Оценка и контроль качества канала передачи данных с помощью его характеристик

ОЦЕНКА И КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА КАНАЛА ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ С ПОМОЩЬЮ ЕГО ХАРАКТЕРИСТИК Абдраимова А.С.

Абдраимова Арина Салаватовна - магистр, кафедра систем обработки информации и управления, факультет информатики и систем управления, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана Национальный исследовательский университет, г. Москва

Аннотация: в ритме современного мира, в котором царит электроника, чрезвычайно важно владеть информацией. Информация в наше время является важнейшим ресурсом успешной работы и достижения целей. В основном процесс передачи информации осуществляется через интернет, который является глобальной сетью, объединяющей множество компьютеров, соединенных для совместного использования ресурсов и обмена информацией. Он соединяет множество типов сетей, среди которых могут быть правительственные, научные, сети маленьких фирм и больших корпораций. Каждая из этих сетей содержит выделенный компьютер, называемый сервером, с помощью которого осуществляется соединение с другими сетями. Пользователи сети для соединения с сервером применяют телефонные линии, выделенные каналы, радио и спутниковую связь. Для связывания сетей между собой используются высокоскоростные каналы, среди которых наиболее популярной является оптоволоконная линия связи. Ключевые слова: синхронная передача данных, асинхронная передача данных, канал связи, пропускная способность, помехоустойчивость, надежность.

Для внешней передачи данных в компьютерных сетях могут использоваться способы передачи данных, которые привязаны к определенным временным отметкам, то есть один из процессов не может начаться до того, как не закончится предыдущий, а также существует способ, в котором нет никакой временной привязки, и они могут выполняться в произвольный момент времени: первый способ называется синхронным, а второй асинхронным.

При синхронном способе передачи приемник работает синхронно с передатчиком (с фазовым сдвигом, обусловленным временем распространения сигнала), при этом проблема синхронизации приемника и передатчика может решаться двумя способами:

• с помощью внешней синхронизации путем обмена специальными тактовыми синхроимпульсами (флагами) по отдельной линии (практически не применяется из-за дороговизны реализации дополнительного канала);

• путем самосинхронизирующегося кодирования, когда синхросигналы периодически вставляются в основной сигнал и выделяются приемником, так как имеют заранее обусловленные коды или импульсы характерной формы, отличные от формы импульсов данных. В ЛВС чаще других применяют самосинхронизирующийся манчестерский код.

Для повышения достоверности передаваемой информации по каналу связи в конце блока данных выдается контрольная последовательность (1, 2 или 4 байта), сформированная по специальному алгоритму. Чаще всего это контрольная сумма блока (checksum) или реже 16-битный циклический код CRC (Cyclic Redundancy Check - избыточный циклический контроль) [2].

По этому же алгоритму формируется контрольная последовательность при приеме информации из канала связи. Если обе последовательности (или младшая их части совпадают) - принимающая сторона считает, что блок данных передан без ошибок.

Если же последовательности не совпадают, то произошла - ошибка и необходима повторная передача этого блока. Для этой цели в протокол обмена данными включается как обязательный элемент сигнал-квитанция, которая подтверждает правильность приема данных и посылается приемником передатчику. Передача повторяется до получения передатчиком квитирующего сигнала. Если повторные передачи не дают положительного результата, то фиксируется состояние аварии. В случае синхронной передачи передатчик постоянно активен — он непрерывно посылает битовую последовательность если не полезных данных, то символов синхронизации, как некоторого заполнителя. Синхронная передача -высокоскоростная и почти безошибочная [2]. Она используется не только для обмена сообщениями между устройствами ЭВМ, а также в глобальных вычислительных сетях для высокоскоростной передачи данных по телефонным линиям. Синхронная передача требует дорогостоящего оборудования. Параллельные интерфейсы персонального компьютера всегда работают в синхронном режиме.

При асинхронной передаче приемник и передатчик не пользуются общим источником синхронизации. Передача очередной порции данных может начаться в произвольный момент времени. При этом время прохождения между передатчиком и приемником соседних блоков данных может быть и разным.

