Устройство аналогового модема
Большинство аналоговых модемов обеспечивают синхронную передачу данных по телефонному каналу. В общем виде аналоговый синхронный модем содержит приемник, передатчик, компенсатор электрического эха, схему управления и источник питания (рис. 4.43).
Рис. 4.43 – Схема аналогового синхронного модема
Схема управления исполняется в виде микропроцессора универсального назначения (PU), и предназначена для обеспечения интеллектуального интерфейса с ООД и управления работой приемника, передатчика и эхо-компенсатора.
Эхо-компенсатор предназначен для ослабления вредного влияния помехи в виде электрического эха (собственного отраженного сигнала) на прием сигнала от удаленного модема.
Передатчик принимает данные от ООД, выполняет операции синхронизации, скремблирования, логического кодирования, модуляции, и компенсацию искажений, вносимых каналом передачи, после чего посылает обработанные данные в канал связи. Схема передатчика приведена на рис. 4.44.
Рис. 4.44 - Схема передатчика аналогового синхронного модема
Схема синхронизации получает сигнал опорной частоты от внутреннего генератора или от ООД. В последнем случае модем обязан поддерживать синхронный режим работы не только по каналу с удаленным модемом, но и по интерфейсу ООД-АПД.
Скремблер выполняет операцию скремблирования передаваемых данных с целью облегчения выделения тактовой частоты приемником удаленного модема.
Кодер выполняет операцию логического кодирования информации, поступающей от скремблера.
Эквалайзер позволяет компенсировать нелинейные искажения, вносимые каналом передачи.
Фильтр и усилитель позволяют выделить информационный сигнал на фоне шумов и помех.
Приемник получает данные из канала связи, выполняет операции синхронизации, дескремблирования, декодирования, демодуляции, компенсации искажений, вносимых каналом связи, после чего передает данные ООД. Схема приемника изображена на рис. 4.45.
Рис. 4.45 – Схема приемника аналогового синхронного модема
Модулятор приемника совместно с задающим генератором позволяют перенести спектр принимаемого сигнала (300–3400 Гц) в область более высоких частот. Это делается для облегчения операций фильтрации и демодуляции.
Демодулятор, декодер, дескремблер выполняют операции, обратные операциям, выполняемым в передатчике.
Схема синхронизации выделяет сигнал тактовой частоты из принимаемого сигнала.
Адаптивный эквалайзер приемника, как и эквалайзер передатчика, позволяет компенсировать нелинейные искажения, вносимые каналом передачи. Адаптивность эквалайзера заключается в его способности подстраиваться под изменяющиеся параметры канала в течение сеанса связи. Для этого сигнал ошибки с демодулятора поступает на схему управления, которая вырабатывает управляющие сигналы для эквалайзера.
Устройство цифрового модема
За исключением самых простейших, цифровые модемы обладают интеллектуальными функциями и поддерживают набор АТ-команд. К цифровым модемам относятся такие устройства, как CSU/DSU и терминальные адаптеры сетей ISDN. В качестве примера рассмотрим устройство CSU/DSU. Такие устройства применяются для передачи данных по цифровым каналам типа Е1/Т1, Switched56 и др.
CSU/DSU (Channel Service Unit / Data Service Unit) - устройство обслуживания канала / устройство обслуживания данных (рис. 4.46).
Рис. 4.46 – Устройство CSU/DSU
Модуль обслуживания канала CSU обеспечивает правильное согласование ООД с используемым цифровым каналом. На CSU часто устанавливаются световые индикаторы, сигнализирующие об обрыве местных линий и потери связи со ООД. Питание CSU может осуществляться отдельным источником питания, либо посредством самой цифровой линии.
Модуль обслуживания данных, или цифровой служебный модуль DSU включаются в цепь между CSU и ООД. Основной задачей DSU является приведение потока цифровых данных, поступающих от ООД в соответствие со стандартом, принятым для данной цифровой линии.
ЛЕКЦИЯ 10
Структуризация и объединение сетей ЭВМ
Устройства структуризации и объединения и сетей обеспечивают связь между сегментами локальных сетей, отдельными ЛВС и подсетями любого уровня. Эти устройства могут быть отнесены к определенным уровням модели OSI (рис. 4.47).
Рис. 4.47 – Соответствие функций устройств объединения и структуризации сетей уровням модели OSI
ЛЕКЦИЯ 11
Физическая структуризация. Повторители и концентраторы
Отрезки кабеля, соединяющие два узла сети, называются физическими сегментам. Для каждой сетевой технологии и определенного типа кабеля имеется величина максимальной длины такого сегмента.
Для соединения нескольких физических сегментов предназначены устройства физической структуризации сети - повторители и концентраторы.
