Энциклопедия PC
.pdf10.4. Подключениеклокальнымсетям 653
Разделениецепейприемаипередачиобеспечиваетвозможностьполнодуплексного режима (full duplex mode) обмена данными между двумя точками — режим одновременных приема и передачи. В отличие от обычного (полудуплексного) режима в полнодуплексном режиме коллизий не существует.
100BaseTX — наиболее популярная версия Fast Ethernet с двумя витыми парами категории 5. По использованию разъемов полностью соответствует lOBaseT. Возможнаработавполудуплексномиполнодуплексномрежимах.
100BaseT4 — малораспространенная версия с четырьмя витыми парами категории не ниже 3. Для подключения конечных узлов к портам активного оборудования используется «прямой» кабель (рис. 10.11, а), для непосредственного соединения конечных узлов или соединения двух коммуникационных устройств применяют «перекрестный» кабель (рис. 10.11, б).
Рис. 10.11. Интерфейсныекабели100BaseT4: а— прямой; б— перекрестный
Для приведенных выше реализаций Ethernet на витой паре предусмотрен
протокол согласования режимов (autonegotiation), по которому порт может вы-
брать самый эффективный из режимов, доступных обоим участникам обмена. В качестве рабочего выбирается самый приоритетный из доступных обоим узлам. Приоритеты режимов в порядке убывания: 100BaseTX полнодуплексный, 100BaseT4, 100BaseTX полудуплексный, lOBaseT полнодуплексный, lOBaseT
полудуплексный. Протокол автоматического согласования может быть отключен (или не реализован), в этом случае режим работы задается принудительно при конфигурировании порта. Возможность переключения режимов отражается в названиях портов (Fast Ethernet 10/100), поддержка режима 100BaseT4 встречается нечасто.
Центральным устройством в Fast Ethernet может быть повторитель или коммутатор.
Топологические ограничения Fast Ethernet жестче — диаметр домена коллизий для витой пары не должен превышать 205 м, в одном домене коллизий может быть не более двух повторителей класса II, повторитель класса I может быть только один. Если принять допустимое расстояние от повторителя до станции равным100 м, топовторителиможносоединятьмеждусобойкабелемдлинойнеболее5 м.
654Глава10. Коммуникационныеустройства
10.5.Подключениекомпьютерак Интернету
Для подключения отдельностоящего (например, домашнего) компьютера к Интернету необходимо обеспечить его связь с Интернет-провайдером (поставщиком услуг). Для такой связи существует несколько вариантов, различающихся по доступности, пропускнойспособности, стоимости.
тПодключение через модем по обычной (коммутируемой) телефонной линии
— самый массовый и доступный способ. Для этого необходимо установить модем (внутренний или внешний) и настроить Интернет-браузер (прикладную программу) на данный тип связи («мастер настройки» в Windows задаст все необходимые вопросы). Также необходимо заключить договор с провайдером и получить у него номер телефона, по которому модем должен дозваниваться к провайдеру, имя пользователя и пароль. Провайдер в принципе может находиться в любом месте, но не следует выбирать слишком далекого (в плане телефонной сети) провайдера, тем более иногороднего или зарубежного (будет слишком дорого). Далее при запуске браузера модем автоматически (или с запросом подтверждения) по команде браузера будет дозваниваться до провайдера и устанавливать соединение (на это могут уходить минуты, если, конечно, легко дозвониться до провайдера). После установления соединения можно пользоваться всеми благами Сети. Условия оплаты могут быть различными: фиксированная оплата при ограниченном объеме пересылаемой информации (трафика); повременная оплата подключения; оплата по трафику и их различные комбинации. При повременной оплате не следует забывать разрывать связь по окончании активной работы в Сети (это экономит деньги). У подключения через модем есть ряд недостатков: скорость приема данных из сети не может превышать 56 Кбит/с, а передачи — еще ниже. При плохой АТС пользователя или плохих линиях связи, а также с плохим провайдером связь будет неустойчивой, соединения будут разрываться, и копирование больших файлов может оказаться не только длительным, но и невозможным. Во время работы в Сети данной телефонной линией для разговоров, естественно, пользоваться невозможно. Извне дозвониться до увлеченного абонента Сети будет проблематично (хотя ему можно по электронной почте послать письмо). Абоненты сблокированных телефонов могут испытывать технические трудности подключения, а также сложности в дележе телефонного времени с соседями. Надвигающаяся повременная система оплаты телефонных разговоров может заметно удорожить этот пока что самый доступный способ подключения.
