ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 28.06.2021
Просмотров: 2707
Скачиваний: 2
Биты нумеруются справа налево начиная с 0.
Все вычисления над битами информации осуществляются по правилам двоичной арифметики. При сложении двух чисел биты складываются по правилам:
Числа со знаком интерпретируются чуть иначе. Бит [15] считается знаковым: 0 - число положительно или равно нулю, 1 - отрицательно. Отрицательные числа хранятся в виде дополнительного кода:
Такой вид обусловлен общеизвестным правилом:
Таким образом, компьютер для передачи, приема или преобразования информации использует только с двоичные коды. Все вычисления внутри компьютер осуществляет по правилам двоичной арифметики, и на выходе результат также представлен двоичным кодом. Но это внутри компьютера, а как же выглядит информация, которая передается по линиям связи в сети? Ведь эти линии - обыкновенные метры кабеля, которые находятся за пределами компьютера, и внутри которых нет никаких вычислительных устройств. Поэтому в следующем разделе рассмотрим проблемы передачи данных по линиям связи.
-
Физическая передача данных по линиям связи.
В вычислительной технике данные представляются двоичным кодом. Внутри компьютера единицам и нулям данных соответствуют дискретные электрические сигналы. По линиям связи данные также передаются в электрическом или оптическом виде. Представление данных в виде электрических или оптических сигналов называется кодированием.
Существуют разные способы кодирования двоичных цифр "1" и "0". Например, потенциальный способ. Этот способ представляет единицу как один уровень напряжения, а нуль - другой уровень напряжения.
Рис. 2.1 Потенциальный способ кодирования.
На этом рисунке, как выглядит логическая "1"-ца представлена электрическим сигналом напряжения +5V, и логический "0" представлен как электрический сигнал напряжением 0V.
Другой способ кодирования электрических сигналов, которым такжесоответствуют логические "0" и "1", - импульсный способ. Этот способ представляет логические "0" и "1" как импульсы, определенной частоты, которые могут быть различной или одной полярности (+ или -).
Рис. 2.2 Импульсный способ кодирования.
Этот способ очень удобный и наглядный, раз импульс пошел вверх - единица, пошел вниз - нуль, и так, сколько логических единиц в сигнале - столько "прямоугольников".
Вот такая цепочка превращений - информация логически представляет собой набор единичек и нулей, которые в свою очередь образуются разными выше описанными способами в виде электрических сигналов. Компьютер, используя простую двоичную арифметику, производит необходимые вычисления, вычисляет результат (результат - это то же набор единиц и нулей) и по своим внутренним линиям обеспечивает передачу результата к определенному своему узлу, приблизительно, таким образом, и происходит работа компьютера.
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.
Во-первых, линии связи имеют гораздо большую протяженность, в отличие от внутренних линий компьютера.
Во-вторых, линии связи находятся вовне компьютера, в пространстве, где достаточно много источников электромагнитных помех.
Любое, близко расположенное к линиям передач, оборудование (какого особенно много на предприятиях) излучает свои электромагнитные излучения. Передаваемым сигналам (в импульсном или потенциальном виде) тяжело приходится сохранить свою форму, которая имеет информационную сущность, при влиянии таких помех (вспомните, вам ведь трудно говорить, когда рядом тоже все разговаривают). Посторонние электромагнитные сигналы, приводят к значительно большим искажениям прямоугольных импульсов, чем внутри компьютера (например, "заваливанию" фронтов, когда импульсы становятся уже не совсем прямоугольными). Очевидно, что любое искажение импульса приводит к искажению информации в целом, что очень нежелательно.
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, для того, чтобы передний и задний фронты соседних импульсов не перекрывались, (См. рис. 2.1) и импульс успел дорасти до требуемого уровня.
Проблемы искажения сигнала в линии, заставили подумать над возможностью другого способа кодирования. В сетях обычно применяют как потенциальное, так и импульсное кодирование дискретных данных, но существует еще один специфический способ представления данных, который никогда не используется внутри компьютера, - модуляция.
1 0 1 1
Рис 2.3. Представление дискретных данных в виде синусоидального сигнала.
При модуляции дискретная информация принимает совсем уже совсем другой вид - вид синусоиды. Теперь информация - синусоидальный сигнал той частоты, которую хорошо передает имеющаяся линия связи.
