Симплексная радиосвязь. Разница между VPS, VDS, PDS и VM

Обычно к коммутатору подключаются концентраторы, т.е. на отдельный порт подключается целый сегмент. Однако к порту могут подключаться и отдельные компьютеры (микросегментация). В таком случае, коммутатор и сетевая карта компьютера могут работать в полнодуплексном режиме, т.е. одновременно передавать данные во встречных направлениях, увеличивая пропускную способность сети в два раза. Полнодуплексный режим возможен только если обе стороны - и сетевая карта и коммутатор - поддерживают этот режим. В полнодуплексном режиме не существует коллизий. Наложение двух кадров в кабеле считается нормальным явлением. Для выделения принимаемого сигнала, каждая из сторон вычитает из результирующего сигнала свой собственный сигнал.

При полудуплексном режиме работы, передача данных осуществляется только одной стороной, получающей доступ к разделяемой среде по алгоритму CSMA/CD. Полудуплексный режим фактически был подробно рассмотрен ранее.

При любом режиме работы коммутатора (полудуплексном или полнодуплексном) возникает проблема управления потоков кадров. Часто возникает ситуация, когда к одному из портов коммутатора подключен файл-сервер, к которому обращаются все остальные рабочие станции:

Отношение многие порты – к одному.

Если порт 3 работает на скорости 10 Мбит/с, а кадры с остальных четырех компьютеров поступают также со скоростью 10 Мбит/с, то не переданные кадры будут накапливаться в буфере порта 3 и, рано или поздно, этот буфер переполнится. Частичным решением данной проблемы было бы выделение для файл сервера порта 3, со скоростью 100 Мбит/с. Однако это не решает проблему, а лишь откладывает ее: со временем пользователи захотят более высоких скоростей работы сети, и коммутатор будет заменен на новый, у которого все порты будут работать на скорости 100 Мбит/c. Более продуманным решением, реализованном в большинстве коммутаторов, является управление потоком кадров, генерируемых компьютерами. В полнодуплексном режиме используются специальные служебные сигналы "Приостановить передачу" и "Возобновить передачу". Получив сигнал "Приостановить передачу" сетевая карта должна прекратить передачу кадров, вплоть до последующего сигнала "Возобновить передачу" (к сожалению в текущем стандарте 802.3x не предусмотрено частичное уменьшение интенсивности передачи кадров, возможен только полный запрет). В полудуплексном режиме используется "метод обратного давления" (backpressure) и "агрессивное поведение порта коммутатора". Оба метода позволяют реализовать достаточно тонкие механизмы управления потоком кадров, частично снижая их интенсивность, но не уменьшая ее до нуля.

Метод обратного давления (backpressure) состоит в создании искусственных коллизий в сегменте, который чересчур интенсивно посылает кадры в коммутатор. Для этого коммутатор обычно использует jam-последовательность (сигналы-помехи создающие и усиливающие коллизию), отправляемую на выход порта, к которому подключен сегмент (или компьютер), чтобы приостановить его активность.

Метод агрессивного поведения порта коммутатора основан на захвате среды либо после окончания передачи очередного пакета, либо после коллизии. В первом случае коммутатор оканчивает передачу очередного кадра и, вместо технологической паузы в 9,6 мкс, делает паузу в 9,1 мкс и начинает передачу нового кадра. Компьютер не сможет захватить среду, так как он выдержал стандартную паузу в 9,6 мкс и обнаружил после этого, что среда уже занята. Во втором случае кадры коммутатора и компьютера сталкиваются и фиксируется коллизия. Компьютер делает паузу после коллизии в 51,2 мкс, как это положено по стандарту, а коммутатор - 50 мкс. И в этом случае компьютеру не удается передать свой кадр. Коммутатор может пользоваться этим механизмом адаптивно, увеличивая степень своей агрессивности по мере необходимости.

Соединения WiFi работает в полудуплексном режиме, а проводная часть локальной сети в полном дуплексе. Узнайте больше прочитав эту статью.

Дуплекс против симплекса

В сети термин «дуплекс» означает возможность для двух точек или устройств связываться друг с другом в оба направления, в отличие от «симплекса», который относится к однонаправленной коммуникации. В системе дуплексной связи, обе точки (устройства) могут передавать и получать информацию. Примерами дуплексных систем являются телефоны и рации.

С другой стороны, в симплекс системе одно устройство передает информацию, а другое получает. Пульт дистанционного управления является примером системы симплекс, где пульт дистанционного управления передает сигналы, но не получает их в ответ.

Полный и полудуплекс

Полная дуплексная связь между двумя компонентами означает, что оба могут передавать и получать информацию друг другу одновременно. Телефоны являются полными дуплексными системами, так как обе стороны могут говорить и слушать одновременно.

