В предыдущей статье, я коротко упомянул о том, какие .
Сейчас мы ознакомимся с согласованием параметров между устройствами, а так же скорости и режима работы (full- duplex или half-duplex ).
По умолчанию, каждый порт Cisco настроен таким образом, что устройство само определяет какие настройки на этом порту использовать, какую скорость выбрать, какой режим передачи данных. Такая технология называется Auto-negotiation (Автоопределение). Так же эти параметры можно задать «вручную», на каждом порту устройства.
Cisco определяют автоматически скорость между сетевыми устройствами (например между портом коммутатора и сетевой картой компьютера), используя некоторые методы. Cisco коммутаторы используют для определния скорости Fast Link Pulse (FLP) , это некоторый электрический импульс, по которому устройства могут понять на каких оптимальных скоростях может установиться соединение между данными сетевыми устройствами.
Если скорости выставлены вручную и они совпадают, то устройства смогут установить соединение используя электрические сигналы.
Если на коммутаторе и на сетевом устройстве компьютера (для примера), установлены вручную скорости и они не совпадают, то соединение не будет установлено.
Примерно так же проходит и определение режима работы соединения: half-duplex или full-duplex .
Если оба устройства работают в режиме автоопределения, и устройства могут работать в duplex режиме, то этот режим и установится.
Если на устройствах автоопределение выключено, то режим будет присвоен по некоторым правилам «по умолчанию». Для 10 и 100 мегабитных интерфейсов установится режим half-duplex, для 1000 мегабитных установится Full-Duplex.
Для отключения автоопределения дуплексности необходимо вручную указать настройки режима.
Ethernet устройства могут работать в режиме Full-Duplex (FDX ), только тогда, когда нет коллизий в передающей среде.
Современные технологии говорят что коллизии не происходят. Коллизии происходят только там где есть разделяемая среда передача данных, например при топологии шина, или при использовании такого устройства как hub (хотя сейчас увидеть такого «динозавтра» достаточно сложно 🙂).
Все же необходимо представлять какие технологии есть и как они борятся с в таких разделяемых ресурсах.
Алгоритм, по борьбе с коллизиями называется CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access Collision Detection ), что означает множественный доступ с контроллем несущей и обнаружением коллизий.
Что такое коллизия вобще?
Коллизия это наложение сигнала, т.е, когда одновременно несколько сетевых устройств начинают передачу данных по разделяемой среде, два этих сигнала встречаются, накладываются друг на друга, и происходит коллизия (тоесть данные искажены, и не несут в себе никакой полезной нагрузки.
Теперь давайте рассмотрим как это работает.
- Устройство, которое желает отправить сначала слушает, свободна ли линия связи.
- Когда линия связи не занята, это устройство начинает отправлять фреймы в Ethernet.
- Устройство «слышит», что коллизия не происходит, значит все хорошо.
- Если все же коллизия произошла (а как же первый шаг? где устройство убеждалось, что линия не занята? Дело в том, что другое устройство могло тоже прослушивать линию, и эти два устройства отправили фреймы практически в одно и тоже время, поэтому и произошла коллизия). Теперь, когда отправляемые устройства «поняли», что произошла коллизия, они отправляют так называемый jam signal, который «говорит» другим участникам сети, что сейчас передача невозможно, так как возникла коллизия и придется немного подождать.
- После jam сигнала, у каждого отправляюшего устройства случайным образом определяется некоторое время, которое можно назвать «время простоя», когда устройство не может посылать никакие данные в сети.
- После истечения этого таймера, алгоритм переходит к 1 шагу.
Под дуплексным режимом работы модема понимается возможность передавать и принимать информацию одновременно. Проблема для модема заключается не в способности канала передавать дуплексную информацию, т.к. обычный телефонный канал – дуплексный, а в возможности демодулятора модема распознать входной сигнал на фоне отраженного от аппаратуры АТС собственного выходного сигнала. При этом его мощность может быть не только сравнима, но в большинстве случаев значительно превосходить мощность принимаемого полезного сигнала (так как объединение и разделение передачи и приема производится с помощью дифсистем, которые невозможно идеально настроить на полное подавление сигнала передатчика местного модема). Поэтому, могут ли модемы передавать информацию одновременно в обе стороны определяется возможностями протокола физического уровня.