Повторитель (repeater) передает сигнал, приходящий из одного физического сегмента сети, на другой ее сегмент (рис. 4.48). При этом происходит регенерация передаваемого сигнала, т.е. улучшение его качества сигнала (восстановление его мощности и амплитуды, улучшения фронтов и т. п.), что позволяет увеличить протяженность сети.
Рис. 4.48 – Использование повторителей в сети Ethernet
Повторитель имеет два порта для подключения сегментов кабеля. Концентраторы или хабы (hub) имеют несколько портов, к которым с помощью отдельных физических сегментов кабеля подключаются конечные узлы сети.
Концентраторы бывают трех типов - активные, пассивные и гибридные.
Активный концентратор (active hub) действует аналогично повторителю - регенерирует и передает сигнал, приходящий на один из портов и посылает его на другие порты (несколько или все остальные). При этом кадры передаются в подсоединенные сегменты независимо от того, в каком из них находиться узел назначения. Поэтому такие концентраторы называются также многопортовыми повторителями (multiport repeater). Для работы активных концентраторов требуется питание от сети.
Пассивный концентратор (passive hub) действуют как точка соединения, но регенерации сигнала при этом не происходит. К таким концентраторам относится коммутационная кабельная панель или коммутационный блок. Электропитания пассивные концентраторы не требуют.
Гибридный концентратор позволяет использовать в одной сети разные типы кабелей.
Концентраторы образуют из отдельных физических отрезков кабеля единую разделяемую среду передачи данных - логический сегмент. Логический сегмент также называют доменом коллизий, поскольку при попытке одновременной передачи данных любых двух компьютеров этого сегмента, даже если они принадлежащих разным физическим сегментам, возникает блокировка передающей среды.
Так как логика доступа к разделяемой среде существенно зависит от технологии, то для каждого ее типа выпускаются свои концентраторы. Разница между ними заключается в том, на каких портах происходит повторение сигнала. Концентратор Ethernet повторяет входные сигналы на всех своих портах, кроме того, с которого сигналы поступают (рис. 4.49, а), а концентратор Token Ring (рис. 4.45, б) только на том порту, к которому подключен следующий в кольце компьютер.
Рис. 4.49 - Концентраторы различных технологий
Повторители и концентраторы позволяют увеличить протяженности сети и количество подключенных узлов. При использовании в локальных сетях нескольких таких устройств должны соблюдаться определенные условия. Например, для сети Ethernet определены правила “5-4-3” и «четырех хабов».
ЛЕКЦИЯ 12
Логическая структуризация. Мосты и коммутаторы
Использование стандартных технологий на разделяемых средах передачи данных эффективно при построении небольших сетей, состоящих из 10-30 узлов. При превышении некоторого порога количества узлов, подключенных к разделяемой среде, в сети резко увеличивается задержки доступа к среде.
Величина задержки зависит от коэффициента использования сети, который равен отношению трафика к максимальной пропускной способности сети и выражается в процентах. Всем технологиям присущ экспоненциальный рост величины задержек доступа при увеличении коэффициента использования сети. Количество узлов, при которых коэффициент использования сети начинает приближаться к опасной границе, зависит от технологии и типа функционирующих в узлах приложений.
Даже сеть средних размеров при использовании разделяемой среды не может работать эффективно при интенсивном трафике, а для больших сетей могут возникнуть проблемы, связанные с ограничениями максимальной длины сети.
Для решения данных проблем осуществляется логическая структуризация сети. Под логической структуризацией сети понимается разбиение общей разделяемой среды на логические сегменты - самостоятельные разделяемые среды с меньшим количеством узлов (рис. 4.50). Взаимодействие между логическими сегментами организуется с помощью мостов (bridge), коммутаторов (switch, switching hub). Сегменты подключается к портам данных устройств.
Рис. 4.50 - Логическая структуризация сети
Устройства логической структуризации передают кадры от одного сегмента только в тот сегмент, которому подключен узел-получатель (в отличие от концентраторов, которые передают сигналы независимо от того, предназначена ли информация узлу, подключенному к данному сегменту или нет).
Нагрузка на каждый сегмент структурированной сети, оказывается меньше, чем нагрузка, которую испытывала исходная сеть. Следовательно, снижается время ожидания доступа. Для иллюстрации этого эффекта рассмотрим сеть, разбитую на два сегмента с помощью моста (рис. 4.51). Внутри сегментов имеются повторители.
Рис. 4.51 - Изменение нагрузки при делении сети на сегменты
До деления сети на сегменты нагрузка равнялась C = ∑ Cij, где Сij - средняя интенсивность трафика от узла i к yзлу j.
