Способы обеспечения передачи данных

Способы передачи данных в сети

Способы передачи данных в сети определяются с помощью стандартных протоколов, которые используется программным и аппаратным обеспечением.

В сетях и системах передачи довольно редко передача данных осуществляется отдельными символами (байтами), чаще — небольшими блоками, которые называется пакетами. Эти пакеты нумируются и снабжаются адресами и прокладывают себе путь по сети.

Стандартный пакет состоит из трех разделов:

1. заголовок, который включает в себя сигнал, определяющий содержание пакета, адрес источника информации, адрес места назначения;

2. информация для передачи;

3. трейлер, то есть информация для проверки ошибок;

Пакеты, относящиеся к одному сообщению, могут передаваться по разным маршрутам в зависимости от того, по какому из них в данный момент они с наименьшей задержкой могут пойти к адресату. В связи с этим порядок их прихода к получателю может не соотвествовать порядку пакетов, поэтому приходится выполнять функции, связанные со сборкой пакетов.

Если информация по сети пересылается пакетами, то такой способ передачи информации называется сеть с коммутацией пакетов. Обычно такая передача данных включает в себя несколько этапов, выполняющихся в строго определенном порядке:

1. разделение информации на пакеты;

2. добавление к пакету адресации;

3. подготовка пакетов к передаче;

4. прием пакетов по сети;

5. копирование данных из пакетов для сборки исходных блоков данных;

6. передача восстановленных блоков данных в компьютер – адресат.

Большинство технологий используют коммутацию пакетов.

Существует сходная технология — коммутация ячеек, отличающаяся только стабильным, постоянным размером ячеек (например АТМ), тогда как размер пакетов может быть разным.

Наряду с коммутацией пакетов существует технология, называемая коммутацией каналов, при которой одна сторона устанавливает прямой канал связи с другой непосредственно перед передачей данных. Весь путь остается связанным с этой передачей, независимо от того используется ли он реально или нет и только когда один из абонентов освобождает сеть этот канал освобождается (пример использования телефонной сети).

Еще один способ передачи данных известен как коммутациясообщений, где передача единого блока данных осуществляется между транзитными компьютерами сети с временной буферизаций этого блока на диски каждого компьютера. То есть при такой передаче сообщение по сети как бы «прыгает» через участки сети от одного узла к другому с промежуточным хранением, используя в каждый момент времени только один канал и ожидая освобождения следующего занятого канала.

Техника коммутации сообщений появилась в компьютерных сетях раньше техники коммутации пакетов и потом была вытеснена последней как более эффективной по критерию пропускной способностью сетей. В настоящее время применяется для некоторых неоперативных служб , то есть там где не требуется немедленного ответа.

Источник

Передача данных: фантастическая скорость и новые методы

Иллюстрация световых сигналов, посылаемых через оптическое волокно (с)

Вы знаете, в чем интернет будет нуждаться всегда? В бо́льшей пропускной способности. Судите сами: на подходе «домашняя» революция с 4K-фильмами на сотни гигабайт. За волной видеоконтента или параллельно с ней будет развиваться виртуальная реальность. Рост скорости – это не единственное направление исследований. Сегодня мы расскажем вам о способах передачи данных, которые пока выглядят настоящей фантастикой, но тем не менее могут быть реализованы в ближайшем будущем.

Старый добрый кабель

Исследователи из Датского технического университета в 2014 году передали данные по единственному волоконно-оптическому кабелю на скорости 43 Тбит/с. Ученые использовали оптоволокно с несколькими сердцевинами. Тем не менее скорости 100 Тбит/с удалось достичь еще в 2011 году двумя способами: через оптоволоконную жилу, состоящую из семи отдельных волокон, каждое из которых обеспечивало скорость 15,6 Тбит/с; во втором случае данные «упаковывались» за счет использования лазерных лучей разного спектра, с разной амплитудой и фазами излучения – всего использовалось 370 отдельных лучей.