ж Подключение через xDSL-модемы по обычной телефонной линии. Для этого должны быть установлены соответствующие модемы у пользователя и
10.5. ПодключениекомпьютеракИнтернету 655
провайдера, но провайдер должен физически находиться на территории АТС, обслуживающей данного пользователя. Такие модемы дороже обычных, но зато обеспечивают более высокую скорость передачи. Кроме того, модем работает независимо от телефона, подключенного к той же линии. К xDSL-модему можно подключать и небольшую локальную сеть компьютеров.
Подключение через выделенную телефонную линию, двухили четырехпроводную, с помощью специального модема. Это подключение уже никак не связано с телефоном, здесь используются только телефонные кабели. Подключение может быть организационно сложным, поскольку далеко не всегда в телефонных кабелях имеются свободные пары. Качество и скорость связи, как правило, выше, чем у обычных модемов, но выше и ценаоборудования.
Подключение через сеть кабельного телевидения и кабельный модем. Пока что не очень распространенный способ, поскольку он выгоден провайдеру (владельцу сети кабельного телевидения) лишь при существенном числе абонентов, желающихподключитьсякСети.
Подключение через цифровую сеть ISDN. Для этого требуется адаптер подключения к ISDN (часто называемый ISDN-модемом) и собственно линия ISDN, проложенная к пользователю. Скорость передачи — 64 или 128 Кбит/с (для абонентов с интерфейсом BRI), но даже для этого начального уровня сеть ISDN — дорогое удовольствие. Спутниковое подключение. Провайдер обеспечивает высокоскоростную передачу нисходящего трафика (из Сети к пользователю) через спутник, для приема требуется спутниковая антенна и специальный приемник, подключаемый к компьютеру. Обратный канал организуется одним из традиционных проводныхспособов(чаще— черезкоммутируемыетелефонныелинии).
Подключение через оптоволоконную линию связи — самое дорогое, но и качественное соединение. Для этого требуется прокладка оптоволоконного кабеля от провайдера до пользователя, причем одному пользователю требуется только пара волокон. Оконечная аппаратура дорогостоящая, но скорость передачи упирается только в физические возможности провайдера (ифинансовые— пользователя).
Подключение к локальной сети, являющейся IP-подсетью Интернета. Технически это самое простое подключение — необходим сетевой адаптер, подключенный к локальной сети. К адаптеру подключается сетевой протоколIP, назначаетсяIP-адрес, икомпьютерстановитсяполноправнымчленом Сети. Вопросы связи с провайдером ложатся на администратора сети, который должен позаботиться об отделении локальной сети от глобальной маршрутизатором. Связь маршрутизатора с провайдером будет выполняться однимизвышеописанныхспособов.
656 Глава10. Коммуникационныеустройства
10.5.1. IP-телефонияипередачафаксов поIP-сетям
IP-телефопия, она же Интернет-телефония, означает голосовую телефонную связь между удаленными абонентами с использованием сетей передачи данных, работающих по протоколу IP. Эти два названия можно считать почти синонимами, посколькувИнтернетепротоколIP являетсяосновным.
