Оценка достоверности передачи данных

ПОКАЗАТЕЛИ ОЦЕНКИ ДОСТОВЕРНОСТИ (БЕЗОШИБОЧНОСТИ) ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ В СЕТЯХ

Надежность сети связана со способностью передавать достоверно (без ошибок)

данные пользователя из одного ООД в другое ООД. Она включает в себя способность

восстановления после ошибок или потери данных в сети, включая отказы канала,

ООД, АКД или ОКД. Надежность также связана с техническим обслуживанием системы,

которое включает ежедневное тестирование, профилактическое обслуживание,

например замену отказавших или допустивших сбой компонент; диагностирование

неисправности при неполадках. В случае возникновения неполадки с каким-либо

компонентом, сетевая диагностическая система может легко обнаружить ошибку,

локализовать неисправность и, возможно, отключить эту компоненту от сети.

Достоверность передачи данных отражает степень соответствия принятого сообщения

переданному. Оценкой достоверности служит коэффициент ошибок, иначе называемый

ООД - оконечное оборудование данных - обобщенное понятие, используемое для

описания машины конечного пользователя, в качестве которой обычно выступает ЭВМ

или терминал.

АКД - аппаратура окончания канала данных - это аппаратура передачи данных. В ее

функции входит подключение ООД к линии или каналу передачи данных.

ОКД - оборудование коммутации данных. Ее основной функцией является коммутация и

маршрутизация трафика (данных пользователя) в сети к месту назначения.

Иногда достоверность определяется как разность между единицей и коэффициентом P.

Согласно рекомендации МККТТ допустимой нормой для телеграфной связи является, ,

то есть не более трех ошибок на 100000 переданных символов, а для передачи

данных .

Появление ошибок при передаче информации объясняется или посторонними сигналами,

всегда присутствующими в каналах, или помехами, вызванными внешними источниками

и атмосферными явлениями, или другими причинами. В телефонии искажением

считается изменение формы тока в приемном аппарате, а в телеграфии - изменение

длительности принимаемых посылок тока по сравнению с передаваемыми посылками.

Телеграфные искажения называются краевыми, если в результате действия помех один

или несколько элементов кодовой комбинации становятся короче или длиннее по

сравнению с их номинальной длительностью. Другая разновидность искажений -

дробление предполагает внутренние изменения в значащем элементе. Если краевые

искажения и дробления достигают большой величины, то приемник телеграфного

аппарата оказывается не в состоянии правильно определить, переданный элемент,

что свидетельствует о наличии ошибки. Помехи - это электрические возмущения,

возникающие в самой аппаратуре или попадающие в нее извне. Наиболее

распространенными являются флуктуационные ,или случайные помехи (например

тепловые шумы, возникающие в оборудовании). Они представляют собой

последовательность импульсов, имеющих случайную амплитуду и следующих друг за

другом через различные промежутки времени.

Типичными примерами импульсных помех являются атмосферные или индустриальные

помехи. Обычно они имеют вид одиночных импульсов, длительность которых может

быть очень маленькой, а амплитуда очень большой. Возможны также сосредоточенные

помехи в виде синусоидальных колебаний. К таким помехам относятся сигналы от

посторонних радиостанций, излучения генераторов высокой частоты и так далее. На

практике возможны и смешанные помехи.

По своей электрической структуре помехи - это колебания, сходные с сигналами, но

беспорядочные и, конечно, ненужные.В приемнике помехи могут подавить

информационный сигнал, то есть ослабить настолько, что приемник или не обнаружит

его, или воспримет как ложный. В частности, в двоичном канале "единица" может

перейти в "ноль" и наоборот. При равнозначной вероятности появления таких

переходов канал связи считается симметричным, в противном случае -

несимметричным. В реальных условиях каналы связи обычно бывают несимметричными.

Наличие помех в системе связи приводит к большому числу неверно выполняемых

вычислений неправильному чтению командных и управляющих посылок , снижению

эффективности сети.

Трудности борьбы с помехами заключаются в беспорядочности, нерегулярности и в

структурном сходстве помех с информационными сигналами. Поэтому защита

информации от ошибок и вредного влияния помех имеет огромное практическое

значение и является одной из важнейших проблем современной теории и техники

связи.

Существует несколько источников возникновения помех. Например, атмосферные

помехи возникают вследствие электрических возмущений в земной атмосфере.

Космические помехи могут прийти с Солнца или других звезд, которые излучают

электромагнитную энергию в очень широком частотном спектре. Помехи можно также

обнаружить в проволоке-проводнике или коаксиальном проводнике вследствие того,

что случайное движение электронов в проводнике приводит к образованию тепловой

энергии.

Чтобы успешно бороться с тепловым шумом (а также с другими видами шумов,

например разрядными помехами флуктуациями мощности и так далее), приемники в

системах связи должны проверять данные и в случаях обнаружения "нарушений"

запрашивать повторную передачу.

