MO:17. Základní formy přenosů, multiplexování

Základní formy přenosů Základní funkcí každé počítačové sítě je přenos datových signálů od jednoho počítače ke druhému. V počítačových sítích se můžeme setkat s nejrůznějšími formami přenosu signálů, které mohou být navíc různým způsobem modulovány a kódovány. K přenosu se mohou používat přenosové kanály různých vlastností a charakteristik.

Formy přenosů: Paralelní a sériový přenos (parallel and serial transmission) Sériový asynchronní přenos (serial asynchronous transmission) Sériový synchronní přenos (serial synchronous transmission

Samotné přenosy:

Paralelní a sériový přenos (parallel and serial transmission) Při paralelním přenosu jsou data přenášena po více bitech najednou, typicky po celých bytech. K tomu je ovšem zapotřebí příslušný počet souběžných (paralelních) vodičů, což je únosné jen na krátké vzdálenosti (typicky 20 metrů). S paralelním přenosem se můžeme setkat nejčastěji při komunikaci mezi počítačem a tiskárnou vybavenou tzv. paralelním rozhraním (standardní případ); V oblasti počítačových sítí pak jen zcela výjimečně u některých experimentálních lokálních sítí. Při sériovém přenosu jsou data přenášena postupně bit po bitu, nejnižším (přesněji nejméně významným) počínaje. V drtivé většině sítí je přenos dat sériový. Nejmenší položka dat přenášená sériově je označována jako znak (character) a má obvykle rozsah 7 nebo 8 bitů. Znak vyjádřený přímo ve formě posloupnosti dvojkových bitů, které se skutečně přenášejí, se pak označuje jako značka.

Sériový asynchronní přenos (serial asynchronous transmission) Při asynchronním sériovém přenosu mohou být jednotlivé znaky (přesněji značky) přenášeny s libovolnými časovými odstupy mezi sebou. Příjemce pak ovšem nemůže předem vědět, kdy začíná další znak, a proto musí být schopen jeho příchod podle vhodného příznaku rozpoznat. Tímto příznakem je tzv. start-bit kterým začíná každý asynchronně přenášený znak. Příchod start-bitu je pro příjemce současně i možností správně si nastavit své měřítko času (přesněji svou časovou základnu). To je nutné proto, aby příjemce správně určil časové okamžiky, kdy má vyhodnocovat stav jednotlivých datových bitů, které po start-bitu následují. Za vlastními datovými bity může následovat jeden tzv. paritní bit (viz dále) a konečně tzv. stop-bit (též závěrný prvek), jehož délka obvykle odpovídá délce jednoho nebo dvou datových bitů. Stop-bit v sobě nenese žádnou informaci; jeho smyslem je pouze zajistit určitý minimální odstup mezi jednotlivými znaky - vyslání následujícího znaku může začít nejdříve po odvysílání celého předchozího znaku, tedy včetně jeho stop-bitu. Asynchronnímu způsobu přenosu se někdy také říká trochu nehezky start-stopní přenos.

Parita (parity): Při sériovém i paralelním přenosu dat může docházet k chybám, jejichž důsledkem je přijetí opačné hodnoty jednoho či několika bitů, než jaké byly původně vyslány. Nejjednodušším, ale současně také nejménně účinným způsobem zabezpečení znaku (kterým je umožněno následně rozpoznat výskyt chyby) je doplnění datových bitů jedním dalším bitem tak, aby celkový počet jedniček ve znaku byl (při odesílání) lichý (pak jde o tzv. lichou paritu - odd parity), nebo naopak sudý (pak jde o tzv. sudou paritu - even parity). Příjemce musí vědět, zda mu odesilatel posílá znaky se sudou, nebo lichou paritou. Pokud počet jedničkových bitů nesouhlasí s očekávanou paritou, může si příjemce dovodit, že došlo k chybě při přenosu jednoho (nebo tří, pěti, obecně lichého počtu) bitů. Má-li přijatý znak očekávanou paritu, není to ještě stoprocentní zárukou jeho bezchybnosti - pomocí jediného paritního bitu nelze rozpoznat chyby v sudém počtu bitů. Zabezpečení pomocí jednoho paritního bitu je tedy vhodné používat jen tam, kde je pravděpodobnost výskytu chyb v jednotlivých bitech malá a pravděpodobnost výskytu chyb ve více bitech současně zanedbatelná. V praxi se lze setkat také s tím, že se paritní bit nastavuje vždy na 0 (resp. vždy na 1) - v angličtině se tomu říká space parity (resp. mark parity). Smysl je např. ten, že odesilatel může vysílat sedmibitové znaky doplněné tímto konstantním paritním bitem, které příjemce přijme jako osmibitové znaky bez parity (čímž se ovšem ztrácí možnost detekovat přenosové chyby).

