Спектральный анализ сигналов

Модель OSI

 

Модель взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection) - определяется различные уровни взаимодействия систем, дает им стандартные имена и указывает, какие функции должен выполнять каждый уровень.

 

Разработана рядом международных организаций по стандартизации - International Organization for Standardization или International Standards Organization, ISO, International Telecommunications Union, ITU, ITU Telecommunication Standardization Sector, ITU-T - на основе обобщения опыта создания глобальных компьютерных сетей.

 

Модель OSI описывает только системные средства взаимодействия, но не включает средства взаимодействия приложений. С другой стороны, приложение может взять на себя часть функций некоторых верхних уровней модели OSI.

 

Открытой системой может быть названа любая система (компьютер, вычислительная сеть, ОС, программный пакет, аппаратные средства), которая построена в соответствии с открытыми спецификациями.

Примеры: открытость UNIX заключается, например, в наличии стандартизованного программного интерфейса между ядром и приложениями (переносимость); частичная открытость Novell NetWare - применение открытого интерфейса Open Driver Interface (ODI).

Сеть Internet развивалась в полном соответствии с требованиями, предъявляемыми к открытым системам, - в разработке стандартов принимали участие тысячи специалистов. Request For Comments (RFC).

 

Преимущества использования принципов открытости:

n возможность построения сети из аппаратных и программных средств различных производителей, придерживающихся одного и того же стандарта;

n возможность замены отдельных компонентов сети более совершенными - минимальность затрат;

n возможность легкого сопряжения одной сети с другой;

n простота обслуживания сети.

 

Уровни модели OSI:

 

Прикладной

Представительный

Сеансовый

Транспортный

Сетевой

Канальный

Физический

 

Сообщение передается сверху вниз по стеку. Каждый уровень снабжает сообщение предыдущего уровня необходимой информацией.

 

Сообщение 3-го уровня

Заголовок 3 Поле данных 3 Концевик 3

Сообщение 2-го уровня

Заголовок 2 Заголовок 3 Поле данных 3 Концевик 3 Концевик 2

Поле данных 2

Сообщение 1-го уровня

Заголовок 1 Заголовок 2 Заголовок 3 Поле данных 3 Концевик 3 Концевик 2 Концевик 1

Поле данных 1

 

Протокольный блок данных - Protocol Data Unit, PDU.

Два основных типа протоколов - с установлением соединения (connection-oriented), без предварительного установления соединения или дейтаграммные (connectionless).

 

Физический уровень (Physical layer)

Имеет дело с передачей битов на физическом уровне по одной из сред передачи. На этом уровне стандартизируются:

n характеристики физических сред (полоса пропускания, помехозащищенность, волновое сопротивление);

n характеристики электрических сигналов (крутизна фронтов импульсов, уровни напряжения и тока, тип кодирования, скорость передачи сигналов);

n типы разъемов и назначение каждого контакта

Функции физического уровня реализуются, например, адаптерами и портами.

 

Канальный уровень (Data Link layer)

Проверка доступности среды передачи, реализация механизмов обнаружения и коррекции ошибок (не во всех протоколах канального уровня). Для этого на канальном уровне биты группируются в кадры. Стандартизируются:

n специальная последовательность бит в начале и конце кадра для его выделения;

n способ вычисления контрольной суммы;

n алгоритм обнаружения и коррекции ошибок путем повторной передачи кадра;

n структура связей между компьютерами (топология) и их адресация.

В локальных сетях протоколы канального уровня реализуются сетевыми адаптерами и их драйверами, а также мостами, коммутаторами и маршрутизаторами.

Протоколы канального уровня - мощный и законченный набор функций по пересылке сообщений между узлами. Иногда они допускают работу поверх них сразу протоколов прикладного уровня или приложений, без привлечения средств промежуточных протоколов.

 

Сетевой уровень (Network layer)

Служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей с различными принципами сообщений между узлами и произвольной структурой связей, так как протоколы канального уровня ориентированны на конкретную топологию.

Сетевой уровень занимается доставкой данных между сетями и поддерживает возможность правильного выбора маршрута между сетями. Маршрутизация – проблема выбора наилучшего пути. Задача решается с помощью маршрутизатора – устройства, которое собирает информацию о топологии межсетевых соединений и на ее основании пересылает пакеты сетевого уровня в сеть назначения. Кроме маршрутизации протоколы сетевого уровня решают:

- задачи согласования разных технологий;

- упрощения адресации в крупных сетях;

- защита от нежелательного трафика.