Так как промежутки времени между передаваемыми блоками не фиксированы, принимающая сторона должна быть предупреждена, когда данные начинаются и когда заканчиваются. Для этого каждая порция битов (Data bits обычно это 7 или 8 битов, первым передается младший бит) ограничивается специальными стартовым (Start bit) и стоповым (Stop bit) битами, которые и позволяют произвести выделение их из потока передачи. Иногда в линиях связи с низкой надежностью используется 2 стоповых битов. После группы информационных битов может следовать бит проверки на четность или нечетность (Parity bit). При использовании проверки на четность (режим Even parity) бит контроля выбирается таким, чтобы сумма информационных битов и бита контроля представляла собой четное число [3]. Аналогично выполняется проверка на нечетность (режим Odd parity). Контроль паритета (parity check) позволяет обнаруживать только ошибки нечетной кратности.

Стартовый бит следующего байта посылается в любой момент времени после стопового бита, за что режим и назван асинхронным. Использование бита четности, стартовых и стоповых битов определяют формат передачи данных. Очевидно, что передатчик и приемник должны использовать один и тот же формат данных, иначе обмен не возможен. В асинхронном режиме применяют коды, в которых явно выделены границы каждого символа (байта) специальными стартовым и стоповым символами. Подобные побайтно выделенные коды называют байт-ориентированными, а способ передачи - байтовой синхронизацией. В синхронном режиме обрамления каждого байта не требуется, соответствующие коды называют бит-ориентированными. В этом случае синхронизация называется блочной (фреймовой). Дополнительные стартовые и стоповые биты несколько снижают эффективную скорость передачи данных и соответственно пропускную способность канала связи, так как используется, по крайней мере, десять бит на байт информационных битов данных, стартовый бит и стоповый бит, а при синхронной -только восемь. Синхронный метод дает возможность ускорить обмен данными на 20% по сравнению с асинхронным методом передачи. В то же время асинхронная передача не требует дорогостоящего оборудования и отвечает требованиям передачи данных в вычислительной сети [2].

Разобравшись со способами передачи данных, приступим к оценке качества канала передачи данных по следующим характеристикам:

• скорость передачи данных по каналу связи;

• пропускную способность канала связи;

• достоверность передачи информации;

• помехоустойчивость;

• задержка;

• надежность канала связи.

Скорость передачи данных. Различают бодовую (модуляционную) и информационную скорости (bit rate). Информационная скорость - определяется количеством битов, передаваемых по каналу связи за одну секунду бит/с, что в англоязычном варианте обозначается как bps.

Бодовая скорость измеряется в бодах (baud). Бод - это число изменений состояния среды передачи в секунду (или числом изменений сигнала в единицу времени). Именно бодовая скорость определяется полосой пропускания линии. Скорость передачи информации 2400 бод означает, что состояние передаваемого сигнала изменялось 2400 раз в секунду, что эквивалентно частоте 2400 Гц [4].

Для иллюстрации этих понятий обратимся к передаче цифровых данных по обычным телефонным каналам связи. Современные модемы кодируют несколько битов данных в одном изменении состояния аналогового сигнала и очевидно, что скорость передачи данных и скорость работы канала в этом случае не совпадают. Если на бодовом интервале (между соседними изменениями сигнала) передается N бит, то число значений модулируемого параметра несущей (переносчика) равно 2N. Например, при числе градаций 16 и скорости 1200 бод одному боду соответствует 4 бит/с и информационная скорость составит 4800 бит/с, т.е. скорость в битах в секунду превышает скорость в бодах. В частности, модемы на 2 400 и 1 200 бит/с передают 600 бод, а модемы на 9 600 и 14 400 бит/с— 2 400 бод.

В аналоговых телефонных сетях скорость передачи данных определяется типом протокола, который поддерживают оба модема, участвующие в соединении:

• современные модемы работают по протоколам V.34+ со скоростью до 33600 бит/с или по протоколу асимметричного обмена данными V.90 со скоростью передачи до 56 Kbps. Стандарт V.34+ позволяет работать по телефонным линиям практически любого качества. Первоначальное соединение модемов происходит по асинхронному интерфейсу на минимальной скорости 300 бит/с, что позволяет работать на самых плохих линиях. После тестирования линии выбираются основные параметры передачи (частота несущей 1,6-2,0 КГц, способ модуляции, переход в синхронный режим) которые в последствии могут динамически изменяться без разрыва связи, адаптируясь к изменению качества линии;

• протокол V.90 был принят Международным Союзом Электросвязи (МСЭ) в феврале 1998 г. В соответствии с этим стандартом модемы, установленные у пользователя, могут принимать данные от провайдера сети (входящий поток -Downstream) на скорости 56 Kbps, а посылать (исходящий поток - Upstream) - на скорости до 33,6 Kbps. Достигается это за счет того, что данные на узле сети, подключенному к цифровому каналу, подвергаются только цифровому кодированию, а не аналого-цифровому преобразованию, которое всегда вносит шум дискретизации и квантования. На стороне пользователя из-за «последней аналоговой мили» происходит и цифро-аналоговое (в модеме) и аналого-цифровое преобразование (на АТС), поэтому увеличение скорости невозможно. Очевидно, что применить такую схему удается только там, где один из модемов имеет доступ к цифровому каналу. Практически только провайдер сети Интернет может быть связан с АТС пользователя цифровым каналом.

