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.

Под дуплексным режимом работы модема понимается возможность передавать и принимать информацию одновременно. Проблема для модема заключается не в способности канала передавать дуплексную информацию, т.к. обычный телефонный канал – дуплексный, а в возможности демодулятора модема распознать входной сигнал на фоне отраженного от аппаратуры АТС собственного выходного сигнала. При этом его мощность может быть не только сравнима, но в большинстве случаев значительно превосходить мощность принимаемого полезного сигнала (так как объединение и разделение передачи и приема производится с помощью дифсистем, которые невозможно идеально настроить на полное подавление сигнала передатчика местного модема). Поэтому, могут ли модемы передавать информацию одновременно в обе стороны определяется возможностями протокола физического уровня.

Соединение абонента передачи данных с телефонным каналом может осуществляться с помощью четырехпроводного окончания (главным образом с арендованными каналами) и/или двухпроводным окончанием (в основном с коммутируемыми каналами). При четырехпроводном окончании передача и прием осуществляются независимо друг от друга. В этом случае каждая пара используется для передачи информации только в одном направлении и проблемы разделения входного сигала и отраженного выходного не существует.

Передача данных по телефонным каналам с двухпроводным окончанием организуется с использованием одного из следующих методов:

поочередной передачи в каждом из направлений (полудуплексный режим);

частотного разделения направлений передачи (дуплексный режим: симметричный или ассимметричный – в зависимости от равенства или неравенства скоростей передачи в разных направлениях);

одновременной передачи в обоих направлениях с подавлением на приеме отраженного сигнала собственного передатчика (дуплексный режим с эхокомпенсацией).

Наиболее простым в реализации и наименее эффективным по использованию канала связи является метод поочередной передачи (полудуплексный), т.к. передача ведется только в одном направлении, и имеют место потери времени на смену направлений передачи. Ввиду отсутствия проблем с взаимным проникновением подканалов передачи, а также с эхо-отражением, полудуплексные протоколы в общем случае характеризуются большей помехоустойчивостью и возможностью использования всей ширины полосы пропускания канала. Этот метод применяется при малых скоростях передачи. Все протоколы, предназначенные для факсимильной связи – полудуплексные. С освоением более высоких скоростей появилась возможность организации на базе этого метода псевдодуплексной передачи (дуплексный режим оконечного оборудования данных при полудуплексной передаче в канале) – т.н. метод "ping-pong".

Модемные протоколы

Модемы можно классифицировать в соответствии с реализованными в них протоколами. Все протоколы, регламентирующие те или иные аспекты функционирования модемов могут быть отнесены к двум большим группам: международные и фирменные.

Протоколы международного уровня разрабатываются под эгидой ITU-T и принимаются им в качестве рекомендаций (ранее ITU-T назывался Международным консультативным комитетом по телефонии и телеграфии – МККТ, международная аббревиатура CCITT). Все рекомендации ITU-T относительно модемов относятся к серии V. Фирменные протоколы разрабатываются отдельными компаниями – производителями модемов, с целью преуспеть в конкурентной борьбе. Часто фирменные протоколы становятся стандартными протоколами де-факто и принимаются частично либо полностью в качестве рекомендаций ITU-T, как это случилось с рядом протоколов фирмы Microcom. Наиболее активно разработкой новых протоколов и стандартов занимаются такие известные фирмы, как AT&T, Motorolla, U.S.Robotics, ZyXEL и другие.

С функциональной точки зрения модемные протоколы могут быть разделены на следующие группы:

Протоколы, регламентирующие соединение и алгоритмы взаимодействия модема и DTE (V.10, V.11, V.24, V.25, V.25bis, V.28);

Протоколы модуляции, определяющие основные характеристики модемовб предназначенных для коммутируемых и выделенных телефонных каналов. К ним относятся такие протоколы, как V.17, V.22, V.32, V.34, HST, ZyX и большое количество других;

Протоколы защиты от ошибок (V.41, V.42, MNP1-MNP4);

Протоколы зжатия передаваемых данных, такие как MNP5, MNP7, V.42bis;

Протоколы согласования параметров связи на этапе ее установления (HandShaking ), например V.8.

Приставки “bis” и “ter” в названиях протоколов обозначают, соответственно, вторую и третью модификацию существующих протоколов или протокол, связанный с исходным протоколом. При этом исходный протокол, как правило, остается поддерживаемым.

Некоторую ясность среди многообразия модемных протоколов может внести их условная классификация, приведенная на схеме.

Невозможны одновременная передача, приём беспроводной связью единой частоты. Результатом станет ужасная интерференция. Андре Голдсмит «Беспроводные коммуникации»

Дуплексная радиосвязь предусматривает одновременную двустороннюю передачу информации. Исторически первыми концепцию реализовали трансатлантический телеграф (1870-е), телетайпы (1890-е). Идея вызвана необходимостью экономии спектра физического канала. Океанический кабель слишком дорого стоил. Случай телетайпов немного отличен: идея уже была известна, некто придумал способ получения дополнительной прибыли, пользуясь скромными запросами печатающих устройств (ниже голосовой линии).