Сообщения сетевого уровня называются пакетами.

Существует два вида протоколов:

- сетевые протоколы (routed protocols) – реализуют продвижение пакетов через сеть;

- протоколы маршрутизации (routing protocols) – с их помощью маршрутизаторы собирают информацию о топологии межсетевых соединений;

- протоколы разрешения адресов (Address Resolution Protocol, ARP) – осуществляют отображения адреса, используемого на сетевом уровне, в локальный адрес. Иногда их относят к канальному уровню.

Пример протоколов сетевого уровня – IP, IPX.

 

Транспортный уровень (Transport layer)

Обеспечивает приложениям или верхним уровням стека – прикладному и сеансовому – передачу данных с той степенью надежности, которая им требуется. Модель OSI определяет пять классов сервиса, предоставляемых транспортным уровнем, различающиеся качеством услуг: срочностью, возможностью восстановления прерванной связи, наличия средств мультиплексирования нескольких соединений между различными прикладными протоколами через общий транспортный протокол, способностью к обнаружению и исправлению ошибок передачи.

Как правило, все протоколы, начиная с транспортного уровня и выше, реализуются программными средствами конечных узлов сети – компонентами из сетевых операционных систем.

Примеры – TCP и UDP, SPX.

Протоколы нижних четырех уровней называют сетевым транспортом или транспортной подсистемой. Три верхних уровня решают задачи предоставления прикладных сервисов на основании имеющейся транспортной подсистемы.

 

Сеансовый уровень (Session layer)

Обеспечивает управление диалогом: фиксирует, какая из сторон является активной в настоящий момент, предоставляет средства синхронизации (контрольные точки для возврата и повтора). Функции этого протокола часто объединяют с функциями прикладного уровня и реализуют в одном протоколе.

 

Представительный уровень (Presentation layer)

Имеет дело с формой представления передаваемой по сети информации, не меняя при этом ее содержания. За счет этого информация прикладного уровня одной системы всегда понятна прикладному уровню другой системы (синтаксически различия, шифрование).

 

Прикладной уровень (Application layer)

Это набор разнообразных протоколов, с помощью которых пользователи сети получают доступ к разделяемым ресурсам. Единица данных прикладного уровня – сообщение (message).

 

Физический, канальный и сетевой – сетезависимые протоколы (зависят от технической реализации и используемого коммуникационного оборудования).

Три верхних уровня ориентированы на приложения и мало зависят от технических особенностей построения сети.

Транспортный уровень – промежуточный, он скрывает все детали функционирования нижних уровней от верхних.

Модель OSI – очень важная, но только один из многих моделей коммуникаций. Модели и связанные и ними стеки протоколов могут отличаться количеством уровней, их функциями, форматами сообщений, службами, поддерживаемыми на верхних уровнях, и прочими параметрами.

 

Канальный уровень – повторитель.

Сетевой уровень - мост, коммутатор, сетевой адаптер.

Транспортный – маршрутизатор.

 

Источники стандартов

 

Виды стандартов:

- стандарты отдельных фирм;

- стандарты специальных комитетов и организаций (технология АТМ – ATM Forum, 100 организаций, технология 100 Мб Ethernet – Fast Ethernet Alliance);

- национальные стандарты (FDDI - Американский национальный институт стандартов, ANSI);

- международные стандарты (ISO, ITU).

 

Стандарты, непрерывно развиваясь, переходят из одной категории в другую.

 

Организации:

1. Международная организация по стандартизации (International Organization for Standardization, ISO, International Standard Organization) – ассоциация ведущих национальных организаций по стандартизации разных стран – стандарт OSI.

2. Международный союз электросвязи (International Telecommunication Union, ITU) – специализированный орган ООН.

3. Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE) – Национальная организация США, определяющая сетевые стандарты. 1981 г., рабочая группа 802 сформулировала основные требования к локальным вычислительным сетям. Самые известные стандарты 802.1, 802.2, 802.3, 802.5 – описывают общие понятия в области локальных сетей и стандарты на два нижних уровня сетей Ethernet Token Ring.

4. Ассоциация электронной промышленности (Electronic Industries Association, EIA) – национальная коммерческая организация США – провода, коннекторы, RS-232C.

5. Министерство оборони США (Department of Defence, DoD) - TCP/IP.

