Для чего необходима передача персональных данных: что это такое и как происходит? Физическая передача данных по линиям связи Технологии передачи данных в компьютерных сетях

Всем привет! Сегодня будет довольно графичная статейка, поясняющая, как будет производится передача данных в локальных сетях с привлечением протоколов различного уровня.

Исходная ситуация

Итак, вначале мы имеем некое приложение, которому нужно отправить данные в другое приложение. Пусть исходный Узел 1 захотел передать что-то на Узел 2. IP адреса соответственно 192.168.1.1 и.2. Согласно схеме…

Поэтапная передача пакета

1. Узел 1. (Прикладной уровень) “Мне нужно передать данные на 192.168.1.2 на порт 2099 , надежность доставки не требуется!”.
2. Узел 1. (Транспортный уровень) “Окей, подойдёт UDP протокол, давай сюда свои данные”.
3. Узел 1. (Прикладной уровень) “На, держи! ” — произвольные 16-ричные данные. (далее <данные> )
4. Узел 1. (Транспортный уровень) “Отлично. Прикреплю-ка я к ним заголовок UDP, чтобы не потерять пакет. В заголовке зафиксируем некоторые данные и номера портов. Какой там свободный? UDP:42133 ! Отлично. А порт назначения UDP:2099 . Такой заголовок и прикрепим. Спускаем пакет дальше, на сетевой уровень. (Пакет: [<заголовок транспортного уровня> <данные> ]
5. Узел 1. (Сетевой уровень) “Получил ваш пакет, куда передавать? На IP:192.168.1.2? Прикреплю к этому заголовку ещё и информацию сетевого уровня. Ну и свой обратный IP: 192.168.1.1 и ещё некоторую информацию от себя… Эй, канальный уровень! Тут для тебя пакет!”. [<заголовок сетевого уровня> <заголовок транспортного уровня> <данные> ]
6. Узел 1. (Канальный уровень) “Оп-па. Пакет. А куда доставить? Смотрим по заголовку… Такс, на 192.168.1.2. Хммм.. Не помню адреса MAC, связанного с этим IP, гляну в таблице коммутации apr… Хм. Нет такого адреса у меня пока. Будем запрашивать у среды. Пакет пока отложим.”
7. (парковка пакета)
8. Узел 1. (Канальный уровень) “Эй, среда! Есть в сети кто-то с 192.168.1.2? Ответьте на мой MAC: 0001.43B7.623C! У меня для вас пакет! Физический уровень, передай это плз.!”
9. Узел 1. (Физический уровень) Рассылается вышеуказанный широковещательный пакет всем станциям (на адрес FFFF.FFFF.FFFF)
   Каждая станция в широковещательном домене получит этот пакет и проигнорирует его в том случае, если её IP отличается от IP в этом пакете. Станция же, чей IP-адрес совпадает с указанным ответит встречным пакетом.
10. Коммутатор. “Я получил кадр со стороны порта 1. Анализирую назначение. О! Широковещательный кадр. Отправлю его на все остальные порты кроме того, откуда он пришёл. На всякий случай запомню, что на первом порту у меня ”.
11. Узел 3. (Физический) “Я получил широковещательный кадр. Канальный, передаю”.
12. Узел 3. (Канальный) “Получил. Эй, сетевой! там спрашивают IP 192.168.1.2, а у нас 192.168.1.3. Игнорируем.”
13. Узел 2. (Физический) “Я получил широковещательный кадр. Канальный! Передаю тебе”.
14. Узел 2. (Канальный уровень) “Понял! О! Это для меня! Физический, телеграфируй обратно следующее: Послушай, 0001.43B7.623C! Это я! У меня IP адрес 192.168.1.2! Запомни мой MAC 0004.9A41.0966 у себя в таблице коммутации. И не забудь про пакет!”.
15. Коммутатор. “Я получил кадр со стороны порта 2. для MAC: 0001.43B7.623C. Судя по таблице, он у меня на стороне порта 1. Передам кадр в этот порт. А попутно сохраню адрес 0004.9A41.0966 как адрес на стороне порта 2, пригодится”.
16. Узел 1. (Канальный уровень) “Нашёлся обладатель адреса 192.168.1.2. Теперь я прикреплю к пакету адрес назначения , а так же свой обратный MAC и отдам на физический уровень для передачи. Физический! Держи пакет!”. [<заголовок канального уровня> <заголовок сетевого уровня> <заголовок транспортного уровня> <данные> ]
17. Узел 1. (Физический уровень) “Ок.”
18. Коммутатор. “Оп-па, получил кадр для MAC: 0004.9A41.0966. Он у меня со стороны порта 2. Посылаю кадр туда”.
19. Узел 2. (Физический уровень) “Принял кадр. Передаю на канальный уровень”. [<заголовок канального уровня> <заголовок сетевого уровня> <заголовок транспортного уровня> <данные> ]
20. Узел 2. (Канальный) “Так, пришел пакет от 0001.43B7.623C. Действительно для меня. А в нем какие-то данные протокола IP. Это не моя тема, я уберу заголовок своего уровня и отдам выше, на сетевой”.[<заголовок сетевого уровня> <заголовок транспортного уровня> <данные> ]
21. Узел 2. (Сетевой) “Какой-то пакет от IP 192.168.1.1, а в нем какие-то данные транспортного уровня. Пакет для IP: 192.168.1.2, передам в соответствующий интерфейс, пусть там разбираются транспортники”.[<заголовок транспортного уровня> <данные> ]
22. Узел 2. (Транспортный) “Пришел пакет от сетевого, там данные для порта 2099, висит какой-то сервис, ждёт пакет. Передайте!” [<данные> ]
23. Узел 2. (Прикладной) “Урра! Данные для меня!. Спасибо за внимание ^_^”

Вам так же понравится:

Получение учётных записей пользователей в локальной сети

Линия связи состоит в общем случае из физической среды, по которой передаются электрические информационные сигналы, аппаратуры передачи дан­ных и промежуточной аппаратуры. Синонимом термина линия связи (line) являет­ся термин канал связи (channel).

Физическая среда передачи данных может представлять собой кабель, то есть набор проводов, изоляционных и защитных оболочек и соединительных разъемов, а также земную атмосферу или космическое пространство, через кото­рые распространяются электромагнитные волны.

