Цель работы
Изучение методов передачи информации в канале передачи данных, исследование эффективности протоколов канала данных с использованием средств статистического моделирования.
Методические указания
Общие сведения
Для обеспечения высоких требований к достоверности информационного обмена в сетях ЭВМ необходимо применение специальных методов защиты информации от ошибок. Все их можно подразделить на две группы: не использующие обратную связь и использующие ее.
В первом случае на передающей стороне передаваемые данные кодируются одним из известных кодов с исправлением ошибок. На приемной стороне, соответственно, производится декодирование принимаемой информации и исправление обнаруженных ошибок. Исправляющая возможность применяемого кода зависит от числа избыточных битов, генерируемых кодером. Если вносимая избыточность невелика, то есть опасность того, что принимаемые данные будут содержать необнаруженные ошибки, которые могут привести к ошибкам в работе прикладного процесса. Если же использовать код с высокой исправляющей способностью (большой избыточностью), то это приводит к необоснованно низкой реальной скорости передачи данных.
Во втором случае дополнительно применяется обратный канал, по которому организуется обратная связь между передатчиком и приемником. При этом передающая станция на основе своего состояния и получаемых по обратному каналу сведений, а также в соответствии с алгоритмом передачи принимает решение о передаче очередного сообщения. В этом случае можно достичь очень низкой вероятности необнаруженной ошибки при незначительном уровне вводимой избыточности.
Известны три основных вида обратной связи: решающая, информационная и комбинированная.
При использовании процедур с решающей обратной связью по каналу обратной связи передается информация о результате получения кадра приемной стороной. На приемной стороне на основе использования помехоустойчивого (n, k)-кода принимается решение о том, является ли принятая из канала n -последовательность кодовым словом или нет. Результат решения в виде подтверждения или запроса передается по обратному каналу на передающую сторону. В соответствии с результатами этих решений передающая сторона в рамках конкретного алгоритма передает новую информацию или повторяет ранее переданные n-последовательности.
При использовании информационной обратной связи по обратному каналу приемной стороной передается либо вся принятая n -последовательность, либо некоторое ее отображение (свертка). Решение о правильности восприятия n -последовательности принимается передающей стороной на основе анализа переданной n-последовательности и принятой из канала обратной связи разновидности сигнала информационной обратной связи.
Комбинированная обратная связь обладает чертами, присущими как решающей обратной связи, так и информационной обратной связи.
Процедуры с решающей обратной связью получили наибольшее распространение в современных сетях обмена данными, поскольку при использовании наиболее массовых и употребляемых двусторонних каналов связи они позволяют сравнительно простыми средствами обеспечить устойчивый и эффективный обмен информацией на уровне канала данных. Наиболее известны три следующие процедуры.
Процедура с остановкой и ожиданием получила свое название потому, что после передачи информационного блока (кадра) передающая сторона ожидает ответа (подтверждения). Если поступает отрицательное подтверждение (NAK), то кадр передается повторно. Повторная передача кадра производится также в случае истечения заданного времени ожидания ответа (тайм-аута). После получения положительного подтверждения (ACK) производится передача следующего кадра.
Процедура с возвращением на N кадров более эффективна, так как в этом случае кадры передаются без перерыва на ожидание подтверждения. На приемной стороне после обнаружения ошибок в принятом кадре последний стирается, производится блокировка приема следующих кадров и в обратном направлении передается отрицательное подтверждение с номером искаженного кадра. При получении отрицательного подтверждения или по истечении установленного времени ожидания искаженный или неподтвержденный кадр и все переданные за ним N -1 кадров передаются вновь, то есть осуществляется возврат на N кадров назад.
Процедура с селективным повторением отличается от предыдущего алгоритма тем, что повторно передаются только те кадры, в которых обнаружены ошибки. Это повышает эффективность процедуры, однако на передающей стороне требуется буферный накопитель с перестроениями, позволяющий восстанавливать порядок следования кадров.
2. Оценка эффективности алгоритмов передачи данных
Эффективность алгоритмов передачи данных может оцениваться такими параметрами, как достоверность, относительная скорость передачи и время задержки.
Достоверность оценивается вероятностью выдачи получателю информации искаженного кадра. Этот параметр определяется вероятностью необнаруженных ошибок в блоке данных длиной n бит, которая зависит от свойств применяемого кода, обнаруживающего ошибки.