6. Американский институт стандартов (American National Standarts Institute, ANSI) – представляет США в ISO. FDDI, стандарты на языки программирования.

 

Internet – стандарты становятся международными официальными “дефакто” после утверждения одной из выше перечисленных организаций (ISO, ITU-T).

Internet Society, ISOC – подразделение, занимающееся общими вопросами эволюции и роста Интернет как глобальной коммуникационной структуры. Под управлением ISOC работает Internet Architecture Board, IAB – технический контроль и координация работ для Internet, координирует направление исследований и новых разработок стека TCP/IP и является конечной инстанцией пр определении новых стандартов Internet.

В IAB входят две группы Internet Engineering Task Force, IETF – занимается решением технических проблем, Internet Research Task Force, IRTF – координирует долгосрочные исследовательские проекты по протоколам TCP/IP.

 

Процедура разработки стандартов Internet.

- IETF представляет рабочий проект в виде, доступном для комментариев, который публикуется в Internet. После внесения всеми исправлений фиксируется содержание документа и присваивается номер RFC;

- После присвоения номера документ приобретает статус предлагаемого стандарта. В течение 6 месяцев предлагаемый стандарт проходит проверку практикой, в результате в него вносятся изменения.

- Если практические исследования показывают эффективность предлагаемого стандарта, то ему, вместе со всеми внесенными изменениями, присваивается статус проекта стандарта. Далее следуют не менее чем 4-х месячные испытания с созданием не менее двух программных реализаций.

- Если на предыдущем этапе не было внесено изменений, то проекту присваивается статус официального стандарта.

Все стандарты Internet носят название RFC с соответствующим номером, но не все RFC имеют отношение к Internet.

 

Стандартные стеки протоколов

 

Наиболее популярные стеки протоколов: TCP/IP, IPX/SPX, NetBios/SMB, DECnet, SNA, OSI. Все они, кроме SNA, на нижних уровнях поддерживают одни и же хорошо стандартизированные протоколы Ethernet, Token Ring, FDDI. На верхних уровнях имеются отличия от модели OSI.

 

 

Модель OSI	IBM/Microsoft	TCP/IP		Novell		Стек OSI
Прикладной		SMB		Telnet FTP SNMP		NCP		X.400 X.500 FTAM
Представительный				SMTP WWW		SAP		Представительный протокол OSI
Сеансовый		NetBios		TCP				Сеансовый протокол OSI
Транспортный						SPX		Транспортный протокол OSI
Сетевой		IP RIP OSPF		IPX RIP NLSP		ES-ES IS-IS
Канальный		802.3 (Ethernet), 802.5 (Token Ring), FDDI, Fast Ethernet, SLIP, 100VG-Any-LAN, X.25, ATM, LAP-B, LAP-D, PPP
Физический		Коаксиал, экранированная и неэкранированная витая пара, оптоволокно, радиоволны

 

Local Area Network (LAN) - локальные сети.

Wide Area Network (WAN) - глобальные сети.

Metropolitan Area Network - городские сети.

 

В последние годы наблюдается тенденция к сближению локлаьных и глобальных сетей.

 

Характеристики вычислительных систем

 

Характеристики производительности.

1. Время реакции - интегральная характеристика производительности сети с точки зрения пользователя. Складывается из времени подготовки запроса на клиентском компьютере, времени передачи запросов между клиентом сервером через сегменты сети и промежуточное коммуникационное оборудование, времени обработки запроса на сервере, времени передачи ответов клиенту и времени обработки ответов на клиентском компьютере.

2. Пропускная способность - объем данных, переданных сетью или ее частью в единицу времени, измеряется в битах в секунду или пакетах в секунду.

n средняя пропускная способность - отношение общего объема переданных данных на время их передачи (час, неделя, месяц);

n Мгновенная пропускная способность - отношения общего объема переданных данных на время их передачи за малый промежуток (10 мс, 1с);

n Максимальная пропускная способность - это наибольшая пропускная способность, зафиксированная за время наблюдения.

3. Задержка передачи - задержка между моментом поступления пакета на вход какого-либо сетевого устройства или части сети и моментом появления его на выходе этого устройства.

 

Характеристики надежности

1. Готовность или коэффициент готовности (availability) - доля времени, в течение которого система может быть использована. Готовность достигается избыточностью. Для высокой надежности необходима еще сохранность данных и их согласованность.

