ФИЗИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕДАЧЕЙ
Тема 10 ФИЗИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕДАЧЕЙ
10.1. Физический уровень
10.1.1. Общие сведения
Целью физического уровня является установление физических (электрических, электромагнитных, оптических, акустических), функциональных и процедурных характеристик включения, поддержания и отключения физических соединений, именуемых также физическими каналами и или цепями данных. Последние соединяют друг с другом канальные объекты, называемые также станциями (см. рис.10.1).
Физический уровень обеспечивает сервис передачи потоков бит через физические соединение. Последнее может быть постоянным либо коммутируемым, а передача информации по ним - дуплексной, полудуплексной и симплексной.
При использовании коммутируемых соединений функции физического уровня состоят в формировании и приеме вызова и обеспечении выполнения процедур включения и отключения этих соединений.
Рассматриваемые физические соединения включаются (см. рис.10.1) по схеме “точка-точка” либо “точка-многоточка”. Они могут обеспечивать как последовательную (побитовую), так и параллельную (побайтовую) передачу данных. В первом случае физический сервисный блок данных содержит только один бит, а во втором - K бит (знак, байт).
Передача физических сервисных блоков (ФСБД) осуществляется синхронным либо асинхронным способом. В обоих случаях биты принимаются в конце физического соединения в том же порядке, в каком они были переданы в начале соединения. Параметры качества соединения выбираются канальными объектами при включении физического соединения. Перечень параметров примерно тот же, что и в транспортном уровне.
На физическом уровне реализуется протокол управления физическим каналом, который характеризует первый (нижний) уровень иерархии программной структуры вычислительной сети. Этот протокол определяет тип и характеристики физического канала, создаваемого на основе следующих видов каналов связи:
физическая пара;
аналоговый телефонный;
телеграфный;
дискретный коаксиальный;
радиоканал;
спутниковый канал связи и т.д.
В зависимости от характера передачи информации физические каналы подразделяются на последовательные и параллельные. Во-первых, передача информации осуществляется потоками бит, следующими один за другим. Во-вторых, информация передается одновременно параллельно по q цепям физического канала, по q бит сразу. Причем чаще всего q = 8.
В соответствии с рекомендацией X.25 МККТТ протокол первого уровня описывает “физические, электрические и процедурные характеристики установления, поддержания и разъединения физического канала в точке между оконечным оборудованием данных (вычислительной машиной) и аппаратурой передачи данных”.
Поскольку на первом этапе развития в вычислительных сетях использовались только аналоговые телефонные каналы, то МККТТ ранее разрабатывал и утверждал стандарты относящиеся к этим сетям. Так, в таблице 10.1 показаны стандарты, определяющие характеристики модемов - аппаратуры передачи данных, обеспечивающей взаимодействие машины с аналоговым телефонным каналом связи.
Таблица 10.1
|
Шифр рекомендации
|
Наименование рекомендации МККТТ
|
|
V.21
|
200-битовый модем, предназначенный для использования в коммутируемой телефонной сети
|
|
V.23
|
600/1200-битовый модем для использования в коммутируемой телефонной сети
|
|
V.24
|
Характеристики цепей обмена между оконечным оборудованием данных ( DTE) и аппаратурой передачи данных ( DCE )
|
|
V.26
|
2400-битовый модем, предназначенный для использования с четырехпроводным арендуемым телефонным каналом
|
|
V.26 бис
|
2400/1200 -битовый модем, предназначенный для использования в коммутируемой телефонной сети
|
|
V.27
|
4800-битовый модем, предназначенный для использования с арендуемым телефонным каналом
|
|
V.27 бис
|
4800-битовый модем с автоматической стабилизацией, предназначенный для использования с арендуемым телефонным каналом
|
|
V.27 тер
|
4800/2400-битовый модем, предназначенный для использования в коммутируемой телефонной сети
|
|
V.29
|
9600-битовый модем, предназначенный для использования с арендуемым телефонным каналом
|
|
V.35
|
Передача данных со скоростью 48 Кбит/с, использующая группу каналов 60-108кГц
|
|
V.36
|
Модемы для синхронной передачи данных, использующей группу каналов 60-108кГц
|
Эти модемы обеспечивают передачу информации со скоростью дот 200 до 48000 бит в секунду. Особое значение здесь имеет рекомендация МККТТ V.24, определяющая характеристики и процедуры доступа машины в аналоговый телефонный канал связи. Она содержит информационные, временные, а также управляющие процедуры, которые используются для передачи данных.
Более подробно модемы и соответствующие им методы модуляции и особенности построения модемов для передачи по радио и дискретным каналам связи будут рассмотрены далее.