Тип сети (протокол канального уровня) Вид линии передачи данных Скорость передачи данных, Мбит/с

Ethernet Толстый коаксиальный кабель (10Base-5) Тонкий коаксиальный кабель (10base-2) Неэкранированная витая пара ШР категории 3 (10Base-T) Оптоволокно (10Base-F) 10

Fast Ethernet иТР 5 категории (100Base-TX) иТР 3,4 категории (100Base-T4) Оптоволокно (100Base-FX) 100

Gigabit Ethernet иТР 5 категории (1000Base-TX) Многомодовое оптоволокно (1000Base-SX) Одномодовое оптоволокно (1000Base-LX) Твинаксиальный кабель(1000Base-СX) 1000

Token Ring

FDDI (Fiber Distributed Data Interface) Оптоволокно 100

Пропускная способность C (bandwidth) связана с полосой пропускания F (точнее с верхней частотой полосы пропускания) канала связи формулой Хартли -Шеннона. Пусть N - число возможных дискретных значений сигнала, например, число различных значений модулируемого параметра. Тогда на одно изменение величины сигнала, в соответствии с формулой Хартли, приходится не более I=log2N бит информации. Максимальную информационную скорость передачи можно определить, как:

С = log2N / t, (1) где t - длительность переходных процессов, приблизительно равная (3-4)ТВ, а ТВ = l/(2xF). Тогда

loe N

С = ё2 2лР log, N 'nun c,

В случае канала с помехами количество различимых значений модулированного сигнала N должно быть < 1+A, где A - отношение мощностей сигнала и помехи [1].

Достоверность передачи информации или уровень ошибок (error ratio) оценивают либо как вероятность безошибочной передачи блока данных, либо как отношение количества ошибочно переданных битов к общему числу переданных битов (единица измерения: количество ошибок на знак - ошибок/знак). Требуемый уровень достоверности должны обеспечивать как аппаратура канала, так и состояние линии связи. Нецелесообразно использовать дорогостоящую аппаратуру, если линия связи не обеспечивает необходимых требований по помехоустойчивости.

При передаче данных в вычислительных сетях этот показатель должен лежать в пределах 10-8 -10-12 ошибок/знак, т.е. допускается не более одной ошибка на 100

миллионов переданных битов. Для сравнения, допустимое количество ошибок при телеграфной связи составляет примерно 3 • 10-5 на знак.

Помехоустойчивость линии определяет ее способность уменьшать уровень помех, создаваемых во внешней среде, на внутренних проводниках. Помехоустойчивость линии зависит от типа используемой физической среды, а также от экранирующих и подавляющих помехи средств самой линии. Наименее помехоустойчивыми являются радиолинии, хорошей устойчивостью обладают кабельные линии и отличной - волоконно-оптические линии, малочувствительные ко внешнему электромагнитному излучению. Обычно для уменьшения помех, появляющихся из-за внешних электромагнитных полей, проводники экранируют и/или скручивают [1].

Задержка - это то, через сколько пакет, отправленный из точки A, окажется в точке B. Из этой характеристики можно выделить еще две: односторонняя задержка (one-trip) и круговая (round-trip). Дело в том, что путь от A к B может быть один, а от B к A уже совсем другим. Просто поделить время не получится. А еще задержка время от времени может меняться, или «дрожать», - такая метрика называется джиттером (jitter). Джиттер показывает вариацию задержки относительно соседних фреймов, т.е. девиацию задержки первого пакета относительно второго, или пятого относительно четвертого, с последующим усреднением в заданный период. Однако если требуется анализ общей картины или интересует изменение задержки в течение всего времени теста, а джиттер уже не отражает точно картину, то используется показатель вариации задержки (delay variation).

Надежность коммуникационной системы определяется либо долей времени исправного состояния в общем времени работы, либо средним временем безотказной работы в часах. Вторая характеристика позволяет более эффективно оценить надежность системы. Для вычислительных сетей среднее время безотказной работы должно быть достаточно большим и составлять, как минимум, несколько тысяч часов [3].