Относительная скорость передачи данных определяется как отношение скорости передачи полезной информации (данных) R к скорости передачи двоичных элементов (пропускной способности канала) C, то есть R 0= R / C. Иными словами, это отношение длины информационного сообщения (бит) к общему количеству двоичных элементов, переданных по каналу для того, чтобы на приемной стороне было безошибочно восстановлено переданное сообщение. Среднее значение этого параметра определяется на достаточно больших временных интервалах.
Время задержки сообщения является случайной величиной, которая характеризуется функцией распределения Fm (t), равной вероятности задержки сообщения длиной m бит на время меньше t.
Параметры алгоритмов передачи данных могут быть определены на основе логики его функционирования с использованием реализации последовательности ошибок, полученной в результате статистического моделирования дискретного канала. При этом формируется последовательность искаженных кадров. В процессе имитации фиксируются величины, необходимые для определения требуемых параметров алгоритма.
Например, для вычисления относительной скорости передачи, являющейся основным параметром, характеризующим эффективность алгоритмов передачи данных, фиксируются следующие величины: общее число переданных кадров N; число переспросов V.
Относительная скорость передачи данных для протоколов с остановкой и ожиданием рассчитывается по формуле
где a = ct ож – константа, определяемая техническими средствами, используемыми при передаче данных; k – число информационных элементов в блоке данных; (k +l) – общее число элементов в блоке данных; t ож=2 t р+ t пп+ t ак+ t ап; t р – время распространения сигнала по каналу связи; t пп – время передачи подтверждения; t ак – время анализа кадра; t ап – время анализа подтверждения.
Для процедуры с возвращением на N кадров
,
а с селективным повторением
,
M – емкость накопителя, равная числу повторяемых при переспросе комбинаций.
Анализ выражений для R 0 показывает, что при прочих постоянных параметрах можно выбрать длину блока, оптимальную для конкретного качества канала, то есть обеспечивающую максимальную скорость передачи информации.
Следует отметить, что в приведенных примерах используются следующие допущения: вероятность необнаруженной ошибки принимается равной нулю; кадры подтверждения не искажаются.
Задание
1. На основании статистического моделирования алгоритмов передачи данных получить зависимость относительной скорости передачи от длины кадра. При этом длина поля данных k изменяется от 10 до 2000 с шагом 10 (k <100) и 100 (k >100). Ошибки в канале независимы. t ак= t ап=0.
| № п/п | Алгоритм передачи данных | l | C (бит/с) | t р(мс) | t пп(мс) | р ош | M |
| С остановкой и ожиданием | 10-5 | - | |||||
| С остановкой и ожиданием | 5 10-5 | - | |||||
| С остановкой и ожиданием | 10-4 | - | |||||
| С N- возвращениями | - | - | - | 10-5 | |||
| С N- возвращениями | - | - | - | 5 10-5 | |||
| С N- возвращениями | - | - | - | 10-4 | |||
| С селективным повторением | - | - | - | 10-5 | - | ||
| С селективным повторением | - | - | - | 5 10-5 | - | ||
| С селективным повторением | - | - | - | 5 10-5 | - |
2. Сравнить эффективность процедуры с остановкой и ожиданием и процедуры с N -возвращениями. Ошибки в канале независимы. Канал характеризуется большим временем распространения сигнала.
| k | l | C (бит/с) | t р(мс) | t пп(мс) | р ош | M | |
| 10-5 | |||||||
| 10-5 | |||||||
| 10-5 |
3. Для процедуры с N -возвращениями исследовать зависимость относительной скорости передачи от величины M -1. Ошибки в канале независимы.
| k | l | р ош | M нач | M кон | |
| 7 10-4 | |||||
| 5 10-4 | |||||
| 2 10-4 | |||||
| 10-4 |
Для всех вариантов заданий объяснить полученные результаты.
Теория информации
Составители Б а р и н о в Валерий Викторович
Б о д р о в Олег Анатольевич
П а р ф и л о в а Надежда Ивановна
Редактор Н.А. Орлова
Корректор С.В. Макушина
Подписано в печать Формат бумаги 60´84 1/16.
Бумага газетная. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 4,0.
Уч.-изд. л. 4,0. Тираж 150 экз. Заказ ____
Рязанская государственная радиотехническая академия.
390005, Рязань, ул. Гагарина, 59/1.
Редакционно-издательский центр РГРТА.