Малышев СЕТИ Локальные вычислительные сети

41

Радиолинии и инфракрасное излучение

В качестве среды передачи данных в вычислительных сетях используют также электромагнитные волны различных частот и инфракрасное излучение (ИК).

По существу, в беспроводных сетях обеспечивается соединение двух устройств без прокладки кабеля между ними. Такие сети в наибольшей степени полезны в следующих случаях.

•Проводная связь невозможна либо стоимость прокладки кабеля или его использования дороже организации беспроводного канала.

•Клиенты часто соединяются и отключаются от сети, либо не имеют доступа к персональному компьютеру, подключенному к сети.

•Частое перемещение с места на место клиентов сети или самой сети (например, при переезде).

Радиосвязь в ЛВС используется только в тех случаях, когда оказывается невозможной прокладка кабеля, например, в зданиях – памятниках архитектуры, между кораблями, между офисными зданиями.

Для построения глобальных каналов – радиолинии используется шире – на ней построены спутниковые каналы связи и наземные радиорелейные каналы, работающие в зонах прямой видимости в СВЧ-диапазонах (низкая секретность, возможен перехват). Скорость передачи на микроволновых радиоканалах 1 – 600 Мбит/с. Спутниковые микроволновые радиоканалы – используются 4 полосы (4/6 ГГц, 12/14 ГГц).

ИК-излучение используется в ЛВС, в глобальных сетях – не используется. Качество связи зависит от климата, погодных условий, жесткости

опоры, роста деревьев, пролетающих птиц (дождь, туман, снег пропускание атмосферы резонансное поглощение на молекулах газов (О2, О3, СО, СН4, N2O, CO2, H2O и др.)). Работа оптических каналов зависит от состояния атмосферы (зависимость величины затуханий и др. от реальных погодных условий), как впрочем, и работа радиосистем. Но правильно рассчитанные и установленные оптические системы обеспечивают качество не хуже, а в условиях высоких радиопомех значительно лучше, чем радиосистемы. Достаточно сложная настройка ИК-систем, однако затем все надежно работает в зоне прямой видимости.

Преимущества использования ИК-систем по сравнению с радиосистемами заключаются в следующем. Загруженность и засоренность радиоэфира приводит к тому, что в крупных городах получить частотную полосу становится весьма проблематичным, а вседоступность «открытых» диапазонов не может гарантировать качества канала в коммерческих и служеб-

42

ных системах связи, несмотря на использование технологий передачи со скачком частоты и сложным цифровым кодированием (см. п. 3.3).

Высокая конфиденциальность связи. Передача осуществляется узким лучом при полном отсутствии боковых излучений.

Отсутствие необходимости в разрешениях на использование радиочастотного спектра от государственных органов часто является определяющим фактором при выборе оборудования передачи.

И, наверное, главное преимущество – отсутствие принципиальных сложностей в ИК-технологии с пределом скорости передачи. Если в радиочастотных системах для занятия разумной ширины полосы передачи приходится применять изощренное кодирование, которое к тому же снижает другие характеристики системы (к примеру, отношение сигнал/шум в приемнике), то все эти сложности не имеют никакого отношения к инфракрасным системам. Скоростные характеристики канала передачи в ИКсистемах в основном определяются техническими характеристиками модулирующих усилителей и частотными свойствами фотодиодов. Уже сейчас скорости достигли отметки 2,5 Гбит/с, а при мультиплексировании по длине волны – до 10 Гбит/с.

Существует 2 группы ИК-излучателей:

1)полупроводниковые ИК-диоды: а) до 1 км, до 20 Мбит/с;

б) до 622 Мбит/с >6 км (коммерческие системы);

2)полупроводниковые лазерные ИК-диоды – большая дальность до 10 Гбит/с (опытные системы).

Вопросы по разделу

1.Какие существуют критерии выбора среды передачи данных?

2.Что такое передающая среда (среда передачи данных)? Какие виды сред Вы знаете?