В зависимости от среды передачи данных линии связи разделяются на следую­щие:

§ проводные (воздушные);

§ кабельные (медные и волоконно-оптические);

§ радиоканалы наземной и спутниковой связи.

Проводные (воздушные) линии связи представляют собой провода без каких-либо изолирующих или экранирующих оплеток, проложенные между столбами и вися­щие в воздухе. По таким линиям связи традиционно передаются телефонные или телеграфные сигналы, но при отсутствии других возможностей эти линии исполь­зуются и для передачи компьютерных данных. Скоростные качества и помехоза­щищенность этих линий оставляют желать много лучшего. Сегодня проводные линии связи быстро вытесняются кабельными.

Кабельные линии представляют собой достаточно сложную конструкцию. Кабель состоит из проводников, заключенных в несколько слоев изоляции: электрической, электромагнитной, механической, а также, возможно, климатической. Кроме того, кабель может быть оснащен разъемами, позволяющими быстро выполнять присоединение к нему различного оборудования. В компьютерных сетях применяются три основных типа кабеля: кабели на основе скрученных пар медных проводов, коак­сиальные кабели с медной жилой, а также волоконно-оптические кабели.

Скрученная пара проводов называется витой парой. Витая пара существует в экранированном варианте, когда пара мед­ных проводов обертывается в изоляционный экран, и неэкранированном, когда изоляционная обертка отсутствует. Скручивание проводов снижает влияние внешних помех на полезные сигналы, передаваемые по кабелю.

Коаксиальный кабель имеет несимметричную конструкцию и состоит из внутренней медной жилы и оплетки, отделенной от жилы слоем изоляции. Суще­ствует несколько типов коаксиального кабеля, отличающихся характеристиками и областями применения - для локальных сетей, для глобальных сетей, для кабельно­го телевидения и т. п.

Волоконно-оптический кабель состоит из тонких волокон, по которым распространяются световые сигналы. Это наиболее качественный тип кабеля - он обеспечивает передачу данных с очень высокой скоростью (до 10 Гбит/с и выше) и лучше других типов передающей среды обеспечивает защиту данных от внешних помех.

Радиоканалы наземной и спутниковой связи образуются с помощью передатчика и приемника радиоволн. Существует большое количество различных типов радио­каналов, отличающихся как используемым частотным диапазоном, так и дальностью канала. Диапазоны коротких, средних и длинных волн (KB, СВ и ДВ), называемые также диапазонами амплитудной модуляции (Amplitude Modulation, AM) по типу используемого в них метода модуляции сигнала, обеспечивают дальнюю связь, но при невысокой скорости передачи данных. Более скоростными являются каналы, работающие на диапазонах ультракоротких волн (УКВ), для которых характерна частотная модуляция, а также диапазонах сверхвысо­ких частот (СВЧ или microwaves).

В диапазоне СВЧ (свыше 4 ГГц) сигналы уже не отражаются ионосферой Земли и для устойчивой связи требуется наличие прямой видимости между передатчиком и приемником. Поэтому такие частоты использу­ют либо спутниковые каналы, либо радиорелейные каналы, где это условие выпол­няется.

В компьютерных сетях сегодня применяются практически все описанные типы физических сред передачи данных, но наиболее перспективными являются воло­конно-оптические. На них сегодня строятся как магистрали крупных территори­альных сетей, так и высокоскоростные линии связи локальных сетей.

Популярной средой является также витая пара, которая характеризуется отличным соотноше­нием качества к стоимости, а также простотой монтажа. С помощью витой пары обычно подключают конечных абонентов сетей на расстояниях до 100 метров от концентратора. Спутниковые каналы и радиосвязь используются чаще всего в тех случаях, когда кабельные связи применить нельзя - например, при прохождении канала через малонаселенную местность или же для связи с мобильным пользова­телем сети.

Даже при рассмотрении простейшей сети, состоящей всего из двух машин, можно увидеть многие проблемы, присущие любой вычислительной сети, в том числе проблемы, связанные с физической передачей сигналов по линиям связи , без решения которой невозможен любой вид связи.

В вычислительной технике для представления данных используется двоичный код . Внутри компьютера единицам и нулям данных соответствуют дискретные электрические сигналы. Представление данных в виде электрических или оптических сигналов называется кодированием. Существуют различные способы кодирования двоичных цифр 1 и 0, например, потенциальный способ, при котором единице соответствует один уровень напряжения, а нулю - другой, или импульсный способ, когда для представления цифр используются импульсы различной или одной полярности.

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. Главное отличие внешних линий связи от внутренних состоит в их гораздо большей протяженности , а также в том, что они проходят вне экранированного корпуса по пространствам, зачастую подверженным воздействию сильных электромагнитных помех. Все это приводит к значительно большим искажениям прямоугольных импульсов (например, «заваливанию» фронтов), чем внутри компьютера. 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 (чтобы передний и задний фронты соседних импульсов не перекрывались и импульс успел дорасти до требуемого уровня).

В вычислительных сетях применяют как потенциальное, так и импульсное кодирование дискретных данных , а также специфический способ представления данных, который никогда не используется внутри компьютера, - модуляцию (рис. 3). При модуляции дискретная информация представляется синусоидальным сигналом той частоты, которую хорошо передает имеющаяся линия связи.

Потенциальное или импульсное кодирование применяется на каналах высокого качества, а модуляция на основе синусоидальных сигналов предпочтительнее в том случае, когда канал вносит сильные искажения в передаваемые сигналы. Обычно модуляция используется в глобальных сетях при передаче данных через аналоговые телефонные каналы связи, которые были разработаны для передачи голоса в аналоговой форме и поэтому плохо подходят для непосредственной передачи импульсов.

Для преобразования данных из одного вида в другой используются модемы. Термин «модем» - сокращение от слов модулятор/демодулятор. Двоичный ноль преобразуется, например, им в сигнал низкой, а единица - высокой частоты. Другими словами, преобразуя данные, модем модулирует частоту аналогового сигнала (рис. 4).

На способ передачи сигналом влияет и количество проводов в линиях связи между компьютерами.