В традиционных телефонных сетях цифровой канал для абонента предоставляет полосу по 64 (56) Кбит/с в каждом направлении. Такая большая (по меркам передачи данных при удаленном доступе) полоса требуется из-за принятого в телефонии простейшего способа кодирования — ИКМ (РСМ). Применение адаптивной дельта-модуляции АДИКМ (ADPCM) позволяет сократить поток до 16 Кбит/с, но для сетей передачи данных (учитывая неопределенность задержки и колебания нагрузки) и этот поток трудно выдержать в течение длительного времени. Современные алгоритмы сжатия, реализуемые на достаточно мощных процессорах, позволяют сжимать речевой сигнал до полосы 4-8 Кбит/с с приемлемым качеством. Такой поток уже можно передавать по обычным IP-сетям, что и реализуется в IP-телефонии.
Аудиокодек для IP-телефонии должен решать довольно сложную задачу — обеспечить значительное сжатие и формировать пакеты данных небольшого размера, а алгоритм упаковки-распаковки должен быть устойчивым к потере отдельных пакетов. Изощренные методы сжатия учитывают специфику речевого сигнала при разговоре: активная речь чередуется с паузами, не несущими информации. Вполне очевидно, что вместо незначащего потока оцифрованной паузы выгоднее передать информацию только об ее длительности. Правда, если в паузе будет полная тишина, то у слушателя может возникнуть ощущение потери соединения. Поэтому пауза на приемной стороне заполняется некоторым «комфортным» шумом, спектральные параметры которого передаются в описателе паузы. Активная речь тоже неоднородна — в ней присутствуют и тональные (вокализированные), и шумовые фрагменты, для которых эффективны различные методысжатия. Кодердолженотслеживатьтекущеесостояниесигналаивыбирать соответствующий метод представления данного фрагмента. Декодер из простого ЦАП, применяемого при РСМ (и с несложными дополнениями для ADPCM), превращается в синтезатор, воссоздающий аудиосигнал из принятого (возможно, и неполного) потока пакетов. В результате всех этих ухищрений удается из исходного равномерного потока 64 Кбит/с получить неравномерный поток кадров со средней скоростью 4-8 Кбит/с, который нормально проходит через большинство сетей. Для IP-телефонии уже существуют стандартизованные методы кодирования и сжатия: G.723.1 определяет кодек для скоростей 5,3 и 6,3 Кбит/с, G.729A — для 8 Кбит/с. Наличие этих стандартов обеспечивает совместимость устройств IP-телефонии в международном масштабе, как это давно имеет место в традиционной (телефонной и телеграфной) связи.
Проще всего организовать IP-телефон между парой пользователей ПК, име- ющихдоступкглобальнойIP-сети(Интернету). Дляэтогодостаточнокаждый
10.5. ПодключениекомпьютеракИнтернету 657
ПК снабдить обычной звуковой картой с наушниками (колонками) и микрофоном. Здесь все задачи могут решаться чисто программно — от звуковых карт требуются только функции обычного кодека (правда, в полнодуплексном режиме, что «умеют» не все карты). Анализ равномерного цифрового потока и упаковка его в кадры, а также обратное декодирование для современных процессоров (особенно с ММХ) не является особо обременительной задачей. Установление соединения между двумя IP-узлами — задача тривиальная. Существует ряд программных продуктов (в их числе и NetMeeting от Microsoft), обеспечивающих связь между пользователями ПК. Внешняя оболочка связи может быть различной
— например, можно через web-браузер обращаться за устными консультациями на сайт какой-нибудь фирмы. «Телефонным номером» пользователя ПК будет IP-адрес этогоузла.