В полудуплексных системах передача и прием информации должны происходить поочередно. Во время передачи одной точки, остальные должны только получать. Рации являются полудуплексными системами, в конце передачи участник должен сказать «Прием», это означает, что он готов получать информацию.

WiFi роутеры (маршрутизаторы) - это устройства, которые модулируют и планируют потоки информации из и от любого WiFi-совместимого электронного устройства (например, ноутбук или смартфон) к сети Интернет, используя определенный стандарт или протокол, называемый IEEE 802.11, который работает в полудуплексном режиме. WiFi это только торговая марка для определенного стандарта IEEE.

WiFi устройства подключаются к маршрутизатору с помощью радиоволн частотой 2,4 ГГц или 5 ГГц. Маршрутизатор гарантирует правильное распределение информационных потоков между подключенным устройством и Интернетом; с помощью процесса вызова с временным разделением каналов (TDD) который работает в режиме полного дуплекса.

TDD эмулирует полную дуплексную связь путем создания или деления периодов времени, которые чередуются между передачей и приемом. Пакеты данных идут в обоих направлениях, как продиктовано расписанием. Путем точного разбития этих периодов времени, подключенные устройства, могут осуществлять передачу и прием одновременно.

Самой большой проблемой для достижения полнодуплексного контроля над радиосвязью являются внутрисистемные помехи. Это помехи или шум более интенсивный, чем сам сигнал. Проще говоря, помехи в полнодуплексной системе возникают тогда, когда одна точка осуществляет передачу и прием одновременно, и также получает свою собственную передачу, следовательно, происходит само-интерференция.

Практически полнодуплексная беспроводная связь возможна в сферах исследований и научных сообществах. Во многом это достигается за счет устранения собственных помех на двух уровнях. Первый способ-инверсия самого шумового сигнала и тогда процесс шумоподавления дополнительно усиливается в цифровом виде.

Что насчет проводной сети?

Проводная часть локальной сети обменивается данными в режиме полного дуплекса с помощюю двух пар крученных проводов, образующих кабельное подключение Ethernet. Каждая пара предназначена для передачи и приема пакетов информации одновременно, поэтому нет столкновения данных и передача осуществляется без помех.

Прогресс в области WiFi-связи

В рамках протокола IEEE 802.11, были внесены изменения для достижения лучшего диапазона или лучшей пропускной способности, или то и другое. От своего основания в 1997 году до 2016, беспроводные стандарты были скорректированы от 802.11, 802.11b/a, 802.11g, 802.11n, 802.11ac, и наконец последний 802.22. Какими бы прогрессивными они ни стали, они по-прежнему принадлежат семье 802, который будет постоянно работать в режиме полудуплекса. Хотя были сделаны многие улучшения, особенно с включением технологии MIMO, работа в полудуплексном режиме снижает общую спектральную эффективность в два раза.

Интересно отметить, что MIMO поддерживаемая маршрутизаторами (со многими входами и многими выходами) рекламирует гораздо более высокие скорости передачи данных. Эти маршрутизаторы используют несколько антенн для передачи и приема одновременно нескольких потоков данных, которые могут увеличить общую скорость передачи. Это часто встречается и в маршрутизаторах 802.11 N, которые рекламируют скорости от 600 мегабит в секунду и выше. Однако, так как они работают в полудуплексном режиме, 50 процентов (300 мегабит в секунду) пропускная способность резервируется для передачи в то время как другие 50 процентов используют для получения.

Полнодуплексный WiFi в будущем

К полнодуплексной беспроводной связи растет все больший коммерческий интерес. Основная причина, состоит в том, что прогресс в полудуплексном FDD и TDD не насыщен. Усовершенствования программного обеспечения, модуляции достижений и улучшений технологии MIMO становятся все сложнее и сложнее. Поскольку все больше новых устройств имеют беспроводное подключение, необходимость повышения эффективности использования спектра в конечном итоге имеет первостепенное значение. Появление полнодуплексной беспроводной связи мгновенно удвоит спектральную эффективность.

Технология коммутации сама по себе не имеет непосредственного отношения к методу доступа к среде, который используется портами коммутатора. При подключении к порту коммутатора сегмента, представляющего собой разделяемую среду, данный порт, как и все остальные узлы такого сегмента, должен поддерживать полудуплексный режим.

Однако когда к каждому порту коммутатора подключен не сегмент, а только один компьютер, причем по двум физически раздельным каналам, как это происходит почти во всех стандартах Ethernet, кроме коаксиальных версий Ethernet, ситуация становится не такой однозначной. Порт может работать как в обычном полудуплексном режиме, так и в дуплексном.

В полудуплексном режиме работы порт коммутатора по-прежнему распознает коллизии. Доменом коллизий в этом случае является участок сети, включающий передатчик коммутатора, приемник коммутатора, передатчик сетевого адаптера компьютера, приемник сетевого адаптера компьютера и две витые пары, соединяющие передатчики с приемниками. Коллизия возникает, когда передатчики порта коммутатора и сетевого адаптера одновременно или почти одновременно начинают передачу своих кадров.