После разделения сети на сегменты при вычислении нагрузки каждого сегмента, нужно учитывать внутрисегментный трафик (трафик кадров, которые циркулируют между узлами одного сегмента), и межсегментный трафик между узлами, один из которых принадлежит данному сегменту. Внутренний трафик других сегментов при этом не учитывается. Например, нагрузка сегмента S1 равна CS1 + CS1_S2 , где CS1 - внутренний трафик сегмента S1, а CS1_S2 - межсегментный трафик.
Общую нагрузку сети до разделения на сегменты можно записать в другой форме:
C = CS1 + CS1_S2 +CS2,
Таким образом, нагрузка сегмента S1 после разделения равна C - CS2 , т.е. уменьшилась на величину внутреннего трафика сегмента S2.
При уменьшении нагрузки на сегмент задержки в нем также уменьшаются, а полезная пропускная способность сегмента в целом и пропускная способность каждого узла увеличивается.
Деление сети на логические сегменты не уменьшает нагрузку только в том случае, если внутрисегментный трафик равен нулю, а весь трафик является межсегментным. На практике, возникновение такой ситуации означает, что сеть разбита на логические подсети неверно.
Логическая структуризация позволяет организовать эффективную работу сети в условиях неоднородности информационных потоков. Неоднородность возникает в сетях, состоящих из множества подсетей рабочих групп, отделов, филиалов предприятия и других административных образований. В таких сетях наиболее интенсивный обмен данными наблюдается между узлами одной подсети, и только небольшая часть обращений происходит к узлам, находящимся в другой подсети. Ранее существовало эмпирическое правило 80/20, говорящее о том, что можно разделить сеть на сегменты так, что на внутрисегментный трафик приходились 80 % общего трафика, а 20 % - на межсегментный. Сейчас существуют сети с соотношением 50/50 и даже 20/80, но внутрисегментный трафик всегда существует.
Рассмотрим сеть технологии Ethernet, построенную на основе концентраторов (рис. 4.51).
Рис. 4.51 - Противоречие между логической структурой сети и структурой информационных потоков
Благодаря применению концентраторов сеть имеет разветвленную физическую структуру, но т.к. они передают кадр на все свои порты, логическая структура сети остается без изменений (представляет собой шину). Поэтому кадр, посылаемый узлом А узлу В, поступает в узлы отделов 2 и 3. При этом ни один из узлов сети не сможет передавать данные до тех пор, пока компьютер В не получит адресованный ему кадр.
Таким образом, однородная логическая структура никак не учитывает увеличение интенсивности трафика внутри отдела и предоставляет всем парам узлов равные возможности по обмену информацией.
Можно организовать сеть так, чтобы кадры, пересылаемые между компьютерами одного отдела, не выходили бы за пределы данной части сети, а в сеть каждого из отделов попадали только те кадры, которые адресованы ее узлам. При этом производительность сети существенно повыситься, т.к. узлы одного отдела не будут простаивать в то время, когда обмениваются данными узлы других отделов. Такое распространение трафика называется его локализацией.
Структурировать сеть и локализовать трафик можно, заменив центральный концентратор на мост (рис. 4.52).
Рис. 4.52 - Логическая структуризация сети с помощью моста
Сети 1-го и 2-го отделов состоят из отдельных логических сегментов, а сеть отдела 3 - из двух. Каждый логический сегмент построен на базе концентратора и имеет простейшую физическую структуру, образованную отрезками кабеля, связывающими компьютеры с портами концентратора.
Мосты используют плоские аппаратные МАС-адреса, не содержащие информации о принадлежности узла к определенному логическому сегменту. Поэтому мост достаточно упрощенно представляет деление сети на сегменты - он запоминает, через какой порт поступил кадр от каждого узла сети, и в дальнейшем передает кадры, предназначенные для данного узла, на этот порт. Точная топология связей при этом мосту не известна.
Коммутатор по принципу обработки кадров работает аналогично мосту. Основное отличие между данными устройствами состоит в том, что мост передает данные последовательно (каждый момент времени может осуществляться передача только между одной парой портов), а коммутатор – параллельно (поддерживает потоки данных между всеми своими портами). Для этого каждый порт коммутатора снащен специализированным процессором, в то время как мост имеет один процессорный блок. За счет этого общая производительность коммутатора обычно намного выше производительности моста, имеющего один процессорный блок.
ЛЕКЦИЯ 13
Объединение сетей. Маршрутизаторы и шлюзы
Создание структурированной сети средствами канального уровня (с помощью мостов и коммутаторов) имеет существенные ограничения и недостатки:
В топологии сети должны отсутствовать петли (замкнутые контуры), т.к. мосты и коммутаторы могут обеспечить доставку пакета только в том случае, когда между отправителем и получателем существует единственный путь. Но наличие избыточных связей, образующих петли, часто необходимо для лучшей балансировки нагрузки и повышения надежности сети.