3.Какая среда передачи данных, и какая топология в настоящее время наиболее широко применяются в сетях?

4.Сколько существует категорий неэкранированной витой пары? Сколько существует типов экранированной витой пары? Какие из них наиболее широко применяются?

5.По какой топологии строятся сети на основе витой пары, на основе оптоволокна?

6.В каких случаях применяется оптоволокно многомодовое/одномодовое?

7.Какие существуют достоинства и недостатки беспроводных сетей?

43

8. В каких случаях применяются беспроводные системы связи?

1.7.МЕТОДЫ ДОСТУПА В ЛВС

Метод доступа в ЛВС – способ «захвата» передающей среды (канала связи) для определения того, какая из рабочих станций сети может следующей использовать канал для использования ресурсов сети (в том числе и передачи информации).

Существует два способа организации доступа: управляемый и случайный.

При методе управляемого доступа каждая рабочая станция (т. е. компьютер, подключенный к сети) может передавать свои сообщения, лишь получив специальное разрешение. К управляемым методам доступа относится опрос и маркерный доступ. При опросе центральное устройство последовательно опрашивает все станции в пределах сети, давая тем самым по очереди разрешение на передачу каждой станции. Разновидность метода опроса – приоритетный доступ по требованию (Demand Priority) (см. п. 3.2.1.). При маркерном доступе для начала передачи станция должна получить специальный кадр, названный маркером и разрешающий передавать данные. После того как данные поступают на приемную станцию, передающая станция освобождает маркер и передает его далее следующей станции. Так маркер последовательно проходит через все станции, подключенные к данной локальной сети, давая тем самым разрешение на доступ к сети. Разновидность маркерного метода доступа – алгоритм раннего освобождения маркера (см. п. 3.1.2.). Достоинства управляемого доступа:

-каждой станции гарантируется доступ к сети;

-не требуется специального подтверждения об успешности приёма сообщения.

Недостаток: меньшая производительность канала из-за простоя PC, ждущих своей очереди.

При случайном доступе попытку передачи данных станция может начать в любое время. Станции состязаются друг с другом за использование канала. При одновременной передаче сразу несколькими станциями в сети возникают конфликты между ними (коллизии). Известны различные алгоритмы для разрешения конфликтов. Существует несколько методов случайного доступа, некоторые из них приведены ниже.

Техника случайного доступа впервые была применена исследователями Гавайского университета при создании радиосети, объединяющей

44

большое количество географически разнесенных пользователей с центральной ЭВМ. Эта первая система была названа системой Алоха. Основными продолжениями системы чистой (или простой) Алохи являются:

-синхронная Алоха;

-метод множественного доступа с проверкой несущей и обнаружением столкновений (CSMA/CD) (см. п. 3.1.1.);

-метод множественного доступа с проверкой несущей и предотвращением столкновений (CSMA/CA) (см. п. 3.3.).

Достоинства случайного доступа:

-простота построения;

-большая производительность канала.

Недостатки:

-возможность возникновения коллизий (столкновений);

-необходимость специальных подтверждений об успешной передаче.

Вопросы по разделу

1.Что такое метод доступа?

2.Какие методы доступа применяются в локальных сетях, в чём их отличие? Приведите примеры каждого из методов.

3.Что такое маркер и для чего он служит?

4.Как осуществляется опрос одной станции? Что при этом делает ЦУ, а что станция? Расскажите последовательность действий.

5.Какие существуют модификации маркерного метода доступа и опроса? В чем суть этих методов доступа?

6.В чём суть метода множественного доступа с проверкой несущей и обнаружением коллизий?

7.Есть ли коллизии при управляемых методах доступа? Если да, то когда они возникают? Объяснить.

8.Когда станция может начать передачу при том или ином методе доступа?