Различные вероятности - вероятность доставки пакета узлу назначения без искажений, вероятность потери пакета, вероятность искажения отдельного бита передаваемых данных, отношение потярянных пакетов к доставленным.

2. Безопасность (security) - способность системы защитить данные от несанкционированного доступа.

3. Отказоустойчивость (fault tolerance) - способность истемы скрыть от пользователя отказ отдельных ее элементов.

 

Расширяемость и масштабируемость

1. Расширяемость (extensibility) - возможность сравнительно легкого добавления отдельных элементов сети (пользователей, компьютеров, приложений, служб), наращивания длины сегментов сети и замены существующей аппаратуры.

2. Масштабируемость (scalability) означает, что сеть позволяет наращивать количество узлов и протяженность связей в очень широких пределах, при этом производительность сети не ухудшается.

 

Прозрачность (transparency) - сеть представляется пользователям не как множество отдельных компьютеров, связанных между собой сложной системой кабелей, а как единая традиционная вычислительная машина с системой разделения времени.

 

Поддержка разных видов трафика, например, компьютерного и мультимедийного.

Управляемость - возможность централизованно контролировать состояние основных элементов сети, выявлять и разрешать проблемы, возникающие при работе сети, выполнять анализ производительности и планировать развитие сети.

Совместимость или интегрируемость - сеть способна включать в себя самое разнообразное программное и аппаратное обеспечение.

 

 

ЛИНИИ СВЯЗИ

 

Типы линий связи:

- проводные (воздушные) – провода без каких-либо изолирующих или экранирующих оплеток (телефонные или телеграфные сигналы).

- кабельные линии (коаксиальный кабель, витая пара экранированная и неэкранированная, волоконно-оптический кабель)

- радиоканалы наземной и спутниковой связи.

 

Характеристики линий связи:

- амплитудно-частотная характеристика;

- полоса пропускания;

- затухание;

- помехоустойчивость;

- перекрестные наводки на ближнем конце линии;

- пропускная способность;

- достоверность передачи данных;

- удельная стоимость.

 

Спектральный анализ сигналов

 

Любой периодический процесс можно представить в виде суммы синусоидальных колебаний различных частот и различных амплитуд. Каждая составляющая синусоида называется также гармоникой, а набор всех гармоник называют спектральным разложением исходного сигнала. Непериодические сигналы можно представить в виде интеграла синусоидальных сигналов с непрерывным спектром частот.

 

Искажение передающим каналом синусоиды какой-либо частоты приводит в конечном счете к искажению передаваемого сигнала любой формы, особенно если синусоиды различных частот искажаются неодинаково (Искажения обертонов – боковых частот, искажения импульсов за счет искажения низкочастотных и высокочастотных гармоник).

Кроме искажений сигналов, вносимых внутренними физическими параметрами линии связи, существуют и внешние помехи, которые вносят свой вклад в искажение формы сигналов на выходе линии.

 

Степень искажения синусоидальны сигналов оценивается с помощью таких характеристик, как амплитудно-частотная характеристика, полоса пропускания и затухание на определенной частоте.

 

Амплитудно-частотная характеристика показывает, как затухает амплитуда синусоиды на выходе линии связи по сравнению с амплитудой на ее входе для всех возможный частот передаваемого сигнала. (по оси ОХ – частота в Гц, по оси OY – отношение А_выход/А_вход или отношение мощностей.)

 

АЧХ дает полную информацию о реальной линии. Можно определить форму выходного сигнала для любого входного сигнала. Для этого нужно разложить входной сигнал в спектр, преобразовать амплитуды составляющих гармоник и сложить преобразованные гармоники. Но найти АЧХ трудно, поэтому вместо нее используются другие характеристики.

 

Полоса пропускания (bandwidth) – это непрерывный диапазон частот, для которого отношение амплитуды выходного сигнала ко входному превышает некоторый заранее заданный предел, обычно 0,5. Ширина полосы пропускания влияет на максимально возможную скорость передачи информации по линии связи.

Затухание (attenuation) – относительное уменьшение амплитуды или мощности сигнала при передаче по линии сигнала определенной частоты, то есть это оюна точка из АЧХ. Часто известна основная частота, гармоника которой имеет наибольшую амплитуду и мощность. Зная затухание на этой частоте, можно приблизительно оценить искажения.

Затухание измеряется в децибелах:

 

A = 10 lg (Pвых/Pвх).

