Здійснення авторізації доступу до каналів комп’ютерних мереж

Синхронізація передавача і приймача потрібна для того, щоб приймач точно знав, в який момент часу необхідно прочитувати нову інформацію з лінії зв'язку. Ця проблема в мережах розв'язується складніше, ніж при обміні даними між близько розташованими пристроями, наприклад між блоками усередині комп'ютера або ж між комп'ютером і принтером. На невеликих відстанях добре працює схема, заснована на окремій тактуючій лінії зв'язку (рис. 1.3), так що інформація знімається з лінії даних тільки у момент приходу тактового імпульсу. У мережах використовування цієї схеми викликає труднощі через неоднорідність характеристик провідників в кабелях. На великих відстанях нерівномірність швидкості розповсюдження сигналу може привести до того, що тактовий імпульс прийде настільки пізніше або раніше відповідного сигналу даних, що біт даних буде пропущений або лічений повторно.

Рис. 1.3. Синхронізація приймача і передавача на невеликих відстанях

Іншою причиною, по якій в мережах відмовляються від використовування тактуючих імпульсів, є економія провідників в дорогих кабелях.

Тому в мережах застосовуються так звані коди, що самосинхронізуються, сигнали яких несуть для передавача вказівки про те, в який момент часу потрібно здійснювати розпізнавання чергового біта (або декількох біт, якщо код орієнтований більш ніж на два стани сигналу). Будь-який різкий перепад сигналу - так званий фронт - може служити хорошою вказівкою для синхронізації приймача з передавачем.

При використовуванні синусоїд як несучий сигнал результуючий код володіє властивістю самосинхронізації, оскільки зміна амплітуди несучої частоти дає можливість приймачу визначити момент появи вхідного коду.

Розпізнавання і корекцію спотворених даних складно здійснити засобами фізичного рівня, тому найчастіше цю роботу беруть на себе протоколи, що лежать вище: канальний, мережний, транспортний або прикладний. З другого боку, розпізнавання помилок на фізичному рівні економить час, оскільки приймач не чекає повного приміщення кадру в буфер, а відбраковує його відразу при розпізнаванні помилкових біт усередині кадру.

Вимоги, що пред'являються до методів кодування, є взаємно суперечливими, тому кожний з даних нижче популярних методів цифрового кодування володіє своїми перевагами і своїми недоліками в порівнянні з іншими.

На рис. 1.4, а показаний вже згаданий раніше метод потенційного кодування, званий також кодуванням без повернення до нуля (Non Return to Zero, NRZ). Остання назва відображає ту обставину, що при передачі послідовності одиниць сигнал не повертається до нуля протягом такту (як ми побачимо нижче, в інших методах кодування повернення до нуля в цьому випадку відбувається). Метод NRZ простий в реалізації, володіє хорошою розпізнаваною помилок (через два різко відмінні потенціали), але не володіє властивістю самосинхронізації. При передачі довгої послідовності одиниць або нулів сигнал на лінії не змінюється, тому приймач позбавлений можливості визначати по вхідному сигналу моменти часу, коли потрібно в черговий раз прочитувати дані. Навіть за наявності високоточного тактового генератора приймач може помилитися з моментом знімання даних, оскільки частоти двох генераторів ніколи не бувають повністю ідентичними. Тому при високих швидкостях обміну даними і довгих послідовностях одиниць або нулів невелике розузгодження тактових частот може привести до помилки в цілий такт і, відповідно, читанню некоректного значення біта.

Рис. 1.4. Способи дискретного кодування даних

Іншим серйозним недоліком методу NRZ є наявність низькочастотної складової, яка наближається до нуля при передачі довгих послідовностей одиниць або нулів. Через це багато каналів зв'язку, не забезпечуючі прямого гальванічного з'єднання між приймачем і джерелом, цей вид кодування не підтримують. В результаті в чистому вигляді код NRZ в мережах не використовується. Проте використовуються його різні модифікації, в яких усувають як погану самосинхронізацію коду NRZ, так і наявність постійної складової. Привабливість коду NRZ, через яку має сенс зайнятися його поліпшенням, полягає в достатньо низькій частоті основної гармоніки f0, яка рівна N/2 Гц, як це було показано в попередньому розділі. У інших методів кодування, наприклад манчестерського, основна гармоніка має вищу частоту.