Примеры симплексных систем

Лучше прочувствовать принцип действия симплексной передачи информации помогут примеры систем однонаправленного потока информации:

1. Вещание.
2. Микрофоны звукозаписи.
3. Наушники.
4. Радионяни.
5. Беспроводная система управления рольставнями.
6. Камеры слежения.

Симплекс характеризуется отсутствием необходимости, возможности двухсторонней передачи информации.

Принцип действия

Дуплексная коммуникационная система обычно соединяет две точки (противопоставляя себя вещанию). Современными компьютерными портами (Ethernet) часто осуществляется аналогичный ход, выделяют отдельную витую пару каналам приёма, передачи. После телеграфа, телетайпа концепция настигла телефонные линии. Общеизвестно: абоненты могут говорить одновременно. Расслышать собеседника – вопрос десятый.

Цифровая техника предоставляет видимость эффекта дуплексной радиосвязи. Передатчик давно сжёг бы приёмник, работай каналы одновременно. Однако временное деление функционирует быстро, пакеты коммутируются столь искусно, что собеседники бессильны заметить «подвох». Дуплекс бывает неполным. Полудуплексный метод применяется рациями. Канал разбивается, благодаря внедрению кодовых вызывных комбинаций слов, произносимых абонентами.

Временное деление каналов

Разделение каналов с выделением временных слотов абонентам демонстрирует весомые преимущества на линиях с несимметричными скоростями (загрузка, выгрузка данных). Типичный пример – интернет. Весомое неравенство каналов входящей, исходящей информации сделало возможным спутниковый доступ (запрос по местной мобильной сети, ответ – из космоса). Примеры:

• Стандарт третьего поколения сотовой связи 3G.
• Беспроводная телефония DECT.
• WiMAX (3G+).
• Некоторые разновидности LTE.

Широкое распространение методики дало внедрение импульсных устройств (середина 60-х годов XX века). Причиной существующего положения эксперты называют появление твердотельной электроники. Ламповые дискретные устройства занимали слишком большое пространство. Приёмопередающее оборудование требовало наличия просторного помещения. Первоначально создали два режима сжатия канала:

1. Синхронная (циклическая) передача подразумевает периодическое подключение к линии абонентов. Последовательность строго оговорена. Разрабатывается структура кадра, внедряются синхронизирующие сигналы. Характер кодирования безразличен.
2. Асинхронная передача практикуется цифровыми системами. Информация посылается заблаговременно сформированными пакетами размером сотни-тысячи бит. Наличие адресов делает возможным асинхронную схему взаимодействия. Сегодня принцип использует даже сотовая связь. Современные протоколы предусматривают пакеты с чётным количеством байтов. Поэтому отсутствие синхронизации чисто формальное.

Пакет дополнен заголовком. Состав информации определён стандартом протокола. Канал загружается периодически, с частотой передачи пакетов. Традиционные советские системы использовали 8 кГц (телефонный сигнал дискретизируется со скоростью 64 кбит/с). Методы модуляции несущей:

• Широтно-импульсная.
• Амплитудно-импульсная.
• Время-импульсная.

Двоичный сигнал кодируют прямоугольными импульсами. Спектр выходит бесконечно широким, реальный сигнал обрезают фильтрами. В результате фронты сглаживаются. Растягивание вызывает межимпульсную интерференцию. Помехи по соседнему каналу вызваны пересечением спектров. Параметры систем временного разделения каналов стандартизированы, иерархия получила название плезиохронной:

1. Первая ступень несёт 32 канала (32 х 64 = 2048 кбит/с). 2 канала отдают служебным сообщениям.
2. Следующие ступени (120, 480, 1920) формируются путём уплотнения 4 цифровых потоков побитным мультиплексированием. Причём некоторые разделы стандарта были сформированы заблаговременно, не найдя немедленной аппаратной реализации.

Оптоволоконной альтернативой приведённому методу называют синхронную цифровую иерархию. Алгоритм нацелен обеспечивать крупные ветви сети, где скорости значительные. Требуется повальная синхронизация узлов. Длительность блока (синхронного транспортного модуля) составляет прежние 125 мс (8 кГц). Цифровая длина – 2340 байт. Заголовку отводится 90. Сформирована 5-ступенчатая иерархия согласно размеру пакетов. Мелкие могут являться составными частями крупных.

Частотное деление

Впервые применил частотное деление войсковой связист Игнатьев Г.Г. (1880). Военный подразумевал повторить опыт трансатлантического кабеля. Хотел расширить рамки проложенного кабеля (поле боя оставляет мало времени сантиментам). Передающая аппаратура формирует набор стандартных аналоговых сигналов (обычно 12) стандартной ширины 300-3500 Гц. Блок включает нужное число генераторов выбранного диапазона связи. Канальный промежуток составляет 900 Гц (ДВ).

Групповой аналоговый сигнал занимает 48 кГц. Сегодня приёмопередающее оборудование задействует одновременно две частоты (минимум). Принцип широко используется любительской радиосвязью. Дальнобойщики хорошо знают каналы бедствия, вызова. Пример универсален, касается двустороннего общения радиолюбителей планеты. Первые аналоговые сети использовали внеполосный цифровой вызов станции – слабый пример дуплекса.