Передача данных может происходить происходит параллельно (рис. 5) или последовательно (рис. 6).

Для сокращения стоимости линий связи в сетях обычно стремятся к сокращению количества проводов и из-за этого используют не параллельную передачу всех бит одного байта или даже нескольких байт, как это делается внутри компьютера, а последовательную, побитную передачу, требующую всего одной пары проводов.

При соединении компьютеров и устройств используются также три различных метода, обозначаемые тремя различными терминами. Соединение бывает: симплексное, полудуп­лексное и дуплексное (рис. 7).

О симплексном соединении говорят, когда данные перемещаются лишь в одном направлении. Полудуплексное соединение позво­ляет данным перемещаться в обоих направлениях, но в разное время, и, наконец, дуплексное соединение, это когда данные следуют в обоих направлениях одновременно.

Рис. 7. Примеры потоков данных.

Другим важным понятием является переключение (коммутация) соединения.

Любые сети связи поддерживают некоторый способ коммутации своих абонентов между собой. Этими абонентами могут быть удаленные компьютеры, локальные сети, факс-аппараты или просто собеседники, общающиеся с помощью телефон­ных аппаратов. Практически невозможно предоставить каждой паре взаимодействующих абонентов свою собственную некоммутируемую (т.е. постоянное соединение) физическую линию связи, которой они могли бы монопольно «владеть» в течение длительного времени. По­этому в любой сети всегда применяется какой-либо способ коммутации абонентов, который обеспечивает доступность имеющихся физических каналов одновременно для нескольких сеансов связи между абонентами сети.

Переключение соединения позволяет аппаратным средствам сети разделять один и тот же физический канал связи между многими устройствами. Два основных способа переключения соединения - пере­ключение цепей и переключение пакетов.

Переключение цепей создает единое непрерывное соединение между двумя сетевыми устройствами. Пока эти устройства взаимодействуют, ни одно другое не сможет воспользоваться этим соединением для передачи собственной инфор­мации - оно вынуждено ждать, пока соединение не освободится.

Простой пример переключателя цепей - переключатель типа А-В, служащий, чтобы два компьютера соединить с одним принтером. Чтобы один из компьюте­ров мог печатать, вы поворачиваете тумблер на переключателе, устанавливая непрерывное соединение между компьютером и принтером. Образуется соеди­нение типа «точка-точка». Как изображено на рисунке, только один компьютер может печатать в одно и то же время.

Рис. 6Переключение цепей

Большинство современных сетей, включая Интернет, используют переключение пакетов. Программы передачи данных в таких сетях делят данные на кусочки, называе­мые пакетами. В сети пакетной коммутации данные могут следовать одновременно одним пакетом, а могут - в нескольких. Данные прибудут в одно и тоже место назначения, несмотря на то, что пути, которыми они следовали, могут быть совершенно различны.

Для сравнения двух видов соединения в сети, предположим, что мы прервали канал в каждом их них. Например, отключив принтер от менеджера на рис. 6 (переставив тумблер в положение В), вы лишили его возможности печатать. Соединение с переключением цепей требует наличия непрерывного канала связи.

Рис. 7. Переключение пакетов

Наоборот, данные в сети с переключением пакетов могут двигаться различными путями. Это видно на рис. 7. Данные необязательно следуют одной дорогой на пути между офисным и домашним компьютерами, разрыв одного из каналов не приведет к потере соединения - данные просто пойдут другим маршрутом. Сети с переключением пакетов имеют множество альтернативных маршрутов для пакетов.

Коммутация пакетов - это техника коммутации абонентов, которая была специ­ально разработана для эффективной передачи компьютерного трафика.

Суть проблемы заключается в пульсирующем ха­рактере трафика , который генерируют типичные сетевые приложения. Например, при обращении к удаленному файловому серверу пользователь сначала просмат­ривает содержимое каталога этого сервера, что порождает передачу небольшого объема данных. Затем он открывает требуемый файл в текстовом редакторе, и эта операция может создать достаточно интенсивный обмен данными, особенно если файл содержит объемные графические включения. После отображения нескольких страниц файла пользователь некоторое время работает с ними локально, что вооб­ще не требует передачи данных по сети, а затем возвращает модифицированные копии страниц на сервер - и это снова порождает интенсивную передачу данных по сети.

Коэффициент пульсации трафика отдельного пользователя сети, равный отно­шению средней интенсивности обмена данными к максимально возможной, может составлять 1:50 или 1:100. Если для описанной сессии организовать коммутацию канала между компьютером пользователя и сервером, то большую часть времени канал будет простаивать. В то же время коммутационные возможности сети будут использоваться и будут недоступны другим пользователям сети.

При коммутации пакетов все передаваемые пользователем сети сообщения раз­биваются в исходном узле на сравнительно небольшие части, называемые пакета­ми. Сообщением называется логически завершенная порция данных - запрос на передачу файла, ответ на этот запрос, содержащий весь файл, и т. п.

Сообщения могут иметь произвольную длину, от нескольких байт до многих мега­байт. Напротив, пакеты обычно тоже могут иметь переменную длину, но в узких пределах, например от 46 до 1500 байт. Каждый пакет снабжается заголовком, в котором указывается адресная информация, необходимая для доставки пакета узлу назначения, а также номер пакета, который будет использоваться узлом назначения для сборки сообщения.

Пакеты транспортируются в сети как независи­мые информационные блоки. Коммутаторы сети принимают пакеты от конечных узлов и на основании адресной информации передают их друг другу, а в конечном итоге - узлу назначения.

Коммутаторы пакетной сети отличаются от коммутаторов каналов тем, что они имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов, если выходной порт коммутатора в момент принятия пакета занят передачей другого пакета. В этом случае пакет находится некоторое время в очереди пакетов буферной памяти выходного порта, а когда до него дойдет очередь, то он передается следующему коммутатору. Такая схема передачи данных позволяет сглаживать пульсации трафика на магистральных связях между коммутаторами и тем самым использовать их наиболее эффективным образом для повышения пропускной способности сети в целом.

Действительно, для пары абонентов наиболее эффективным было бы предоставление им в единоличное пользование скоммутированного канала связи, как это дается в сетях с коммутацией каналов. При этом способе время взаимодействия пары абонентов было бы минимальным, так как данные без задержек передавались бы от одного абонента другому.