Соединение абонента передачи данных с телефонным каналом может осуществляться с помощью четырехпроводного окончания (главным образом с арендованными каналами) и/или двухпроводным окончанием (в основном с коммутируемыми каналами). При четырехпроводном окончании передача и прием осуществляются независимо друг от друга. В этом случае каждая пара используется для передачи информации только в одном направлении и проблемы разделения входного сигала и отраженного выходного не существует.
Передача данных по телефонным каналам с двухпроводным окончанием организуется с использованием одного из следующих методов:
поочередной передачи в каждом из направлений (полудуплексный режим);
частотного разделения направлений передачи (дуплексный режим: симметричный или ассимметричный – в зависимости от равенства или неравенства скоростей передачи в разных направлениях);
одновременной передачи в обоих направлениях с подавлением на приеме отраженного сигнала собственного передатчика (дуплексный режим с эхокомпенсацией).
Наиболее простым в реализации и наименее эффективным по использованию канала связи является метод поочередной передачи (полудуплексный), т.к. передача ведется только в одном направлении, и имеют место потери времени на смену направлений передачи. Ввиду отсутствия проблем с взаимным проникновением подканалов передачи, а также с эхо-отражением, полудуплексные протоколы в общем случае характеризуются большей помехоустойчивостью и возможностью использования всей ширины полосы пропускания канала. Этот метод применяется при малых скоростях передачи. Все протоколы, предназначенные для факсимильной связи – полудуплексные. С освоением более высоких скоростей появилась возможность организации на базе этого метода псевдодуплексной передачи (дуплексный режим оконечного оборудования данных при полудуплексной передаче в канале) – т.н. метод "ping-pong".
Модемные протоколы
Модемы можно классифицировать в соответствии с реализованными в них протоколами. Все протоколы, регламентирующие те или иные аспекты функционирования модемов могут быть отнесены к двум большим группам: международные и фирменные.
Протоколы международного уровня разрабатываются под эгидой ITU-T и принимаются им в качестве рекомендаций (ранее ITU-T назывался Международным консультативным комитетом по телефонии и телеграфии – МККТ, международная аббревиатура CCITT). Все рекомендации ITU-T относительно модемов относятся к серии V. Фирменные протоколы разрабатываются отдельными компаниями – производителями модемов, с целью преуспеть в конкурентной борьбе. Часто фирменные протоколы становятся стандартными протоколами де-факто и принимаются частично либо полностью в качестве рекомендаций ITU-T, как это случилось с рядом протоколов фирмы Microcom. Наиболее активно разработкой новых протоколов и стандартов занимаются такие известные фирмы, как AT&T, Motorolla, U.S.Robotics, ZyXEL и другие.
С функциональной точки зрения модемные протоколы могут быть разделены на следующие группы:
Протоколы, регламентирующие соединение и алгоритмы взаимодействия модема и DTE (V.10, V.11, V.24, V.25, V.25bis, V.28);
Протоколы модуляции, определяющие основные характеристики модемовб предназначенных для коммутируемых и выделенных телефонных каналов. К ним относятся такие протоколы, как V.17, V.22, V.32, V.34, HST, ZyX и большое количество других;
Протоколы защиты от ошибок (V.41, V.42, MNP1-MNP4);
Протоколы зжатия передаваемых данных, такие как MNP5, MNP7, V.42bis;
Протоколы согласования параметров связи на этапе ее установления (HandShaking ), например V.8.
Приставки “bis” и “ter” в названиях протоколов обозначают, соответственно, вторую и третью модификацию существующих протоколов или протокол, связанный с исходным протоколом. При этом исходный протокол, как правило, остается поддерживаемым.
Некоторую ясность среди многообразия модемных протоколов может внести их условная классификация, приведенная на схеме.
Соединения WiFi работает в полудуплексном режиме, а проводная часть локальной сети в полном дуплексе. Узнайте больше прочитав эту статью.