Однако IP-телефония не ограничивается только диалогами между пользователями ПК — существуют специальные шлюзы для связи с традиционными телефонными сетями и отдельными телефонами. Задачи шлюза несколько сложнее
— кроме установления соединения и передачи собственно речи он должен отрабатывать систему сигнализации телефонной системы и преобразовывать ее сигналы в протокольные сообщения IP-телефонии (и обратно). С традиционной телефонией шлюз может контактировать двояко: к нему могут подключаться телефонные аппараты, и он может подключаться к одной или нескольким линиям обычной телефонной сети (местной или городской). Интерфейс сети передачи данных может быть как портом локальной сети (Ethernet), так и портом для глобальной сети. В глобальную сеть передачи данных можно выходить и через обычный модем, подключенный к коммутируемой телефонной линии. При этом пользователь через одну линию может одновременно работать в сети (просматривать web-сайты) и вести телефонные переговоры. На рис. 10.12 изображена сеть с парой шлюзов, установленных в разных городах (странах) и подключенных к общей сети (Интернету). Здесь абоненты с обычных телефонов, связанных со шлюзами, могут общаться между собой без оплаты междугородных переговоров. Более того, абоненты телефонных сетей, подключенных к шлюзам, могут связываться между собой, набирая в начале номер (городской!) телефона шлюза, а дальше, через номер противоположного шлюза, — номер абонента в его удаленной телефонной сети. Естественно, возможны и связи между «городскими» абонентами и абонентами, подключенными прямо к шлюзам. ПКпользователи также могут «звонить» через шлюз, зная его IP-адрес. IP-телефония через шлюзы стала конкурировать с традиционной телефонией, вызывая споры на технические, экономические и правовые темы. На рисунке видно, как трафик проходит «мимо кассы» междугородной телефонной сети. Главный козырь IPтелефонии — низкая себестоимость разговоров, а потому и тарифы значительно более низкие, чем международные и междугородные телефонные. Однако шлюзы являются довольно дорогими и сложными устройствами, которые исполняются как в виде ПК с дополнительными платами адаптеров, так и в виде специализированных устройств. На рисунке показаны и два узла, подключающихся к сети непосредственно: один на базе ПК, другой — специальныйIP-телефон.
658 Глава10. Коммуникационныеустройства
Междугороднаятелефонная сеть
Сетьпередачиданны (Интернет)
Рис. 10.12. ВариантытелефоннойсвязипоIP
Для ПК выпускают платы шлюзовых адаптеров, как правило, на 2 или 4 порта с гнездами RJ-11. Порты могут быть либо жестко специализированными (для подключения телефонных аппаратов или для подключения к АТС), либо конфигурируемыми программно. Каждый порт должен иметь по крайней мере кодек G.711 и устройство распознавания и генерации сигналов телефонной сигнализации. В многоканальных системах сжатие обычно выполняется специализированными сигнальными процессорами — мощности одного универсального (х86) центрального процессора может и не хватить. Связь с сетью передачи данных обеспечивается стандартной сетевой картой или адаптером интерфейса глобальных сетей. Программное обеспечение шлюзов должно работать в среде ОС, откоторой требуется «умение» работать в режиме реального времени и, конечно же, устойчивость (шлюз не должен «падать»). Шлюзы выполняют на базе ПК как настольного исполнения, так и промышленного (архитектуры микро-РС, сшиной Compact-PCI и т. п.). Специализированные устройства-шлюзы внешне выглядят какобычныесетевые концентраторы иимеютлибофиксированныйнаборпортов, либо модульную конструкцию, комплектуемую по необходимости. В принципе шлюзы с достаточным количеством портов могут выступать и в роли УАТС или малых АТС, но для этой роли они все-таки имеют слишком высокую стоимость портов. IP-телефонный аппарат внешне выглядит как многофункциональный кнопочный телефон с дисплеем — микрокомпьютер с сетевым ПО много места не занимает.