Однією з модифікацій методу NRZ є метод біполярного кодування з альтернативною інверсією (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI). У цьому методі (рис. 1.4, б) використовуються три рівні потенціалу - негативні, нульові і позитивні. Для кодування логічного нуля використовується нульовий потенціал, а логічна одиниця кодується або позитивним потенціалом, або негативним, при цьому потенціал кожної нової одиниці протилежний потенціалу попередньою.

Код AMI частково ліквідовує проблеми постійної складової і відсутності самосинхронізації, властиві коду NRZ. Це відбувається при передачі довгих послідовностей одиниць. У цих випадках сигнал на лінії є послідовністю різнополярних імпульсів з тим же спектром, що і у коду NRZ, що передає нулі, що чергуються, і одиниці, тобто без постійної складової і з основною гармонікою N/2 Гц (де N - бітова швидкість передачі даних). Довгі ж послідовності нулів також небезпечні для коду AMI, як і для коду NRZ - сигнал вироджується в постійний потенціал нульової амплітуди. Тому код AMI вимагає подальшого поліпшення, хоча задача спрощується - залишилося справитися тільки з послідовностями нулів.

В цілому, для різних комбінацій біт на лінії використовування коду AMI приводить до вужчого спектру сигналу, ніж для коду NRZ, а значить, і до вищої пропускної спроможності лінії. Наприклад, при передачі одиниць, що чергуються, і нулів основна гармоніка fo має частоту N/4 Гц. Код AMI надає також деякі можливості по розпізнаванню помилкових сигналів. Так, порушення строгого чергування полярності сигналів говорить про помилковий імпульс або зникнення з лінії коректного імпульсу. Сигнал з некоректною полярністю називається забороненим сигналом (signal violation).

У коді AMI використовуються не два, а три рівні сигналу на лінії. Додатковий рівень вимагає збільшення потужності передавача приблизно на 3 дБ для забезпечення тієї ж достовірності прийому біт на лінії, що є загальним недоліком кодів з декількома станами сигналу в порівнянні з кодами, які розрізняють тільки два стани.

Існує код, схожий на AMI, але тільки з двома рівнями сигналу. При передачі нуля він передає потенціал, який був встановлений в попередньому такті (тобто не міняє його), а при передачі одиниці потенціал інвертується на протилежний. Цей код називається потенційним кодом з інверсією при одиниці (Non Return to Zero with ones Inverted, NRZI). Цей код зручний в тих випадках, коли використовування третього рівня сигналу вельми небажане, наприклад в оптичних кабелях, де стійко розпізнаються два стани сигналу - світло і темнота.

Для поліпшення потенційних кодів, подібних AMI і NRZI, використовуються два методи. Перший метод заснований на додаванні в початковий код надмірних біт, що містять логічні одиниці. Очевидно, що в цьому випадку довгі послідовності нулів уриваються і код стає тим, що самосинхронізується для будь-яких передаваних даних. Зникає також постійна складова, а значить, ще більш звужується спектр сигналу. Але цей метод знижує корисну пропускну спроможність лінії, оскільки надмірні одиниці призначеної для користувача інформації не несуть. Інший метод заснований на попередньому «перемішуванні» початкової інформації так, щоб вірогідність появи одиниць і нулів на лінії ставала близькою. Пристрої, або блоки, що виконують таку операцію, називаються трамблерами (scramble - звалище, безладна збірка). При скремблюванні використовується відомий алгоритм, тому приймач, одержавши двійкові дані, передає їх на дескремблер, який відновлює початкову послідовність біт. Надмірні біти при цьому по лінії не передаються. Обидва методи відносяться до логічного, а не фізичного кодування, оскільки форму сигналів на лінії вони не визначають. Детальніше вони вивчаються в наступному розділі.