Выжать все возможное из одного кабеля оптоволокна постаралась научная группа ученых Голландии и США, передав данные на 1 километр со скоростью 255 Тбит/с. Исследователи использовали оптическое 7-сердцевинное волокно (на картинке выше оно изображено слева). В чем же разница с обычным волокном? Всё просто, здесь свет проходит в каждой сердцевине, независимо от других. Черные точки на картинке – воздушные прослойки, изолирующие сердцевины друг от друга. Используя эту технологию, в сентябре 2012 года удалось достигнуть реальной скорости передачи в один петабит в секунду по кабелю с 12 световодными каналами на расстояние 52,4 км.

Электрическая лампочка для передачи данных

Несколько лет назад появилась оптическая технология беспроводной передачи данных Li-Fi (сокращенно от Light Fidelity), при которой приемо-передающее устройство, ничем не отличимое от обычной лампочки, мигает с очень большой частотой, передавая информацию вместе со световым потоком. Прием и передача информации в Li-Fi проводится на скоростях около 150 Мбит/с. А вот технология Li-Fi, основанная на лазерных светодиодах, позволяет повысить скорости передачи информации до 100 Гбит/с. Минус у такого устройства только один – за пределами комнаты оно не работает.

pCell: миф или реальность?

Технология pCell должна решить проблему нехватки частот в спектре, дав возможность каждому мобильному устройству работать со всей полосой частот, которую предоставляет базовая станция, независимо от степени загруженности. По данным авторов проекта из американского стартапа Artemis Networks, pCell обеспечит скорость в 50 раз больше текущих сетей 4G LTE, используя тот же диапазон частот и существующие смартфоны. Возможно ли это? В конце прошлого года стало известно, что Nokia Networks начнет тестирование технологии pCell. Нам осталось дождаться только обнародования результатов исследования.

LLCD, или зачем нужен лазер

В 2013 году успешно стартовал зонд LADEE, на котором установлена система двусторонней лазерной связи Lunar Laser Communication Demonstration (LLCD). В результате удалось достичь скорости передачи данных 622 Мбит/с с аппарата на наземную станцию и 20 Мбит/с с наземной станции на аппарат, находившийся на расстоянии 385 000 км от Земли.

Возможно ли использовать аналогичную лазерную связь на Земле? Конечно. Еще в 2011 году были опубликованы результаты эксперимента по передаче данных на направленном лазерном луче с потрясающей скоростью 26 Тбит/с на расстояние 50 км. А дальше начинаются сложности с тем, что луч должен быть направленным. В условиях городской застройки это ограничение практически нивелирует плюсы от скорости.

Из мозга в мозг

Один из самых фантастических методов передачи информации строится на простом допущении: зачем нам нужны дополнительные каналы, если в конечном счете речь идет об обмене информации между одним человеком и другим. А что если сразу соединить два мозга?

Нейрофизиологи из лаборатории Университета Дьюка объединили мозги трех обезьян в «локальную сеть». Обезьяны, с помощью нейроинтерфейса и семи сотен электродов, встроенных в двигательную кору мозга, контролировали движение виртуальной руки на экране компьютера. Каждое животное отвечало за управление двумя из трех осей движения руки – X и Y, X и Z, Y и Z. Животные научились совместно обмениваться информацией о положении «руки» на экране и корректировать ее движение.

Тело-проводник

Телекоммуникационная компания NTT DoCoMo разработала технологию Human Area Networking, при которой небольшой передатчик создает вокруг человеческой кожи электромагнитное поле. Для снятия сигнала на другом участке кожи используется чувствительный оптический датчик, принимающий сигнал на скорости около 10 Мбит/с. Человеческое тело, пропускающее через себя информацию, позволяет реализовывать интересные технологические решения. Как вам идея отправить документ на печать, взяв в руки флешку и прикоснувшись к принтеру?

Сквозь всю вселенную

Команда физиков Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (США) в 2012 году предложила способ передать данные сквозь любой объект: при помощи нейтрино, фундаментальной частицы, чрезвычайно слабо взаимодействующей с материей. Благодаря нейтрино ученым удалось передать данные через 240 метров горной породы – недоступный показатель для любых других беспроводных технологий. Впрочем, скорость передачи данных составила всего 0,1 бит в секунду, но в будущем подобный способ можно будет использовать для связи с далекими космическими объектами.

