Асинхронная и синхронная передача данных

 

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

Канальный уровень обеспечивает синхронизацию между приемником и передатчиком на уровне кадров. Приемник распознает начало первого байта кадра, границы полей кадра и признак окончания кадра.

При плохом качестве линии связи для удешевления аппаратуры и повышения надежности передачи данных вводят дополнительные средства синхронизации на уровне байт. Такой режим работы называется асинхронным или старт-стопным.

В этом режиме каждый байт данных сопровождается специальными сигналами "старт" и "стоп", которые извещают приемник о приходе данных и дают приемнику достаточно времени для выполнения некоторых функций, связанных с синхронизацией, до поступления следующего байта. "Старт" имеет продолжительность один битовый интервал, "стоп" - один, полтора или два такта. Каждый байт может быть смещен во времени относительно побитовых тактов другого устройства.

При синхронном режиме передачи старт-стопные биты между каждой парой байт отсутствуют. Пользовательские данные собираются в кадр, который предваряется байтом синхронизации - байтом, содержащим заранее известный код.

 

Методы передачи данных канального уровня

 

Канальный уровень обеспечивает передачу пакетов данных, поступающих от протоколов верхних уровней, узлу назначения, адрес которого также указывает прокол верхнего уровня. Протоколы канального уровня оформляют переданные им пакеты в кадры собственного формата, помещая указанный адрес назначения в одно из полей такого кадра, а также сопровождая кадр контрольной суммой.

Протокол канального уровня предназначен для доставки кадров данных, как правило в пределах сетей с простой топологией связей (локальные сети) или для обеспечения связи "точка-точка" в глобальных сетях, когда протокол канального уровня ответственен за доставку кадра непосредственному соседу, и важно восстановить утерянные или искаженные кадры.

Характеристики протокола, работающего на канальном уровне:

n асинхронный/синхронный;

n символьно-ориентированный/бит-ориентированный;

n с предварительным установлением соединения/дейтаграммный;

n с обнаружением искажения данных/без обнаружения;

n с онаружением потерянных данных/без обнаружения;

n с восстановлением искаженных и потерянных данных/без воостановления;

n с поддержкой динамической компрессии данных/без поддержки.

 

Многие из этих свойств характерны и для протоколов более высокого уровня.

 

Асинхронные протоколы

 

Это наиболее старый способ связи (для связи клавиатур, дисплеев, принтеров с вычислительными машинами). Единицей передаваемых данных является не кадр, а отдельный символ, представляемый байтом со старт-стоповыми символами. Некоторые символы имеют управляющий характер (управляют приемником).

Сейчас существуют более сложные асинхронные протоколы, оперирующие кадрами, например, XMODEM:

1. Принимающая сторона передает символ ASCII NAK.

2. Передающая сторона, приняв NAK, передает очередной блок данных длиной 128 байт плюс заголовок и концевик. Заголовок состоит из специального символа SOH (Start of Header) и номера блока. Концевик содержит контрольную сумму.

3. Принимающая сторона проверяет его номер и контрольную сумму. Если они совпадают, то приемник посылает символ АСК, иначе NAK, после чего передатчик повторяет передачу данного блока.

4. В конце передачи файла передается символ ЕОХ.

 

Синхронные символьно-ориентированные и бит-ориентированные протоколы

 

В синхронные протоколах между пересылаемыми символами (байтами) нет стартовых и стоповых сигналов, поэтому отдельные символы в этих протоколах пересылать нельзя. Весь обмен данными осуществляется кадрами, которые имеют в общем случае заголовок, поле данных и концевик.

Приемник должен суметь:

n распознать границы байт;

n найти начало и конец кадра;

n определить границы каждого поля кадра - адреса назначения, адреса источника и других служебных полей заголовка, а также поле контрольной суммы и поле данных.

Большинство протоколов допускают использование в кадре поля данных переменной длины. Бывают протоколы фиксированной длины. Обычно есть максимальная величина поля данных - максимальная единица передачи данных (Maximum Transfer Unit, MTU). Иногда бывает минимальный размер поля данных.