Окрім потенційних кодів в мережах використовуються і імпульсні коди, коли дані представлені повним імпульсом або ж його частиною - фронтом. Найпростішим випадком такого підходу є біполярний імпульсний код, в якому одиниця представлена імпульсом однієї полярності, а нуль - інший (рис. 1.4, в). Кожен імпульс триває половину такту. Такий код володіє відмінними самосинхронізуючими властивостями, але постійна складова, може бути присутнім, наприклад, при передачі довгої послідовності одиниць або нулів. Крім того, спектр у нього ширший, ніж у потенційних кодів. Так, при передачі всіх нулів або одиниць частота основної гармоніки коду буде рівна N Гц, що в два рази вище за основну гармоніку коду NRZ і в чотири рази вище за основну гармоніку коду AMI при передачі одиниць, що чергуються, і нулів. Через дуже широкий спектр біполярний імпульсний код використовується рідко.

У локальних мережах до недавнього часу найпоширенішим методом кодування був так званий манчестерський код (рис. 1.4,г). Він застосовується в технологіях Ethernet і Token Ring.

У манчестерському коді для кодування одиниць і нулів використовується перепад потенціалу, тобто фронт імпульсу. При манчестерському кодуванні кожен такт ділиться на дві частини. Інформація кодується перепадами потенціалу, що відбуваються у середині кожного такту. Одиниця кодується перепадом від низького рівня сигналу до високого, а нуль - зворотним перепадом. На початку кожного такту може відбуватися службовий перепад сигналу, якщо потрібно представити декілька одиниць або нулів підряд. Оскільки сигнал змінюється принаймні один раз за такт передачі одного біта даних, то манчестерський код володіє хорошими самосинхронізуючими властивостями. Смуга пропускання манчестерського коду вужча, ніж у біполярного імпульсного. У нього також немає постійної складової, а основна гармоніка у гіршому разі (при передачі послідовності одиниць або нулів) має частоту N Гц, а в кращому (при передачі одиниць, що чергуються, і нулів) вона рівна N/2 Гц, як і у кодів AMI або NRZ. В середньому ширина смуги манчестерського коду в півтора рази вужче, ніж у біполярного імпульсного коду, а основна гармоніка коливається поблизу значення 3N/4. Манчестерський код має ще одну перевагу перед біполярним імпульсним кодом. У останньому для передачі даних використовуються три рівні сигналу, а в манчестерському - два.

На рис. 1.4, д показаний потенційний код з чотирма рівнями сигналу для кодування даних. Це код 2B1Q, назва якого відображає його суть - кожні два біти (2В) передаються за один такт сигналом, що має чотири стани (1Q), Парі біт 00 відповідає потенціал -2,5 В, парі біт 01 відповідає потенціал -0,833 В, парі 11 - потенціал +0,833 У, а парі 10 - потенціал +2,5 В. Прі цьому способі кодування потрібні додаткові заходи по боротьбі з довгими послідовностями однакових пар біт, оскільки при цьому сигнал перетворюється на постійну складову. При випадковому чергуванні битий спектр сигналу в два рази вужче, ніж у коду NRZ, оскільки при тій же бітовій швидкості тривалість такту збільшується в два рази. Таким чином, за допомогою коду 2B1Q можна по одній і тій же лінії передавати дані в два рази швидше, ніж за допомогою коду AMI або NRZI. Проте для його реалізації потужність передавача повинна бути вищою, щоб чотири рівні чітко розрізнялися приймачем на фоні перешкод.

Поліпшені потенційні коди володіють достатньо вузькою смугою пропускання для будь-яких послідовностей одиниць і нулів, які зустрічаються в передаваних даних. Потенційний код NRZ володіє хорошим спектром з одним недоліком - у нього є постійна складова. Коди, одержані з потенційного шляхом логічного кодування, володіють вужчим спектром, ніж манчестерський, навіть при підвищеній тактовій частоті (на малюнку спектр коду 4В/5В повинен був би приблизно співпадати з кодом B8ZS, але він зсунуть в область вищих частот, оскільки його тактова частота підвищена на 1/4 в порівнянні з іншими кодами). Цим пояснюється застосування потенційних надмірних і скрембльованих кодів в сучасних технологіях, подібних FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, ISDN і т.п. замість манчестерського і біполярного імпульсного кодування.

