Способы защиты от ошибок при передаче данных

Проверка правильности передачи данных

Проблема обеспечения безошибочности (достоверности) передачи информации в сетях имеет очень большое значение. Если при передаче обычной телеграммы в тексте возникает ошибка или при разговоре по телефону слышен треск, то в большинстве случаев ошибки и искажения легко обнаруживаются по смыслу. Но при передаче данных одна ошибка (искажение одного бита) на тысячу переданных сигналов может серьезно отразиться на качестве информации.

Существует множество методов обеспечения достоверности передачи информации (методов защиты от ошибок), отличающихся по используемым для их реализации средствам, по затратам времени на их применение на передающем и приемном пунктах, по затратам дополнительного времени на передачу фиксированного объема данных (оно обусловлено изменением объема трафика пользователя при реализации данного метода), по степени обеспечения достоверности передачи информации. Практическое воплощение методов состоит из двух частей — программной и аппаратной. Соотношение между ними может быть самым различным, вплоть до почти полного отсутствия одной из частей. Чем больше удельный вес аппаратных средств по сравнению с программными, тем при прочих равных условиях сложнее оборудование, реализующее метод, и меньше затрат времени на его реализацию, и наоборот.

Причины возникновения ошибок

Выделяют две основные причины возникновения ошибок при передаче информации в сетях:

• сбои в какой-то части оборудования сети или возникновение неблагоприятных объективных событий в сети (например, коллизий при использовании метода случайного доступа в сеть). Как правило, система передачи данных готова к такого рода проявлениям и устраняет их с помощью предусмотренных планом средств;
• помехи, вызванные внешними источниками и атмосферными явлениями. Помехи — это электрические возмущения, возникающие в самой аппаратуре или попадающие в нее извне. Наиболее распространенными являются флуктуационные (случайные) помехи. Они представляют собой последовательность импульсов, имеющих случайную амплитуду и следующих друг за другом через различные промежутки времени. Примерами таких помех могут быть атмосферные и индустриальные помехи, которые обычно проявляются в виде одиночных импульсов малой длительности и большой амплитуды. Возможны и сосредоточенные помехи в виде синусоидальных колебаний. К ним относятся сигналы от посторонних радиостанций, излучения генераторов высокой частоты. Встречаются и смешанные помехи. В приемнике помехи могут настолько ослабить информационный сигнал, что он либо вообще не будет обнаружен, либо будет искажен так, что «единица» может перейти в «нуль», и наоборот.

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 большое практическое значение и является одной из серьезных проблем современной теории и техники связи.

Классификация методов защиты от ошибок

Среди многочисленных методов защиты от ошибок выделяются три группы методов: групповые методы, помехоустойчивое кодирование и методы защиты от ошибок в системах передачи с обратной связью.

Групповые методы

Из групповых методов получили широкое применение мажоритарный метод, реализующий принцип Вердана, и метод передач информационными блоками с количественной характеристикой блока.

Мажоритарный метод Суть этого метода, давно и широко используемого в телеграфии, состоит в следующем. Каждое сообщение ограниченной длины передается несколько раз, чаще всего три раза. Принимаемые сообщения запоминаются, а потом производится их поразрядное сравнение. Суждение о правильности передачи выносится по совпадению большинства из принятой информации методом «два из трех». Например, кодовая комбинация 01101 при трехразовой передаче была частично искажена помехами, поэтому приемник принял такие комбинации: 10101, 01110, 01001. В результате проверки по отдельности каждой позиции правильной считается комбинация 01101.
Передача блоками с количественной характеристикой Этот метод также не требует перекодирования информации. Он предполагает передачу данных блоками с количественной характеристикой блока. Такими характеристиками могут быть: число единиц или нулей в блоке, контрольная сумма передаваемых символов в блоке, остаток от деления контрольной суммы на постоянную величину и др. На приемном пункте эта характеристика вновь подсчитывается и сравнивается с переданной по каналу связи. Если характеристики совпадают, считается, что блок не содержит ошибок. В противном случае на передающую сторону поступает сигнал с требованием повторной передачи блока. В современных телекоммуникационных вычислительных сетях такой метод получил самое широкое распространение.

Помехоустойчивое (избыточное) кодирование

Этот метод предполагает разработку и использование корректирующих (помехоустойчивых) кодов. Он применяется не только в телекоммуникационных сетях, но и в ЭВМ для защиты от ошибок при передаче информации между устройствами машины. Помехоустойчивое кодирование позволяет получить более высокие качественные показатели работы систем связи. Его основное назначение заключается в обеспечении малой вероятности искажений передаваемой информации, несмотря на присутствие помех или сбоев в работе сети.

