Конспект лекций

маршрутизаторов начального класса, а ведущие фирмы-производители пришли к выводу, что одним из основных требований покупателей к маршрутизатору является простота его использования.

Лекция 13. Сетевые коммуникации.

13.1 Введение в сетевые коммуникации

Разрозненные, невзаимосвязанные компьютеры способны облегчить работу лишь узкой группе людей. В то же время использование компьютеров порождает серьезные проблемы: как хранить, обрабатывать и передавать общую и взаимосвязанную информацию; как сделать эту информацию общедоступной и непротиворечивой; как повысить эффективность ее использования и обработки. Но дело не только в информации. Например, что делать, если возникла необходимость срочно распечатать документ, а на рабочем месте отсутствует печатающее устройство? Бежать к коллеге и просить его одолжить компьютер или принтер?

Выход один – компьютеры, так же, как и люди, должны общаться при совместной работе. Они должны уметь быстро и безошибочно обмениваться информацией, оперативно реагировать на ее изменение, уметь совместно использовать дорогостоящее оборудование. Одним словом, они должны быть объединены в единый компьютерный коллектив.

Элементы передачи данных. Во всех коммуникационных системах присутствует четыре основных компонента:

1)передатчик – устройство, которое передает данные (например, это может быть компьютер или терминал), а также создает данные для передачи;

2)сообщение – однократная передача цифровых данных пользователя между двумя абонентами (например, таблица, файл базы данных или ответ на вопрос);

3)среда передачи – это то, по чему передается информация из одного места в другое (например, кабель или воздух);

4)приемник – устройство, которое принимает данные (например, компьютер или цифровое устройство).

Существуют следующие методы передачи:

симплексный, полудуплексный и полнодуплексный (или просто дуплексный) режимы передачи;

параллельная и последовательная передачи;

асинхронная и синхронная передачи.

Режимы передачи. Три рассматриваемых далее режима передачи определяют направление передачи данных.

1.При симплексном режиме данные передаются только в одном направлении. Используя транспортную аналогию, симплексную передачу можно представить как однонаправленную однополосную дорогу (транспорт движется только в одну сторону и в один ряд). Сейчас такая передача используется на практике редко.

2.Полудуплексный режим обеспечивает поочередную передачу данных в двух направлениях. Он похож на однополосную дорогу, по которой движение может осуществляться в обоих направлениях, но не одновременно, а последовательно.

3.Режим полного дуплекса позволяет передавать данные одновременно в двух направлениях и похож на двухполосную двунаправленную дорогу. При этом режиме используются четырехпроводная линия связи или две полосы частот при частотном разделении каналов.

Параллельная и последовательная передачи. Цифровые данные по проводнику передаются сменой текущего напряжения (0 – напряжение отсутствует, 1 – напряжение имеется). Эту смену можно осуществлять как на одном проводнике, так и сразу на нескольких.

Параллельная передача характеризуется тем, что группа бит передается одновременно по нескольким проводникам, при этом каждый бит передается по собственному проводнику. Например, все внутренние коммуникации компьютера с его устройствами осуществляются через параллельную передачу. Это быстрый способ передачи, однако для больших расстояний он становится экономически невыгодным не только изза того, что требуется значительно больше кабеля, но и по причине взаимных помех проводников.

При последовательной передаче группа битов передается последовательно – один за другим по одной паре проводников. Такая передача мед-

леннее, но при передаче на большие расстояния экономически более выгодна.

Синхронная и асинхронная передачи. Асинхронная передача часто называется старт-стопной передачей. Данные передаются как последовательность нулей и единиц, поэтому приемник должен уметь выделять байты в этом потоке данных. При асинхронной передаче каждый байт обрамляется стартовым и стоповым битами, с помощью которых приемник может отделить один байт от другого. В некоторых случаях на низконадежных линиях связи разрешается использовать несколько таких битов. Однако эти дополнительные биты создают и дополнительные накладные расходы, что снижает эффективную скорость передачи. Асинхронная передача является относитель-но недорогой, потому что не требует дорогостоящего оборудования. Наибольшее распространение она получила для организации взаимодействия персональных компьютеров.

