Компьютерные сети. 6-е изд.

Недостаток этой схемы в том, что из-за тактового генератора полоса пропускания должна быть в два раза больше по сравнению с NRZ (а мы помним, что полоса пропускания — ценный ресурс). Еще одна стратегия — закодировать данные, обеспечив достаточное количество тактовых переходов в сигнале. Ведь у схемы NRZ возникают проблемы с восстановлением тактового сигнала только в случае длинных цепочек нулей и единиц. При частых тактовых переходах синхронизировать приемник с поступающим потоком символов будет несложно.

Для начала можно упростить задачу, закодировав «1» в виде тактового перехода, а «0» — в виде его отсутствия, либо наоборот. Это вариация NRZ — инвертированный NRZ (Non-Return-to-Zero Inverted, NRZI). Пример NRZI приведен на илл. 2.14 (в). Он используется в популярном стандарте подключения периферийных устройств — USB (Universal Serial Bus, универсальная последовательная шина). При такой схеме длинные последовательности единиц не проблема.

Остается решить вопрос с длинными цепочками нулей. Телефонная компания могла бы потребовать от абонента не отправлять слишком много нулей подряд. В США старые цифровые телефонные каналы T1 (мы обсудим их далее) имели ограничение в 15 последовательных нулей. Чтобы действительно решить эту проблему, можно разбить очереди нулей. Для этого небольшие группы передаваемых битов сопоставляются так, чтобы цепочки нулей были представлены в виде чуть более длинных паттернов, в которых не так много последовательных нулей.

Популярный код, предназначенный для этой цели, — 4B/5B. Каждой группе из 4 бит соответствует 5-битный паттерн на основе фиксированной таблицы преобразования. 5-битные паттерны подобраны таким образом, что последовательности из более чем 3 нулей невозможны. Таблица соответствий приведена на илл. 2.15. Избыточность схемы составляет 25 % — это намного лучше,

Данные (4B)

Кодовое сочетание (5B)

Данные (4B)

Кодовое сочетание (5B)

0000

11110

1000

10010

0001

01001

1001

10011

0010

10100

1010

10110

0011

10101

1011

10111

0100

01010

1100

11010

0101

01011

1101

11011

0110

01110

1110

11100

0111

01111

1111

11101

Илл. 2.15. Соответствие 4B/5B

чем в случае с манчестерским кодированием (100 %). А поскольку имеется 16 входных комбинаций битов и 32 выходных, часть выходных комбинаций не используется. Даже если отбросить сочетания со слишком длинными цепочками нулей, их останется немало. В качестве бонуса можно использовать эти коды в виде управляющих сигналов физического уровня. Например, иногда «11111» обозначает свободную линию, а «11000» — начало фрейма.

Еще один метод — скремблирование (scrambling) — состоит в видимой рандомизации данных. При этом подходе вероятность появления частых тактовых переходов очень высока. В основе работы скремблера лежит операция XOR с псевдослучайной последовательностью, которая применяется к данным до их передачи. В результате данные становятся столь же случайными, как эта последовательность (при этом они не зависят от нее). Для восстановления настоящих данных приемник применяет к входящему потоку XOR с той же псевдослучайной последовательностью. Чтобы все сработало, создание последовательности должно быть очень простым. Обычно ее задают в виде начального значения простого генератора случайных чисел.

Метод скремблирования хорош тем, что не требует избыточной полосы пропускания и дополнительного времени. К тому же он часто предотвращает попадание энергии сигнала в преобладающие гармоники, излучающие электромагнитные помехи (такие гармоники возникают из-за повторяющихся паттернов данных). Скремблирование полезно тем, что случайные сигналы обычно являются «белыми», то есть их энергия распределена по всем гармоникам.

Впрочем, скремблирование не гарантирует отсутствия длинных цепочек. Иногда просто не везет. Если данные полностью совпадают со случайной последовательностью, в результате операции XOR получаются сплошные нули. Такой исход маловероятен при длинной псевдослучайной последовательности, которую трудно предсказать. Но в случае коротких или легко предсказуемых последовательностей злоумышленники могут отправлять битовые паттерны, образующие после скремблирования длинные цепочки нулей. В результате происходит сбой связи. Подобным недостатком страдали ранние версии стандартов отправки IP-пакетов по каналам SONET в телефонной системе (см. Малис и Симпсон; Malis and Simpson, 1999). Пользователи могли отправлять определенные «пакеты-убийцы», которые гарантированно вызывали проблемы.

Симметричные сигналы