2.ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ СЕТЕЙ

2.1.ОСНОВНЫЕ ПРОГРАММНЫЕ И АППАРАТНЫЕ КОМПОНЕНТЫ СЕТИ

Вычислительная сеть – это сложный комплекс взаимосвязанных и согласованно функционирующих программных и аппаратных компонентов. Изучение сети в целом предполагает знание принципов работы ее отдельных элементов:

45

-компьютеров разных типов, классов, архитектур;

-коммуникационных устройств;

-сетевых операционных систем;

-программного обеспечения управления сетью;

-сетевых приложений (системных и прикладных).

Весь комплекс программно-аппаратных средств сети может быть описан многослойной моделью. В основе любой сети лежит аппаратный слой стандартизованных компьютерных платформ. В настоящее время в сетях широко и успешно применяются компьютеры различных классов – от карманных и наладонных компьютеров до мэйнфреймов и суперЭВМ.

Второй слой – это коммуникационное оборудование. Хотя компьютеры и являются центральными элементами обработки данных в сетях, в последнее время не менее важную роль стали играть коммуникационные устройства. Кабельные системы, повторители, мосты, коммутаторы и маршрутизаторы из вспомогательных компонентов сети превратились в основные наряду с компьютерами и системным программным обеспечением как по влиянию на характеристики сети, так и по стоимости. Сегодня коммуникационное устройство может представлять собой сложный специализированный мультипроцессор, который нужно конфигурировать, оптимизировать и администрировать.

Третьим слоем, образующим программную платформу сети, являются операционные системы.

Сетевая операционная система (NOS, Network Operating System) – это программное обеспечение, применяемое на каждом подключенном к сети ПК (Windows Server 2003/2008). Оно осуществляет управление и координирует доступ к сетевым ресурсам. Сетевая ОС отвечает за маршрутизацию сообщений в сети, разрешение конфликтов при конкуренции за сетевые устройства и работу с операционной системой ПК, например Windows NT, Windows XP, UNIX, Macintosh или OS/2.

Сетевая ОС обеспечивает совместную работу с файлами, приложениями и устройствами.

Основная часть сетевой ОС находится на сетевом сервере, а другие ее компоненты функционируют на всех рабочих станциях сети. Сетевая операционная система распознает все устройства в сети и управляет приоритетным доступом к совместно используемым периферийным устройствам, если несколько рабочих станций пытаются работать с ними одновременно. Сетевая ОС выполняет роль регулировщика трафика, предоставляет сервис каталога, обеспечивает контроль полномочий в системе защиты и реализует функции управления сетью.

46

От того, какие концепции управления локальными и распределенными ресурсами положены в основу сетевой ОС, зависит эффективность работы всей сети. При проектировании сети важно учитывать, насколько просто данная операционная система может взаимодействовать с другими ОС сети, насколько она обеспечивает безопасность и защищенность данных, до какой степени она позволяет наращивать число пользователей, можно ли перенести ее на компьютер другого типа (совместимость с разными типами компьютеров) и многие другие соображения.

Следующий слой ПО – программное обеспечение управления сетью. ПО управления сетью играет все более важную роль в мониторинге, управлении и защите сети. Оно обеспечивает упреждающий контроль, что дает возможность избежать простоя сети и возникновения в ней «узких мест», снизить совокупную стоимость владения сетью (ТСО, Total Cost of

Ownership).

С управляющей рабочей станции или через World Wide Web администраторы сети могут отслеживать закономерности в трафике, выявлять тенденции, приводящие к перегрузке сегмента, отслеживать и устранять проблемы, изменять конфигурацию сети для максимального увеличения ее производительности. По мере наращивания и усложнения сети такие сред-

ства мониторинга, как RMОN (The Remote Network MONitorig) и RМОN2;

помогают администраторам сохранять контроль за сетевой средой. Эти инструменты мониторинга позволяют получить подробную информацию с границы сети, вовремя выявить потенциальную проблему, чтобы сетевой администратор мог предпринять превентивные действия.

Кроме того, программное обеспечение управления защищает передаваемые по сети данные. С управляющей рабочей станции администраторы сети могут устанавливать пароли, определять, к каким ресурсам имеют право обращаться пользователи, регистрировать «попытки вторжения» неуполномоченных пользователей.