С помощью водки

Да, существует и такой необычный способ передачи данных, пригодный для использования в среде, затрудняющей применение электромагнитных волн. В основе метода лежит молекулярная система, имитирующая работу с помощью летучих химических соединений. Специалисты использовали пары водки для передачи двоичного кода: наличие пара – 1, а отсутствие — 0. Сообщение пересылалось с помощью настольного вентилятора к датчику, анализирующему концентрацию алкоголя в воздухе.

Мясные коммуникации

В Университете Иллинойса поставили эксперимент по передаче ультразвуковых сигналов через ткани животного со скоростью до 30 Мбит/с – это рекорд в передаче данных через мясо!

В основу метода легла технология передачи сигнала под водой. Используя 5 МГц-датчик для отправки сигнала через мясо в резервуаре с водой, в котором находился гидрофон для его приема, удалось передать сигнал со скоростью 20-30 Мбит/c. В будущем эта технология поможет вести прямую трансляцию из тела пациента или обновлять программное обеспечение человеческих имплантатов.

Великий советский интернет

Идею передавать данные при помощи трубопровода придумали еще в Советском союзе. Современные технологии значительно усовершенствовали метод. Компания Nethercomm еще десять лет назад запатентовала технологию Broadband-in-Gas (BiG) для передачи сигнала по радиоформату UWB (Ultra Wide Band) на скорости до 10 Гбит/с. В трубопроводной сети монтируется цепь ретрансляторов радиосигнала, передающегося в диапазоне UWB. Из-за ретрансляторов, установленных внутри трубы, использовать эту технологию внутри водопроводных труб нельзя. Радиосигнал передается внутри имеющихся труб параллельно с потоком бытового газа.

Описанные выше способы передачи данных изменят мир в самое ближайшее время. Возможно, что широкие каналы между континентами позволят перенести все data-центры в одно благоприятное место – в Антарктиду, например, для естественного охлаждения. Связь с дальними космическими объектами может стать доступной на высоких скоростях. Обычный проводной интернет (впрочем, как и мобильный) достигнет невероятной скорости.

Мы не знаем наверняка, каким именно путем будет развиваться отрасль. Не исключено и то, что все описанные методы померкнут на фоне новых исследований в ближайшее десятилетие. В любом случае времена меняются, а значит, будут и другие невероятные скорости передачи данных.

Источник

Основы надежной передачи данных

Тем, кто стремится разобраться в сетях и протоколах, посвящается.

В статье рассматриваются основы надежной передачи данных, реализуются примеры на Go, в том числе UDP и TCP . По мотивам раз, два, три и книги «Компьютерные сети. Нисходящий подход», а то все обсуждают только Танненбаума и Олиферов.

Протокол транспортного уровня

Обеспечивает логическое соединение между прикладными процессами, выполняющимися на разных хостах. Логическое соединение с точки зрения приложений выглядит как канал, непосредственно соединяющий процессы.

Протоколы транспортного уровня поддерживаются конечными системами, но не сетевыми маршрутизаторами (кроме — DPI). На стороне отправителя транспортный уровень преобразует данные прикладного уровня, которые получает от передающего прикладного процесса, в пакеты транспортного уровня, называемые сегментами.

Это делается разбиением (при необходимости) сообщений прикладного уровня на фрагменты и добавлением к каждому из них заголовка транспортного уровня.

Далее транспортный уровень передает сегмент сетевому уровню отправителя, где сегмент инкапсулируется в пакет сетевого уровня (дейтаграмму) и отсылается. На принимающей стороне сетевой уровень извлекает сегмент транспортного уровня из дейтаграммы и передает его вверх транспортному уровню. Далее транспортный уровень обрабатывает полученный сегмент таким образом, чтобы его данные стали доступны приложению-получателю.

Принципы надежной передачи данных

Надежная передача данных по совершенно надежному каналу

Простейший случай. Отправляющая сторона просто принимает данные от верхнего уровня, создает содержащий их пакет и отправляет его в канал.

Надежная передача данных по каналу с возможными ошибками

Следующим этап — это предположение, что все переданные пакеты получены в том порядке, в котором они были отправлены, но биты в них могут быть повреждены, в связи с тем, что канал иногда передает данные с искажениями.

В таком случае применяются механизмы:

• обнаружения ошибки;
• обратной связи;
• повторной передачи.