В последнее время начался интенсивный переход к дискретным каналам связи, которые в первую очередь применяются в магистральных каналах коммуникационной сети. В этой связи МККТТ утвердил первые стандарты, касающиеся определения характеристик дискретных каналов связи. В соответствии с этими стандартами (см. табл.10.2) создаются пять ступеней дискретных каналов связи, передающих информацию со скоростью от 1,5 до 400 млн. бит/с.
Таблица 10.2
|
Уровень иерархии
|
Скорость передачи, Мбит/с
|
|
|
Европейская
|
Североамериканская
|
Японская
|
|
Первый
|
2.048
|
1.544
|
1.544
|
|
Второй
|
8.448
|
6.312
|
6.312
|
|
Третий
|
34.368
|
44.736
|
32.064
|
|
Четвертый
|
139.264
|
274.176
|
97.728
|
|
Пятый
|
----
|
----
|
307.200
|
Первый уровень иерархии стандартов североамериканской зоны дискретных каналов связи определяет передачу информации по симметричным кабелям на расстояние до 80 км. Второй уровень используется для междугородних каналов связи протяжением до 800 км. Третий уровень предусмотрен для передачи сигналов с частотным делением и телевизионных с уменьшенной избыточностью. Четвертый уровень характеризует самую быструю передачу информации по коаксиальному кабелю или по радиорелейной системе. Пятый уровень иерархии представлен только Японией и относится к спутниковым каналам связи.
В настоящее время большинство физических каналов создается на базе последовательностей аналоговых или дискретных каналов связи.
Рассмотрим основные протоколы физического уровня:
X.21;
X.21бис;
ИРПР.
10.1.2. Протокол X.21.
Управление физическим каналом в сети передачи данных общего пользования характеризуется рекомендацией X.21 МККТТ, определяющей стандарты на “универсальный интерфейс для синхронной работы в сети общего пользования”. Точка физического интерфейса располагается между абонентской (DTE) либо коммуникационной (DSE) машиной и аппаратурой передачи данных (DCE). Рекомендация X.21 описывает: используемые цепи обмена, схему сигналов в точке интерфейса, метод синхронизации символов между вычислительной машиной и каналом связи. В рассматриваемом рекомендацией X.21 интерфейсе (см. рис. 10.2) восемь цепей (линий), определяющих обмен
информацией между вычислительной машиной (DTE либо DSE) и аппаратурой передачи данных (DCE). Взаимодействие осуществляется в три последовательных фазы (этапа):
- установление соединения;
- передача данных;
- разъединение соединения.
При этом данные генерируются вычислительной машиной и могут представляться в виде любой последовательности бит.
DTE
ЭВМ либо
DSE
АДАПТЕРЫ
Точка
физического
интерфейса
8 7 6 5 4 3 2 1
АППАРАТУРА ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ
Рис. 10.2. Цепи обмена в протоколе Х.21.
1. Защитное заземление
2. Общая обратная связь
3. Передаваемые данные
4. Принимаемые данные
5. Управление
6. Индикация
7. Синхронизация сигнальных элементов
8. Синхронизация байт
Цепь “синхронизация байт” является необязательной, ибо в рассматриваемой точке интерфейса возможны два метода синхронизации символов, передаваемых между вычислительной машиной и аппаратурой передачи данных. В первом случае цепь “синхронизация байт” отсутствует. Поэтому перед всеми последовательностями управляющих символов, передаваемых в канал связи либо получаемых из этого канала, передаются два либо более символов синхронизации SYN. Во втором случае используется имеющаяся цепь синхронизации. По этой цепи передаются 8-битовые последовательности, обеспечивающие синхронизацию.
10.1.3. Протокол X.21.БИС.
Учитывая то, что большая часть вычислительных машин все еще подключаются к аналоговым телефонным каналам с помощью модемов, МККТТ разработал и утвердил рекомендацию X.21.БИС, совместимую с рекомендацией V.24.
В рекомендации X.21.БИС используется подмножество цепей обмена, определяемых (см. рис. 10.3) рекомендацией V.24.
DTE
ЭВМ либо
DSE
АДАПТЕРЫ
11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
точка
физического
интерфейса
АППАРАТУРА ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ
Рис. 10.2. Цепи обмена в протоколе Х.21бис.
1. Общая обратная связь. 2. Передаваемые данные. 3. Принимаемые данные.
4. Запрос на передачу. 5. Готовность к передаче. 6. Набор данных готов.
7. Передать набор данных в канал. 8. Детектор принятого из канала сигнала.
9. Синхронизация передаваемых сигнальных элементов.
10. Синхронизация принимаемых сигнальных элементов.
11.Тестовый индикатор.
Его применение позволяет подключать вычислительные машины через стандартные модемы к аналоговым телефонным каналам связи (см. табл. 10.1). Наряду с этим использование рекомендации X.21.БИС позволяет работать и с дискретными каналами связи, определяемыми рекомендацией X.21. Благодаря этому интерфейс рекомендации X.21.БИС является универсальным и обеспечивает подключение вычислительной машины как к аналоговому, так и к дискретному каналам связи.