Сеть с коммутацией пакетов замедляет процесс взаимодействия конкретной пары абонентов. Тем не менее, общий объем передаваемых сетью компьютерных данных в едини­цу времени при технике коммутации пакетов будет выше, чем при технике ком­мутации каналов.

Обычно при равенстве предоставляемой скоро­сти доступа сеть с коммутацией пакетов оказывается в 2-3 раза дешевле, чем сеть с коммутацией каналов, то есть публичная телефонная сеть.

Каждая из этих схем (коммутация каналов (circuit switching) или коммутация пакетов (packet switching)) имеет свои преимущества и недостатки, но по долгосроч­ным прогнозам многих специалистов будущее принадлежит технологии коммута­ции пакетов, как более гибкой и универсальной.

Сети с коммутацией каналов хорошо приспособлены для коммутации данных с постоянной скоростью, когда единицей коммутации является не отдельный байт или пакет данных, а долговременный синхронный поток данных между двумя абонентами.

Как сети с коммутацией пакетов, так и сети с коммутацией каналов можно разделить на два класса по другому признаку - на сети с динамической коммутацией и сети с постоянной коммутацией.

В первом случае сеть разрешает устанавливать соединение по инициативе пользователя сети. Коммутация выполняется на время сеанса связи, а затем (опять же по инициативе одного из взаимодействующих пользователей) связь разрывается. В общем случае любой пользователь сети может соединиться с любым другим пользователем сети. Обычно период соединения между парой пользователей при динамической коммутации составляет от нескольких секунд до нескольких часов и завершается при выполнении определенной работы - передачи файла, просмотра страницы текста или изображения и т. п.

Во втором случае сеть не предоставляет пользователю возможность выполнить динамическую коммутацию с другим произвольным пользователем сети. Вместо этого сеть разрешает паре пользователей заказать соединение на длительный период[ времени. Соединение устанавливается не пользователями, а персоналом, обслуживающим сеть. Время, на которое устанавливается постоянная коммутация, меряется обычно несколькими месяцами. Режим постоянной коммутации в сетях с коммутацией каналов часто называется сервисом выделенных (dedicated) или арендуемых (leased) каналов.

Примерами сетей, поддерживающих режим динамической коммутации, являются телефонные сети общего пользования, локальные сети, сеть Internet.

Некоторые типы сетей поддерживают оба режима работы.

Еще одной проблемой, которую нужно решать при передаче сигналов, является проблема взаимной синхронизации передатчика одного компьютера с приемником другого . При организации взаимодействия модулей внутри компьютера эта проблема решается очень просто, так как в этом случае все модули синхронизируются от общего тактового генератора. Проблема синхронизации при связи компьютеров может решаться разными способами, как с помощью обмена специальными тактовыми синхроимпульсами по отдельной линии, так и с помощью периодической синхронизации заранее обусловленными кодами или импульсами характерной формы, отличающейся от формы импульсов данных.

Асинхронная и синхронная передачи. При обмене данными на физическом уровне единицей информации является бит, поэтому средства физического уровня всегда поддерживают побитовую синхрони­зацию между приемником и передатчиком.

Однако при плохом качестве линии связи (обычно это относится к телефонным коммутируемым каналам) для удешевления аппаратуры и повышения надежности передачи данных вводят дополнительные средства синх­ронизации на уровне байт.

Такой режим работы называется асинхронным или старт-стопным. Другой причиной использования такого режима работы является наличие устройств, ко­торые генерируют байты данных в случайные моменты времени. Так работает кла­виатура дисплея или другого терминального устройства, с которого человек вводит данные для обработки их компьютером.

В асинхронном режиме каждый байт данных сопровождается специальными сиг­налами «старт» и «стоп». Назначение этих сигналов состоит в том, чтобы, во-первых, известить приемник о приходе данных и, во-вторых, чтобы дать приемнику достаточно времени для выполнения некоторых функций, связанных с синхронизацией, до поступления следующего байта..

Асинхронным описанный режим называется потому, что каждый байт может быть несколько смещен во времени относительно побитовых тактов предыдущего байта

Задачи надежного обмена двоичными сигналами, представленными соответствующими электромагнитными сигналами, в вычислительных сетях решает определенный класс оборудования. В локальных сетях это сетевые адаптеры, а в глобальных сетях - аппаратура передачи данных, к которой относятся, например, рассмотренные модемы. Это оборудование кодирует и декодирует каждый информационный бит, синхронизирует передачу электромагнитных сигналов по линиям связи, проверяет правильность передачи по контрольной сумме и может выполнять некоторые другие операции.

Контрольные вопросы:

3. Какие линии связи используются в компьютерных сетях?

4. Какие линии связи являются наиболее перспективными?

5. Как передаются двоичные сигналы в сети? Что такое модуляция?

6. Для чего используется модем?

7. Что такое последовательная и параллельная передача данных?

8. Что такое симплексное, полудуп­лексное и дуплексное соединение?

9. Что такое коммутация соединения?

10. Какие существуют два основных способа коммутации соединения?

11. Что такое пакетная коммутация и в чем ее преимущество?

12. Когда целесообразно использовать коммутацию каналов?

13. Поясните понятия асинхронной и синхронной передачи данных?

Пакет - единица информации, передаваемой по компьютерной сети.

заголовок - часть пакета, содержащий следующую информацию:

адрес источника;

данные - это часть пакета, содержащая собственно передаваемые данные;

трейлер (или концевик) - это часть пакета, содержащая информацию для проверки ошибок при приеме пакета.

Назначение пакетов

Данные обычно содержатся в больших по размерам файлах. Однако сети не будут нормально работать, если компьютер посылает этот блок данных целиком. Существует две причины, замедляющие работу сети при передаче по кабелю больших блоков данных.

Во-первых, такой блок, посылаемый одним компьютером, заполняет кабель и "связывает" работу всей сети, т.е. препятствует взаимодействию остальных сетевых компонентов.

Во-вторых, возникновение ошибок при передаче крупных блоков приводит к повторной передаче всего блока. А если поврежден небольшой блок данных, то требуется повторная передача именно этого небольшого блока, что значительно экономит время.