Multiplexování:

Časový multiplex(TDM – Time Division Multiplexing) je princip přenosu více signálů jedním společným přenosovým médiem. Jednotlivé signály jsou odděleny tím, že se každý z nich vysílá (přenáší) pouze krátký pevně definovaný časový okamžik.Laicky řečeno „každý chvilku tahá pilku“. Prakticky ve všech případech se používá rámcové struktury, která je rozdělena na stejně velké timesloty (TS), časové intervaly pro vysílání, pro každý signál jeden. Tento rámec se v čase neustále opakuje a tedy každý signál se přenáší stále se stejnou pravidelností. Představu časového multiplexu ukazuje obrázek - vše je založeno na myšlence, že digitálně fungující přenosová cesta je pravidelně, podle předem známého a definovaného postupu, přidělována jednotlivým dílčím kanálům, na předem známé a definované časové úseky - v nejjednodušším případě cyklicky, každému na stejnou dobu. Obr.2: Představa časového multiplexu Důležité přitom je právě onen „předem známý a definovaný" způsob, který příjemci umožňuje kdykoliv si domyslet, komu patří to co v daném okamžiku „vylézá" na druhé straně přenosové cesty - aniž by přitom samotná přenášená data musela nějakým explicitním způsobem identifikovat, co jsou zač.

Frekvenční multiplex(FDM – Frequency Division Multiplexing) Frekvenční multiplex slouží k přenášení více telefoních hovorů současně po jedné přenosové cestě,respektive po jednom spoji- když přeci každý telefon je připojen na samostatný kus drátu, který vede až k nejbližší telefonní ústředně (tzv. účastnickou přípojku). Důvodem je právě to, že mezi jednotlivými telefonními ústřednami nevedou stovky a tisíce jednotlivých „drátů", které by bylo možné plně vyhradit jednotlivým telefonním hovorům. Místo toho mezi ústřednami vede několik málo spojů s větší přenosovou kapacitou, a po nich se pak přenáší více telefonních hovorů najednou. Dokud ještě telefonní síť fungovala analogově (hlavně mezi ústřednami), používala se za tímto účelem technika označovaná jako tzv. frekvenční multiplex. Její podstatu ilustruje dnešní první obrázek: každý jednotlivý telefonní hovor, chápaný jako analogový signál s přenosovým pásmem od 300 do 3400 Hz (tedy se šířkou pásma 3,1 kHz) byl zde upraven tak, aby se „posunul do vhodné frekvenční polohy" - například tak, aby jeho pásmo 3,1 kHz bylo mezi 8300 Hz a 11400 Hz apod. Pokud se totéž udělalo i s dalšími hovory, a každý byl posunut do jiné frekvenční polohy, bylo možné všechny „posunuté" signály smíchat do jednoho výsledného signálu o větší šířce pásma, a ten přenést přes takovou přenosovou cestu, jaká byla k dispozici a měla dostatečnou šířku přenosového pásma. Na jejím druhém konci pak samozřejmě muselo dojít k opačnému procesu - k „navrácení" jednotlivých dílčích signálů (telefonních hovorů) zpět do jejich původní frekvenční polohy. Důležité je přitom uvědomit si, že právě popsaný frekvenční multiplex je ryze analogovou technikou. K jejímu korektnímu fungování bylo nutné jednotlivé telefonní hovory ještě oddělit vhodnými „odstupy", které nakonec vedly ke spotřebě celkem 4 kHz na jeden telefonní hovor. I tak by ale mělo být na první pohled zřejmé, že čím užší pásmo zabírá jeden hovor (i s nezbytnými „odstupy"), tím více hovorů je možné přenést po pevně dané přenosové cestě mezi telefonními ústřednami - už tušíte, proč lidé od spojů uměle omezili šířku pásma jednotlivým telefonním hovorů na oněch 3,1 kHz, které pak vzhledem k Shannonovu teorému nedovolují rychlejší datové přenosy než cca 30 kilobitů za sekundu?