"Нарушения" или ошибки можно широко классифицировать как случайные, импульсные и

смешанные. В каналах со случайными ошибками для каждого бита данных существует

вероятность Р неправильного приема и Р-1 правильного приема. Ошибки происходят

случайно в блоках принятых данных. Большинство каналов с вещественными

носителями (а также спутниковые каналы) подвержены случайным ошибкам.

Каналы с импульсными ошибками демонстрируют состояние, свободное от ошибок,

большую часть времени, но иногда появляются групповые или разовые ошибки.

Объектом таких ошибок являются радиосигналы, так же как кабели и провода,

например телефонные каналы из витых проводных пар.

Проблема канального шума обусловлена свойствами самого канала и никогда не может

быть устранена полностью.

АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОШИБОЧНОСТИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ В СЕТЯХ

Для повышения достоверности и качества работы систем связи применяются групповые

методы защиты от ошибок, избыточное кодирование и системы с обратной связью. На

практике часто используют комбинированное сочетание этих способов.

К групповым методам защиты от ошибок можно отнести давно уже используемый в

телеграфии способ, известный как принцип Вердана:

вся информация (или отдельные кодовые комбинации) передается несколько раз,

обычно не четное число раз (минимум три раза).

Принимаемая информация запоминается специальным устройством и сравнивается.

Суждение о правильности передачи выносится по совпадению большинства из принятой

информации методами "два из трех", "три из пяти" и так далее. Например кодовая

комбинация 01101 при трехразовой передаче была частично искажена помехами,

поэтому

приемник принял следующие комбинации: 10101, 01110, 01001. В результате проверки

каждой позиции отдельно правильной считается комбинация 01101.

Другой метод, также не требующий перекодирования информации, предполагает

передачу информации блоками, состоящими из нескольких кодовых комбинаций. В

конце каждого блока посылается информация, содержащая количественные

характеристики переданного блока, например число единиц или нулей в блоке. На

приемном конце эти характеристики вновь подсчитываются, сравниваются с

переданными по каналу связи, и если они совпадают, то блок считается принятым

правильно. При несовпадении количественных характеристик на передающую сторону

посылается сигнал ошибки.

Среди методов защиты от ошибок наибольшее распространение получило

помехоустойчивое кодирование, позволяющее получить более высокие качественные

показатели работы систем связи. Его основное назначение - принятие всех

возможных мер для того, чтобы вероятность искажений информации была достаточно

малой, несмотря на присутствие помех или сбоев в работе сети.

Помехоустойчивое кодирование предполагает разработку корректирующих

(помехоустойчивых) кодов, обнаруживающих и исправляющих определенного рода

ошибки, а также построение и реализацию кодирующих и декодирующих устройств.

Специалистами доказано, что при использовании помехоустойчивого кодирования

вероятность неверной передачи во много раз снижается. Так, например, с помощью

кода M из N, используемого фирмой IBM в вычислительных сетях, можно обнаружить в

блоке, насчитывающем около тридцати двух тысяч символов, все ошибки, кратные

трем или меньше, или пачки ошибок длиной до шестнадцати символов.

При передаче информации в зависимости от системы счисления коды могут быть

двухпозиционными и многопозиционными. По степени помехозащищенности

двухпозиционные коды делятся на обыкновенные и помехоустойчивые.

Двухпозиционные обыкновенные коды используют для передачи данных все возможные

элементы кодовых комбинаций и бывают равномерными, когда длина всех кодовых

комбинаций одинакова, например пятиэлементный телеграфный код, и неравномерными,

когда кодовые комбинации состоят из разного числа элементов, например код Морзе.

В этом коде точке соответствует одна единица, тире - три единицы. Для отделения

точек и тире друг от друга записывается ноль, а для завершения комбинации - три

нуля. Так, буква А, состоящая из точки и тире, представляется как 10111000, а

буква Б (тире и три точки) - как 111010101000.

В помехоустойчивых кодах, кроме информационных элементов, всегда содержится один

или несколько дополнительных элементов, являющихся проверочными и служащих для

достижения более высокого качества передачи данных. Наличие в кодах избыточной

информации позволяет обнаруживать и исправлять (или только обнаруживать) ошибки.

Основными среди многочисленных характеристик корректирующих кодов являются

значность, корректирующая способность, избыточность и оптимальность кода,

коэффициент обнаружения и исправления ошибки, простота технической реализации

метода и другие. Так, значность кода, или длина кодовой комбинации, включает как

информационные элементы m, так и проверочные (контрольные) k. Как правило,

значность кода n равна m+k.

Оптимальность кода указывает на полноту использования его корректирующих

возможностей.

Выбор корректирующих кодов в определенной степени зависит от требований,

предъявляемых к достоверности передачи. Для правильного его выбора необходимо

иметь статистические данные о закономерностях возникновения ошибок, их

характере, численности и распределении во времени. Так,например, корректирующий

код, исправляющий одиночные ошибки, может быть эффективен лишь при условии, что

ошибки статистически независимы, а вероятность их появления не превышает

некоторой величины. Этот код оказывается совершенно не пригодным, если ошибки

появляются группами (пачками). Рекуррентные коды, исправляющие групповые ошибки,

также могут оказаться неэффективными, если количество ошибок при передаче будет

больше допустимой нормы.