Интересные решения по IP-телефонии предлагают разработчики из ЦНИИ РТК. Кроме традиционных ISA-карт для шлюзов они разработали недорогие устройства размером с мини-хаб. Каждое устройство имеет два независимых порта Ethernet lOBaseT и 4 или 8 программно-конфигурируемых телефонных портов (RJ-11). Телефонные порты имеют кодеки G.711, схемы поддержки аналоговой телефонной сигнализации исигнальныйпроцессор, обеспечивающийупаковкупо стандарту G.723.1 или G.729A. Все порты (телефонные и Ethernet) являются периферией микрокомпьютера на процессоре класса 486 с ОЗУ 32 Мбайт и флэшдиском на 12 Мбайт. С флэш-диска загружается ОС семейства UNIX, под управлением которой работаетспециализированное ПО. Междупортами Ethernet
10.5. ПодключениекомпьютеракИнтернету 659
может быть организован мост или маршрутизатор (коммутатор 3-го уровня) и даже с функциями межсетевого экрана (firewall). По портам Ethernet устройства могут связываться между собой шлейфом (без ограничения в 4 устройства на цепочку) либо подключаться к существующей сети Ethernet. При этом образуется «распределенная АТС» офиса, которая может выходить в глобальную сеть IPтелефонии, а также — в городскую телефонную сеть по одной или нескольким линиям. Применение этих устройств коренным образом меняет подход к построению телефонной сети организации, даже не имеющей компьютерной сети. Вместо множества линий (от каждого абонента до УАТС) — шлейф двухпарного кабеля между устройствами, расставленными по телефонизированным помещениям. Правда, возникают вопросы обеспечения живучести этой сети (при отключении или отказе одного узла цепочка разрывается), но они могут решаться созданием избыточных связей (например, путем соединения устройств в кольцо) или использования радиальной топологии схабом вцентре.
Параллельныешины переферийных устройствАТА
иSCSI
В этой главе рассматриваются параллельные шины АТА (IDE) и SCSI. От шин расширения, описанных в предыдущей главе, данные шины отличаются как логически, так и физически. Устройства, подключаемые к этим шинам, являются периферийными — сами по себе они не занимают собственных системных ресурсов (адресов в пространствах памяти и ввода-вывода, линий прерывания). Процессор обращается с этими устройствами через контроллеры (адаптеры) шины. Правда, для шины АТА эта грань неочевидна, поскольку простейший контроллер логически прозрачен (не имеет собственных регистров). Тем не менее физический обмен информацией происходит все-таки не напрямую с устройством АТА, а через «окно», предоставляемое контроллером. Это «окно» конфигурируется (и может быть «закрыто») настройкой контроллера (адаптера), но не самого периферийного устройства. Физическое отличие заключается в конструкции: шины АТА и SCSI являются кабельными и довольно протяженными (особенно SCSI). Их области применения пересекаются на устройствах хранения данных. Их сравнение (у каждой шиныесть свои достоинства и недостатки) приводится
13.1, ИнтерфейсАТА(IDE) 749
в п. 7.7.1. Область применения SCSI шире — эта шина требуется для подключения разнообразных периферийных устройств, а не только для устройств хранения данных. В этом плане SCSI конкурирует (ипокауспешно) споследовательными шинамиUSB и FireWire иимеет«родственника» — FibreChannel (см. главу14).
13.1.ИнтерфейсАТА(IDE)
Интерфейс АТА — AT Attachment for Disk Drives — разрабатывался в 1986-1990
годах для подключения накопителей на жестких магнитных дисках к компьютерам IBM PC AT с шиной ISA. Стандарт, выработанный комитетом ХЗТ10, определяет набор регистров и назначение сигналов 40-контактного интерфейсного разъема. Интерфейс появился в результате переноса контроллера жесткого диска ближе к накопителю, то есть создания устройств со встроенным контроллером — IDE (Integrated Drive Electronics). Стандартный для AT контроллер жесткого диска был перенесен на плату электроники накопителя с сохранением регистровой модели. При этом удлинилась связь с устройством со стороны системной шины, выводить которую непосредственно на длинный ленточный кабель было нецелесообразно, поскольку это сказалось бы на скорости работы шины, надежности и цене. Из всех сигналов шины ISA выбрали минимальный набор сигналов, часть из которых буферизовали на небольшой плате, устанавливаемой в слот, а часть направили прямо на разъем ленточного кабеля нового интерфейса. Из сигналов шины ISA потребовались следующие:
т шинаданных— используетсяполностью;
$s шинаадреса — три младших битапоступаютвинтерфейс, старшиебитыи сигнал AEN проходят через дешифратор, вырабатывающий сигналы выбора устройстваCSO# иС51#;
ж шина управления — используются сигналы чтения и записи портов и аппаратного сброса, запрос прерывания, пара сигналов канала DMA, сигналы готовностииуправленияразрядностьюпередачи.
