контрольной суммы. Этот пакет обязательно был сгенерирован в локальном сегменте. Чаще всего это указывает на то, что сетевой адаптер, являющийся источником конфликта, оказывается не в состоянии правильно прослушивать линию и поэтому не может вовремя остановить свою передачу. Диагностика коллизий. Средняя интенсивность коллизий в нормально работающей сети должна быть меньше 5%. Большие всплески (более 20%) могут быть индикатором кабельных проблем. Если интенсивность коллизий больше 10%, то уже нужно проводить исследование сети. Рекоменд-ся след-ий порядок исследования: Если это возможно, разделите сеть на функционально независимые части и исследуйте каждую часть с помощью анализатора портов. С помощью генератора трафика создайте фоновый трафик небольшой интенсивности (100 кадров в секунду) и наблюдайте за результатами измерений. Плавно увеличивайте среднюю интенсивность трафика и одновременно замеряйте уровень ошибок и коллизий. Решение проблем, связанных с коллизиями является достаточно сложной задачей, так как результаты наблюдений зависят от точки подключения сетевого анализатора (с точностью до нескольких метров). Поэтому необходимо делать много измере-й в разл-х точ-х. В сети Ethernet на основе коаксиального кабеля в качестве причин коллизий могут выступать: -Слишком большая длина сегментов (свыше 185 метров для тонкого коаксиала и свыше 500 метров для толстого); -Слишком много подключений к сегменту (свыше 30 для тонкого коаксиала); -Слишком много заглушек - необходимо проверить, чтобы сегмент завершался заглушкой в 50 Ом только в одном месте (многопортовые повторители для коаксиального кабеля обычно имеют внутренние заглушки, поэтому установка внешней заглушки является для них лишней); -Неправильное заземление - каждый коаксиальный сегмент должен быть заземлен в одной и только в одной точке. Причинами коллизий в сети Ethernet на витой паре могут быть: -Слишком большая длина сегментов (свыше 100 метров); -Нарушение правила 4-х хабов; -Неправильное соединение контактов пар кабеля; -Некорректно работающие порты концентратора или сетевые адаптеры.
-24-
25.Функции физического и канального уровней. Физ. ур. предназначен для сопровождения систем с физ. средствами соединения. Для выполнен. этой задачи уровень определяет мех-е, электр-е, функц-е, и процедур-е хар-ки, описывающие доступ к физ. соед-ям. По этим физ. соед-м передаются биты инф-ии. При передаче обеспечивается прозрачность соединения. Для эфф-ого использ. физ. соед-я по нему может одновременно передаётся инф-ия, которой обмениваются несколько систем. Физ. ур. обеспечивает следующие сервисы: -Уст-е временных или пост-ных физ. соед-ий. -Предоставление физ-х оконечных пунктов соед-ия. -Идентификация физ. соед-ий -Орган-ию последоват. передачи бит. -Оповещение об отказе получателя. -Уст-ие параметров качества сервиса. -Осн. ф-ии выполняем. физ. ур. -Уст-ие и раъединение физ. соед-ия -Передача последовательности бит в синхр. либо асинхрон. режиме -Прослушивание канала -Ф-ии физ. ур. реализ. во всех устр-х подключ. к сети Одной из главных задач канального ур. явл. проверка доступности среды передачи. Другой важной задачей канл. ур. явл. реализ-я мех-за обнаружения и коррекции ошибок. Для того, чтобы это реализовать биты группируются в наборы, которые называют кадрами. На канал-м ур-е обеспечивается корректированная передача каждого кадра. Для этого каждый кадр в конце и в начале снабжается дополнительной инф-ей. Получатель высчитывает свою контрольную сумму и сравнивает с полученной контрольной суммой. Если суммы совпадают, то кадр считается принятым, иначе фиксируется ошибка. На канальном ур-е осущ-ся исправление, т. е. повторная передача кадра. Функцией исправления ошибок не явл-ся обязательной для канального ур-я. Осн-ые ф-ии выполняемые канн-ым ур-ем: -Использование физ. соеди-й, т. е. инициализация физ. соед-й, управление, активизацией и деактивизацией этих соед-й. -Устан-ие и разъединение канн-ых соед-ий. -Обнаружение и исправление ошибок в канн-ых соед-ях. -Управление потоками в этих соединениях. -Организация последовательной передачи канн-ых кадров данных. -Обеспечение прозрачности соединений
-22-
23.Методы организации дуплексного обмена. Виды обмена: симплекс – передача данных в одну сторону. полудуплекс – передача и прием данных разделены во времени. полный дуплекс – одновременный прием и передача данных. Методы организации дуплексного обмена: 4 провода. 2 – прием, 2 – передача. Одна физическая линия, шириной 3КГц, делится на 2 равные части – 1,5КГц – прием, 1,5КГц – передача. Одна физическая линия, шириной 3КГц, делится на 2 неравные части. Используется, если одной из сторон нужно передавать массивные блоки данных, а вторая сторона лишь подтверждает прием. Эхокомпенсация. Одна физическая линия, в ней присутствует как передаваемый, так и принимаемый сигналы. DSP-процессор осуществляет выделение передаваемых им данных из канала, оставшийся сигнал считается принимаемым.