Чтобы быстро и легко, не тратя времени на ожидания, передавать по сети данные, надо разбить их на небольшие управляемые блоки. Эти блоки называются пакетами или кадрами. Хотя термины "пакет" и "кадр" синонимичны, полными синонимами они все-таки не являются. Существуют различия между этими терминами в компьютерных сетях некоторых типов.

Пакет - основная единица информации в компьютерных сетях. При разбиении данных на пакеты скорость их передачи возрастает настолько, что каждый компьютер в сети получает возможность принимать и передавать данные практически одновременно с остальными компьютерами. На целевом компьютере (компьютере-получателе) пакеты накапливаются и выстраиваются в должном порядке для восстановления исходного вида данных.

При разбиении данных на пакеты сетевая операционная система добавляет к каждому пакету специальную управляющую информацию. Она обеспечивает:

передачу исходных данных небольшими блоками;

сбор данных в надлежащем порядке (при их получении);

проверку данных на наличие ошибок (после сборки).

Структура пакета

Пакеты могут содержать несколько типов данных:

информацию (например, сообщения или файлы);

определенные виды данных и команд, управляющих компьютером (например, запросы к службам);

коды управления сеансом (например, запрос на повторную передачу для исправления ошибки).

Основные компоненты

Некоторые компоненты являются обязательными для всех типов пакетов:

адрес источника (source), идентифицирующий компьютер-отправитель;

передаваемые данные;

адрес местоназначения (destination), идентифицирующий компьютер-получатель;

инструкции сетевым компонентам о дальнейшем маршруте данных;

информация компьютеру-получателю о том, как объединить передаваемый пакет с остальными, чтобы получить данные в исходном виде;

информация для проверки ошибок, обеспечивающая корректность передачи.

Компоненты пакета группируются в три раздела: заголовок, данные и трейлер.

Благодаря прогрессу мы получили множество облегчающих нашу жизнь устройств и приборов, которые функционируют за счет изобретения новых технологий. Прорывом в области связи стала не только передача информации по беспроводному каналу, но и синхронизация различного рода устройств при отсутствии проводного соединения.

Что такое беспроводная передача данных?

Ответить на этот вопрос просто: БПД - это перенос информации от одного устройства к другому, которые находятся на определенном расстоянии, без участия проводного подключения.

Технология передачи голосовой информации по радиоканалу стала применяться еще в конце XIX в. С тех пор появилось большое количество радиокоммуникационных систем, которые стали использовать при производстве оборудования для дома, офиса или предприятий.

Существует несколько способов синхронизации устройств для осуществления передачи данных. Каждый из них используется в определенной области и обладает индивидуальными свойствами. Беспроводные сети передачи данных отличаются своими характеристиками, поэтому минимальное и максимальное расстояние между устройствами, в зависимости от вида технологии передачи информации, будет различно.

Для синхронизации устройств по радиоканалу устанавливаются специальные адаптеры, которые способны отправлять и получать информацию. Здесь речь может идти как о небольшом модуле, который встраивается в смартфон, так и об орбитальном спутнике. Приемником и передатчиком могут быть разные виды устройств. Передача осуществляется посредством каналов разных частот и диапазонов. Остановимся подробнее на специфике осуществления разных видов беспроводной синхронизации.

Классификация беспроводных каналов

В зависимости от природы передающей среды различают четыре типа беспроводной передачи данных.

Радиоканалы сотовой связи

Передача данных осуществляется беспроводным путем от передатчика к приемнику. Передатчик формирует радиоимпульс определенной частоты и амплитуды, колебание излучается в пространство. Приемник фильтрует и обрабатывает сигнал, после этого происходит извлечение нужной информации. Радиоволны частично поглощаются атмосферой, поэтому такая связь может искажаться при повышенной влажности или дожде. Мобильная связь работает именно на основе радиоволновых стандартов, каналы беспроводной передачи данных отличаются скоростью передачи информации и диапазоном рабочих частот. К радиочастотной категории передачи данных относится Bluetooth - технология беспроводного обмена данными между устройствами. В России используются следующие протоколы:

• GSM. Это глобальная система осуществления сотовой связи. Частота - 900/1800 мГц, максимальная скорость передачи данных - 270 Кбит/с.
• CDMA. Данный стандарт обеспечивает наилучшее качество связи. Рабочая частота - 450 МГц.
• UMTS. Имеет две рабочие полосы частот: 1885-2012 МГц и 2110-2200 МГц.

Спутниковые каналы

Этот способ передачи информации заключается в использовании спутника, на котором установлена антенна со специальным оборудованием. Сигнал поступает от абонента на ближайшую наземную станцию, затем осуществляется переадресация сигнала на спутник. Оттуда информация отправляется на приемник, другую наземную станцию. Спутниковая связь используется для обеспечения телевидения и радиовещания. Спутниковым телефоном можно воспользоваться в любой отдаленной от станций сотовой связи точке.

Инфракрасные каналы

Связь устанавливается между приемником и передатчиком, которые находятся на близком расстоянии друг от друга. Такой канал для беспроводной передачи данных работает посредством светодиодного излучения. Связь может быть двусторонней или широковещательной.

Лазерные каналы

Принцип действия такой же, как в предыдущем варианте, только вместо светодиодов используется лазерный луч. Объекты должны находиться в непосредственной близости друг от друга.

Беспроводные среды передачи данных различаются своей спецификой. Главными отличительными чертами являются дальность действия и область применения.

Технологии и стандарты беспроводной передачи данных

Информационные технологии в настоящее время развиваются быстрыми темпами. Передавать информацию теперь можно при помощи радиоволн, инфракрасного или лазерного излучения. Такой способ обмена информацией намного удобнее, чем проводной вид синхронизации. Дальность действия при этом, в зависимости от технологии, будет отличаться.