Синхронная передача, более быстрая, чем асинхронная, передает информацию большими блоками, которые не разделены старт-стопными битами. Эти блоки данных обрамляются специальными управляющими символами, которыми манипулируют сложные модемы. Другие символы несут дополнительную информацию о данных и обеспечивают функцию обнаружения ошибок. Синхронная передача более быстрая и почти безошибочная, но она требует более дорогостоящего оборудования. Синхронная передача используется для взаимодействия между компьютерами и интеллектуальными терминалами.

13.2. Удаленные и локальные коммуникации

Модемные коммуникации. Наиболее распространенными средствами коммуникации компьютеров на больших расстояниях являются модемные коммуникации. Их средой передачи является, как правило, телефонный кабель. Модем – устройство, название которого – сокращение двух слов «МОдуляция – ДЕМодуляция», что отражает основную функцию устройства. Компьютеры используют цифровую, дискретную информацию, а телефонные линии – аналоговые сигналы, т. е. модулированные частоты в диапазоне человеческого голоса. Модемы преобразуют цифровые сигналы в аналоговые, и наоборот.

Модемы различаются по своему конструктиву, сложности, методу передачи, скорости передачи и типам линий связи. Определяющим фактором для модема является метод передачи: асинхронный или синхронный.

Внутренние и внешние модемы. По своему конструктиву модемы бывают внутренними и внешними. Внутренние модемы (Internal) представляют собой плату, которая вставляется внутрь компьютера или устройства и

получает от него электропитание. При включении компьютера автоматически включается и модем. Внешние модемы (External) представляют собой небольшую коробку, которая имеет автономное электропитание. Внешний модем, как правило, имеет световые индикаторы, показывающие его состояние. Такие модемы подключаются к асинхронному последовательному интерфейсу или же к специальной плате внутри компьютера.

Интеллектуальные и неинтеллектуальные модемы. Все модемы являются достаточно сложными коммуникационными устройствами, имеющими определенный «уровень интеллекта». Это находит отражение в их стоимости и выполняемых ими функциях. Модемы, выполняющие в основном только функции модуляции–демодуляции, называются «неинтеллектуальными». Однако модемам, особенно построенным с использованием микропроцессоров, можно поручить выполнение и более сложных функций (например, контроль и коррекцию ошибок, компрессирование данных, шифрование данных и др.). Такие модемы называются «интеллектуальными».

Коммутируемые и некоммутируемые модемы. В зависимости от типа линий связи модемы бывают коммутируемыми и некоммутируемыми. Многие модемы выполняют функции автоматического набора телефонного номера и автоответа, т. е. способны самостоятельно установить (скоммутировать) требуемое соединение. Такие модемы называются коммутируемыми.

Если же модем работает только с одной, специально выделенной для него линией связи или же требует каких-то ручных действий по коммутации линии (т. е. не может сам ее скоммутировать), то такой модем называется некоммутируемым.

Скорость модемов. Скорость модемов определяется как количество бит информации, которое они могут передать за секунду. Поэтому единицей измерения скорости модемов (и не только модемов, но и других компьютерных коммуникаций) является бит в секунду.

Наименьшей скоростью модемов является 300 бит/с, а верхние границы скорости зависят от метода передачи и в настоящее время не превышают 57 600 бит/с.

В некоторых случаях скорость является достаточно условным понятием, так как многие интеллектуальные модемы способны самостоятельно изменять скорость при передаче. Они постоянно анализируют уровень возникновения ошибок в линиях связи и, если их много, могут известить друг друга о понижении скорости, и наоборот. Мини-компьютеры и большие ма-

шины, как правило, используют синхронные модемы, а микрокомпьютеры – асинхронные.

Дуплексные и полудуплексные модемы. Модемы могут передавать данные в двух режимах: полудуплексном и дуплексном. Это разделение также достаточно условно: некоторые модемы могут работать в дуплексном режиме по выделенным линиям связи и в полудуплексном – по коммутируемым каналам.

Стандарты модемов. Модемы – это достаточно известный класс устройств. Они начали развиваться практически сразу с появлением потребности в компьютерных коммуникациях. Поэтому на данный класс устройств существует достаточно много официальных и промышленных стандартов.