Частотное деление – идеальный вариант организации канала симметричного трафика. Базовые станции перестают слышать друг друга, устраняется интерференция. Примеры:

1. ADSL.
2. CDMA2000.
3. IEEE 802.16 (разновидность WiMAX).

Кодовое деление

Частота выборки телефонного сигнала – 64 кГц, используется фазовая манипуляция:

• 1 – 0 градусов.
• 0 – 180 градусов.

Чтобы закодировать цифровой сигнал, бит дополнительно разбивают. Впервые методика продемонстрирована системой Зелёный шершень времён Второй мировой войны. Наложение псевдошумового сигнала сильно озадачило фашистов. Союзники, разделённые Атлантическим океаном, провели свыше 3000 совместных конференций.

Длину кода называют базой сигнала. Графически нули и единицы наложенной последовательности обозначают +1 и -1, явно отличая от основного информационного сообщения. Наложение расширяет спектр в число раз, равное базе. Искусственное увеличение позволяет избежать интерференции. Особенность прямо касается вышек сотовой связи. Каждый канал получает фиксированную кодирующую последовательность, осуществляя концепцию ортогональности. Число совпадающих битов равно числу не совпадающих.

Приёмник корреляционного типа. Часто заменяют согласованным фильтром. Опорным выступает код канала с фазовой манипуляцией. Пытаясь снизить ширины спектры, применяют специальные коды. Хорошо себя зарекомендовал псевдошумовой сигнал. Межканальные помехи вызваны искажениями группового сигнала:

• Коррективы, вносимые полосами пропускания радиоэлектронных устройств.
• Мультипликативные помехи эфира.
• Недостаточная ортогональность кодов.

Стандарт IS95 стал основой сотовых сетей CDMA, спутниковой связи Globalstar.

Устранение эхо

Двусторонние системы громкой связи создают эффект положительной обратной связи, выражающийся резким свистом. Звук динамика достигает микрофона, усиливается, передаётся оппоненту. Визави повторяет порядок преобразований, возвращая послание. Громкость нарастает.

Стандарты модемов, компьютерных шин предусматривают подавление эха. Лишённая техники блокировки отражённого сигнала система бессильна развить полную скорость. Работа цифровых сетей требует жёсткой синхронизации.

Доступ к среде на основе конкуренции

Механизмы доступа к среде

Каждая сеть должна поддерживать определенный механизм управления доступом к среде передачи данных. Реализуется доступ к среде на втором (канальном) уровне эталонной модели OSI. Хотя теоретически механизм доступа к среде должен быть универсальным, на практике различают несколько способов его реализации. В частности, в локальных сетях для управления доступом к среде передачи данных используется четыре различных подхода:

Конкуренция за право доступа;

Передача маркера;

Доступ по приоритету;

Коммутируемый доступ.

В локальной сети, устройства которой соревнуются за право на передачу данных, применяется метод доступа к среде на основе конкуренции (contention-based media access method) . Совокупность устройств, соперничающих друг с другом за полосу пропускания, называются конфликтным доменом (collision domain). Данный метод применяется во многих разновидностях Ethernet.

Технология доступа к среде на основе конкуренции довольна примитивна и не предполагает использования централизованного механизма управления. Вместо этого каждое сетевое устройство берет на себя все функции по организации процесса передачи своих данных. Каждый раз, когда устройство собирается передать данные, оно должно определить, доступен ли кабель для передачи или уже используется другим устройством. Если кабель используется, необходимо подождать и через некоторое время предпринять следующую попытку.

Из приведенного описания механизма доступа к среде на основе конкуренции можно сделать вывод, что все подключенные к сети устройства передают и принимают данные в одном и том же диапазоне частот. Среда передачи способна передавать только один сигнал в отдельный момент времени, и этот сигнал занимает весь диапазон. Другими словами среда передачи данных поддерживает режим моно полосной передачи.

Технология монополосной передачи использует только один канал для транспортировки всех данных. Поэтому:

Только одно устройство может передавать данные в отдельный момент времени;

Устройство может либо передавать, либо получать данные. Такой режим называется полудуплексным (half-duplex).

Полудуплексная сеть позволяет осуществлять передачу данных только одному устройству в данный момент времени – все остальные должны оставаться пассивными и прослушивать трафик на наличие адресованных им кадров.

В дуплексной (full-duplex) сети доступная полоса пропускания делиться на дискретные каналы. В альтернативном варианте физически разделенные проводники могут использоваться для создания избыточного канала, использующего тот же диапазон частот. В типичной дуплексной сети используется технология коммутации. В любом случае каждому устройству предоставляется в единицу времени как принимать, так и передавать данные.

Следует заметить, что полностью в дуплексной сети, предоставляющей доступ на основе конкуренции, только одно устройство в отдельном конфликтном домене имеет право передавать данные в определенный момент времени. Однако при развертывании дуплексной сети каждое устройство оказывается подключенным к коммутируемому порту. Таким образом, количество устройств в каждом конфликтном домене сокращается до двух: само устройство и коммутируемый порт, к которому оно подключено.

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.