Существует довольно большое количество различных помехоустойчивых кодов, отличающихся друг от друга по ряду показателей и прежде всего по своим корректирующим возможностям.

К числу наиболее важных показателей корректирующих кодов относятся:

• значность кода n , или длина кодовой комбинации, включающей информационные символы ( m) и проверочные, или контрольные, символы (К): n = m + K
  (Значения контрольных символов при кодировании определяются путем контроля на четность количества единиц в информационных разрядах кодовой комбинации. Значение контрольного символа равно 0, если количество единиц будет четным, и равно 1 при нечетном количестве единиц);
• избыточность кода К_изб, выражаемая отношением числа контрольных символов в кодовой комбинации к значности кода: К_изб = К/ n ;
  
• корректирующая способность кода К_кс, представляющая собой отношение числа кодовых комбинаций L , в которых ошибки были обнаружены и исправлены, к общему числу переданных кодовых комбинаций M в фиксированном объеме информации: К_кс = L / M

Выбор корректирующего кода для его использования в данной компьютерной сети зависит от требований по достоверности передачи информации. Для правильного выбора кода необходимы статистические данные о закономерностях появления ошибок, их характере, численности и распределении во времени. Например, корректирующий код, обнаруживающий и исправляющий одиночные ошибки, эффективен лишь при условии, что ошибки статистически независимы, а вероятность их появления не превышает некоторой величины. Он оказывается непригодным, если ошибки появляются группами. При выборе кода надо стремиться, чтобы он имел меньшую избыточность. Чем больше коэффициент К_изб, тем менее эффективно используется пропускная способность канала связи и больше затрачивается времени на передачу информации, но зато выше помехоустойчивость системы.

В телекоммуникационных вычислительных сетях корректирующие коды в основном применяются для обнаружения ошибок, исправление которых осуществляется путем повторной передачи искаженной информации. С этой целью в сетях используются системы передачи с обратной связью (наличие между абонентами дуплексной связи облегчает применение таких систем).

Системы передачи с обратной связью

Системы передачи с обратной связью делятся на системы с решающей обратной связью и системы с информационной обратной связью.

Системы с решающей обратной связью Особенностью систем с решающей обратной связью (систем с перезапросом) является то, что решение о необходимости повторной передачи информации (сообщения, пакета) принимает приемник. Здесь обязательно применяется помехоустойчивое кодирование, с помощью которого на приемной станции осуществляется проверка принимаемой информации. При обнаружении ошибки на передающую сторону по каналу обратной связи посылается сигнал перезапроса, по которому информация передается повторно. Канал обратной связи используется также для посылки сигнала подтверждения правильности приема, автоматически определяющего начало следующей передачи.
Системы с информационной обратной связью В системах с информационной обратной связью передача информации осуществляется без помехоустойчивого кодирования. Приемник, приняв информацию по прямому каналу и зафиксировав ее в своей памяти, передает ее в полном объеме по каналу обратной связи передатчику, где переданная и возвра0щенная информация сравниваются. При совпадении передатчик посылает приемнику сигнал подтверждения, в противном случае происходит повторная передача всей информации. Таким образом, здесь решение о необходимости повторной передачи принимает передатчик.

Обе рассмотренные системы обеспечивают практически одинаковую достоверность, однако в системах с решающей обратной связью пропускная способность каналов используется эффективнее, поэтому они получили большее распространение.

Источник

Защита от ошибок в сетях

Проблема обеспечения безошибочности (достоверности) передачи информации в сетях имеет очень большое значение. Если при переда­че обычной телеграммы в тексте возникает ошибка или при разговоре по телефону слышен треск, то в большинстве случаев ошибки и иска­жения легко обнаруживаются по смыслу. Но при передаче данных одна ошибка (искажение одного бита) на тысячу переданных сигналов мо­жет серьезно отразиться на качестве информации.

Существует множество методов обеспечения достоверности пе­редачи информации (методов защиты от ошибок), отличающихся по используемым для их реализации средствам, по затратам времени на их применение на передающем и приемном пунктах, по затратам до­полнительного времени на передачу фиксированного объема данных (оно обусловлено изменением объема трафика пользователя при реа­лизации данного метода), по степени обеспечения достоверности пе­редачи информации. Практическое воплощение методов состоит из двух частей — программной и аппаратной. Соотношение между ними может быть самым различным, вплоть до почти полного отсутствия одной из частей. Чем больше удельный вес аппаратных средств по сравнению с программными, тем при прочих равных условиях сложнее оборудование, реализующее метод, и меньше затрат времени на его реализацию, и наоборот.