 

Символьно-ориентированные протоколы

Используются в основном для передачи блоков отображаемых символов, например, текстовых файлов. Синхронизация достигается за счет того, что передатчик добавляет два или более управляющих символа, называемых символами SYN, перед каждым блоком символов. В коде ASCII символ SYN имеет двоичное значение 0010110, что позволяет легко разграничивать эти символы при их последовательном приеме. Символы SYN выполняют две функции: обеспечивают приемнику побитовую синхронизацию, и как только битовая синхронизация достигается, они позволяют приемнику начать распознавание границ символов SYN. После того, как приемник начал отделять один символ от другого, можно задавать границы начала кадра с помощью другого специального символа. Обычно в символьных протоколах для этого используются символы STX (Start of teXt - 0000010), ETX (End of teXt - 0000011).

Возникает проблема с передачей, если в самом кадре есть символы STX, ETX. Решение проблемы - стаффинг, перед управляющими символами вставляются другие специальные символы (например, DLE), и рассматривается вся последовательность.

 

Бит-ориентированные протоколы

Потребность в паре символов в начале и конце каждого кадра вместе с дополнительными символами означает, что символьно-ориентированная передача не эффективна для передачи двоичных данных, так как приходится в поле данных кадра добавлять достаточно много избыточных данных. Кроме того, формат управляющих символов для разных кодировок различен.

Бит-ориентированная передача применяется при передаче как двоичных, так и символьных данных.

1-я схема. Начало и конец каждого кадра отмечается одной и той же 8-битовой последовательностью - 01111110, называемой флагом. Термин "бит-ориентированны" используется потому, что принимаемый поток бит сканируется приемником на побитовой основе для обнаружения стартового флага, а затем во время приема для обнаружения стопового флага. Поэтому длина кадра не обязательно должна быть кратна 8 бит. Чтобы обеспечить синхронизацию приемника, передатчик посылает последовательност байтов простоя (11111111), предшествующую стартовому флагу.

Для достижения прозрачности в этой схеме необходимо, чтобы флаг не присутствовал в поле данных кадра. Это достигается с помощью бит-стаффинга - вставки нулевого бита. Если обнаруживается, что подряд идет пять единиц, то автоматически добавляется 0. Потому в поле кадра никогда не появится 01111110. В приемнике выполняется обратная операция.

 

 

<- Направление передачи
	Открывающий флаг	Содержимое кадра	Закрывающий флаг
	1101101111101101111100-----11
Открывающий флаг	Бит-стаффинг	Закрывающий флаг
	Содержимое кадра

 

 

2-я схема. Для обозначения начала кадра имеется только стартовый флаг, а для определения конца кадра используется поле длины кадра, которое при фиксированных размерах заголовка и концевика чаще всего имеет смысл длины поля данных кадра. Эта схема наиболее применима в локальных сетях, когда для обозначения факта незанятости среды в исходном состоянии по среде вообще не передается никаких сигналов. Чтобы все остальные станции вошли в битовую синхронизацию, посылающая станция предваряет содержимое кадра последовательностью бит, известной как преамбула, которая состоит из чередования единиц и нулей 101010... Войдя в синхронизацию, приемник исследует входной поток на побитовой основе, пока не обнаружит байт начала кадра 10101011, который выполняет роль символа STX. За этим байтом следует заголовок кадра, в котором в определенном месте находится поле длины поля данных. Приемник просто отсчитывает заданное количество байт, чтобы определить конец кадра.

 

101010--10
Преамбула	Стартовый ограничитель кадра	Фиксирован- ный заголовок	Длина в байтах поля данных	Поле данных	Фиксирован- ный концевик

 

 

3-я схема. Использует для обозначения начала и конца кадра флаги, которые включают запрещенные для данного кода сигналы (code violations, V). Например, при манчестерском кодировании вместо обязательного изменения полярности сигнала в середине тактового интервала уровень сигнала остается неизменным и низким (запрещенный сигнал J) или неизменным и высоким (запрещенный сигнал K). Начало кадра отмечается последовательностью JK0JK000, а конец - JK1JK111. Этот способ очень экономичен, так как не требует ни бит-стаффинга, ни поля длины, но его недостаток заклчается в зависимости от принятого метода физического кодирования. При использовании избыточных кодов роль сигналов J и K играют запрещенные символы.

 

Преамбула	JK0JK000		JK1JK111
	Стартовый ограничитель кадра		Стоповый ограничитель кадра

 

Манчестерский код стартового ограничителя