Поскольку стандартный контроллер AT позволял подключать до двух накопителей, эту возможность получил и интерфейс АТА. Однако теперь два накопителя стали означать и два контроллера. Их подключили к одной интерфейсной шине, а для программной совместимости бит выбора накопителя (DEV) в регистре номера головки и номера устройства (drive/head register) стали использовать для выбора устройства. Для взаимодействия пары устройств на шине ввели несколько дополнительных сигналов. Так появился интерфейс АТА для подключения устройств IDE к шине ISA. Позже их стали подключать и к локальным шинам, но набор сигналов интерфейса и протоколы обмена сохранились. Достаточно универсальный набор сигналов позволяет подключать любое устройство со встроенным контроллером, которому в пространстве портов ввода-вывода достаточно того же набора регистров, способное поддержать режим выбора устройства через вышеупомянутый бит. Принятая система команд и регистров, являющаясячастьюспецификацииАТА, ориентировананаблочныйобменданны-
750 Глава13. Параллельныешиныпериферийныхустройств— АТАиSCSI
ми с устройствами прямого доступа. Для иных устройств существует спецификация ATAPI, основанная на тех же аппаратных средствах, но позволяющая обмениваться пакетами управляющей информации (PI — Package Interface). Пакетный интерфейс дает возможность расширить границы применения шины АТА. В спецификацииАТАфигурируютперечисленныенижекомпоненты.
«Хост-адаптер — средства сопряжения интерфейса АТА с системной шиной (набор буферных схем между шинами ISA и АТА). Хостом мы будем называть компьютер с хост-адаптером интерфейса АТА. Хост-контроллер — болееразвитыйвариантхост-адаптера.
& Ленточный кабель (шлейф) с двумя или тремя 40-контактными ШС-разъе- мами. В стандартном кабеле одноименные контакты всех разъемов соединяютсявместе.
п Ведущее устройство (Master) — ПУ, в спецификации АТА официально называемое Device-О (устройство-0).
тВедомое устройство (Slave) — ПУ, в спецификации официально называемое
Device-1 (устройство-1).
Если к шине АТА подключено одно устройство, оно должно быть ведущим. Если подключены два устройства, одно должно быть ведущим, другое — ведомым. О своей роли (ведущее или ведомое) устройства «узнают» с помощью предварительно установленных конфигурационных джамперов. Если применяется «кабельная выборка» (см. ниже), роль устройства определяется его положением на специальномленточномкабеле.
Обаустройствавоспринимаюткомандыотхост-адаптераодновременно. Однако исполнять команду будет лишь выбранное устройство. Если бит DEV=0, выбрано ведущее устройство, если DEV=1 — ведомое. Выводить выходные сигналы на шину АТА имеет право только выбранное устройство. Такая система подразумевает, что начав операцию обмена с одним из устройств, хост-адаптер не может переключиться на обслуживание другого до завершения начатой операции. Параллельно могут работать только устройства IDE, подключаемые к разным шинам (каналам) АТА. СпецификацияАТА-4 определяетспособобходаэтогоограничения
(см. п. 13.1.6).
Выполняемая операция и направление обмена данными между устройством и хост-адаптером определяются предварительно записанной командой. Непременнымкомпонентомустройстваявляетсябуфернаяпамять. Ееналичиепозволяет выполнять обмен данными в темпе, предлагаемом хост-адаптером (в пределах возможности устройства), без оглядки на внутреннюю скорость передачи данных междуносителемибуфернойпамятьюПУ.
Дляустройств IDE существуетнесколькоразновидностей интерфейса.
ж АТА, он же AT-BUS, — 16-битный интерфейс подключения к шине компьютера AT. Наиболее распространенный 40-проводный сигнальный и 4-про- водный питающий интерфейс для подключения дисковых накопителей к компьютерам AT. Для миниатюрных (2,5" и менее) накопителей используют 44-проводныйкабель, покоторомупередаетсяипитание.