Дуплекс против симплекса
В сети термин «дуплекс» означает возможность для двух точек или устройств связываться друг с другом в оба направления, в отличие от «симплекса», который относится к однонаправленной коммуникации. В системе дуплексной связи, обе точки (устройства) могут передавать и получать информацию. Примерами дуплексных систем являются телефоны и рации.
С другой стороны, в симплекс системе одно устройство передает информацию, а другое получает. Пульт дистанционного управления является примером системы симплекс, где пульт дистанционного управления передает сигналы, но не получает их в ответ.
Полный и полудуплекс
Полная дуплексная связь между двумя компонентами означает, что оба могут передавать и получать информацию друг другу одновременно. Телефоны являются полными дуплексными системами, так как обе стороны могут говорить и слушать одновременно.
В полудуплексных системах передача и прием информации должны происходить поочередно. Во время передачи одной точки, остальные должны только получать. Рации являются полудуплексными системами, в конце передачи участник должен сказать «Прием», это означает, что он готов получать информацию.
WiFi роутеры (маршрутизаторы) - это устройства, которые модулируют и планируют потоки информации из и от любого WiFi-совместимого электронного устройства (например, ноутбук или смартфон) к сети Интернет, используя определенный стандарт или протокол, называемый IEEE 802.11, который работает в полудуплексном режиме. WiFi это только торговая марка для определенного стандарта IEEE.
WiFi устройства подключаются к маршрутизатору с помощью радиоволн частотой 2,4 ГГц или 5 ГГц. Маршрутизатор гарантирует правильное распределение информационных потоков между подключенным устройством и Интернетом; с помощью процесса вызова с временным разделением каналов (TDD) который работает в режиме полного дуплекса.
TDD эмулирует полную дуплексную связь путем создания или деления периодов времени, которые чередуются между передачей и приемом. Пакеты данных идут в обоих направлениях, как продиктовано расписанием. Путем точного разбития этих периодов времени, подключенные устройства, могут осуществлять передачу и прием одновременно.
Самой большой проблемой для достижения полнодуплексного контроля над радиосвязью являются внутрисистемные помехи. Это помехи или шум более интенсивный, чем сам сигнал. Проще говоря, помехи в полнодуплексной системе возникают тогда, когда одна точка осуществляет передачу и прием одновременно, и также получает свою собственную передачу, следовательно, происходит само-интерференция.
Практически полнодуплексная беспроводная связь возможна в сферах исследований и научных сообществах. Во многом это достигается за счет устранения собственных помех на двух уровнях. Первый способ-инверсия самого шумового сигнала и тогда процесс шумоподавления дополнительно усиливается в цифровом виде.
Что насчет проводной сети?
Проводная часть локальной сети обменивается данными в режиме полного дуплекса с помощюю двух пар крученных проводов, образующих кабельное подключение Ethernet. Каждая пара предназначена для передачи и приема пакетов информации одновременно, поэтому нет столкновения данных и передача осуществляется без помех.
Прогресс в области WiFi-связи
В рамках протокола IEEE 802.11, были внесены изменения для достижения лучшего диапазона или лучшей пропускной способности, или то и другое. От своего основания в 1997 году до 2016, беспроводные стандарты были скорректированы от 802.11, 802.11b/a, 802.11g, 802.11n, 802.11ac, и наконец последний 802.22. Какими бы прогрессивными они ни стали, они по-прежнему принадлежат семье 802, который будет постоянно работать в режиме полудуплекса. Хотя были сделаны многие улучшения, особенно с включением технологии MIMO, работа в полудуплексном режиме снижает общую спектральную эффективность в два раза.
Интересно отметить, что MIMO поддерживаемая маршрутизаторами (со многими входами и многими выходами) рекламирует гораздо более высокие скорости передачи данных. Эти маршрутизаторы используют несколько антенн для передачи и приема одновременно нескольких потоков данных, которые могут увеличить общую скорость передачи. Это часто встречается и в маршрутизаторах 802.11 N, которые рекламируют скорости от 600 мегабит в секунду и выше. Однако, так как они работают в полудуплексном режиме, 50 процентов (300 мегабит в секунду) пропускная способность резервируется для передачи в то время как другие 50 процентов используют для получения.