Выделяют две основные причины возникновения ошибок при пере­даче информации в сетях:

• сбои в какой-то части оборудования сети или возникновение не­благоприятных объективных событий в сети (например, коллизий при использовании метода случайного доступа в сеть). Как пра­вило, система передачи данных готова к такого рода проявлениям и устраняет их с помощью предусмотренных планом средств;

• помехи, вызванные внешними источниками и атмосферными явле­ниями.

Помехи — это электрические возмущения, возникающие в самой аппаратуре или попадающие в нее извне. Наиболее распро­страненными являются флуктуационные (случайные) помехи. Они представляют собой последовательность импульсов, имеющих слу­чайную амплитуду и следующих друг за другом через различные промежутки времени. Примерами таких помех могут быть атмос­ферные и индустриальные помехи, которые обычно проявляются в виде одиночных импульсов малой длительности и большой ампли­туды. Возможны и сосредоточенные помехи в виде синусоидаль­ных колебаний. К ним относятся сигналы от посторонних радио­станций, излучения генераторов высокой частоты. Встречаются и смешанные помехи. В приемнике помехи могут настолько ослабить информационный сигнал, что он либо вообще не будет обнаружен, либо будет искажен так, что «единица» может перейти в «нуль», и наоборот.

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 большое практическое значение и является од­ной из серьезных проблем современной теории и техники связи.

Среди многочисленных методов защиты от ошибок выделяются три группы методов: групповые методы, помехоустойчивое кодиро­вание и методы защиты от ошибок в системах передачи с обратной связью.

Из групповых методов получили широкое применение мажоритар­ный метод, реализующий принцип Вердана, и метод передачи инфор­мационными блоками с количественной характеристикой блока.

Суть мажоритарного метода, давно и широко используемого в телеграфии, состоит в следующем. Каждое сообщение ограниченной длины передается несколько раз, чаще всего три раза. Принимаемые сообщения запоминаются, а потом производится их поразрядное срав­нение. Суждение о правильности передачи выносится по совпадению большинства из принятой информации методом «два из трех». На­пример, кодовая комбинация 01101 при трехразовой передаче была частично искажена помехами, поэтому приемник принял такие комбинации: 10101, O111O, 01001. В результате проверки каждой позиции отдельно правильной считается комбинация 01101.

Другой групповой метод, также не требующий перекодирования информации, предполагает передачу данных блоками с количествен­ной характеристикой блока. Такими характеристиками могут быть: число единиц или нулей в блоке, контрольная сумма передаваемых символов в блоке, остаток от деления контрольной суммы на посто­янную величину и др. На приемном пункте эта характеристика вновь подсчитывается и сравнивается с переданной по каналу связи. Если характеристики совпадают, считается, что блок не содержит ошибок. В противном случае на передающую сторону поступает сигнал с тре­бованием повторной передачи блока. В современных ТВС такой ме­тод получил самое широкое распространение.

Помехоустойчивое (избыточное) кодирование, предполагающее разработку и использование корректирующих (помехоустойчивых) кодов, применяется не только в ТКС, но и в ЭВМ для защиты от оши­бок при передаче информации между устройствами машины. Оно по­зволяет получить более высокие качественные показатели работы систем связи. Его основное назначение заключается в обеспечении малой вероятности искажений передаваемой информации, несмотря на присутствие помех или сбоев в работе сети.

Существует довольно большое количество различных помехоус­тойчивых кодов, отличающихся друг от друга по ряду показателей и прежде всего по своим корректирующим возможностям.

К числу наиболее важных показателей корректирующих кодов относятся:

• значность кода, или длина кодовой комбинации, включающей ин­формационные символы (т) и проверочные, или контрольные, сим­волы (К). Обычно значность кода п есть сумма т+К;

• избыточность кода K_изб, выражаемая отношением числа конт­рольных символов в кодовой комбинации к значности кода;

• корректирующая способность кода К_кс, представляющая собой отношение числа кодовых комбинаций L, в которых ошибки были обнаружены и исправлены, к общему числу переданных кодовых комбинаций М в фиксированном объеме информации.

