Наличие неисправности в аппаратуре приводит к ее неработоспособности. Под надежностью любой информационной системы понимают свойство системы выполнять свои функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах. При оценке качества системы связи необходимо учитывать возможность возникновения сбоев и отказов. Под сбоем обычно понимается самоустраняющийся отказ, приводящий к кратковременному нарушению работоспособности. Под отказом понимают нарушение работоспособности аппаратуры.
Проблема надежности отличается от проблемы помехоустойчивости тем, что в случае отказа повторение одной и той же операции во времени не позволит обнаружить и исправить ошибку. Вместе с тем в системах с последовательными кодами одиночный отказ элемента может привести к неодиночной ошибке в выходном сигнале. Однако при соответствующем проектировании информационных систем основные методы обеспечения помехоустойчивой передачи информации могут быть применены к задаче конструирования надежных технических устройств. Также как и для повышения помехоустойчивости, для увеличения надежности необходимо вводить избыточность. В частности, с небольшими изменениями можно использовать большинство результатов теории кодирования при введении аппаратурной кодовой избыточности.
Проблема помехоустойчивости в определенной степени является противоречивой по отношению к проблеме надежности. Если для увеличения помехоустойчивости необходимо увеличивать избыточность передаваемой информации, то это приводит к усложнению системы и если вводимая избыточность не рассчитывалась на исправление ошибок, возникших из-за неисправности аппаратуры, то снижается надежность. Только оценивая помехоустойчивость и надежность единым критерием, можно оценить общую эффективность построения системы связи. Свойство системы в отношении помехоустойчивости и надежности можно связать с количеством информации, проходящим через систему.
Расчет вероятности потерь по причине отказа в обслуживании можно вести исходя из известных в теории массового обслуживания соотношений. Снижение этих потерь также может быть осуществлено путем введения избыточности в обслуживании. Она позволяет уменьшать время обслуживания информационных потоков, что в ряде случаев очень важно в связи с тем, что в задачах, связанных с оперативным управлением, регулированием или контролем, существенную роль играет старение информации, поэтому задержки могут оказаться эквивалентными потере информации.
Значительную сложность представляет выбор между избыточностью в информации и избыточностью в обслуживании. Информационная избыточность приводит к увеличению времени обслуживания каждого сообщения. Поэтому для компенсации потерь, связанных с отказом в обслуживании, вносится избыточность в обслуживании (увеличивают объем памяти буферных запоминающих устройств; число декодеров и другое). Это усложняет аппаратуру и снижает надежность.
Поэтому серьезной задачей является определение оптимальных соотношений по всем видам избыточности. Комплексный информационный подход к оценке потерь информации с учетом всех сторон функционирования технических средств позволяет добиться наивысшей эффективности работы системы связи.
1.2.3 Типы кабелей, применяемых в компьютерных сетях
В компьютерных сетях применяются кабели, соответствующие стандартам. Наиболее употребительным является международный стандарт ISO/IEC 11801.
В стандартах должны быть регламентированы следующие основные характеристики кабелей:
- затухание (в дБ/м);
- устойчивость кабеля к внутренним источникам помех;
- импеданс (волновое сопротивление);
- уровень внешнего электромагнитного излучения в проводнике.
Для оценки перекрестных наводок, возникающих при использовании пары проводов в кабеле для передачи и приема, используется показатель NEXT (Near End Cross Tolk), рассчитываемый по формуле 20log10(Aвых/Aвх), где Aвых и Авх – амплитуды выходного и наведенного входного сигналов.
Импеданс (волновое сопротивление) – эффективное входное сопротивление кабеля для переменного тока. При изменении напряжения реакция системы зависит не только от нагрузки на удаленном конце кабеля, а от эффективного сопротивления, которое определяется погонной емкостью и индуктивностью кабеля. Если нагрузка на кабеле не совпадает с его волновым сопротивлением (кабель рассогласован), то в кабеле возникают отражения сигнала от нагрузки (вплоть до возникновения стоячей волны при большом сопротивлении нагрузки), что приводит к невозможности передачи данных. Для обеспечения согласования необходимо, чтобы кабели в сети и концевые нагрузки имели одинаковое волновое сопротивление.
Уровень внешнего электромагнитного излучения в проводнике характеризует помехозащищенность кабеля, то есть степень ослабления внешних помех от различных источников (линий электропередачи, средств связи, оргтехники и бытовой техники, электромоторов).