1.3 Передача даних по каналам глобальних та корпоративних мережах

Виділений канал - це канал з фіксованою смугою пропускання або фіксованою пропускною спроможністю, постійно сполучаючий два абоненти. Абонентами можуть бути як окремі пристрої (комп'ютери або термінали), так і цілі мережі.

Виділені канали звичайно орендуються у компаній - операторів територіальних мереж, хоча крупні корпорації можуть прокладати свої власні виділені канали.

Виділені канали діляться на аналогові і цифрові залежно від того, якого типу комутаційна апаратура застосована для постійної комутації абонентів - з частотним розділенням каналів (Frequency Division Multiplexing - FDM) або тимчасовим розділенням каналів (Time Division Multiplexing - TDM). На аналогових виділених лініях для апаратури передачі даних фізичний і канальний протоколи жорстко не визначені. Відсутність фізичного протоколу призводить до того, що пропускна спроможність аналогових каналів залежить від пропускної спроможності модемів, які використовує користувач каналу. Модем власне і встановлює потрібний йому протокол фізичного рівня для каналу.

На цифрових виділених лініях протокол фізичного рівня зафіксований - він заданий стандартом G.703.

На канальному рівні аналогових і цифрових виділених каналів звичайно використовується один з протоколів сімейства HDLC або ж пізніший протокол РРР, побудований на основі HDLC для зв'язку багатопротокольних мереж.

Аналогові виділені лінії

Виділені аналогові канали надаються користувачу з 4-дротяним або 2-дротяним закінченням. На каналах з 4-дротяним закінченням організація повнодуплексного зв'язку, природно, виконується простішими способами.

Виділені лінії можуть бути розділені на дві групи по іншій ознаці - наявності проміжної апаратури комутації і посилення або її відсутності.

Першу групу складають так звані навантажені лінії, що проходять через устаткування частотного ущільнення (FDM-комутатори і мультиплексори), розташоване, наприклад, на АТС. Телефонні компанії звичайно надають в оренду два типи виділених каналів: канал тональної частоти із смугою пропускання 3,1 кГц (0,3 - 3,4 кГц) і широкосмуговий канал із смугою 48 кГц (60 - 108 кГц), який є базовою групою з 12 каналів тональної частоти. Оскільки широкосмуговий канал використовується для зв'язку АТС між собою, те отримання його в оренду більш проблематичне, ніж каналу тональної частоти.

Виділені навантажені канали також класифікуються на категорії залежно від їх якості. Від категорії якості залежить і орендна місячна платня за канал.

Друга група виділених ліній - це ненавантажені фізичні дротяні лінії. Вони можуть кросуватися, але при цьому не проходять через апаратуру частотного ущільнення. Часто такі лінії використовуються для зв'язку між будівлями, що близько стоять. При невеликій довжині ненавантаженої виділеної лінії вона володіє достатньо широкою смугою пропускання, іноді до 1 Мгц, що дозволяє передавати імпульсні немодульовані сигнали.

На перший погляд може показатися, що ненавантажені лінії не мають відношення до глобальних мереж, оскільки їх можна використовувати при протяжності максимум в декілька кілометрів, інакше загасання стає дуже великим для передачі даних. Проте останнім часом саме цей вид виділених каналів привертає пильну увагу розробників засобів видаленого доступу. Річ у тому, що телефонні абонентні закінчення - відрізок витої пари від АТС до житлової або виробничої будівлі - є саме таким видом каналів. Широка (хоча і наперед точно невідома) смуга пропускання цих каналів дозволяє розвинути на короткому відрізку лінії високу швидкість - до декількох мегабіт в секунду. У зв'язку з цим до найближчої АТС дані від видаленого комп'ютера або мережі можна передавати набагато швидше, ніж по каналах тональної частоти, які починаються в даній АТС.

Для передачі даних по виділених навантажених аналогових лініях використовуються модеми. Протоколи і стандарти модемів визначені в рекомендаціях CCITT серії V. Ці стандарти діляться на три групи:

Страницы: 1, 2, 3