-20-
21.Пакеты ошибок. Предельные теоремы. Пусть передается сообщение. F(x) – передаваемый полином, E(x) – ошибочное сообщение. Параметры пакета ошибок: b=2; 2-х кратная ошибка, W=2 b=5; 2-х кратная ошибка, W=2 b=5; 4-х кратная ошибка, W=4 N ≥ b ≥ W. N – длина сообщения. E1=x5+x4 E2=x6+x2 E3=x6+x5+ x4+x3+x2 Теорема 1 Любой циклический код, образованный с помощью порождающего полинома К обнаруживает все пакеты ошибок длинной К и менее. E3=x5+x2=x2(x3+1), x2-всегда (x3+1). Теорема 2 Любой цикл-ий код, образованный Полино-мом степени К не обнаруживает 1/2k-1 пакетов длины К+1. Теорема 3 Любой циклический код с порождающим полиномом степени К не обнаруживает 1/2 k часть всех пакетов ошибок длиной более чем K+1. Не все пакеты обнаруживаются использую полиномы 16 и 32 степени.
-18-
-32-
35.Структура коммутатора. Коммутатор имеет несколько внутренних процессоров обработки кадров, каждый из которых может выполнять алгоритм моста. Т. о., можно считать, что коммутатор - это мультипроцессорный мост, имеющий за счет внутреннего параллелизма высокую производительность. Структурная схема коммутатора Каждый порт обслуживается одним процессором пакетов Ethernet - EPP. Кроме того, коммутатор имеет системный модуль, который координирует работу всех процессоров EPP. Системный модуль ведет общую адресную таблицу коммутатора и обеспечивает управление коммутатором по протоколу SNMP. Для передачи кадров между портами используется коммутационная матрица, подобная тем, которые работают в телефонных коммутаторах или мультипроцессорных компьютерах, соединяя несколько проц-ов с несколькими модулями памяти. 36.Принципиальные различия ком-торов и маршрутизаторов. -Коммутаторы выполняют большую часть своей работы на канальном уровне. Для них сеть представляется набором МАС-адресов устройств. Они извлекают эти адреса из заголовков, добавленных к пакетам на канальном уровне, и используют их во время обработки пакетов для принятия решения о том, на какой порт отправить тот или иной пакет. Коммутаторы не имеют доступа к информации об адресах сетей, относящейся к более высокому уровню. Поэтому они ограничены в принятии решений о возможных путях или маршрутах перемещения пакетов по сети. -Маршрутизаторы в отличие от коммутаторов работают на сетевом уровне модели OSI. Для маршрутизаторов сеть - это набор сетевых адресов устройств и множество сетевых путей. Они анализируют все возможные пути между любыми двумя узлами сети и выбирают самый короткий из них. При выборе могут приниматься во внимание и другие факторы, например, состояние промежуточных узлов и линий связи, пропускная способность линий или стоимость передачи данных. Для того, чтобы маршрутизатор мог выполнять возложенные на него функции ему должна быть доступна более развернутая информация о сети, нежели та, которая доступна коммутатору. В заголовке пакета сетевого уровня кроме сетевого адреса имеются данные, например, о критерии, который должен быть использован при выборе маршрута, о времени жизни пакета в сети, о том, какому протоколу верхнего уровня принадлежит пакет. Благодаря использованию дополнительной информации, маршрутизатор может осуществлять больше операций с пакетами, чем коммутатор. Поэтому программное обеспечение, необходимое для работы маршрутизатора, является более сложным.