Полнодуплексный WiFi в будущем
К полнодуплексной беспроводной связи растет все больший коммерческий интерес. Основная причина, состоит в том, что прогресс в полудуплексном FDD и TDD не насыщен. Усовершенствования программного обеспечения, модуляции достижений и улучшений технологии MIMO становятся все сложнее и сложнее. Поскольку все больше новых устройств имеют беспроводное подключение, необходимость повышения эффективности использования спектра в конечном итоге имеет первостепенное значение. Появление полнодуплексной беспроводной связи мгновенно удвоит спектральную эффективность.
Несмотря на то, что коммутаторы прозрачны для сетевых протоколов и пользовательских приложений, они способны функционировать в разных режимах, что может как положительно, так и отрицательно отразиться на пересылке кадров Ethernet по сети. Одним из базовых параметров коммутатора является дуплексный режим для каждого отдельного порта, подключённого к каждому главному устройству. Порт на коммутаторе должен быть настроен таким образом, чтобы совпадать с параметрами дуплексного режима определённого типа среды передачи данных. Для обмена данными в сетях Ethernet используются два типа настроек дуплексного режима: полудуплексный и полнодуплексный.
Полудуплексная передача данных
Полудуплексная связь использует однонаправленный поток данных, когда отправка и получение данных не выполняются в одно и то же время. Это подобно использованию рации, когда единовременно может говорить только один человек. Если кто-либо пытается говорить во время разговора другого человека, происходит коллизия. В результате при полудуплексной связи используется множественный доступ с контролем несущей и определением коллизий, что позволяет снизить вероятность коллизий и обнаружить их в случае возникновения. При полудуплексной связи возможно снижение производительности, вызванное постоянным пребыванием в режиме ожидания, поскольку данные могут передаваться одновременно только в одном направлении. Полудуплексные соединения, как правило, встречаются на более старом оборудовании, например на концентраторах. Узлы, которые подключены к концентраторам, совместно использующим подключение к порту коммутатора, должны работать в полудуплексном режиме, так как конечные компьютеры должны иметь возможность обнаруживать коллизии. Узлы могут функционировать в полудуплексном режиме, если сетевую интерфейсную плату нельзя настроить для работы в полнодуплексном режиме. В этом случае для порта на коммутаторе по умолчанию также устанавливается полудуплексный режим. Из-за этих ограничений полнодуплексная связь заменила полудуплексную на более современном оборудовании.
Полнодуплексная передача данных
В полнодуплексной связи поток данных передаётся в обе стороны, что позволяет одновременно отправлять и получать информацию. Поддержка двухсторонней передачи данных повышает производительность за счёт сокращения времени ожидания между передачами. Большинство продаваемых сегодня сетевых адаптеров Ethernet, Fast Ethernet и Gigabit Ethernet работают в полнодуплексном режиме. В полнодуплексном режиме детектор коллизий отключён. При этом исключена возможность столкновения кадров, пересылаемых двумя связанными конечными узлами, поскольку эти узлы используют два отдельных канала связи в сетевом кабеле. Каждое полнодуплексное соединение использует только один порт. Полнодуплексным соединениям требуется коммутатор, который поддерживает полнодуплексный режим, или прямое подключение, между двумя узлами, каждый из которых поддерживает полнодуплексную передачу данных. Узлы, которые непосредственно подключены к выделенному порту коммутатора с помощью сетевых адаптеров, поддерживающих полнодуплексную связь, должны подключаться к портам коммутатора, настроенных для работы в полнодуплексном режиме.
На рисунке показаны две настройки дуплексного режима, доступные на современном сетевом оборудовании.
Коммутатор Cisco Catalyst поддерживает три настройки дуплексного режима:
- Параметр full устанавливает полнодуплексный режим.
- Параметр half устанавливает полудуплексный режим.
- Параметр auto обеспечивает автоматическое согласование дуплексного режима. При включении автоматического согласования два порта связываются друг с другом, чтобы определить оптимальный режим работы.
Для портов Fast Ethernet и 10/100/1000 по умолчанию выбирается параметр auto. Для портов 100BASE-FX по умолчанию выбирается параметр full. Порты 10/100/1000 функционируют либо в полудуплексном, либо в полнодуплексном режиме, когда работают со скоростью 10 или 100 Мбит/с, и только в полнодуплексном, когда работают со скоростью 1000 Мбит/с.