Потенциальное или импульсное кодирование применяется в каналах высокого качества (которые смогут обеспечить на выходе канала такую же форму импульса, как и на входе). А модуляция на основе синусоидальных сигналов предпочтительнее в том случае, когда канал вносит сильные искажения в передаваемые сигналы. Это чаще наблюдается не в цифровых каналах, а в аналоговых телефонных каналах связи. Телефонные каналы и были разработаны для передачи голоса в аналоговой форме, поэтому они плохо подходят для непосредственной передачи импульсов. Модуляцию часто используют для передачи информации в глобальных сетях, которые используют аналоговые линии связи (мы с вами рассмотрим этот вопрос детальнее в свое время).
Помимо того, что линии между компьютерами находятся в зоне различного характера помех (электромагнитных и механических), они конструктивно выполнены из большого количества проводов. В целях экономии обычно стремятся сократить это количество, используя не параллельную передачу всех бит одного байта или даже нескольких байт, как это делается внутри компьютера, а последовательную, побитную передачу, для которой нужна всего одна пара проводов.
Существует еще одна важная проблема, которая возникает при приеме/передаче информационных сигналов - проблема синхронизации. Для того, чтобы передатчик одного компьютера и приемник другого компьютера смогли синхронно работать, нужно обеспечить их взаимную синхронизацию.
При организации взаимодействия модулей внутри компьютера эта проблема решается с помощью общего тактового генератора определенной частоты.
При связи компьютеров проблема синхронизации может решаться разными способами:
-
с помощью обмена специальными тактовыми синхроимпульсами (импульсами определенной частоты) по отдельной линии,
-
с помощью периодической синхронизации заранее обусловленными кодами или импульсами характерной формы, отличающейся от формы импульсов данных.
Но даже если точно выполнить все выше названные меры предосторожности: выбрать соответствующую скорость обмена данными, выбрать линии связи с определенными характеристиками, выбрать способ синхронизации приемника и передатчика информации, все равно нельзя быть уверенным, что все биты передаваемой информации смогут достигнуть пункта назначений без единого искажения.
Для повышения надежности передачи данных между компьютерами часто используется один стандартами прием - подсчет контрольной суммы и передача ее по линиям связи после каждого байта или после некоторого блока байтов.
Таким образом, для передачи информации следует перевести байты в биты, представить как импульсы, или как синусоидальный сигнал подсчитать контрольные суммы, синхронизировать работу приемника и передатчика и т.д. Эти все задачи должно выполнять какое-то устройство, на входе которого начальная информация - двоичный сигнал, а на выходе преобразованная информация - соответствующий электромагнитный сигнал.
В вычислительных сетях эту задачу действительно решает определенный класс оборудования. В локальных сетях это самые обыкновенные сетевые адаптеры, а в глобальных сетях - аппаратура передачи данных, например, модемы. Модем от слов - модуляция - демодуляция. Они выполняют модуляцию и демодуляцию дискретных сигналов.
Сетевые адаптеры рассчитаны, как правило, на работу с определенной передающей средой. Передающая среда - коаксиальный кабель, витая пара, оптоволокно и т. п. Каждый тип передающей среды обладает определенными электрическими характеристиками, которые влияют на способ ее использования, и определяет скорость передачи сигналов, способ их кодирования и некоторые другие параметры.
Вот такие вот проблемы могут возникнуть при попытке передачи информации между двумя компьютерами. Видите, что два компьютера, это тоже сеть - она называется вырожденная сеть.
-
Пример передачи данных по «вырожденной сети».
Механизм взаимодействия компьютеров в сети берет свое начало от схемы взаимодействия компьютера с периферийными (внешними) устройствами (мышь, клавиатура, принтер, сканер, модем).
Для обмена данными между компьютером и внешним устройством или другим компьютером предусмотрен внешний интерфейс, т.е. набор проводов, соединяющий компьютер и внешнее устройство, а также протокол, т.е. набор правил обмена по этим проводам.
Внешний интерфейс работает под управлением контроллера и драйвера. Разделение обязанностей по управлению между драйвером и контроллером может быть различным.
Контроллер обычно выполняет набор простых управляющих команд и реализуется аппаратными средствами.
Драйвер выполняет набор более сложных управляющих команд и реализуется с помощью программных средств.