-30-
устройствах различные наборы вспомогательных функций, но наиболее часто встречаются следующие: Объединение сегментов с различными физическими средами (например, коаксиал, витая пара и оптоволокно) в единый логический сегмент. Автосегментация портов – авт-ое отключение порта при его некорректном поведении (повреждение кабеля, интенсивная генерация пакетов ошибочной длины и т. п.). Поддержка между концентраторами резервных связей, которые используются при отказе основных. Защита передаваемых по сети данных от несанкционированного доступа (например, путем искажения поля данных в кадрах, повторяемых на портах, не содержащих компьютера с адресом назначения). Поддержка средств управления сетями - протокола SNMP, баз управляющей информации MIB. 33. Логическая структуризация сети. Несмотря на появление новых дополнительных возможностей основной функцией концентраторов остается передача пакетов по общей разделяемой среде. Коллективное использование многими компьютерами общей кабельной системы в режиме разделения времени приводит к существенному снижению производительности сети при интенсивном трафике. Общая среда перестает справляться с потоком передаваемых кадров и в сети возникает очередь компьютеров, ожидающих доступа. Это явление характерно для всех технологий, использующих разделяемые среды передачи данных, независимо от используемых алгоритмов доступа (хотя наиболее страдают от перегрузок тра-ка сети Ethernet с методом случайного доступа к среде). Поэтому сети, построенные на основе концентраторов, не могут расширяться в требуемых пределах - при определенном количестве компьютеров в сети или при появлении новых приложений всегда происходит насыщение передающей среды, и задержки в ее работе становятся недопустимыми. Эта проблема может быть решена путем логической структуризации сети с помощью мостов, коммутаторов и маршрутизаторов.
-28-
30.Маркерный доступ. Размер маркера 3 байта (1-начальный байт, 2-разрешающий байт, 3-конечный байт). Способ кодирования – Manchester. t задержки маркера – 10мкс Token Ring - пример сети с передачей маркера. Сети с передачей маркера перемещают вдоль сети небольшой блок данных, называемый маркером. Владение этим маркером гарантирует право передачи. Если узел, принимающий маркер, не имеет информации для отправки, он просто переправляет маркер к следующей конечной станции. Каждая станция может удерживать маркер в течение определенного максим-го времени. Если у станции, владеющей маркером, имеется информации для передачи, она захватывает маркер, изменяет у него один бит (в результате чего маркер превращается в последовательность "начало блока данных"), дополняет информацией, которую он хочет передать и, наконец, отсылает эту информацию к следующей станции кольцевой сети. Когда информационный блок циркулирует по кольцу, маркер в сети отсутствует (если только кольцо не обеспечивает "раннего освобождения маркера" - early token release), поэтому другие станции, желающие передать информацию, вынуждены ожидать. Следовательно, в сетях Token Ring не может быть коллизий. Если обеспечивается раннее высвобождение маркера, то новый маркер может быть выпущен после завершения передачи блока данных. Информационный блок циркулирует по кольцу, пока не достигнет предполагаемой станции назначения, которая копирует информацию для дальнейшей обработки. Информационный блок продолжает циркулировать по кольцу; он окончательно удаляется после достижения станции, отославшей этот блок. Станция отправки может проверить вернувшийся блок, чтобы убедиться, что он был просмотрен и затем скопирован станцией назначения. В отличие от сетей CSMA/CD (например, Ethernet) сети с передачей маркера являются детерминистическими сетями. Это означает, что можно вычислить максимальное время, которое пройдет, прежде чем любая конечная станция сможет передавать. 31.Физическая структуризация лок-ой сети. Для построения простейшей односегментной сети достаточно иметь сетевые адаптеры и кабель подходящего типа. Для структуризации локальной сети часто используют повторители (repeater). Основная его функция - повторение сигналов, поступающих на один из его портов, на всех остальных портах (Ethernet) или на следующем в логическом кольце порте (Token Ring, FDDI) синхронно с сигналами-оригиналами. Повторитель улучшает электрические характеристики сигналов и их синхронность, и за счет этого появляется возможность увеличить общую длину кабеля между самыми удаленными в сети станциями. Практически во всех современных сетевых стандартах концентратор является необходимым элементом сети, соедин-им отдельные компь-ры в сеть. Отрезки кабеля, соединяющие два компьютера или какие либо два других сетевых устройства называются физическими сегментам. Т. о., концентраторы и повторители, которые используются для добавления новых физических сегментов, являются средством физической структуризации сети.
-26-