10.1.4. Протокол ИРПР.
В тех случаях когда расстояние между вычислительными машинами невелико (до 2 км.), оказывается эффективным использование скоростного физического канала, определяемого протоколом ИРПР.
Аналогичный стандарт №4421 принят в Англии. Практически тот же стандарт определяет ГОСТ 18146-72, именуемый “Цепи и параметры обмена на стыке С3 при параллельном вводе-выводе дискретной информации”.
Протокол ИРПР используется для быстрой передачи значительных потоков информации, например, от экспериментальных установок научных учреждений.
Интерфейс радиальный параллельный (ИРПР) характеризует:
· набор сигналов физического канала;
· требования к функциональным характеристикам сигналов;
· процедуру обмена данными.
Набор сигналов, используемых протоколом ИРПР, показан на рис. 10.4.
Он включает до 40 цепей. При этом, цепи, отмеченные на рис.4 звездочками, являются необязательными. Протокол определяет передачу информации в одну сторону (от источника к приемнику). Если необходима двусторонняя передача, то должны быть использованы два набора цепей, показанных на рис.10.4.
Цепь, называемая “экраном”, в протоколе ИРПР служит для защиты (от помех) сигналов управления и передаваемых данных. Рассматриваемая цепь соединяется с металлическим корпусом устройства, в котором реализуется протокол. Цепь “нуль” подсоединяется к точке, принятой в рассматриваемом устройстве за нулевую.
Появление единицы в цепи “готовность источника” (приемника) означает, что источник (приемник) работоспособен и готов к передаче информации. Отсутствие единицы (нуль) является сообщением о неготовности источника (приемника) к работе.
Единица в цепи “строб источника” сообщает, что передаваемые данные действительны, но при наличии единицы в цепи “ запрос приемника”, определяющей запрос приемником информации от источника.
Информация, передаваемая по цепям “данные”, может кодироваться любым образом. На рис. 10.4 показаны 16 цепей “данные”. Однако, в необходимых случаях их число может быть уменьшено. Символ (нуль или единица) в цепи “контрольный разряд” устанавливается таким, чтобы сумма единиц в соответствующих десяти цепях (данные и контрольный разряд) была нечетной. Благодаря этому осуществляется проверка информации, передаваемой по цепям “данные”.
Максимальное число цепей “состояние”, характеризующих источник информации, равно восьми (см. рис.10.4). По ним могут передаваться командные сигналы, сигналы наличия контроля и т.д. Состояние приемника также может характеризоваться не более чем восемью цепями, по которым направляются сигнал ошибки (после проверки информации на четность), сигнал об окончании служебной операции и др.
экран
нуль
готовность источника
готовность приемника
строб источника
запрос приемника
данные 0
………….
данные 7
контрольный разряд
данные 8
…………
данные 15
контрольный разряд
состояние приемника 1
……………..
состояние приемника 8
состояние источника 1
……………..
состояние источника 8
Рис. 10.4. Цепи обмена в протоколе ИРПР.
Обмен данными выполняется в режиме “запрос-ответ”, осуществляемом сигналами, передаваемыми по цепям “запрос приемника” и “строб источника”. Последний является разрешением на передачу данных, запрошенную приемником.
Английский стандарт №4421 определяет тот же набор цепей, что и протокол ИРПР. Однако он устанавливает только три цепи состояния, передающие управляющую информацию: ошибки приемника, источник закончил передачу, наличие проверки. Число цепей “данные” определено всегда равным восьми. К ним добавляется цепь ”контрольный разряд”. Таким образом, общее число цепей в стандарте 4421 равно 18.
В экспериментальной вычислительной сети (ЭВС), созданной в академии наук и приведенной в качестве примера, используется версия протокола ИРПР, набор цепей которой показан на рис. 10.5.
Здесь управление физическим каналом обеспечивается адаптерами, подключенными (см. рис.10.6) к соединенным вычислительным машинам.
Рис.10.6. Структура взаимодействия двух машин.
Каждый адаптер имеет (см. рис.10.5) как источник, так и приемник информации. Благодаря этому обеспечивается симметричная процедура взаимосвязи обеих машин, соединенных (см. рис.10.5) физическим каналом. Источник одного адаптера соединяется с приемником другого адаптера. Информация в каждую сторону передается параллельно по восьми цепям “данные” (см. рис.10.5). К каждой из двух групп этих цепей добавляется цепь “контрольный разряд”. Из цепей “состояние” в версии ИРПР-ЭВС используется только одна, именуемая “работа приемника”. Единица, посылаемая по этой цепи, является ответом на запрос, определяемый сигналом “готовность источника”. Сигнал “работа приемника” указывает на готовность принимать данные от источника.
