Основы передачи данных

27.09.2024

Основы передачи данных и коммутации

Коммутация — это процесс соединения и управления передачей данных в компьютерных сетях. Она включает в себя распределение информации между различными устройствами, обеспечивая их взаимодействие. Коммутация может быть:

• Коммутация пакетов: Данные разбиваются на пакеты и передаются по сети, что позволяет эффективно использовать пропускную способность.

• Коммутация каналов: Устанавливается временное соединение между двумя абонентами на время передачи данных.

Передача данных ограничена пропускной способностью канала. Это связано с законом Пуассона, который описывает, как передаются сигналы. Формула выглядит так:

$$g(t) = 0.5*c + \sum an \sin(2pnft) + \sum bn \cos(2pnft)$$

• f — частота;

• an и bn — амплитуды гармоник;

• t — время передачи сигнала;

• g(t) — ограничение на пропускную способность.

Гармоники зависят от амплитуды сигнала, а скорость передачи ограничена частотой, которая здесь равна 3 МГц.

Максимальная скорость можно рассчитать через теорему Найквиста:

$$V_{max} = 2H \log_2 V$$

где H — пропускная способность канала, а V — количество уровней в сигнале.

Но Найквист не учитывает шум. Шум измеряется через отношение полезного сигнала к шуму (S/N) в дБ.

Чтобы учесть шум, применяется теорема Шеннона:

$$V_{max} = H \log_2 (1 + S/N)$$

Но это теоретические значения, которые в реальной жизни недостижимы.

Телефонные сети

Изначально они использовались для передачи голоса. С развитием технологий телефонные сети стали передавать и цифровую информацию.

Структура телефонной сети: Телефон был изобретён в 1876 году Александром Беллом. Вначале каждый абонент соединялся напрямую по кабелю. В 1978 году начали применять цифровые телефонные сети для уменьшения числа линий между абонентами.

Сейчас цифровую телефонную связь постепенно заменяет IP-телефония, где голос передаётся по цифровым каналам.

Плюсы цифровой связи:

• Сигнал передаётся без искажений;

• Ошибки не накапливаются;

• Надёжность выше;

• Дешевле и проще в эксплуатации.

Минусы:

• Меняется диапазон передаваемой информации (как в GSM).

Компоненты современной телефонной сети:

• Локальная петля;

• Магистраль (оптоволокно, микроволны);

• Станции коммутации.

В качестве магистральных каналов используют ATM-технологии, а для коммутации — хабы и свитчи.

Локальная петля

Это участок сети, по которому передаются сигналы. Здесь возникают три вида искажений:

• Затухание — сигнал теряет энергию, зависящую от типа проводника и частоты. Установкой усилителей можно уменьшить это, но полностью восстановить сигнал они не могут. Поэтому ограничено расстояние передачи.

• Искажение форм — гармоники сигнала могут перекрываться, вызывая искажения. Между сигналами нужно ставить паузы.

• Шум — возникает из-за внешних источников, таких как соседние линии или атмосферные явления. Тепловой шум всегда присутствует. Для его уменьшения используют разные виды модуляции: амплитудную, частотную и фазовую.

При фазовой модуляции несущая частота изменяется на определённые углы, например, 45 или 135 градусов, в зависимости от уровня сигнала. Частота передачи данных не зависит от частоты несущей, а только от количества бит на одну осцилляцию.

Локальная петля — это участок аналоговой сети, где скорость передачи через модем может достигать 56 Кбит/с. Если использовать оптоволокно, можно сократить аналоговый участок до 100 метров, что позволит поднять скорость до 10–100 Мбит/с. Ещё один способ — использовать сети кабельного телевидения.

Методы кодирования данных

• Алфавитное кодирование: Использует символы и буквы. Применяется в текстах и документах.

• Числовое кодирование: Использует цифры. Удобно для вычислений и структурированных данных.

• Криптографическое кодирование: Защищает данные от несанкционированного доступа.

• Звуковое кодирование: Преобразует информацию в звуковые сигналы, например, для передачи речи.

Методы оцифровки видео

• Перевод в формате DV: Видеоматериал сохраняется на жесткий диск, но процесс занимает много времени, и качество не улучшается.

• Кодирование напрямую с внешнего источника: Быстрый способ, но требует ПО. Сохранение в AVI-формате усложняет просмотр на DVD-проигрывателях.

• Использование DVD+VHS рекордера: Оцифровка в реальном времени с кодированием в DVD-формат и небольшой коррекцией видео.

Пакет — это разбитое сообщение, которое отправляется по сети. Он состоит из нескольких компонентов:

• Источник: Указывает, откуда отправляется сообщение.

• Заголовок: Содержит информацию о маршруте, адресах отправителя и получателя, а также контрольные данные для проверки целостности.

• Данные: Основное содержимое пакета, то есть сама информация, которую нужно передать.

• Контрольная сумма: Проверяет, не были ли данные повреждены при передаче.

• Точка назначения: Указывает, куда направляется сообщение.

Сеть передачи: Пакеты передаются через различные устройства и соединения, такие как маршрутизаторы и свитчи, которые обеспечивают их доставку к конечному получателю.

Последовательность

Очень краткая версия, где только самое важное

• Коммутация:

  • Пакетов: Данные разбиваются на пакеты для эффективной передачи.

  • Каналов: Устанавливается временное соединение для передачи данных.

• Пропускная способность: Ограничена законом Пуассона и определяется формулами Найквиста и Шеннона (учитывает шум).

• Телефонные сети:

  • Сначала для передачи голоса, сейчас и цифровой информации.

  • Плюсы цифровой связи: отсутствие искажений, высокая надежность.

  • Минусы: изменяется диапазон информации.

  • Компоненты: локальная петля, магистраль, станции коммутации.

• Локальная петля: Участок сети с тремя искажениями:

  • Затухание: Потеря энергии сигнала.

  • Искажение форм: Перекрытие гармоник.

  • Шум: Внешние источники.

• Методы кодирования:

  • Алфавитное, числовое, криптографическое и звуковое кодирование.

• Оцифровка видео:

  • Форматы и методы: DV, прямое кодирование, использование DVD+VHS рекордера.