Приведем примеры:

• Персональные сети (WPAN). При помощи этих стандартов подключается периферийное оборудование. Использовать беспроводные компьютерные мыши и клавиатуры намного удобнее по сравнению с проводными аналогами. Скорость беспроводной передачи данных достаточно высокая. Персональные сети позволяют оборудовать системы умных домов, синхронизировать беспроводные аксессуары с гаджетами. Примерами технологий, работающих при помощи персональных сетей, являются Bluetooth и ZigBee.
• Локальные сети (WLAN) базируются на продуктах стандартов 802.11. Термин Wi-Fi в настоящее время известен каждому. Изначально это название было дано продуктам серии стандарта 802.11, а теперь этим термином обозначают продукты любого стандарта из данного семейства. Сети WLAN способны создавать больший рабочий радиус по сравнению с WPAN, повысился и уровень защиты.
• Сети городского масштаба (WMAN). Такие сети работают по тому же принципу, что и Wi-Fi. Отличительной особенностью данной системы беспроводной передачи данных является более широкий обхват территорий, подключиться к данной сети может большее число приемников. WMAN - это тот же Wi Max, технология, которая предоставляет широкополосное подсоединение.
• Глобальные сети (WWAN) - GPRS, EDGE, HSPA, LTE. Сети этого типа могут работать на основе пакетной передачи данных или посредством коммутации каналов.

Отличия в технических характеристиках сетей определяют область их применения. Если рассматривать общие свойства беспроводных сетей, тогда можно выделить следующие категории:

• корпоративные сети - используются для связи объектов внутри одной компании;
• операторские сети - создаются операторами связи для оказания услуг.

Если рассматривать протоколы беспроводной передачи данных, тогда можно выделить следующие категории:

1. IEEE 802.11a, b, n, g, y. Данные протоколы принято объединять под общим маркетинговым названием Wi-Fi. Различаются протоколы дальностью действия связи, диапазоном рабочих частот и скоростью передачи данных.
2. IEEE 802.15.1. В рамках стандарта осуществляется передача данных по технологии Bluetooth.
3. IEEE 802.15.4. Стандарт для беспроводной синхронизации посредством технологии ZigBee.
4. IEEE 802.16. Стандарт телекоммуникационной которая отличается широкой дальностью действия. WiMax функционально схожа с технологией LTE.

В настоящее время наибольшей популярностью из всех беспроводных протоколов передачи данных пользуются 802.11 и 802.15.1. На базе этих протоколов осуществляется действие технологий Wi-Fi и Bluetooth.

Bluetooth

Точкой доступа, как в случае с Wi-Fi, может выступать любое устройство, оснащенное специальным контроллером, который формирует вокруг себя пикосеть. В данную пикосеть могут входить несколько устройств, при желании они могут быть объединены в мосты для передачи данных.

В некоторых компьютерах и ноутбуках уже встроен контроллер Bluetooth, если данная функция отсутствует, тогда используются USB-адаптеры, которые подсоединяются к аппарату и наделяют его возможностью беспроводной передачи данных.

Bluetooth использует частоту 2,4 ГГц, потребление энергии при этом максимально низкое. Именно этот показатель позволил технологии занять свою нишу в области информационных технологий. Небольшое потребление энергии объясняется слабой мощностью передатчика, небольшой дальностью действия и низкой скоростью передачи данных. Несмотря на это, данных характеристик оказалось достаточно для подключения и функционирования различного рода периферийного оборудования. Технология Bluetooth предоставила нам большое разнообразие беспроводных аксессуаров: наушники, колонки, компьютерные мыши, клавиатуры и многое другое.

• 1-й класс. Дальность действия беспроводной синхронизации может достигать 100 м. Устройства такого типа используют, как правило, в промышленных масштабах.
• 2-й класс. Радиус действия составляет 10 м. Устройства этого класса наиболее распространены. Большинство беспроводных аксессуаров относятся именно к этой категории.
• 3-й класс. Дальность действия - 1 метр. Такие приемники ставят в игровые консоли или в некоторые гарнитуры, когда нет смысла отдалять передатчик и приемник друг от друга.

Система беспроводной передачи данных на базе технологии Bluetooth очень удобна для связи устройств. Себестоимость чипов довольно низкая, поэтому оснащение оборудования функцией беспроводного подключения не слишком отражается на повышении цены на него.

Wi-Fi

Наряду с Bluetooth технология Wi-Fi получила такое же повсеместное распространение в области беспроводных коммуникационных технологий. Однако популярность к ней пришла не сразу. Разработки технологии Wi-Fi начались еще в 80-х годах, но окончательный вариант представили только в 1997 году. Компания Apple решила использовать новую опцию на своих ноутбуках. Так появились первые сетевые карты в iBook.

Принцип действия технологии Wi-Fi следующий: в аппарат встраивается чип, который может дать надежную беспроводную синхронизацию с другим таким же чипом. Если устройств больше, чем два, тогда необходимо использовать точку доступа.

Точка доступа Wi-Fi - это беспроводной аналог стационарного роутера. В отличие от последнего, подключение осуществляется без участия проводов, посредством радиоволн. При этом появляется возможность подключить сразу несколько устройств. Не стоит забывать, что при использовании большого количества девайсов скорость передачи данных будет значительно снижена. Для защиты данных сети Wi-Fi точки доступа защищают шифрованием. Без введения пароля к такому источнику данных будет не подключиться.

Первый стандарт технологии Wi-Fi был принят в 1997 году, но повсеместного распространения он так и не получил, так как скорость передачи данных была слишком низкая. Позже появились стандарты 802,11a и 802,11b. Первый давал скорость передачи в 54 Мб/с, но работал на частоте 5 ГГц, которая не везде разрешена. Второй вариант позволял сетям передавать данные на максимальной скорости 11 Мб/с, чего было недостаточно. Тогда появился стандарт 802,11g. Он объединил достоинства предыдущих вариантов, обеспечивая достаточно высокую скорость при рабочей частоте 2,4 ГГц. Стандарт 802,11y является аналогом 802,11g, отличается большим расстоянием действия сетей (до 5 км на открытом пространстве).

LTE

Данный стандарт в настоящее время является наиболее перспективным наряду с другими глобальными сетями. Широкополосный мобильный доступ дает наивысшую скорость беспроводной пакетной передачи данных. В отношении полосы рабочих частот все неоднозначно. Стандарт LTE очень гибкий, сети могут базироваться в частотном диапазоне от 1,4 до 20 МГц.