 

Затухание кабеля всегда является отрицательной величиной.

 

Абсолютный уровень мощности

 

р = 10 lg P/1мВт [дБм]

 

Р – уровень мощности в милливаттах, а уровень мощности измеряется в децибелах на 1 милливатт.

 

Пропускная способность линии (throughput) характеризует максимально возможную скорость передачи данных по линии связи (бит/с).

Пропускная способность зависит не только от характеристик линии, но и от спектра передаваемых сигналов. Если значимые гармоники сигнала попадают в полосу пропускания линии, то сигнал будет хорошо передаваться данной линией. Если они выходят за границы полосы пропускания линия связи, то сигнал будет значительно искажаться, приемник будет ошибаться при распознавании информации, и информация не будет передаваться с заданной пропускной способностью.

Выбор способа представления дискретной информации в виде сигналов, подаваемых на линию связи, называется физическим или линейным кодированием. От выбранного способа кодирования зависит спектр сигналов и, соответственно, пропускная способность линии.

 

Информацию в себе несет любое различимое и непредсказуемое изменение принимаемого сигнала. Так прием синусоиды, у которой амплитуда, фаза и частота остаются неизменными, информации не несет (аналогично - тактовые импульсы). Большинство способов кодирования используют изменение какого-либо параметра периодического сигнала - частоты, амплитуды и фазы синусоиды или же знак потенциала последовательности импульсов. Периодический сигнал, параметры которого изменяются, называется несущим сигналом (несущей частотой, если используется синусоида).

Если сигнал изменяется так, что можно различить только два его состояния, то любое его изменение будет соответствовать одному биту. Если сигнал может иметь более двух различимых состояний, то любое его изменение несет несколько бит информации.

 

Количество изменений информационного параметра несущего периодического сигнала в секунду измеряется в бодах (baud).

 

Пропускная способность линии в битах в секунду в общем случае не совпадает с числом бод, а может быть как ниже, так и выше, что зависит от способа кодирования. Если сигнал имеет более двух различимых состояний, то пропускная способность в битах в секунду будет выше, чем число бод. Например - четыре состояния фазы, два значения амплитуды, всего восемь различимых состояний (3 бита информации), тогда модем на 2400 бод (работает с тактовой частотой изменения сигнала 2400 Гц) передает со скорость 7200 бит в секунду.

При использовании сигналов с двумя различимыми состояниями может быть наоборот, так как для повышения надежности каждый бит может кодироваться с помощью нескольких изменений информационного параметра несущего сигнала.

 

Пропускная способность зависит также и от логического кодирования - замены бит исходной информации новой последовательностью бит, несущей ту же информацию, но обладающую и дополнительными свойствами (например, для обнаружения ошибок). Новая последовательность длиннее, а значит пропускная способность по отношению к полезной информации снижается.

 

Чем выше частота несущего периодического сигнала, тем больше информации в единицу времени передается по линии и тем выше пропускная способность линии при фиксированном способе физического кодирования. Но с увеличением частоты периодического несущего сигнала увеличивается и ширина спектра этого сигнала. Линия передает этот спектр с искажениями, определяемыми полосой пропускания. Чем больше несоответствие между шириной спектра и полосой пропускания, тем больше искажений и ошибок приема, тем меньше скорость передачи.

 

Формула Шеннона - связь между полосой пропускания линии и ее максимально возможной пропускной способность, не зависимо от способа физического кодирования:

 

С = F log₂(1 + P_c/Р_ш),

 

где С - максимальная пропускная способность линии в битах в секунду, F - ширина полосы пропускания линии в герцах, P_c - мощность сигнала, Р_ш - мощность шума.

 

Формула Найквиста:

 

С = 2F log₂ М,

 

где М - количество различимых состояний информационного параметра.

 

Помехоустойчивость - способность уменьшать влияние внешних помех на внутренние проводники.

Перекрестные наводки на ближнем конце (Near End Cross Talk - NEXT) - электромагнитное поле сигнала, передаваемого выходом передатчика по одной паре проводников, наводит на другую пару проводников сигнал помехи. NEXT = 10 log₂P_вых/P_нав.

Достоверность передачи данных - вероятность искажения для каждого передаваемого бита данных. Иногда этот показатель называют интенсивностью битовых ошибок (Bit Error Rate, BER). 10^-4-10^-6, 10^-9.