Книга: Wi-Fi. Беспроводная сеть

Процесс передачи данных

Итак, у нас есть набор радиопередатчиков и приемников, которые работают на одних и тех же частотах и используют один и тот же вид модуляции (модуляцией в связи называется метод добавления некоторой информации, например голоса или цифровых данных, в радиоволну). Следующим этапом является отправка через эту радиоаппаратуру некоторых сетевых данных. Чтобы начать, давайте обозначим общую структуру компьютерных данных и методы, которые используются в сети для их передачи из одного места в другое. Это общеизвестная информация, но ее изложение займет у меня всего пару страниц. Тогда вам легче будет понять, как работает беспроводная сеть.

Биты и байты

Как известно, обрабатывающее устройство компьютера может распознавать только два информационных состояния: либо сигнал присутствует на входе устройства, либо его там нет. Эти два условия также обозначаются как 1 и 0, или «включено» и «выключено», или знак и пробел. Каждый пример 1 или 0 называется битом.

Отдельные биты не являются особо полезными, но, когда вы соединяете восемь из них в строку (в байт), можно получить 256 комбинаций. Этого достаточно для присвоения различных последовательностей всем буквам алфавита (как строчным, так и прописным), десяти цифрам от 0 до 9, пробелам между словами и другим символам, например знакам препинания и некоторым буквам, используемым в иностранных алфавитах. Современный компьютер распознает несколько 8-битовых байтов одновременно. По завершении обработки компьютер использует тот же битовый код. Результат может быть выведен на принтер, видеодисплей или канал передачи данных.

Входы и выходы, о которых мы говорим здесь, формируют схему коммуникаций. Аналогично процессору компьютера канал данных может распознавать только один бит в момент времени. Либо сигнал присутствует в линии, либо его нет.

На коротких дистанциях можно отправлять данные по кабелю, который переносит восемь (либо кратное восьми число) сигналов параллельно через отдельные провода. Очевидно, что параллельное подключение может быть в восемь раз быстрее, чем отправка одного бита по отдельному проводу, но эти восемь проводов и стоят в восемь раз дороже одного. Когда вы отправляете данные на длинные дистанции, дополнительная стоимость может стать непомерно высокой. А при использовании имеющихся цепей, например телефонных линий, вы должны найти способ отправки всех восьми битов через один и тот же провод (или иной носитель).

Решением является передача одного бита в момент времени с несколькими дополнительными битами и паузами, определяющими начало каждого нового байта. Такой способ называется последовательным каналом передачи данных, поскольку вы отправляете биты один за другим. Не имеет значения, какую промежуточную среду вы используете для передачи битов. Это могут быть электрические импульсы в проводе, два разных аудиосигнала, последовательности мигающих индикаторов, даже пачка записок, прикрепленных к ногам почтовых голубей. Но у вас должен быть способ преобразования выходных данных компьютера в сигналы, используемые средой передачи, и обратного их преобразования на другом конце.

Проверка ошибок

В идеальной передающей цепи сигнал, поступающий на один конец, будет абсолютно идентичен исходящему. Но в реальном мире практически всегда имеется некая разновидность шума, который может внедряться в чистый исходный сигнал. Шум определяется как нечто, добавляемое к исходному сигналу; он может быть вызван разрядом молнии, помехой от другого коммуникационного канала или неплотного контакта где-нибудь в цепи (например, атакой хищного ястреба на почтовых голубей). Каким бы ни был источник, шум в канале может повредить поток данных. В современной коммуникационной системе биты протекают через цепь предельно быстро — миллионы за каждую секунду, поэтому воздействие шума даже в долю секунды может уничтожить достаточное количество битов, чтобы превратить данные в бессмыслицу.

Это значит, что для любого потока данных необходимо включить проверку ошибок. Во время проверки ошибок в каждый байт добавляется некая разновидность стандартной информации, называемой контрольной суммой. Если приемное устройство обнаруживает, что контрольная сумма отличается от предполагаемой, оно запрашивает передатчик о повторной отправке этого же байта.[1]

Квитирование

Разумеется, компьютер, создающий сообщение или поток данных, не может просто перейти в оперативный режим и начать отправку байтов. Сначала он должен оповестить устройство на другом конце, что готов к отправке, а требуемый адресат — к приему данных. Для реализации этого оповещения серии запросов и откликов квитирования должны сопровождаться полезными данными.

Последовательность запросов может выглядеть следующим образом:

Поиск точки назначения

Связь через прямое физическое подключение между источником и точкой назначения не нуждается в добавлении какого-либо вида адреса или маршрутной информации как части сообщения. Сначала вы можете настроить подключение (осуществив телефонный вызов или вставив кабели в коммутатор), но после этого связь сохраняется до тех пор, пока вы не проинструктируете систему о разрыве.

Такой тип подключения хорош для передачи голоса и простых данных, но недостаточно эффективен для цифровых данных в сложной сети, которая обслуживает множество источников и точек назначения, поскольку постоянно ограничивает возможности цепи, даже когда данные через канал не идут.