Дальность действия сетей зависит от высоты расположения базовой станции и может достигать 100 км. Возможность подключения к сетям предоставляется большому количеству гаджетов: смартфонам, планшетам, ноутбукам, игровым консолям и другим устройствам, которые поддерживают данный стандарт. В аппаратах должен быть встроен модуль LTE, который работает совместно с имеющимися стандартами GSM и 3G. В случае обрыва связи LTE девайс переключится на имеющийся доступ к сетям 3G или GSM без обрыва подключения.

В отношении скорости передачи данных можно отметить следующее: по сравнению с сетями 3G она повысилась в несколько раз и достигла отметки 20 МБит/с. Внедрение большого количества гаджетов, оборудованных LTE-модулями, обеспечивает спрос на данную технологию. Устанавливаются новые базовые станции, которые обеспечивают даже отдаленные от мегаполисов населенные пункты.

Рассмотрим принцип действия сетей четвертого поколения. Технология беспроводной пакетной передачи данных осуществляется посредством протокола IP. Для быстрой и стабильной синхронизации между базовой станцией и мобильной станцией формируется как частотный, так и временный дуплекс. За счет большого количества комбинаций парных частотных диапазонов возможно широкополосное подключение абонентов.

Распространение сетей LTE снизило тарифы на пользование мобильной связью. Широкий диапазон действия сети позволяет операторам экономить на дорогостоящем оборудовании.

Устройства передачи данных

В своей повседневной жизни мы окружены устройствами, которые функционируют на базе беспроводных технологий передачи данных. Причем каждое устройство имеет несколько модулей активности тех или иных стандартов. Пример: классический смартфон использует сети GSM, 3G, LTE для передачи пакетных и голосовых данных, Wi-Fi для выхода в интернет через точку доступа, Bluetooth для синхронизации девайса с аксессуарами.

Рассмотрим самые популярные устройства беспроводной передачи данных, которые получили повсеместное распространение:

1. Wi-Fi-роутер. Данное устройство способно обеспечивать доступом к интернету несколько девайсов. Сам аппарат синхронизирован с источником интернета проводным путем или при помощи сим-карты оператора сотовых сетей.
2. Смартфон. Универсальное средство связи, которое дает возможность передавать голосовую информацию, отправлять короткие текстовые сообщения, получать доступ к интернету и синхронизироваться с беспроводными или проводными аксессуарами.
3. Планшетный компьютер. Функционально может быть идентичен смартфону. Отличительной особенностью является большой экран, благодаря которому использование гаджета становится более комфортным для определенных видов работ.
4. Персональный компьютер. Полноценный стационарный аппарат со встроенной операционной системой, позволяющий работать в сетях интернет, в том числе беспроводных. Беспроводная передача данных на компьютер от точки доступа, как правило, осуществляется через Wi-Fi-адаптер, который подключается через разъем USB.
5. Ноутбук. Уменьшенная версия персонального компьютера. В большинстве ноутбуков есть встроенный Bluetooth-адаптер и Wi-Fi-модуль, что позволяет выполнять синхронизацию для получения доступа к интернету, а также подключения беспроводных аксессуаров без дополнительных USB-адаптеров.
6. Беспроводные аксессуары и периферийные устройства. К данной категории относятся беспроводные колонки, наушники, гарнитуры, мыши, клавиатуры и другие популярные аксессуары, которые подключаются к девайсам или компьютерам.
7. Телевизор или Smart-TV. Телевизор с операционной системой функционально напоминает компьютер, поэтому наличие встроенных беспроводных модулей для него является необходимостью.
8. Игровая приставка. Для установки софта у данного гаджета предусмотрен беспроводной выход в интернет. Игровые консоли синхронизированы с устройством по технологии Bluetooth.
9. Беспроводное оборудование "Умный дом". Очень сложная и многосторонняя система, управление которой осуществляется беспроводным способом. Все датчики и элементы оборудования оснащены специальными модулями для передачи сигналов.

С усовершенствованием беспроводных технологий на смену старым девайсам постоянно приходят новые аппараты, которые функционально более эффективны и практичны. Оборудование беспроводной передачи данных быстро видоизменяется и модифицируется.

Перспективы использования беспроводных сетей

В настоящее время прослеживается тенденция замены проводных элементов оборудования более новыми беспроводными вариантами. Это намного удобнее не только по причине мобильности аппаратов, но и с точки зрения удобства в использовании.

Производство беспроводного оборудования позволит не только внедрять новейшие системы в мир девайсов для связи, но и оборудовать по последнему слову техники жилье стандартного среднестатистического жителя любого населенного пункта. В настоящее время такое могут позволить себе только люди с высоким уровнем достатка, проживающие в мегаполисах.

В области беспроводных радиокоммуникаций ведутся постоянные исследования, результатом которых являются инновационные технологии, которые отличаются от предшественников своей большей продуктивностью, сниженной энергозатратой и практичностью использования. Результатом таких исследований является появление нового оборудования. Производители всегда заинтересованы в выпуске продукции, которая будет соответствовать инновационным технологиям.

Более продуктивные точки доступа и мощные базовые станции позволят повсеместно использовать новые технологии на крупных предприятиях. Управление оборудованием можно будет вести дистанционно. В области образования беспроводные технологии способны облегчить процесс обучения и контроля. В некоторых школах уже начинают внедрять процесс мобильного образования. Заключается он в удаленном обучении посредством видеосвязи через интернет. Перечисленные примеры являются лишь начальным шагом перехода развития общества на новую ступень, которая будет построена на базе беспроводных технологий.

Преимущества беспроводной синхронизации

Если сравнивать проводную и беспроводную передачу данных, можно выявить множество преимуществ последней:

• не мешают провода;
• высокая скорость передачи данных;
• практичность и быстрота подключения;
• мобильность использования оборудования;
• исключен износ или обрыв связи;
• есть возможность использования нескольких вариантов беспроводного подключения в одном девайсе;
• возможность подключения сразу нескольких устройств к точке доступа интернета.

Наряду с этим есть и некоторые недостатки:

• излучение большого количества аппаратов может отрицательно сказаться на здоровье человека;
• при близком расположении различного беспроводного оборудования есть вероятность возникновения помех и сбоев в связи.