Наиболее полный перечень модемных стандартов имеет Международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии – МККТТ

(Consultative Commitee for International Teleрhone and Telegraрh – CCITT).

Индексы этих стандартов начинаются с буквы V (например, V.22, V.25, V.29, V.32, V34 – наиболее популярные стандарты для модемов).

Большую работу в области стандартизации модемов проводит фирма «Bell Laboratories», дочернее предприятие фирмы AT&T. Стандарт Bell 212А по праву является одним из наиболее популярных модемных стандартов.

Другим стандартным типом являются «Хейес-совместимые» (Нaуescomрatible) модемы, интерфейсный протокол работы для которых создала фирма «Нaуes Microcomрuter Products». Модемы этого типа рекомендуется использовать для асинхронного взаимодействия персональных компьютеров с использованием интерфейса RS-232C. «Хейессовместимые» модемы являются интеллектуальными модемами с внутренним микропроцессором, реализующими функции автоматического набора и автоматического ответа, имеют несколько диагностических функций (внутренний тест обратной петли), могут работать в дуплексном и в полудуплексном режимах. Существуют четыре модификации Хейесмодемов.

Локальные коммуникации. Наиболее распространенными средствами коммуникации компьютеров на небольших расстояниях являются локальные и корпоративные вычислительные сети. Дадим определение некоторых терминов, которые потребуются для понимания приведенной ниже информации.

Подключение средств вычислительной техники к передающему кабелю осуществляется по определённой технологии с помощью специальных устройств, которые называются сетевыми адаптерами. Сетевые адаптеры и другие сетевые компоненты рассмотрены в разд. 4.

Одной из важнейших функциональных характеристик сети является скорость передачи данных, единица измерения которой – бит в секунду. В локальных сетях различают две скорости передачи:

1)скорость передачи данных по основному коммуникационному кабелю. Она имеет постоянное значение для каждого типа сети и не зависит от типа узлов. Именно это значение скорости фигурирует в различных справочниках по локальным сетям (например, эта скорость передачи в сетях типа Ethernet составляет 10 Мбит/с, Arcnet – 2.5 Мбит/с, Token Ring – 4 или 16 Мбит/с);

2)скорость передачи данных между узлами сети. Эта скорость передачи, как правило, значительно меньше ее основной скорости и во многом зависит от условий функционирования узла: скорости процессора, его загрузки, конструкции сетевого адаптера и информационной шины, особенностей операционной системы (ОС) и других факторов.

Информационный сетевой поток (трафик) имеет дискретную природу, логической единицей которого является пакет информации, т. е. вся информация между узлами сети передается в виде специальных пакетов, которые имеют информационные и управляющие поля, содержащие служебную информацию: порядковый номер, контрольную сумму и др. В общем случае сетевое программное обеспечение может иметь несколько различных типов пакетов.

Гомогенные и гетерогенные сети. Потребительские свойства сети во многом зависят от состава поддерживаемых ею аппаратных средств и ОС, которые функционируют в узлах сети. Если вычислительная сеть поддерживает только одну операционную систему и имеет однородный состав узлов, то такая сеть называется гомогенной, или однородной, в противном случае сеть называется гетерогенной, или разнородной.

Среда передачи. Средой передачи современных сетей называют структурированную кабельную систему (СКС) или другие субстанции, служащие для переноса информации от одного узла к другому. Под другими субстанциями понимаются прежде всего инфракрасные и радиоволны. Беспроводные субстанции имеют ограниченную пропускную способность, невыгодны экономически и применяются в случаях, где нет возможности проложить кабельную сеть. СКС представляет собой иерархическую кабельную систему здания или группы зданий и состоит из набора медных и оптических кабелей, кросс-панелей, соединительных шнуров, кабельных разъемов, модульных гнезд и вспомогательного оборудования. Все перечисленные элементы объединяются в единую

систему и эксплуатируются в перспективных сетях согласно определенным правилам.

Современные СКС используют следующие типы кабелей: толстый и тонкий (RG58) коаксиальные, экранированные с витыми парами из медных проводников (Shielded Twisted Pair – STP), неэкранированные с витыми парами из медных проводников (Unshielded Twisted Pair – UTP), оптические (Fiber Optic Cable – FOC), коммутируемые и выделенные телефонные линии.