Невозможны одновременная передача, приём беспроводной связью единой частоты. Результатом станет ужасная интерференция. Андре Голдсмит «Беспроводные коммуникации»
Дуплексная радиосвязь предусматривает одновременную двустороннюю передачу информации. Исторически первыми концепцию реализовали трансатлантический телеграф (1870-е), телетайпы (1890-е). Идея вызвана необходимостью экономии спектра физического канала. Океанический кабель слишком дорого стоил. Случай телетайпов немного отличен: идея уже была известна, некто придумал способ получения дополнительной прибыли, пользуясь скромными запросами печатающих устройств (ниже голосовой линии).
Примеры симплексных систем
Лучше прочувствовать принцип действия симплексной передачи информации помогут примеры систем однонаправленного потока информации:
- Вещание.
- Микрофоны звукозаписи.
- Наушники.
- Радионяни.
- Беспроводная система управления рольставнями.
- Камеры слежения.
Симплекс характеризуется отсутствием необходимости, возможности двухсторонней передачи информации.
Принцип действия
Дуплексная коммуникационная система обычно соединяет две точки (противопоставляя себя вещанию). Современными компьютерными портами (Ethernet) часто осуществляется аналогичный ход, выделяют отдельную витую пару каналам приёма, передачи. После телеграфа, телетайпа концепция настигла телефонные линии. Общеизвестно: абоненты могут говорить одновременно. Расслышать собеседника – вопрос десятый.
Цифровая техника предоставляет видимость эффекта дуплексной радиосвязи. Передатчик давно сжёг бы приёмник, работай каналы одновременно. Однако временное деление функционирует быстро, пакеты коммутируются столь искусно, что собеседники бессильны заметить «подвох». Дуплекс бывает неполным. Полудуплексный метод применяется рациями. Канал разбивается, благодаря внедрению кодовых вызывных комбинаций слов, произносимых абонентами.
Временное деление каналов
Разделение каналов с выделением временных слотов абонентам демонстрирует весомые преимущества на линиях с несимметричными скоростями (загрузка, выгрузка данных). Типичный пример – интернет. Весомое неравенство каналов входящей, исходящей информации сделало возможным спутниковый доступ (запрос по местной мобильной сети, ответ – из космоса). Примеры:
- Стандарт третьего поколения сотовой связи 3G.
- Беспроводная телефония DECT.
- WiMAX (3G+).
- Некоторые разновидности LTE.
Широкое распространение методики дало внедрение импульсных устройств (середина 60-х годов XX века). Причиной существующего положения эксперты называют появление твердотельной электроники. Ламповые дискретные устройства занимали слишком большое пространство. Приёмопередающее оборудование требовало наличия просторного помещения. Первоначально создали два режима сжатия канала:
- Синхронная (циклическая) передача подразумевает периодическое подключение к линии абонентов. Последовательность строго оговорена. Разрабатывается структура кадра, внедряются синхронизирующие сигналы. Характер кодирования безразличен.
- Асинхронная передача практикуется цифровыми системами. Информация посылается заблаговременно сформированными пакетами размером сотни-тысячи бит. Наличие адресов делает возможным асинхронную схему взаимодействия. Сегодня принцип использует даже сотовая связь. Современные протоколы предусматривают пакеты с чётным количеством байтов. Поэтому отсутствие синхронизации чисто формальное.
Пакет дополнен заголовком. Состав информации определён стандартом протокола. Канал загружается периодически, с частотой передачи пакетов. Традиционные советские системы использовали 8 кГц (телефонный сигнал дискретизируется со скоростью 64 кбит/с). Методы модуляции несущей:
- Широтно-импульсная.
- Амплитудно-импульсная.
- Время-импульсная.