Причины массовой распространенности беспроводных сетей очевидны. В необходимости всегда оставаться на связи нуждается любой среднестатистический член современного общества.

В заключение

Беспроводные технологии предоставили возможность повсеместного внедрения телекоммуникационного оборудования, которое массово используется во всех странах мира. Постоянные доработки и новые открытия в области беспроводных коммуникаций дают нам все больший уровень комфорта, а обустройство быта при помощи инновационных приборов становится все более доступным для большинства людей.

Я рассказывал о цифровых сигналах. Чем же так хороши эти цифровые сигналы? Как это бы странно не звучало, но цифровые сигналы по своей природе являются аналоговыми, так как передаются путем изменения значения напряжения или тока, но передают сигналы с ранее оговоренными уровнями. По своей сути, они являются дискретными сигналами. А что означает слово “дискретный”? Дискретный – это значит состоящий из отдельных частей, раздельный, прерывистый. Цифровые сигналы относятся как раз к дискретным сигналам, так как имеют только ДВА СОСТОЯНИЯ: «активно» и «не активно» - «есть напряжение/ток» и «нет напряжения/тока».

Главный плюс цифровых сигналов в том, что их проще передавать и обрабатывать. Для передачи чаще всего используют напряжение. Поэтому, принято два состояния: напряжение близко к нулю (менее 10% от значения напряжения) и напряжение близко к напряжению питания (более 65% от значения). Например, при напряжении питания схемы 5 Вольт мы получаем сигнал с напряжением 0,5 Вольт - «ноль», если же 4,1 Вольта - «единица».

Последовательный метод передачи информации

Есть просто два провода, источник электрического сигнала и приемник электрического сигнала, которые цепляются к этим проводам.

Это ФИЗИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ.

Как мы уже сказали, по этим двум проводам мы можем передавать только два сигнала: «есть напряжение/ток» и «нет напряжения/тока». Какие способы передачи информации мы можем реализовать?

Самый простой способ – сигнал есть (лампочка горит) – это ЕДИНИЧКА, сигнала нет (лампочка не горит) – это НОЛЬ

Если пораскинуть мозгами, можно придумать еще несколько различных комбинаций. Например, широкий импульс принять за единичку, а узкий – за ноль:

Или даже вообще взять за единичку и ноль фронт и срез импульса. Внизу рисунок, если подзабыли, что такое фронт и срез импульса.

А вот и практическая реализация:

Да можно хоть сколько придумать различных комбинаций, если “получатель” и “отправитель” согласуют прием и передачу . Здесь я привел просто самые популярные способы передачи цифрового сигнала. То есть все эти способы и есть ПРОТОКОЛЫ. И их, как я уже сказал, можно напридумывать очень много.

Скорость обмена данными

Представьте себе картину… Студенты, идет лекция… Преподаватель диктует лекцию, а студенты ее записывают

Но если преподаватель очень быстро диктует лекцию и в придачу эта лекция по физике или матанализу, то в результате получаем:

Почему же так произошло?

С точки зрения цифровой передачи данных, можно сказать, что скорость обмена данными между «Отправителем» и «Получателем» разная. Поэтому, может быть реальна ситуация, когда «Получатель» (студент) не в состоянии принять данные от «Отправителя» (преподавателя) из-за несоответствия скорости передачи данных: скорость передачи может быть выше или ниже той, на которую настроен приемник (студент).

Данная проблема в разных стандартах последовательной передачи данных решается по-разному:

• предварительная договоренность о скорости передачи данных (договориться с преподавателем, чтобы диктовал лекцию медленнее или чуть быстрее);
• перед передачей информации «Отправитель» передает некую служебную информацию, используя которую «Получатель» подстраивается под «Отправителя» (Преподаватель: “Кто не запишет эту лекцию полностью, тот не получит зачет”)

Чаще всего, используется первый способ: в устройствах связи заранее устанавливается необходимая скорость обмена данными. Для этого используется тактовый генератор, который вырабатывает импульсы для синхронизации всех узлов устройства, а также для синхронизации процесса связи между устройствами.

Управление потоком

Также возможна ситуация, когда «Получатель»(студент) не готов принимать передаваемые «Отправителем»(преподавателем) данные по какой-либо причине: занятость, неисправность и др.

Решается эта проблема различными методами:

1) На уровне протоколов . Например, в протоколе обмена оговорено: после передачи «Отправителем» служебного сигнала «начало передачи данных» в течение определенного времени «Получатель» обязан подтвердить принятие этого сигнала путем передачи специального служебного сигнала «готовность к приему». Данный способ называют «программным управлением потоком» – «Soft»

2) На физическом уровне - используются дополнительные каналы связи, по которым «Отправитель» ДО передачи информации запрашивает у «Получателя» о его готовности к приему). Такой способ называют «аппаратным управлением потоком» – «Hard»;

Оба метода очень распространены. Иногда они используются одновременно: и на физическом уровне, и на уровне протокола обмена.

При передаче информации важно засинхронизировать работу передатчика и приемника . Способ установки режима связи между устройствами называют «синхронизацией». Только в этом случае «Получатель» может правильно (достоверно) принять переданное «Отправителем» сообщение.

Режимы связи

Симплексная связь.

В этом случае Получатель может только принимать сигналы от отправителя и никак не может на него повлиять. Это в основном телевидение или радио. Мы можем их только или смотреть или слушать.

Полудуплексная связь.

В этом режиме и отправитель и получатель могут передавать друг другу сигналы поочередно, если канал свободен. Отличный пример полудуплексной связи – это рации. Если оба абонента будут трещать каждый в свою рацию одновременно, то никто никого не услышит.

– Первый, первый. Я второй. Как слышно?

– Слышу вас нормально, отбой!

Сигнал может посылать только отправитель, в этом случае получатель его принимает. Либо сигнал может отправлять получатель, а в этом случае отправитель его получает. То есть и отправитель и получатель имеют равные права на доступ к каналу (линии связи). Если они сразу оба будут передавать сигнал в линию, то, как я уже сказал, ничего из этого не получится.

Дуплексная связь.

В этом режиме и прием и передача сигнала могут вестись сразу в двух направлениях одновременно . Яркий тому пример – разговор по мобильному или домашнему телефону, или разговор в Skype.