Разработанные различные корректирующие коды подразделяются на непрерывные и

блочные. В непрерывных, или рекуррентных, кодах контрольные элементы

располагаются между информационными. В блочных кодах информация кодируется,

передается и декодируется отдельными группами (блоками) равной длины.

Блочные коды бывают разделимые (все информационные и контрольные элементы

размещаются на строго определенных позициях) и неразделимые (элементы кодовой

комбинации не имеют четкого деления на избыточные и информационные). К

неразделимым относится код с постоянным числом нулей и единиц.

Разделимые коды состоят из систематических и несистематических. В

систематических кодах проверочные символы образуются с помощью различных

линейных комбинаций. Систематические коды - самая обширная и наиболее

применяемая группа корректирующих кодов. Они включают такие коды, как код

Хэмминга, циклические коды, коды Боуза-Чоудхури и другие.

Большие вычислительные системы (Amdal, IBM, Burroughs, ICL) используют очень

сложную методику проверки ошибок при передаче по линиям связи между машинами. В

ПЭВМ обычно применяется более простая техника проверки ошибок.

Одной из простейших форм проверки ошибок является так называемый эхоплекс. В

соответствии с этой методикой каждый символ, посылаемый ПЭВМ по дуплексной линии

связи удаленному абоненту, возвращается обратно к ПЭВМ в виде эха. Если ПЭВМ

принимает тот же символ, что и был послан, подразумевается, что передача символа

прошла правильно. Если нет, значит, при передаче произошла ошибка и необходима

повторная передача этого же символа. Эхоплекс применяется в двунаправленных

дуплексных каналах связи.

Некоторые пользователи ПЭВМ путают эхоплекс с местным эхо. Местное эхо часто

используется при подключении полудуплексного модема к телефонному каналу. В этом

случае данные возвращаются к ПЭВМ не от удаленного окончания, а от местного

(ближнего) модема.

Если устройство не было настроено соответствующим образом, ПЭВМ может выдать на

экран двойные символы. Это случается, если от модема возвращается местное эхо, а

от удаленного окончания удаленное эхо (эхоплекс). Проблема дублирования символов

решается путем подавления местного эха.

Другим часто используемым на практике (и сравнительно простым) методом является

контроль на четность. Его суть заключается в том, что каждой кодовой комбинации

добавляется один разряд, в который записывается единица, если число единиц в

кодовой комбинации нечетное, или ноль, если четное. При декодировании

подсчитывается количество единиц в кодовой комбинации. Если оно оказывается

четным, то поступившая информация считается правильной, если нет, то ошибочной.

Кроме проверки по горизонтали контроль на четность и нечетность может

проводиться и по вертикали. Преимущества контроля на четность заключается в

минимальном значении коэффициента избыточности (для пятиэлементного кода К

=0,17) и в простоте его технической реализации, а недостаток - в том, что

обнаруживаются ошибки, имеющие только нечетную кратность. Однако такая методика

проверки не может обнаружить ошибки в случае двойного переброса (например, две

единицы перебросились в ноль), что может привести к высокому уровню ошибок в

некоторых передачах. Многоуровневая модуляция (когда проверка проверка сигнала

осуществляется по двум или трем битам) требует более сложной техники.

Проверка на четность/нечетность по одному биту также является неприемлемой и для

многих аналоговых линий речевого диапазона из-за группирования ошибок, которое

обычно происходит в линиях связи такого типа.

Двойная проверка на четность/нечетность является усовершенствованием одинарной

проверки. В этой методике вместо бита четности в каждом символе определяется

четность или нечетность целого блока символов. Проверка блока позволяет

обнаруживать ошибки как внутри символа, так и между символами.Эта проверка

называется также двумерным кодом проверки на четность. Она имеет значительное

преимущество по сравнению с одинарной. С помощью такой перекрестной проверки

может быть существенно улучшена надежность работы обычной телефонной лини,

вероятность появления ошибки в которой составляет 10.

Однако как ординарная, так и двойная проверка на четность означают увеличение

накладных расходов и относительное уменьшение выхода информации для

пользователя.

К систематическим кодам также относится и код Хэмминга, который позволяет не

только обнаруживать, но и исправлять ошибки. В этом коде каждая кодовая

комбинация состоит из m информационных а k контрольных элементов. Так, например,

в семиэлементном коде Хэмминга n=7, m=4, k=3 (для всех остальных элементов

существует специальная таблица). Контрольные символы 0 или 1 записываются в

первый, второй и четвертый элементы кодовой комбинации, причем в первый элемент

- в соответствии с контролем на четность для третьего, пятого и седьмого

элементов, во второй - для третьего, шестого и седьмого элементов, и в четвертый

- для пятого - седьмого элементов. В соответствии с этим правилом комбинация