Коаксиальный кабель обеспечивает передачу видеосигналов, надежную защиту от внешних шумов, однако из-за низкой надежности соединений, ограничений по длине и трудностей прокладки в последнее время имеет ограниченное применение.

Кабели на витых парах характеризуются меньшими потерями сигнала на высокой частоте, хорошей помехозащищенностью, реализуют дуплексный режим и имеют низкую стоимость. UTP-Кабели представляют собой основное средство связи в локальных сетях из-за низкой стоимости, простоты инсталляции при относительно высокой скорости передачи сигналов. UTP-Кабели бывают четырех различных категорий – 3, 4, 5 и 6 и покрывают диапазон передачи данных, в том числе и в высокоскоростных локальных сетях со скоростью до 155 Мбит/с.

Оптические кабели имеются двух типов – с одно- и многомодовыми волокнами. Кабели первого типа предназначены для передачи данных на бóльшие расстояния, чем многомодовые, имеют меньший диаметр и стоят существенно дороже.

В качестве основного средства передачи данных между территориально рассредоточенными узлами сети используются коммутируемые и выделенные телефонные линии муниципальных инфраструктур. Коммутируемые линии отличают невысокая скорость передачи, плохая помехозащищенность, неустойчивый и негарантированный трафик. Как правило, используются уже существующие коммуникации. Выделенные линии обеспечивают достаточно высокую скорость передачи, лишены перечисленных недостатков, однако их инсталляции и аренда требуют значительных затрат.

Лекция 14. Методы передачи информации.

Существует два метода передачи информации по среде передачи данных – цифровой и аналоговый. В соответствии с этими методами все сети передачи данных делятся на два класса:

узкополосные сети (Baseband network);

широкополосные сети (Broadband network).

Узкополосные сети. При цифровом, или узкополосном методе передачи данные по сети передаются в их естественном виде на единой частоте. Схема передачи информации в таких сетях изображена на рис. 4.1.

Узкополосные сети обладают следующими основными характеристиками:

в каждый момент времени разрешена только одна передача, поэтому в каждый момент времени только два сетевых пользователя используют среду передачи;

позволяют иметь высокую скорость передачи;

позволяют передавать только цифровые данные;

имеют ограниченную длину кабеля;

имеют меньшую стоимость по сравнению с широкополосными;

просты в установке, легко реконфигурируемы.

Подавляющее большинство локальных сетей являются узкополосными

(Ethernet, Arcnet, IBM Token Ring Network и др.).

Единственным способом коллективного использования базовой частоты узкополосной сети является мультиплексирование сетевых ресурсов путем разделения времени (Time Division Multiрlexing – TDM). TDM-Сети могут быть синхронными и асинхронными.

Асинхронные TDM-сети используют централизованное управление сетью, осуществляемое специальным узлом. Однако большинство сетей поддерживает децентрализованное управление – более экономичное и надежное.

Широкополосные сети. При аналоговом, или широкополосном методе передачи используется принцип частотной модуляции, позволяющий нескольким потребителям одновременно передавать

информацию на разных частотах (каналах) по одному и тому же кабелю. Схема передачи информации в таких сетях изображена на рис. 4.2.

. . .

Рис. 14.2. Передача информации в широкополосных сетях

Широкополосные сети обладают следующими основными характеристиками:

позволяют вести несколько одновременных передач без взаимных коллизий;

позволяют передавать большое количество информации;

поддерживают более длинные расстояния;

позволяют передавать не только цифровые данные, но и звук, видеоизображения;

относительно высокая стоимость развертывания, необходимость использования специфического оборудования;

более сложны в эксплуатации и реконфигурации по сравнению с узкополосными сетями. При передаче/приеме информации каждый частотный канал использует свой собственный модем.

Широкополосные сети используются в очень специфических системах. Такие сети дороги и используют специальную технику кабельного телевидения.

В качестве примера широкополосной сети можно привести сеть WANGNET фирмы «WANG Labs». В этой сети обеспечивается работа одного магистрального канала со скоростью 12 Мбит/с, 16 каналов со