Обмен сигналами между источником и приемником обеспечивает изменение фаз работы скоростного физического канала: установление связи, ее поддержание и разъединение.
10.2. Сервис физического уровня (особенности).
Задача физического уровня обеспечить соединение для передачи физических СБД (ФСБД). Для этого физический уровень формирует передаваемый сигнал (с помощью модемов), кодирует, декодирует и синхронизирует (вопросы синхронизации будут рассмотрены далее) биты данных, контролирует состояние среды передачи и может также восстановить искаженные элементы принятого сигнала.
Сервис физического уровня образуется из следующих услуг:
· организация физических соединений;
· идентификация КТС;
· идентификация физических соединений;
· передача ФСБД;
· организация последовательности;
· оповещение о возникновении отказа;
· обеспечение выбора качества связи.
Физическое соединение предоставляется пользователям, расположенным на канальном уровне. Конечные точки физического соединения (КТС) находятся на границе с канальным уровнем
(см. рис.10.7).
Физическое соединение может иметь несколько КТС (см. рис.10.8), если требуются параллельные соединения либо многоточечная конфигурация. В каждом случае физическое соединение идентифицируется системами, между которыми оно существует.
Физическое соединение представляет собой канал передачи в физической среде ВОС. Организация физического соединения связана с активизацией объектов уровня. Поскольку физическая среда соединяет не все объекты физического уровня, некоторые объекты выполняют роль ретрансляторов, позволяющих “провести” физическое соединение до требуемой системы (см. рис.10.9).
Сервисным блоком данных физического уровня является 1 бит в случае последовательной передачи и N бит - при параллельной передаче. Биты передаются дуплексным и полудуплексным способом и доставляются потребителю в том же порядке, в каком они поступали от источника. Если внутри физического уровня обнаруживается отказ (например, нарушение физической среды), то канальные объекты оповещаются об этом.
Качество физического сервиса зависит от физических каналов передачи, образующих соединение.
Качество сервиса определяется следующими характеристиками:
· частотой появления ошибок, которые могут возникнуть в результате искажения, потери, вставки и других причин;
· доступностью сервиса;
· скоростью передачи;
· транзитной задержкой (задержкой передачи).
Описанные услуги и свойства физического уровня нуждаются в дальнейшей детализации и формализации. Однако, в настоящее время сделать это затруднительно.
Физический уровень занимает в эталонной модели особое место, поскольку он завершающий и не имеет поддержки нижележащих уровней, а опирается непосредственно на физическую среду.
Развитие систем связи, передачи и телеобработки данных привело к возникновению ряда стандартов на правила передачи сигналов через разнообразные физические среды. В этих стандартах учитывались особенности тех систем связи, в рамках которых действовали стандарты, но не учитывалась, разумеется, эталонная модель ВОС, которая появилась значительно позже. Как правило, эти стандарты не вписывались в модель ВОС, что мешает их применению в рамках открытых систем и затрудняет широкое применение эталонной модели.
Основные трудности, связанные с адаптацией стандартов в эталонной модели, заключается в том, что стандарты связаны с характеристиками реальных элементов (в том числе, например, механическими и электрическими характеристиками), а модель ВОС описывает абстрактную сторону процессов. По этой причине в настоящее время отсутствует международный стандарт на сервис физического уровня. По вопросам разработки такого стандарта ведутся дискуссии в рабочей группе МОС. В частности, до сих пор дебатируются вопросы о функциональной нагрузке физического уровня и месте границы между уровнями 1 и 2. По планам МОС стандарт по сервису физического уровня ожидается в ближайшее время (до 2000 г.).
Методические рекомендации для преподавателей.
Рекомендуется следующий расчет учебного времени и методика проведения занятий.
I. Вводная часть - 5 мин.
проверка наличия обучаемых и готовности к занятиям;
объявление темы, цели занятия, его учебных вопросов и перечня учебной литературы.
II. Основная часть - 80 мин.
1. Физический уровень (управление физическим каналом) - 15 мин.
Определить цель физического уровня и его сущность. Дать основные определения атрибутов физического уровня: физическое соединение, канальные объекты и т.д., используя рис.10.1 и табл. 10.1 и 10.2.
2. Протоколы (40 мин.)
Рассмотреть три вида протоколов Х.21, Х.21.бис и ИРПС, используя рис. 10.2...10.6 и табл. 10.1.
3. Сервис физического уровня (особенности) 25 мин.
Дать представление об особенностях сервиса на физическом уровне, используя рис.10.7, 10.8 и 10.9, об услугах, используемых на этом уровне, о характеристиках качества сервиса.
III. Заключение - 5 мин.
ответы на вопросы,
подведение итогов занятия, задание на самоподготовку.
ПРИЕМНИК