Оценивать канал передачи данных, образованный при помощи каналообразующей аппаратуры с частотным разделением каналов, рекомендуется по следующей методике:

1. Снимаются первичные статистические характеристики используемого канала. Полученные характеристики сравниваются с нормами на каналы ТЧ для передачи данных.

2. По снятым характеристикам оценивается возможная скорость установления соединения АПД. Если ожидается работа со скоростью менее 9600 бит/с, то имеет смысл заменить канал либо проанализировать .последнюю милю.

3. В течение длительного периода времени (не менее 15 минут) измеряются такие характеристики канала, как скачки амплитуды, импульсные помехи, скачки фазы, перерывы связи, с учетом предполагаемой скорости соединения.

4. Вычисляется вероятность появления ошибочного пакета, при этом считается, что аппаратная коррекция ошибок не используется.

5. Если ожидаемые скорость и качество не удовлетворяют заказчика, то необходимо проанализировать полученные характеристики и возможно, снизить скорость или выбрать другой канал.

Таким образом, для анализа канала связи передачи данных учитываются все его важнейшие характеристики с использованием наиболее эффективных методик, подходящих для выбранного типа связи.

Список литературы

1. Бочаров П.П., Вишневский В.М. Развитие теории мультипликативных сетей. //

Автоматика и телемеханика, 2003. С. 120-125.

23

2. Величко В.В., Катунин Г.П., Шувалов В.П. Основы инфокоммуникационных технологий. Учебное пособие для вузов. М.: Горячая линия - Телеком, 2009. С. 451-455.

3. Модемы: разработка и использование в России / Сборник подготовлен специалистами фирмы «Аналитик-ТС» // Технологии электронных коммуникаций. М., 1995. Т. 62. 128 с.

4. Столлинг Вильям. Компьютерные системы передачи данных. Учебное пособие для вузов. М. «Вильямс», 2010. С. 634-745.

ИМПАКТ-АНАЛИЗ И АНАЛИЗ КОРЕННЫХ ПРИЧИН КАК МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ИНФОРМАЦИОННОГО РЕСУРСА

Аничкин А.А.

Аничкин Андрей Александрович - бакалавр, магистрант, кафедра автоматизированных систем управления, факультет автоматики и вычислительной техники, Новосибирский государственный технический университет, г. Новосибирск

Аннотация: в статье рассматривается вопрос оценки информационных ресурсов и поддержки принятия решений с помощью двух видов анализа. Два основных метода анализа в 1Т-менеджменте - анализ коренных причин и импакт-анализ. Анализ коренных причин - это процесс определения базисных причин неисправностей в системе. Импакт-анализ - это процесс определения всех сущностей, которые могут быть подвержены изменению из-за возникшей проблемы во избежание непредвиденных последствий.

Ключевые слова: импакт-анализ, анализ коренных причин, информационный ресурс.

Системы информационных технологий на сегодняшний день по большей части являются основополагающими для бизнеса. Возьмем для примера сервис фотопечати, который дает возможность клиентами пользоваться его услугами онлайн. Предположим, что с сайтом что-то пошло не так и это, как следствие, не дает клиентам возможность войти в аккаунт. Из-за этого клиенты не могут загрузить свои фотографии для печати, что подтолкнет их выбрать компанию-конкурента, оказывающую подобные услуги. Такая ситуация будет причиной потери прибыли предприятия. Таким образом, очень важно правильно управлять подобной компанией и быстро решать любые возникающие в ней проблемы, чтобы свести к минимуму убытки.

Два основных метода в ^-менеджменте - анализ коренных причин и импакт-анализ. При анализе коренных причин определяются базисные причины неисправностей в системе. Быстрый и точный анализ коренных причин способствует снижению времени определения причины отказа в системе, что ведет к более быстрому ее восстановлению. На практике, изменения в системе зачастую приводят к непредвиденным проблемам. Поэтому, важно внимательно планировать любые изменения в ней и правильно определять все задействованные в неполадке элементы. Соответственно, импакт-анализ подразумевает определение всех сущностей, которые могут быть подвержены изменению из-за возникшей проблемы [1].

Например, если на сервер устанавливается патч для устранения ошибок защиты, системный аналитик должен удостовериться, что никакая из программ, установленных на этом сервере, не будет подвержена негативному воздействию. Такое может произойти, например, если патч закрывает программе доступ к определенным удаленным ресурсам. В этом случае набор изменяемых объектов будет