Мосты и коммутаторы слабо изолируют сегменты друг от друга, поэтому не защищают их от широковещательных штормов, т.е. если узел посылает широковещательное сообщение, оно передается всем узлам сети.
Сложно осуществляется фильтрация кадров администратором на основе их содержания.
Система адресации недостаточно гибкая - МАС - адрес жестко связан с сетевым адаптером.
Не все типы мостов и коммутаторов обладают возможностью трансляции протоколов канального уровня, к тому же эти возможности ограничены. Это ограничивает построение на основе мостов и коммутаторов больших неоднородных сетей.
Для преодоления перечисленных ограничений при построении сетей применяются маршрутизаторы (router).
Маршрутизаторы работают на сетевом уровне, где сеть рассматривается как совокупность нескольких подсетей (subnet), и называется составной сетью, или интерсетью (internetwork или internet) (рис.4.53).
Рис. 4.53 - Архитектура составной сети
Компонентами составной сети могут являться локальные, региональные и глобальные сети. Все узлы в пределах одной подсети используют единую технологию. Каждая из этих технологий достаточна для того, чтобы организовать взаимодействие всех узлов подсети, но не способна обеспечить связь между узами, принадлежащими разным подсетям (межсетевое взаимодействие, internetworking). Для обеспечения межсетевого взаимодействия требуются привлечь средства сетевого уровня, соединив подсети маршрутизаторами.
Технологии подсетей могут использовать различные системы адресации. Адреса узлов в пределах каждой подсети называют локальными. Для организации межсетевого взаимодействия сетевой уровень имеет собственную систему адресации, позволяющую однозначно идентифицировать каждый узел в пределах всей сети. Каждый узел сети имеет уникальный сетевой адрес, состоящий из номера подсети и номера узла в пределах подсети.
Благодаря явной нумерации сетей маршрутизаторы имеют точную карту межсетевых соединений, а потому позволяют создавать сети с избыточными связями.
При этом решается две задачи:
маршрутизация, т.е. выбор оптимального по некоторому критерию, пути продвижения информации от источника к пункту назначения,
коммутация, т.е. транспортировка пакетов по выбранному маршруту.
Маршрутизация позволяет избежать чрезмерной нагрузки отдельных участков сети.
Маршрутизаторы более надежно и эффективно, чем мосты и коммутаторы, изолируют части сети друг от друга. Например, если некорректно работающий узел посылает пакет не в том направлении мост или коммутатор повторяют его на всех своих портах. Маршрутизатор в таком случае просто отказывается передавать пакет дальше.
Маршрутизатор распознает многие поля служебной информации в пакете, что предоставляет администратору удобные средства фильтрации пакетов.
Кроме фильтрации, маршрутизатор может обеспечивать приоритетный порядок обслуживания пакетов на основании некоторых признаков.
В современных сетях часто используют комбинированный способ логической структуризации - небольшие сегменты объединяются устройствами канального уровня в более крупные подсети, которые, в свою очередь, соединяются маршрутизаторами.
Существуют также гибридные маршрутизаторы (brouter – bridge/router). Такие устройства работают как маршрутизаторы при передаче, только тех пакетов, которым необходима маршрутизация. При передаче остальных пакетов они работают как мосты.
Если необходимо объединить сети с разными типами системного и прикладного программного обеспечения (использующие различные протоколы на всех уровнях модели OSI) в сетях применяются шлюзы (gateway).
Шлюз принимает данные из одной среды, удаляет старый протокольный стек и переупаковывает их в протокольный стек системы назначения.
ЛЕКЦИЯ 14
Коммутация в сетях ЭВМ
Любые сети поддерживают определенный способ соединения абонентов между собой. Только в полносвязной топологии любая пара абонентов соединяется индивидуальной линией связи. Сети других топологий являются коммутируемыми.
Абоненты в таких сетях соединяются индивидуальными линями связи только с узлами коммутации, в качестве которых используются концентраторы, коммутаторы, мосты, маршрутизаторы. Линии связи между узлами коммутации разделяются (используются совместно) несколькими абонентами.
Коммутация может осуществляться в двух режимах: динамическом и статическом.
При динамической коммутации соединение устанавливается по инициативе пользователя на время сеанса связи, а затем разрывается.
При постоянной коммутации администратором сети устанавливается физическое соединение на длительный срок. Такие каналы называются выделенными (dedicated) или арендуемыми (leased).
Способы коммутации делятся на две группы:
коммутация каналов (circuit switching),
коммутация с промежуточным хранением (store-and-forward).
Вторая группа в свою очередь состоит из двух способов:
коммутации сообщений (message switching),
коммутации пакетов (packet switching).