Выбор корректирующего кода для его использования в данной ТКС зависит от требований по достоверности передачи информации. Для правильного выбора кода необходимы статистические данные о за­кономерностях появления ошибок, их характере, численности и рас­пределении во времени. Например, корректирующий код, обнаружи­вающий и исправляющий одиночные ошибки, эффективен лишь при условии, что ошибки статистически независимы, а вероятность их появления не превышает некоторой величины. Он оказывается непри­годным, если ошибки появляются группами. При выборе кода надо стремиться, чтобы он имел меньшую избыточность. Чем больше коэффициент К_из6, тем менее эффективно используется пропускная способ­ность канала связи и больше затрачивается времени на передачу ин­формации, но зато выше помехоустойчивость системы.

В качестве примера рассмотрим порядок кодирования информа­ции (формирования кодовой комбинации для ее передачи адресату) и декодирования (выявления и исправления ошибок в принятой кодовой комбинации и выделения из нее информационных символов, т.е. ин­формации пользователя) при использовании одного из наиболее попу­лярных корректирующих кодов — кода Хэмминга, обнаруживающе­го и исправляющего одиночные ошибки.

В этом коде контрольные символы занимают позиции, соответ­ствующие значениям 2°, 2 1 , 2 2 , 2 3 и т.д., т.е. позиции с номерами 1, 2, 4, 8 и т.д. (нумерация позиций кодовой комбинации — слева направо). Количество контрольных символов в кодовой комбинации должно быть таким, чтобы в процессе декодирования сформированное кор­ректирующее число (в двоичной системе счисления) могло указать позицию кодовой комбинации с максимальным номером. Например, для пяти информационных разрядов потребуется четыре контрольных. В полученной кодовой комбинации позиция с наибольшим номером будет 9-й, что записывается как 1001, т.е. требует четырех разрядов.

Значения контрольных символов при кодировании определяются путем контроля на четность количества единиц в информационных разрядах кодовой комбинации. Значение контрольного символа рав­но 0, если количество единиц будет четным, и равно 1 при нечетном количестве единиц.

При определении значения 1-го контрольного символа, размещае­мого на 1-й позиции кодовой комбинации, проверяются на четность те информационные позиции, двоичные изображения номеров кото­рых содержат единицу в младшем разряде, т.е. проверяются позиции с нечетными номерами. При определении значения 2-го контрольного символа, размещаемого на 2-й позиции кодовой комбинации, прове­ряются на четность те информационные позиции, двоичные изобра­жения номеров которых содержат единицу во 2-м разряде, т.е. пози­ции с номерами 3, 6, 7, 10, 11 и т.д. Значение 3-го контрольного симво­ла, размещаемого на 4-й позиции кодовой комбинации, определяется путем контроля на четность тех информационных позиций, двоичные изображения номеров которых содержат единицу в 3-м разряде, т.е. позиции с номерами 5, 6, 7, 12 и т.д. Аналогично устанавливаются значения и других контрольных символов.

В процессе декодирования формируется корректирующее число (КЧ), разрядность двоичного изображения которого устанавливается по указанному выше правилу. Значения разрядов этого числа опреде­ляются по правилам, аналогичным тем, которые использовались для определения значений контрольных символов в процессе кодирова­ния. Разница лишь в том, что при определении значений разрядов КЧ проверяются на четность не только информационные позиции, но и контрольные. Например, для определения значения младшего разряда КЧ проверяются на четность те позиции кодовой комбинации, двоич­ные изображения номеров которых содержат единицу в младшем раз­ряде, т.е. позиции с нечетными номерами 1, 3, 5, 7 и т.д.

Значение корректирующего числа определяет номер позиции ко­довой комбинации, в которой произошла ошибка. Для ее исправления необходимо значение кода в этой позиции изменить на противополож­ное (0 на 1 или 1 на 0). Если КЧ равно нулю, то это указывает на отсутствие ошибок в принятой кодовой комбинации. Процесс деко­дирования завершается выделением из кодовой комбинации инфор­мационных символов.

Заметим, что в ТВС корректирующие коды в основном применя­ются для обнаружения ошибок, исправление которых осуществляет­ся путем повторной передачи искаженной информации. С этой целью в сетях используются системы передачи с обратной связью (нали­чие между абонентами дуплексной связи облегчает применение таких систем).

Системы передачи с обратной связью делятся на системы с ре­шающей обратной связью и системы с информационной обратной связью.