Примерами интерфейсов, используемых в компьютерах, являются параллельный интерфейс Centronics и последовательный RS – 232C. В простейшем случае взаимодействие двух компьютеров может быть реализовано с помощью тех же самых устройств, которые используются для взаимодействия с переферией, например, через последовательный интерфейс RS – 232C
Рассмотрим случай, когда пользователю, который работает с текстовым редактором на компьютере А необходимо прочитать часть файла на компьютере В.
Приложение А формирует сообщение – запрос для приложения В. В запросе указывается имя файла, тип операции (например, чтение), адрес и размер файла. Это сообщение – запрос помещается в оперативную память (ОП) или иначе - оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). Под управлением операционной системы (ОС) приложение А обращается к драйверу последовательного порта (COM -порта), сообщая ему адрес в ОП, по которому находится сформированный запрос. Драйвер находит запрос в ОП и начинает его передавать байт за байтом в буферное устройство контроллера компьютера А.
Рис. 2. 4 Пример взаимодействия двух компьютеров через последовательный интерфейс
Контроллер преобразует полученную информацию (байты в биты), кодирует и начинает передавать по битам в линию связи, которая соединяет компьютер А с компьютером В.
Чтобы контроллеру компьютера В стало понятно, что начинается передача 1 байта, то каждый байт снабжается стартовым и стоповым битом, а также в качестве контрольной суммы - битом контроля четности. (см. предыдущий раздел)
Контроллер компьютера В выполняет операцию декодирования и записывает принятые байты информации в свое буферное устройство. Драйвер переписывает полученные байты в ОП, сообщая адрес в ОП полученной информации приложению В.
Сетевое приложение В, работающее под управлением ОС, приняв запрос и распознав его, выполняет соответствующие действия, а именно:
-
находит в файловой системе компьютера В имя файла и его адрес на жестком диске;
-
переписывает файл в ОП;
-
сообщает адрес файла в ОП через ОС драйверу компьютера В;
-
и передача файла происходит в обратном порядке в ОП компьютера А, где он попадает к приложению А.
В наше время, как правило, двумя компьютерами в сети никто не ограничивается. Тут сразу начинает действовать такой закон пропорциональности: чем больше машин в сети, тем больше возникает проблем. Но этот закон может терять свою силу, это зависит от того, каким способом эти компьютеры соединить между собой.
Поэтому, в первую очередь необходимо выбрать способ организации физических связей - топологию сети
-
Топологическая структура КС.
Под топологией КС понимается конфигурация графа, вершинам которого соответствуют компьютеры сети (иногда и другое оборудование), а ребрам - физические связи между ними. Компьютеры, подключенные к сети, часто называют станциями или узлами сети.
На этом этапе очень четко нужно ощутить разницу между физическими и логическими связями.
Конфигурация физических связей определяется электрическими соединениями компьютеров между собой. Она вполне может отличаться от конфигурации логических связей. Логические связи - это маршруты передачи данных между узлами сети. Они образуются с помощью специальных настроек специального коммуникационного оборудования.
Таким образом, компьютеры могут быть связаны между кабелем собой одним образом, а передавать друг другу информацию по другому принципу.
При изучении существующих топологий сети мы с вами будем говорить о физических связях.
При выборе топологии электрических связей, нужно быть очень внимательным и хорошо знать какой вид топологии, что может обеспечить. Например, одни топологии предусматривают наличие дополнительных резервных связей. Это повышает надежность сети и делает возможным распределять (балансировать) загрузку отдельных каналов (помните закон избыточности). Иные топологии позволяют очень легко присоединять новые узлы сети. Это делает сеть легко расширяемой. Если мыслить с точки зрения экономии кабеля (а значит денег), то можно выбрать такие топологии, которые обеспечивают минимальную суммарную длину линий связи.
Можно выделить следующие наиболее часто встречающиеся топологии сети.
1. Полносвязная топология
Рис. 2. 5 Полносвязная топология
Эта топология позволит создать сеть, в которой каждый компьютер сети связан со всеми остальными. Такое решение довольно таки логически простое, но в после реализации этой топологии, сеть оказалась очень громоздкой и неэффективной, т.к. каждый компьютер должен иметь столько коммутационных портов, со сколькими компьютерами он связан в сети. При этом каждой паре соединений должна быть выделена отдельная электрическая линия связи. Этих причин вполне достаточно, чтобы объяснить, почему такая топология используется крайне и крайне редко. Полносвязную топологию используют в глобальных сетях для соединения узлов коммутации.