Протоколы надежной передачи данных, обладающие подобными механизмами многократного повторения передачи, называются протоколами с автоматическим запросом повторной передачи (Automatic Repeat reQuest, ARQ).
Дополнительно, стоит предусмотреть возможность ошибок и в квитанциях, когда принимающая сторона не получит никакой информации о результатах передачи последнего пакета.
Решение этой задачи, используемое в том числе в TCP, состоит в добавлении в пакет данных нового поля, содержащего порядковый номер пакета.

Надежная передача данных по ненадежному каналу, допускающему искажение и потерю пакетов

Одновременно с искажениями, к сожалению, в сети присутствует потеря пакетов.
И для решения этой задачи требуются механизмы:

• определения факта потери пакетов;
• повторной доставки потерянных пакетов принимающей стороне.

Дополнительно, кроме потери пакета, необходимо предусмотреть возможность потери квитанции или, если ничего не потеряно, ее доставки со значительной задержкой. Во всех случаях производится одно и то же: повторная передача пакета. Для контролирования времени в данном механизме используется таймер отсчета, который позволяет определить окончание интервала ожидания. Так в пакете net параметр TCPKeepAlive установлен на 15 секунд по умолчанию:

Передающей стороне необходимо запускать таймер каждый раз при передаче пакета (как при первой, так и при повторной), обрабатывать прерывания от таймера и останавливать его.

Итак, мы ознакомились с ключевыми понятиями протоколов надежной передачи данных:

• контрольными суммами;
• порядковыми номерами пакетов;
• таймерами;
• положительными и отрицательными квитанциями.

Но и это не все!

Протокол надежной передачи данных с конвейеризацией

В том варианте, который мы уже рассмотрели, протокол надежной доставки очень неэфективен. Он начинает «тормозить» передачу, обеспечиваемую каналом связи, при увеличении RTT . Для повышения его эффективности, лучшей утилизации пропускной способности канала связи применяют конвейеризацию.

Применение конвейеризации приводит к:

• увеличению диапазона порядковых номеров, поскольку все отсылаемые пакеты (за исключением повторных передач) должны быть однозначно идентифицируемы;
• необходимости в увеличении буферов на передающей и принимающей сторонах.

Диапазон порядковых номеров и требования к размерам буферов зависят от действий, предпринимаемых протоколом в ответ на искажение, потерю и задержку пакета. В случае конвейеризации существуют два метода исправления ошибок:

• возвращение на N пакетов назад;
• выборочное повторение.

Возвращение на N пакетов назад — протокол скользящего окна

Отправитель должен поддерживать три типа событий:

• вызов протоколом более высокого уровня. Когда «сверху» вызывается функция отправки данных, передающая сторона сначала проверяет степень заполнения окна (то есть наличие N посланных сообщений, ожидающих получения квитанций). Если окно оказывается незаполненным, новый пакет формируется и передается, а значения переменных обновляются. В противном случае передающая сторона возвращает данные верхнему уровню, и это является неявным указанием, что окно заполнено. Обычно верхний уровень предпринимает повторную попытку передачи данных через некоторое время. В реальном приложении отправитель, скорее всего, либо буферизовал бы данные (вместо немедленной отсылки), либо имел механизм синхронизации (например, семафор или флаг), который позволял бы вышестоящему уровню вызывать функцию отправки данных только при незаполненном окне.
• получение подтверждения. В протоколе для пакета с порядковым номером N выдается общая квитанция, указывающая на то, что все пакеты с порядковыми номерами, предшествующими N, успешно приняты.
• истечение интервала ожидания. Для определения фактов потерь и задержек пакетов и квитанций протокол использует таймер. Если интервал ожидания истекает, передающая сторона повторно отправляет все посланные неподтвержденные пакеты.

Выборочное повторение

Когда размер окна и произведение пропускной способности на задержку распространения велики, в конвейере может находиться большое количество пакетов. В таком случае ошибка отдельного пакета может вызвать повторную передачу большого количества пакетов, большинство из которых не требовались.

Пример

Лучшие теоритические практики собраны в практической реализации TCP. А если кто-то знает, как лучше — welcome.

Источник