К таким продуктам можно отнести WinRoute, Firewall, WebSweeper

и др.

Самым верхним слоем сетевых средств являются различные сетевые приложения, такие как сетевые базы данных, почтовые системы, поисковые системы, средства архивирования данных, системы автоматизации коллективной работы и др. Очень важно представлять диапазон возможностей, предоставляемых приложениями для различных областей применения, а также знать, насколько они совместимы с другими сетевыми приложениями, разными операционными системами и другими типами компьютеров.

47

Вопросы по разделу

1. Назовите основные программные и аппаратные компоненты сети.

2. Назовите основное коммуникационное оборудование сетей.

3. Какое ПО управления сетью Вы знаете?

2.2. ТИПОВОЙ СОСТАВ КОММУНИКАЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЛОКАЛЬНОЙ СЕТИ

Фрагмент вычислительной сети (рис. 15) включает основные типы коммуникационного оборудования, применяемого сегодня для построения локальных сетей и соединения их через глобальные связи друг с другом [1, 3].

Рис. 15. Фрагмент сети

Для построения локальных связей между компьютерами используются различные виды кабельных или беспроводных систем, сетевые адап-

48

теры, концентраторы-повторители, мосты, коммутаторы и маршрутизаторы. Для подключения локальных сетей к глобальным связям используются специальные выходы (WAN-порты, т. е. порты с интерфейсами глобальных связей) мостов и маршрутизаторов, а также аппаратура передачи данных по длинным линиям – при работе по выделенным или коммутируемым аналоговым линиям – модемы или же устройства подключения к цифровым каналам: ТА (Terminal Adapter) – терминальные адаптеры сетей ISDN

(Integrated Services Digital Network), устройства обслуживания цифровых выделенных каналов сетей TDM (Time-division Multiplexing) типа CSU/DSU (Channel Service Unit/Data Service Unit) и т. п.

Интерфейсы маршрутизатор-CSU/DSU (интерфейсы WAN-портов маршрутизатора или удаленного моста): RS-449, V.35 (для T1/E1), HSSI (для Т3/Е3), RS-232С; интерфейс CSU/DSU – CSU/DSU: первичная цифровая сеть G.703.

2.2.1. Структурированная кабельная система

Согласно зарубежным исследованиям (журнал LAN Technologies), 70% времени простоев обусловлено проблемами, возникшими вследствие низкого качества применяемых кабельных систем. Поэтому так важно правильно построить фундамент сети – кабельную систему. В последнее время в качестве такой надежной основы все чаще используется структурированная кабельная система.

Структурированная кабельная система – СКС (Structured Cabling System, SCS) – это набор коммутационных элементов (кабелей, разъемов, коннекторов, кроссовых панелей, стоек и шкафов), а также методика их совместного использования, которая позволяет создавать регулярные, легко расширяемые структуры связей в вычислительных сетях. Преимущества структурированной кабельной системы [3].

•Универсальность. СКС при продуманной организации может стать единой средой для передачи компьютерных данных в локальной вычислительной сети, организации локальной телефонной сети, передачи видеоинформации от камер видеонаблюдения и даже передачи сигналов от датчиков пожарной безопасности или охранных систем.

•Увеличение срока службы. Срок старения хорошо структурированной кабельной системы может составлять 8 – 10 лет.

•Уменьшение стоимости добавления новых рабочих станций и изменения их мест размещения. Стоимость кабельной системы в основном определяется не стоимостью кабеля, а стоимостью работ по его прокладке.

49

•Возможность легкого расширения сети. СКС является модульной, поэтому ее легко наращивать, позволяя легко и ценой малых затрат переходить на более совершенное оборудование, удовлетворяющее растущим требованиям к системам коммуникаций.

•Обеспечение более эффективного обслуживания и поиска неисправностей. СКС облегчает обслуживание и поиск неисправностей по сравнению с шинной кабельной системой.