Двоичный сигнал кодируют прямоугольными импульсами. Спектр выходит бесконечно широким, реальный сигнал обрезают фильтрами. В результате фронты сглаживаются. Растягивание вызывает межимпульсную интерференцию. Помехи по соседнему каналу вызваны пересечением спектров. Параметры систем временного разделения каналов стандартизированы, иерархия получила название плезиохронной:
- Первая ступень несёт 32 канала (32 х 64 = 2048 кбит/с). 2 канала отдают служебным сообщениям.
- Следующие ступени (120, 480, 1920) формируются путём уплотнения 4 цифровых потоков побитным мультиплексированием. Причём некоторые разделы стандарта были сформированы заблаговременно, не найдя немедленной аппаратной реализации.
Оптоволоконной альтернативой приведённому методу называют синхронную цифровую иерархию. Алгоритм нацелен обеспечивать крупные ветви сети, где скорости значительные. Требуется повальная синхронизация узлов. Длительность блока (синхронного транспортного модуля) составляет прежние 125 мс (8 кГц). Цифровая длина – 2340 байт. Заголовку отводится 90. Сформирована 5-ступенчатая иерархия согласно размеру пакетов. Мелкие могут являться составными частями крупных.
Частотное деление
Впервые применил частотное деление войсковой связист Игнатьев Г.Г. (1880). Военный подразумевал повторить опыт трансатлантического кабеля. Хотел расширить рамки проложенного кабеля (поле боя оставляет мало времени сантиментам). Передающая аппаратура формирует набор стандартных аналоговых сигналов (обычно 12) стандартной ширины 300-3500 Гц. Блок включает нужное число генераторов выбранного диапазона связи. Канальный промежуток составляет 900 Гц (ДВ).
Групповой аналоговый сигнал занимает 48 кГц. Сегодня приёмопередающее оборудование задействует одновременно две частоты (минимум). Принцип широко используется любительской радиосвязью. Дальнобойщики хорошо знают каналы бедствия, вызова. Пример универсален, касается двустороннего общения радиолюбителей планеты. Первые аналоговые сети использовали внеполосный цифровой вызов станции – слабый пример дуплекса.
Частотное деление – идеальный вариант организации канала симметричного трафика. Базовые станции перестают слышать друг друга, устраняется интерференция. Примеры:
- ADSL.
- CDMA2000.
- IEEE 802.16 (разновидность WiMAX).
Кодовое деление
Частота выборки телефонного сигнала – 64 кГц, используется фазовая манипуляция:
- 1 – 0 градусов.
- 0 – 180 градусов.
Чтобы закодировать цифровой сигнал, бит дополнительно разбивают. Впервые методика продемонстрирована системой Зелёный шершень времён Второй мировой войны. Наложение псевдошумового сигнала сильно озадачило фашистов. Союзники, разделённые Атлантическим океаном, провели свыше 3000 совместных конференций.
Длину кода называют базой сигнала. Графически нули и единицы наложенной последовательности обозначают +1 и -1, явно отличая от основного информационного сообщения. Наложение расширяет спектр в число раз, равное базе. Искусственное увеличение позволяет избежать интерференции. Особенность прямо касается вышек сотовой связи. Каждый канал получает фиксированную кодирующую последовательность, осуществляя концепцию ортогональности. Число совпадающих битов равно числу не совпадающих.
Приёмник корреляционного типа. Часто заменяют согласованным фильтром. Опорным выступает код канала с фазовой манипуляцией. Пытаясь снизить ширины спектры, применяют специальные коды. Хорошо себя зарекомендовал псевдошумовой сигнал. Межканальные помехи вызваны искажениями группового сигнала:
- Коррективы, вносимые полосами пропускания радиоэлектронных устройств.
- Мультипликативные помехи эфира.
- Недостаточная ортогональность кодов.
Стандарт IS95 стал основой сотовых сетей CDMA, спутниковой связи Globalstar.
Устранение эхо
Двусторонние системы громкой связи создают эффект положительной обратной связи, выражающийся резким свистом. Звук динамика достигает микрофона, усиливается, передаётся оппоненту. Визави повторяет порядок преобразований, возвращая послание. Громкость нарастает.
Стандарты модемов, компьютерных шин предусматривают подавление эха. Лишённая техники блокировки отражённого сигнала система бессильна развить полную скорость. Работа цифровых сетей требует жёсткой синхронизации.