Особенностью систем с решающей обратной связью (систем с пе­резапросом) является то, что решение о необходимости повторной передачи информации (сообщения, пакета) принимает приемник. Здесь обязательно применяется помехоустойчивое кодирование, с помощью которого на приемной станции осуществляется проверка принимае­мой информации. При обнаружении ошибки на передающую сторо­ну по каналу обратной связи посылается сигнал перезапроса, по ко­торому информация передается повторно. Канал обратной связи используется также для посылки сигнала подтверждения правиль­ности приема, автоматически определяющего начало следующей пе­редачи.

В системах с информационной обратной связью передача инфор­мации осуществляется без помехоустойчивого кодирования. Прием­ник, приняв информацию по прямому каналу и зафиксировав ее в сво­ей памяти, передает ее в полном объеме по каналу обратной связи передатчику, где переданная и возвращенная информация сравнива­ются. При совпадении передатчик посылает приемнику сигнал под­тверждения, в противном случае происходит повторная передача всей информации. Таким образом, здесь решение о необходимости повтор­ной передачи принимает передатчик.

Обе рассмотренные системы обеспечивают практически одинако­вую достоверность, однако в системах с решающей обратной связью пропускная способность каналов используется эффективнее, поэтому они получили большее распространение.

Пример 13.3. В системах с решающей обратной связью ARQ, где реали­зуется непрерывный автоматический запрос на повторение и концепция скользящих окон, для двух возможных вариантов защиты от ошибок (си­стемы с выборочным повторением и системы с возвращением на N_K кад­ров) и заданных характеристиках линий связи и объеме передаваемой ин­формации найти время на передачу этой информации и необходимый объем буферного ЗУ на приемном пункте.

Е_инф = 2 Мбит — объем передаваемой информации;

L_k = 7 — длина окна (количество кадров в окне);

R_k = 4096 бит — длина одного кадра;

V _k = 9600 бит/с — пропускная способность канала связи;

М_к = 1000 — количество каналов в многоканальной линии связи;

N_ош = 1 — число кадров в окне, принятых с ошибками. Ошибочные кадры передаются повторно. Для упрощения условия примера и опреде­ленности будем считать, что в каждом окне ошибочный кадр имеет второй номер (это важно для оценки систем с возвращением на N_k кадров).

Постановка задачи иллюстрируется на рис. 13.2. Данные передаются от узла А к узлу В по прямому каналу. В семикадровом окне на приемном пункте (в узле В) во втором кадре обнаружены ошибки, и сигнал об этом (NAK 2) по обратному каналу передается в узел А (рис. 13.2, а). В протоко­ле ARQ реализуется один из двух методов обнаружения и повторной пере­дачи искаженных данных:

• выборочное повторение (рис. 13.2, б), когда повторно передается только искаженный кадр данного окна. Все другие кадры этого окна, поступившие в узел В после искаженного кадра (в нашем примере это кадры с номерами от 3 до 7), временно хранятся на приемном пункте в буферном ЗУ;

• возвращение на n_k кадров (рис. 13.2, в), когда повторно передается не только искаженный кадр, но и все кадры данного окна, посту­пившие вслед за искаженным (предполагается, что источник, по­служивший причиной искажения второго кадра, продолжает дей­ствовать). Здесь надобность в буферном ЗУ пропадает. Рассчитаем показатели для первого варианта системы ARQ — с выбо­рочным повторением.

Время на передачу заданного объема информации определяется по формуле

где n_ok — количество окон в передаваемом объёме информации, причем

Рис. 13.2.Система с решающей обратной связью ARQ:

а — передача данных по прямому каналу; б — выборочное повторение;

T₁ = 70 • (7+1) • 4096 / 9600 = 238,9 с.

Необходимый объем буферного ЗУ:

(13.3)

где L_3у — количество кадров данного окна, временно сохраняемых в буферном ЗУ (в нашем примере L_3y = 5).

Следовательно, Е_зу = 5 • 4096 • 1000 = 20 480 000 бит.

Для второго варианта системы ARQ — с возвращением на n_k кадров (в нашем примере N_K = 6) — определяется только время на передачу ин­формации:

(13.4)

Как видно, первый вариант предпочтительнее по времени на передачу заданного объема информации, зато требует на приемном пункте буфер­ной памяти. Разница в значениях показателей Т1, и Т₂ будет тем больше, чем выше интенсивность ошибок в линиях связи.

Дата добавления: 2017-01-29 ; просмотров: 2319 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник