Структура кадров

Структура кадра HDLC, включая флаги FD:

§ Флаги FD — открывающий и закрывающий флаги, представляющие собой коды 01111110, обрамляют HDLC-кадр, позволяя приемнику определить начало и конец кадра. Благодаря этим флагам в HDLC-кадре отсутствует поле длины кадра. Иногда флаг конца одного кадра может (но не обязательно) быть начальным флагом следующего кадра.

§ Адрес В двухточечной конфигурации адрес HDLC используется для обозначения направления передачи — из сети к устройству пользователя (10000000) или наоборот (11000000).

§ Управляющее поле занимает 1 или 2 байта. Его структура зависит от типа передаваемого кадра. Тип кадра определяется первыми битами управляющего поля: 0 — информационный, 10 — управляющий, 11 — ненумерованный тип. В структуру управляющего поля кадров всех типов входит бит P/F, он по-разному используется в кадрах-командах и кадрах-ответах. Например, станция-приемник при получении от станции-передатчика кадра-команды с установленным битом P немедленно должна ответить управляющим кадром-ответом, установив бит F.

§ Информационное поле предназначено для передачи по сети пакетов протоколов вышележащих уровней - сетевых протоколов IP, IPX, AppleTalk, DECnet, в редких случаях — прикладных протоколов, когда те выкладывают свои сообщения непосредственно в кадры канального уровня. Информационное поле может отсутствовать в управляющих кадрах и некоторых ненумерованых кадрах.

§ Поле FCS (Frame Check Sequence) — контрольная последовательность, необходимая для обнаружения ошибок передачи. Её вычисление в основном производится методом циклического кодирования с производящим полиномом X16+X12+X5+1 (CRC-16) в соответствии с рекомендацией CCITT V.41. Это позволяет обнаруживать всевозможные кортежи ошибок длиной до 16 бит вызываемые одиночной ошибкой, а также 99, 9984 % всевозможных более длинных кортежей ошибок. FCS составляется по полям Адрес, Управляющее поле, Информационное поле. В редких случаях используются другие методы циклического кодирования. После просчёта FCS на стороне приёмника он отвечает положительной или отрицательной квитанцией. Повтор кадра передающей стороной выполняется по приходу отрицательной квитанции или по истечении тайм-аута.

и 4Mbps (использование 4-PPM – Pulse-Phase Modulation) старт-бит и стоп-бит не применяются. (FIR)

Фазово-импульсная модуляция (англ. Pulse-position modulation, PPM) — один из трёх основных способов цифрового модулирования информации в последовательность импульсов.

Фазово-импульсная модуляция сигнала осуществляется путём задержки (или упреждения) появления импульса на время, соответствующее значению информационных символов.

При фазово-импульсной модуляции кодирование передаваемой информации заключается в изменении позиции импульсов в группе импульсов, которая называется кадром.

Программный протокол. Он включает в себя: IrLAP (Link Access Protocol), занимающийся разбиением данных на блоки, контролем ошибок и другими функциями низкого уровня, и IrLMP (Link Management Protocol), позволяющий по одной ИК-линии обмениваться данными между несколькими приложениями. Данный протокол базируется на существующих стандартах асинхронной полудуплексной передачи данных HDLC и SDLC. Инфракрасная технология поддерживает только однонаправленную передачу информации, поэтому, в следствие полудуплексной природы SIR, возникла архитектура с одним главным (первичным) и множественными подчиненными (вторичными) устройствами. Схема обращения устройств представляет собой обычный протокол обмена данными, где есть фазы запросов (Request) и ответов (Response). Так, первичное устройство отвечает за организацию соединения, обработку ошибок, и посланные им фреймы называются управляющими (Command Frames), а пакеты вторичных устройств именуются ответными (Response Frames). Обмен информацией идет только с первичным устройством, которое всегда выступает инициатором соединения, однако его роль может играть любое из устройств, поддерживающих необходимые для этого функции.

Устройства, соответствующие стандарту IrDA, перед началом передачи должны в первую очередь попытался выявить (прочитать) нет ли в ближайшей окрестности активности в ИК-диапазоне, установить не ведется ли какая-либо передача в пределах его досягаемости. Если такая активность обнаружена, то программе, выдающей запрос, посылается соответствующее сообщение, а сам блок откладывает передачу. Поскольку оба соединяющихся устройства могут быть компьютерами (а не компьютер и принтер, или клавиатура, мышь), то любое из них может быть ведущим. Выбор зависит от того, какое устройство первым проявит инициативу.

Каждое устройство имеет 32bit адрес, вырабатываемый случайным образом при установлении соединения. Каждому кадру в пределах соединения ведущее устройство при старте присваивает 7bit-адрес соединения. Для возможных, но нежелательных случаев, когда два устройства имеют одинаковый адрес, предусмотрен такой механизм, когда ведущее устройство дает команду всем подчиненным устройствам изменить их адреса. В процессе установления связи два устройства " договариваются" о максимальной скорости, с которой они оба могут работать. Все первичные передачи, выполняемые до фазы переговоров, по умолчанию ведутся на скорости 9.6Kbps.

Максимальный квант передачи может быть равен 100, 200 или 500 ms. Он представляет собой максимальное время, в течение которого устройство передает данные до того, как перейдет к прослушиванию подтверждения приема и зависит от скорости передачи, емкости буфера в принимающем устройстве. Минимальная длительность передачи определяется неспособностью передающего устройства перейти к приему данных сразу после выдачи последнего бита. Дело в том, что усилитель PIN-диода в передающем устройстве входит в состояние насыщения от собственной передачи. Время восстановления приемника – переменная величина, составляющая 0.001–10 ms. Этот параметр для данного устройства должен быть заранее известен и учитывается в фазе переговоров об установлении соединения. Процедуры расширенного восстановления включают в себя функцию сброса, которая прерывает связь, но потом восстанавливает активное состояние с параметрами соединения, используемые по умолчанию.

Стандартом предусмотрено два основных состояния: NRM (Normal Response Mode) и NDM (Normal Disconnect Mode). Первое – это состояние соединения с распределенными ролями первичного и вторичных устройств. Второе предусматривает функции детектирования доступных устройств, сбор информации о них, разрешение адресных конфликтов, а также позволяет передавать данные широковещательно, без установления соединения. В протоколе IrLAP используется три типа кадров. Поле данных присутствует только у первого и последнего вида фреймов, оно не ограничено по длине, но число бит в нем должно быть кратно 8. Ненумерованные (U-кадры) используются для установления связи: операции соединения и разъединения, информирования об ошибках и передачи данных, если нет необходимости в нумерации последовательностей. Информационные (I-кадры) используются для передачи информации и предназначены для передачи данных. Их командное поле содержит номер фрейма в последовательности, помогающей принимающему устройству отслеживать нарушения очередности. Нумерация организована так, что служит одновременно средством подтверждения приема: S- и I-фреймы могут нести номер пакета, который ожидается на входе устройства-отправителя. Счетчик позволяет идентифицировать только 8 фреймов, таким образом, номер следующего ожидаемого приемником пакета может высылаться не с каждым фреймом, а только по получении нескольких промежуточных пакетов. Величина, определяющая их количество, называется размером окна. Четвертый бит контрольного поля у фрейма, сгенерированного первичным устройством, означает запрос данных, а в ответном фрейме он играет роль конечного бита, сигнализирующего о завершении передачи. Супервизорные (S-кадры) используются для функций handshaking (процедура договора устройств о параметрах синхронизации).

Договариваясь о соединении, устройства обмениваются информацией о скорости, максимальной и минимальной длительности цикла, максимальной величине фрейма, размере окна, количестве дополнительных флагов BOF (Beginning Of Frame) и пороговом времени разрыва соединения (промежуток, в течение которого не было принято ни одного корректного фрейма). Под максимальным циклом (maximum turn-around time) подразумевается отрезок времени, по истечении которого устройство должно установить в своем фрейме конечный бит, а под минимальным – длительность паузы, начиная с момента отсылки последнего байта последнего фрейма, запрошенного передающим устройством, чтобы подготовиться к приему данных. BOF выполняет роль задержки перед посылкой очередного фрейма устройствам с большей задержкой. Предусмотрена команда смены ролей XCHG, позволяющая передавать право называться первичным устройством, как эстафету. Для проверки правильности передачи фрейма к нему в конце дописывается поле FCS (Frame Check Sequence), которое содержит контрольную сумму формата CRC-CCITT.

Протокол IrLAP устанавливает правила доступа к ИК-среде, процедуры открытия канала, согласование абонентов сети, обмена информацией и т.д.

Протокол управления каналом IrLMP является обязательным, однако его некоторые особенности могут быть опциональны. Каждое устройство IrDA содержит таблицу сервисов и протоколов, доступных в настоящий момент. Эта информация может запрашиваться у других устройств. Мультиплексор администратора соединений и его схема управления позволяют нескольким приложениям обмениваться данными по одному физическому соединению. Протокол IrLMP содержит два компонента: LM-IAS (Link Management Information Access Service) и LM-MUX (Link Management MUltipleXed). LM-IAS управляет информационной базой так, что станции могут запросить, какие службы предоставляются. Эта информация храниться как ряд объектов, с каждым из которых связан набор атрибутов. Например, Device является обязательным и имеет атрибуты DeviceName, IrLMPSupport (номер версии протокола, поддержка ISA и MUX). LM-MUX выполняет мультиплексирование каналов поверх одного соединения, устанавливаемого протоколом IrLAP. Таким образом каждое из LSAP-соединений определяет логически различные информационные потоки. Протокол LM-MUX обеспечивает передачу данных между точками доступа как внутри одной, так и между другими станциями. Он может работать в одном из двух режимах: эксклюзивном (активизируется только одно соединение LSAP) и мультиплексивном (несколько соединений LSAP могут разделять один канал IrLAP). В этом случае управление потоком должно быть обеспечено протоколами верхнего уровня или непосредственно приложением. Итак, IrLMP функционирует в двух режимах: мультиплексирования и эксклюзивном. Первый позволяет разделять одно физическое соединение нескольким задачам, второй отдает все ресурсы одному-единственному приложению. Каждое виртуальное соединение представлено своей LSAP, таким образом, связь происходит на уровне двух LSAP (LSAP Connection). Также предусмотрено три варианта доступа: с установлением предварительного соединения, без установления предварительного соединения (Сonnectionless) и режим сбора информации о возможностях, сервисах и приложениях удаленного устройства (XID_Discovery).

IrDA TP (Transport Protocol) работает над использованием в качестве транспортного протокола ISO-8073. Его применение позволяет пропускать по линии IrDA несколько потоков данных, с собственным управлением для каждого. Но использование этого протокола не обязательно. TinyTP (Tiny Transport Protocol) – транспортный протокол, осуществляющий функции управления потоком независимыми для любого LSAP-соединения. Каждая точка доступа этого протокола (TTPSAP – TinyTP Service Access Point) идентифицируется с единственной точкой доступа IrLMP и использует единый с ней адрес. TinyTP также ведает сегментацией и сборкой фреймов). IrCOMM – протокол эмуляции последовательного и параллельного портов, основанный на четырех типах сервиса: 3-Wire Raw, 3-Wire, 9-Wire и Centronics. Первый работает только через одно эксклюзивное соединение и используется, когда необходимо передавать исключительно данные. Второй эмулирует параллельную передачу по трем каналам (Signal Common, TD, RD), используя возможности TinyTP, Девятипроводный предназначен для эмуляции последовательных портов и обрабатывает, помимо трех вышеупомянутых, еще шесть сигналов (RTS, CTS, DSR, DTR, CD, RI). Centronics – это не что иное, как виртуальный параллельный интерфейс на базе TinyTP).

Протокол IrTran-P, введенный для передачи изображений, состоит из трех слоев (SCEP, bFTP, UPF) и пользуется услугами упоминавшегося ранее IrCOMM. Назначение SCEP (Simple Command Execute Protocol) – изоляция вышележащих уровней от реалий конкретного интерфейса. Благодаря высокому уровню абстракции удалось спроектировать протокол bFTP (binary File Transfer Protocol) таким образом, что он может единообразно обслуживать нужды самых разных устройств в самых разных конфигурациях соединения. Имя файла упаковывается вместе с данными в единый блок, предусмотрены функции опроса удаленного устройства и согласования параметров представления информации, что максимально автоматизирует процесс. UPF (Uni Picture Format) обеспечивает гарантированное воспроизведение изображений, переданных с одного устройства на другое. UPF основывается на формате JPEG и позволяет сохранять, помимо изображения, еще и все дополнительные сведения о нем, обычно фиксируемые цифровыми камерами (дата, ориентация, уровень белого, уровень черного и т. д.). Чтобы устройства, содержащие аппаратно-зафиксированные алгоритмы обработки изображений, могли адекватно воспринимать модифицированный формат, вся расширенная информация вынесена в заголовок, а само изображение остается нетронутым.

VFIR (Very Fast IR) – дополнение к стандарту IrDA, позволяющее повысить скорость передачи данных до 16Mbps. Введен новый формат фрейма, в котором первым идет поле преамбулы (Preamble), состоящее из 240bit или слотов, после IrLAP-фрейма и контрольной суммы – поле FB (Flush Byte – 8 нулевых бит), в конце – поле Null (24 нулевых бита). Вся переданная информация кодируется по алгоритму HHH, обеспечивающему от 1 до 13 пустых слотов между импульсами. Конечно, необходимые изменения были сделаны и в протоколе IrLAP: добавлено обозначение для скорости 16Mbps в поле Baud Rate, а также увеличен максимально возможный размер окна с 7 до 127 фреймов.

IrBus (IrControl). Спецификация, регулирующая вопросы, связанные с подключением различной периферии, требующей взаимодействия с системными контроллерами. Ее положения применимы также к устройствам удаленного управления ПК, телевизорами высокой четкости (HDTV) и бытовыми приборами.

Физический уровень обеспечивает передачу данных, закодированных по схеме модуляции последовательными импульсами 16-PSM (Pulse Sequence Modulation – 8 слотов, где только 2 или 4 могут содержать импульс) со скоростью 75Kbps. Однако, при использовании такой схемы кодирования, импульс означает " 1", его отсутствие – " 0". Частота несущей основного сигнала – 1.5MHz с минимальной дальностью действия 5м. Данные пересылаются в пакетах двух видов: длинные (776bit) и короткие (72bit), структура которых абсолютно идентична за исключением значения стартового флага, а также разрядности контрольной суммы. Так, протокол MAC (Media Access Control) регламентирует процессы взаимодействия множественной периферии с единственным основным устройством (Host) и обмена информацией между ними.

Существует три режима работы ведущего устройства: сон (с низким энергопотреблением), нормальный и сосуществование с IrDA (поддержка IrDA SIR 1.1 и IrControl). Если от периферии долгое время не поступает никаких данных, то Host автоматически переходит в состояние сна, причем само периферийное устройство в случае необходимости может самостоятельно перевести его в нормальный режим работы. Host получает данные путем циклического опроса периферии (Poll) с периодом 13.8 s, в ходе которого обслуживается до четырех устройств с критическим временем латентности (для менее требовательной периферии гарантируется период опроса в 69 s). Формат MAC-пакета состоит из поля адреса основного устройства (HA – Host Address), поля адреса периферии (PA – Peripheral Address) и контрольного поля (MAC). Значение структуры MAC зависит от того, основное или периферийное устройство являются " автором" пакета, и содержит вспомогательную системную информацию.

Прежде чем начнется обмен данными, должен пройти процесс идентификации всей доступной " лидеру" периферии (Enumeration), для чего предназначен специальный формат пакета, называемый " окликом" (Hail). После идентификации устройства и регистрации сведений о его максимально возможном времени опроса оно включается в общий цикл Host-опроса. В зависимости от его дальнейшей активности частота обращений может быть повышена или понижена.

В режиме сосуществования основное устройство в первые 50 s отводит на осуществление IrDA SIR 1.1-коммуникаций, а следующие 10 s производит опрос периферии. Устройства, чувствительные к времени задержки, не могут получить в этом режиме надлежащего обслуживания, да и количество некритичного к циклу опроса оборудования уменьшается до двух устройств. Над уровнем MAC располагается слой LLC (Logical Link Control), функции которого сводятся к обеспечению надежного соединения для вышележащих уровней. Именно LLC ведает пересылкой подтверждений об успешной доставке пакетов.

IrLAN. Протокол обеспечивает доступ в локальную сеть с помощью инфракрасного соединения (сетевая среда IrLAN), где основными являются клиент и провайдер. Провайдер пассивен и ожидает проявления иницативы со стороны клиента, на которого возлагаются все функции по детектированию и конфигурированию соединения. Для этого используется контрольный канал – через него клиент получает необходимые сведения о провайдере из его IAS. (протокол IrLMP компонент LM-IAS)

Предусмотрено три метода доступа в сеть: через точку доступа (Access Point), типа " порт–порт" (Peer-to-Peer) и режим основного функционирования (Hosted). Access point представляет собой специализированное устройство, имеющее как доступ к сети, так и IR-адаптер. При соединении " порт–порт" два устройства связываются через инфракрасное соединение, а IrLAN лишь эмулирует локальную сеть. В этом случае каждый из участников должен играть роли клиента и провайдера одновременно.

В режиме " хост" компьютер-провайдер не только предоставляет услуги подключения к сети для удаленных устройств, но и сам пользуется ими, потому что провайдер и клиент делят один и тот же сетевой адрес и возникает потребность в специальном маршрутизирующем и фильтрующем ПО. При инициализации соединения устанавливаются два " виртуальных канала" – данных и контроля, причем оба используют TinyTP. В канале данных в настоящий момент поддерживаются пакеты типов 802.3 (Ethernet) и 802.5 (Token Ring).

Формат фрейма данных IrLAN аналогичен формату ретранслируемого сетевого протокола. Драйвер IrLAN обычно не модифицирует содержимое пакетов, за исключением дескрипторов, и лишь в режиме Hosted могут быть внесены определенные изменения. В канале контроля обмен осуществляется на основе фреймов другого формата. В первом его 8bit-поле содержится команда, в таком же следующем – количество сопутствующих параметров, а дальше идут сами параметры, которые " укладываются" в промежуток 0–8160 bit.

Практически, сегодня уже нет мало-мальски уважающей компании, которая бы не производила компоненты для ИК портов. Например, компания Crystal Semiconductor выпускает микросхему ИК приемопередатчика серии CS8130. Этот прибор является интерфейсом между блоком UART, излучающим светодиодом и светочувствительным PIN-диодом. Он работает в форматах IrDA, ASK и TV формате беспроводного управления, имеет функции программирования мощности передачи и порога срабатывания приемника. Микросхема выполнена в корпусе типа SSOP очень малого размера (5х7 mm).

В качестве примера " интеграции" можно рассмотреть интерфейс IrDA, добавленного на материнскую плату обычного ПК (в связи со сложностью схемы она не прилагается). Блок UART, имеющийся на плате, можно использовать как для того, чтобы управлять проводным СОМ-портом интерфейса RS-232, используя, например, преобразователь напряжения МАХ562, так и для управления ИК-портом, соответствующим стандарту IrDA, используя трансивер CS8130. Внешний вывод PWRDN# микросхемы CS8130 используется для перевода в третье состояние линий RXD и FORM/BSY, что позволит использовать UART. И наоборот, с помощью выводов EN и SHDN# можно перевести в третье состояние выходы R2OUT и R3OUT микросхемы МАХ562, передавая управление UART трансиверу CS8130. В качестве второго примера можно привести схему (также не прилагается) внешнего модуля, который можно подключить к имеющемуся СОМ-порту любого компьютера. Этот модуль очень компактен и расположен в конце метрового кабеля, свободно ориентируемого в пространстве. Более подробно с конкретными реализациями интерфейса IrDA можно в документах, указанных в " списке дополнительных источников" …

Прошло всего полгода со дня презентации новой технологии связи Giga-IR, а ее создательница, японская телекоммуникационная компания KDDI, уже представила на выставке Expocomm Wireless Japan 2008 прототипна базе Giga-IR. Новая техническая разработка японских ученых позволит вдохнуть новую жизнь в отмирающий интерфейс передачи данных Infra-Red. Старая версия этого протокола позволяла обмениваться данными на максимальной скорости в 4 мегабита в секунду, в то время как скорость Giga-IR уже достигла одного гигабита в секунду.

Изюминка новой технологии в том, что в отличие от других инфракрасных интерфейсов, Giga-IR работает с использованием лазеров, а не светодиодов, при том что размеры модулей Giga-IR не особенно отличаются от таковых в стандартных инфракрасных устройствах. А это значит, что технологиям Bluetooth и WiFi, фактически заменившим инфракрасные интерфейсы, возможно, придется потесниться.

Как ожидается, новый беспроводной интерфейс может найти применение в тех сферах, где требуется скоростная передача большого объема данных на короткие расстояния. В бытовой электронике это прежде всего обмен данных между компьютером и мобильными устройствами (цифровыми фотоаппаратами, телефонами и т. п.). Giga-IR может оказаться полезной и при создании беспроводных домашних кинотеатров, DVD и BluRay-проигрывателей, принтеров и т. п.

Представители компании KDDI уже заверили, что при запуске в серийное производство устройства Giga-IR будут стоить не дороже нынешних инфракрасных модулей.

Ожидается, что Giga-IR будет использоваться для передачи мультимедийных данных между сотовыми телефонами, ПК, телевизорами, DVD-рекордерами, принтерами и другими устройствами.

Первоначально разработка носила название EFIR (extremely fast infrared communication). Компания KDDI, разработавшая интерфейс, стандартизует его в организации IrDA (Infrared Data Association). Завершение процесса ожидается в марте 2009 года.

В отличие от большинства ИК-интерфейсов, в которых используются светодиоды, в Giga-IR используются полупроводниковые лазеры. По словам компании, размеры коммуникационных модулей Giga-IR можно сделать сопоставимыми с размерами других ИК-модулей. То же самое касается и цены, конечно, при условии освоения массового выпуска модулей.

Лазер, примененный в Giga-IR, не требует точного взаимного позиционирования устройств, поскольку угол обзора составляет около 10°. Выходная мощность равна единицам мВт, что соответствует классу безопасности Class 1. Это делает безвредным случайное попадание луча лазера в глаз.

Немецкие исследователи из института Генриха Герца (Heinrich Hertz Institute) в Берлине установили мировой рекорд по скорости беспроводной передачи данных. Клаус-Дитер Лангер (Klaus-Dieter Langer) заявил: «Используя красно-сине-зелено-белые диоды, нам удалось передать данные со скоростью 800 Мбит/c в лабораторных условиях». Лангер также описал проведенный ими ранее эксперимент, в котором им удалось добиться скорости передачи данных в 100 Мбит/c с помощью только белых светодиодов.

Принцип передачи информации заключается в высокоскоростном включении и отключении светодиодов, что эквивалентно единицам и нулям. Ученый пояснил, что модуляция света незаметна для невооруженного глаза. Основными элементами приемного устройства является светочувствительный фотодиод и специальная схема с помощью которой сигналы светодиодов конвертируются в поток цифровой информации. По утверждению Лангера, преимущества этой технологии заключаются в простоте конвертации сигналов и отсутствии проводов в качестве среды передачи сигнала.

По мнению специалистов, использование видимого света вместо радиоволн имеет явные преимущества в больницах и самолетах, где радиопередачи не представляется возможными, а кабели будут непомерно дорогими. Самыми очевидными недостатками коммуникаций видимого света (VLC) является то, что сигнал может быть легко блокирован любым непрозрачным предметом а также неспособность света проникать сквозь стены.

Менеджер по беспроводной инженерии компании Intel Айша Эванс (Aicha Evans) сообщила, что сейчас VLC у многих на слуху. И хотя на самом деле это все еще научная фантастика, результаты, достигнутые в ранних стадиях развития технологии, дают все основания ожидать ее реализации в будущем.