Альтернативой является отправка вашего сообщения на центральный коммутатор, который хранит его до тех пор, пока связь с точкой назначения не станет возможной. Это называется системой хранения и передачи. Если сеть была правильно разработана под тип данных и размер трафика системы, время ожидания будет незначительным. Если коммуникационная сеть покрывает большую часть территории, вы можете передавать сообщение на один или более промежуточных центров коммутации перед тем, как оно достигнет конечного адреса. Значительное преимущество такого метода заключается в том, что множество сообщений может передаваться по одной и той же цепи по принципу «как только будет возможен доступ».

Чтобы еще более повысить быстродействие сети, вы можете делить сообщения, превышающие по длине некоторое произвольное значение, на отдельные части, называемые пакетами. Пакеты из более чем одного сообщения могут посылаться совместно по одной и той же цепи, комбинироваться с пакетами, содержащими другие сообщения при прохождении через центры коммутации и самостоятельно восстанавливаться в точке назначения. Каждый пакет данных должен содержать следующий набор информации: адрес точки назначения для пакета, порядок следования этого пакета по отношению к другим в исходной передаче и т. п. Часть этой информации сообщается центрам коммутации (куда передавать каждый пакет), а другая — точке назначения (как восстановить данные из пакета обратно в исходное сообщение).

Та же самая схема повторяется каждый раз, когда вы добавляете следующий уровень действия в коммуникационную систему. Каждый уровень может прикреплять дополнительную информацию к исходному сообщению и убирать эту информацию, если необходимость в ней исчезла. В то время, когда сообщение отправляется с портативного компьютера по беспроводной сети через офисную сеть и интернет-шлюз на удаленный компьютер, подключенный к другой сети, дюжина или более информационных дополнений может добавляться и удаляться, перед тем как адресат прочтет исходный текст. Пакет данных с адресом и контрольной информацией в заголовке перед содержимым сообщения, завершающийся контрольной суммой, называется фреймом. Как проводные, так и беспроводные сети разделяют поток данных на фреймы, которые содержат различные формы информации квитирования вместе с полезными данными.

Может оказаться полезным представление этих битов, байтов, пакетов и фреймов как цифровой версии письма, которое отправляется через сложную систему доставки.

1. Вы пишете письмо и кладете его в конверт. Адрес точки назначения расположен на внешней стороне конверта.

2. Вы приносите письмо в отдел доставки на работе, где клерк кладет ваш конверт в большой конверт Express Mail (Экспресс-почта). Большой конверт имеет название и адрес офиса, где работает адресат.

3. Почтовый клерк относит большой конверт на почту, где другой клерк кладет его в мешок с почтой и прикрепляет к мешку клеймо, указывающее месторасположение почты, обслуживающей офис адресата.

4. Меток с почтой отвозят на грузовике в аэропорт, где его грузят в транспортную тару вместе с другими мешками, доставляемыми в тот же город, где находится точка назначения. Транспортная тара имеет ярлык, сообщающий грузчикам, что находится внутри.

5. Грузчики заносят контейнер в самолет.

6. На данном этапе письмо находится внутри вашего конверта, который расположен внутри конверта Express Mail, находящегося в мешке с письмами в контейнере внутри самолета. Самолет летит в другой аэропорт, близ города, где находится точка назначения.

7. В аэропорту назначения наземная команда выгружает контейнер из самолета.

8. Грузчики вынимают мешок из контейнера и помещают его в другой грузовик.

9. Грузовик перевозит мешок на почту, расположенную рядом с офисом адресата.

10. На почте клерк вынимает большой конверт из мешка и вручает его почтальону.

11. Почтальон доставляет большой конверт Express Mail в офис адресата.

12. Служащий в приемной офиса вынимает ваш конверт из конверта Express Mail и относит его конечному адресату.

13. Адресат вскрывает конверт и читает письмо.

На каждом этапе информация, имеющаяся на внешней стороне пакета, служит инструкцией, как обращаться с пакетом, но манипулятора не интересует, что находится внутри. Ни вы, ни лицо, которое в конечном итоге прочтет ваше письмо, не видите ни большой конверт Express Mail, ни мешок с письмами, ни грузовик, ни контейнер, ни самолет, но каждое из этих хранилищ играет важную роль в перемещении вашего письма из одного места в другое.

Вместо конвертов, мешков и контейнеров электронное сообщение использует строки данных для оповещения системы, но в конечном итоге выглядит точно так же. В сетевой модели OSI каждый уровень транспортировки может быть представлен отдельным слоем.

К счастью, сетевое программное обеспечение автоматически добавляет и удаляет все заголовки, адреса, контрольные суммы и иную информацию, поэтому вы и лицо, принимающее ваше сообщение, их не видите. Тем не менее каждый элемент, добавляемый к исходным данным, увеличивает размер пакета, фрейма или иного хранилища. Следовательно, возрастает количество времени, необходимое для передачи данных через сеть. Поскольку номинальная скорость передачи наряду с «полезными» данными включает всю дополнительную информацию, реальная скорость передачи данных через сеть значительно медленнее.

Другими словами, даже если ваша сеть подключается на скорости 11 Мбит/с, реальная скорость передачи данных может примерно достигать лишь 6–7 Мбит/с.

Оглавление книги