•Надежность и безопасность.

2.2.2. Сетевые адаптеры

Сетевой адаптер (Network Interface Card, NIC) – это сетевое устройство компьютера, непосредственно взаимодействующее со средой передачи данных, которая прямо или через другие коммуникационные устройства связывает его с сетевыми адаптерами других компьютеров. Как и любой контроллер компьютера, сетевой адаптер работает под управлением драйвера операционной системы и распределение функций между сетевым адаптером и драйвером может изменяться от реализации к реализации [3]. В первых локальных сетях сетевой адаптер с сегментом коаксиального кабеля представлял собой весь спектр коммуникационного оборудования, с помощью которого организовывалось взаимодействие компьютеров. Сетевой адаптер компьютера-отправителя непосредственно по кабелю взаимодействовал с сетевым адаптером компьютера-получателя. В современных стандартах локальных сетей предполагается, что между сетевыми адаптерами взаимодействующих компьютеров устанавливается специальное коммуникационное устройство (концентратор, мост, коммутатор или маршрутизатор), которое берет на себя некоторые функции по управлению потоком данных.

Сетевой адаптер обычно выполняет функции физического и канального уровней.

•Оформление передаваемой информации в виде кадра определенного формата (LLC-подуровень). Кадр включает несколько служебных полей, среди которых имеется адрес компьютера назначения и источника и контрольная сумма кадра, по которой сетевой адаптер станции назначения делает вывод о корректности доставленной по сети информации.

•Получение доступа к среде передачи данных (МАС-подуровень). В локальных сетях в основном применяются разделяемые между группой компьютеров каналы связи («звезда», «кольцо»), доступ к которым предоставляется по специальному алгоритму (наиболее часто применяются метод множественного доступа и метод с передачей маркера доступа).

50

•Преобразование информации из параллельной формы в последовательную и обратно (физический уровень).

•Кодирование последовательности бит кадра последовательностью электрических, оптических или радиосигналов при передаче данных и декодирование при их приеме (физический уровень). Кодирование должно обеспечить передачу исходной информацию по линиям связи с определенной полосой пропускания и определенным уровнем помех таким образом, чтобы принимающая сторона смогла распознать с высокой степенью вероятности посланную информацию.

•Синхронизация битов, байтов и кадров. Для устойчивого приема передаваемой информации необходимо поддержание постоянного синхронизма приемника и передатчика информации. Сетевой адаптер использует для решения этой задачи специальные методы кодирования. Эти методы обеспечивают периодическое измерение состояния передаваемого сигнала, которое используется тактовым генератором приемника для подстройки синхронизма.

Сетевые адаптеры могут быть встроенными (интегрированными)

вматеринскую плату компьютера, внутренними, выполненными в виде печатной платы (сетевая плата или сетевая карта), устанавливаемой в системный блок компьютера в слот PCI и внешними, выполненными в виде отдельного устройства (чаще всего беспроводные).

Сетевые адаптеры как и любые другие коммуникационные устройства различаются по типу принятой в сети сетевой технологии – Ethernet, Token Ring, FDDI и т. п. Как правило, конкретная модель сетевого адаптера работает по определенной сетевой технологии (например, Ethernet/Fast Ethernet – адаптеры 3Com FastЕtherLink XL 10/100, DFE-530TX), название которой может присутствовать в названии сетевого адаптера (подчеркнуто).

Сетевые адаптеры различаются также по типу и разрядности используемой в компьютере внутренней шины данных – PCI, USB.

Существуют сетевые платы для компьютеров-клиентов и серверов. В последнем случае они снабжены встроенными процессорами (например, SMS Ether Power с процессором I.960). Для серверов могут использоваться двухканальные и многоканальные сетевые адаптеры, сочетающих в себе функциональность двух или нескольких сетевых плат, занимая при этом один слот. Нагрузка при этом распределяется на все каналы, эффективно умножая пропускную способность сетевого подключения на сервере.