Наиболее широкое применение находят следующие типы кабелей.
Неэкранированная витая пара UTP является наиболее употребительной в локальных сетях и подразделяется по категориям. Кабели категории 3 и 4 имеют рабочий диапазон до 16 и 20 МГц, предназначены для передачи данных со скоростью до 10 и 15 Мбит/с. Кабели категории 5 - наиболее распространенный вид, ориентированы на рабочий диапазон до 100 МГц. Кабели категорий 6 и 7 имеют рабочий диапазон 200 и 600 МГц и лучшие характеристики затухания и помехозащищенности, но используются редко из-за своей дороговизны. Волновое сопротивление кабелей витой пары составляет 100 Ом. Все кабели выпускаются в 4-парном исполнении.
Экранированная витая пара STP имеет лучшие характеристики по сравнению с неэкранированной. Основным стандартом, определяющим параметры кабелей данного типа, является стандарт фирмы IBM, в котором кабели разделены на девять типов.
Коаксиальные кабели широко используются не только в компьютерных сетях, но и для передачи ВЧ телевизионных сигналов.
Кабель RG-8 и RG-11 – «толстый» коаксиальный кабель, имеет волновое сопротивление 50 Ом и внешний диаметр 2.5 см. Это дорогой кабель с высокими характеристиками.
Кабели RG-58/U (сплошной тонкий проводник), RG-58 A/U (многожильный проводник) и RG-58 C/U, RG-59 – тонкие коаксиальные кабели с волновым сопротивлением 50 Ом.
Волоконно-оптические кабели (ВОК) состоят из центрального проводника света (волокна), окруженного другим проводником – оболочкой. Оболочка обладает меньшим показателем преломления, чем сердцевина, поэтому излучение не выходит за пределы волокна.
Различают одномодовое волокно (очень тонкого диаметра), с полосой пропускания сотни гигагерц, и многомодовое волокно, с более широким сердечником и меньшей полосой пропускания (500-800 МГц). В многомодовом волокне из-за относительно больших размеров электромагнитная волна высокой частоты может распространяться в нескольких режимах (модах), с разными скоростями, что приводит к искажениям передачи информации. Поэтому верхняя граничная частота такого волокна ограничена нижней частотой возникновения высших мод.
В качестве источников света в ВОК используют светодиоды и полупроводниковые лазеры. Для передачи информации используется свет с длиной волны 850-1300 нм.
1.3 Этапы повышения помехоустойчивости данных
Для передачи данных используются способы с максимальным использованием свойств каналов по скорости и достоверности передачи данных.
Данные первоначально предоставляются последовательностью прямоугольных импульсов. Для их передачи без искажения требуется полоса частот от нуля до бесконечности. Реальные каналы имеют конечную полосу частот, с которой необходимо согласовать передаваемые сигналы. Согласование обеспечивается, во-первых, путем модуляции – переноса сигнала на заданную полосу частот и, во-вторых, путем кодирования – преобразовании данных в вид, позволяющий обнаруживать и исправлять ошибки, возникающие из-за помех в канале связи.
1.3.1 Кодирование передаваемых данных
Искажение информации может происходить по различным причинам от помех или шумов, которые могут быть вызваны различными обстоятельствами, такими, как неисправность ЭВМ, отклонение от стандартов напряжения сети или влажности помещения, внешние помехи и другое.
Поэтому одной из важнейших проблем теорий кодирования является проблема обнаружения и исправления ошибок, возникающих при передаче информации. Различают три вида ошибок, возникающих по различным причинам:
1) погрешности в данных;
2) методические погрешности;
3) неисправности в работе ЭВМ.
Ошибки первого и второго вида система контроля не сможет исправить самостоятельно, их надо учесть заранее.
В задачи помехоустойчивого кодирования входит обнаружение и исправление ошибок третьего вида. Эта цель достигается введением избыточной информации. Избыточность информации можно получить аппаратными (схемными), логическими и информационными средствами. Существует несколько десятков разнообразных методов распознавания и коррекции ошибок кодирования, предназначенных для каналов связи с различными характеристиками помех.
Сформулируем три глобальные проблемы кодирования:
1) создание шифра кодирования;
2) создание специальных корректирующих кодов для поиска и исправления ошибок, возникающих в результате передачи и хранения информации;
3) минимизация избыточной информации для успешной коррекции и сокращения потерь в скорости передачи сообщения.