В дуплексном режиме одновременная передача данных передатчиком порта коммутатора и сетевого адаптера коллизией не считается. В принципе, это достаточно естественный режим работы для отдельных дуплексных каналов передачи данных, и он всегда использовался в протоколах глобальных сетей. При дуплексной связи порты Ethernet стандарта 10 Мбит/с могут передавать данные со скоростью 20 Мбит/с - по 10 Мбит/с в каждом направлении.

Уже первые коммутаторы Kalpana поддерживали оба режима работы своих портов, позволяя использовать коммутаторы для объединения сегментов разделяемой среды, как делали их предшественники-мосты, и в то же время позволяя удваивать скорость обмена данными на предназначенных для связи между коммутаторами портах за счет работы этих портов в дуплексном режиме.

Долгое время коммутаторы Ethernet сосуществовали в локальных сетях с концентра торами Ethernet: на концентраторах строились нижние уровни сети здания, такие как сети рабочих групп и отделов, а коммутаторы служили для объединения этих сегментов в общую сеть.

Постепенно коммутаторы стали применяться и на нижних этажах, вытесняя концентраторы, так как цены коммутаторов постоянно снижались, а их производительность росла (за счет поддержки не только технологии Ethernet со скоростью 10 Мбит/с, но и всех последующих более скоростных версий этой технологии, то есть Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с, Gigabit Ethernet со скоростью 1 Гбит/с и 10G Ethernet со скоростью 10 Гбит/с). Этот процесс завершился вытеснением концентраторов Ethernet и переходом к полностью коммутируемым сетям, пример такой сети показан на рис. 1

Рис. 1 Полностью коммутируемая сеть Ethernet.

В полностью коммутируемой сети Ethernet все порты работают в дуплексном режиме, а продвижение кадров осуществляется на основе МАС-адресов. При разработке технологий Fast Ethernet и Gigabit Ethernet дуплексный режим стал одним из двух полноправных стандартных режимов работы узлов сети. Однако уже практика применения первых коммутаторов с портами Gigabit Ethernet показала, что они практически всегда применяются в дуплексном режиме для взаимодействия с другими коммутаторами или высокоскоростными сетевыми адаптерами. Поэтому при разработке стандарта 10G Ethernet его разработчики не стали создавать версию для работы в полудуплексном режиме, окончательно закрепив уход разделяемой среды из технологии Ethernet.

Обратная связь

Данный принцип работы, естественно подразумевает только соединение типа точка-точка. Но это скорее большой плюс, чем минус. Дело в том, что в этом случае отпадает необходимость в каком либо ручном тюнинге (согласовании), установке дополнительных резисторов (они уже встроены), а сама линия всегда будет работать в наиболее оптимальном режиме. Все что потребуется это обжать концы кабеля в типовые телефонные коннекторы и воткнуть в соответствующие гнезда, по аналогии с тем как монтируются сети Ethernet. На следующем рисунке представлена схема сети RS-.5.

Рисунок 2

В моей реализации преобразователи RS-.5 не имеют собственного источника питания трансмиттера. Дело в том, что кабель типа витая пара всегда имеет как минимум 2 пары проводов. Поэтому, я задействовал еще одну пару проводов для передачи напряжения питания всех трансмиттеров в линии/сети. Это позволяет избавиться от dc/dc конвертеров (вещь довольно не дешевая). Все приемопередающие части преобразователей можно питать от одного источника питания. Если сеть большая ИП может быть и больше чем один естественно.
На картинке нарисована коробочка с двумя портами и надписью RS-.5 Switch - на самом деле возможность коммутировать данные в сети асинхронной передачи данных определяется используемым протоколом. На практике я такого не встречал ни в одном протоколе, но реализовать нетрудно.

После проработки основных принципов была разработана принципиальная схема UART to RS.5 трансмиттера (Рисунок 3).

Рисунок 3

Хотя там разрабатывать нечего. Оптроны выбрал самые дешевые из не самых медленных - H11L1. Заявленная скорость до 1Мб. На скорости 115200 работает хорошо. Хотя есть неприятный момент: один оптрон работал вплоть до скорости 921 600 бит в секунду, тогда как другой спотыкался уже на 230 400 бит в секунду. При осциллографической диагностике оказалось что все оптроны H11L1 перетягивают задний фронт. В общем это не проблема, можно оптроны подобрать по вкусу.
Так все выглядит в железе (конечно же это тестовые железки):

Рисунок 4

Рисунок 5

Интересная особенность: если с одного конца отсоединить коннектор, то трансмиттер на другом конце будет принимать свое эхо. В дальнейшем хочу попробовать на основе этого эффекта и на таком же модуле сделать измеритель длины кабеля.