Шинная топология

Сети с шинной топологией используют линейный моноканал (коаксиальный кабель) передачи данных, на концах которого устанавливаются оконечные сопротивления (терминаторы). Каждый компьютер подключается к коаксиальному кабелю с помощью Т-разъема (Т - коннектор). Данные от передающего узла сети передаются по шине в обе стороны, отражаясь от оконечных терминаторов. Терминаторы предотвращают отражение сигналов, т.е. используются для гашения сигналов, которые достигают концов канала передачи данных. Таким образом, информация поступает на все узлы, но принимается только тем узлом, которому она предназначается. В топологии логическая шина среда передачи данных используются совместно и одновременно всеми ПК сети, а сигналы от ПК распространяются одновременно во все направления по среде передачи. Так как передача сигналов в топологии физическая шина является широковещательной, т.е. сигналы распространяются одновременно во все направления, то логическая топология данной локальной сети является логической шиной.

Данная топология применяется в локальных сетях с архитектурой Ethernet (классы 10Base-5 и 10Base-2 для толстого и тонкого коаксиального кабеля соответственно).

Преимущества сетей шинной топологии:

• отказ одного из узлов не влияет на работу сети в целом;

• сеть легко настраивать и конфигурировать;

• сеть устойчива к неисправностям отдельных узлов.

Недостатки сетей шинной топологии:

• разрыв кабеля может повлиять на работу всей сети;

• ограниченная длина кабеля и количество рабочих станций;

• трудно определить дефекты соединений

Топология типа “звезда”

В сети построенной по топологии типа “звезда” каждая рабочая станция подсоединяется кабелем (витой парой) к концентратору или хабу (Hub). Концентратор обеспечивает параллельное соединение ПК и, таким образом, все компьютеры, подключенные к сети, могут общаться друг с другом.

Данные от передающей станции сети передаются через хаб по всем линиям связи всем ПК. Информация поступает на все рабочие станции, но принимается только теми станциями, которым она предназначается. Так как передача сигналов в топологии физическая звезда является широковещательной, т.е. сигналы от ПК распространяются одновременно во все направления, то логическая топология данной локальной сети является логической шиной.

Данная топология применяется в локальных сетях с архитектурой 10Base-T Ethernet.

Преимущества сетей топологии звезда:

• легко подключить новый ПК;

• имеется возможность централизованного управления;

• сеть устойчива к неисправностям отдельных ПК и к разрывам соединения отдельных ПК.

Недостатки сетей топологии звезда:

• отказ хаба влияет на работу всей сети;

• большой расход кабеля;

Топология “кольцо”

В сети с топологией кольцо все узлы соединены каналами связи в неразрывное кольцо (необязательно окружность), по которому передаются данные. Выход одного ПК соединяется со входом другого ПК. Начав движение из одной точки, данные, в конечном счете, попадают на его начало. Данные в кольце всегда движутся в одном и том же направлении.

Принимающая рабочая станция распознает и получает только адресованное ей сообщение. В сети с топологией типа физическое кольцо используется маркерный доступ, который предоставляет станции право на использование кольца в определенном порядке. Логическая топология данной сети - логическое кольцо.

Данную сеть очень легко создавать и настраивать. К основному недостатку сетей топологии кольцо является то, что повреждение линии связи в одном месте или отказ ПК приводит к неработоспособности всей сети.

Как правило, в чистом виде топология “кольцо” не применяется из-за своей ненадёжности, поэтому на практике применяются различные модификации кольцевой топологии.

Топология Token Ring

Эта топология основана на топологии "физическое кольцо с подключением типа звезда". В данной топологии все рабочие станции подключаются к центральному концентратору (Token Ring) как в топологии физическая звезда. Центральный концентратор - это интеллектуальное устройство, которое с помощью перемычек обеспечивает последовательное соединение выхода одной станции со входом другой станции.

Другими словами с помощью концентратора каждая станция соединяется только с двумя другими станциями (предыдущей и последующей станциями). Таким образом, рабочие станции связаны петлей кабеля, по которой пакеты данных передаются от одной станции к другой и каждая станция ретранслирует эти посланные пакеты. В каждой рабочей станции имеется для этого приемо-передающее устройство, которое позволяет управлять прохождением данных в сети. Физически такая сеть построена по типу топологии “звезда”.

Концентратор создаёт первичное (основное) и резервное кольца. Если в основном кольце произойдёт обрыв, то его можно обойти, воспользовавшись резервным кольцом, так как используется четырёхжильный кабель. Отказ станции или обрыв линии связи рабочей станции не влечет за собой отказ сети как в топологии кольцо, потому что концентратор отключит неисправную станцию и замкнет кольцо передачи данных.

В архитектуре Token Ring маркер передаётся от узла к узлу по логическому кольцу, созданному центральным концентратором. Такая маркерная передача осуществляется в фиксированном направлении (направление движения маркера и пакетов данных представлено на рисунке стрелками синего цвета). Станция, обладающая маркером, может отправить данные другой станции.

Для передачи данных рабочие станции должны сначала дождаться прихода свободного маркера. В маркере содержится адрес станции, пославшей этот маркер, а также адрес той станции, которой он предназначается. После этого отправитель передает маркер следующей в сети станции для того, чтобы и та могла отправить свои данные.

Один из узлов сети (обычно для этого используется файл-сервер) создаёт маркер, который отправляется в кольцо сети. Такой узел выступает в качестве активного монитора, который следит за тем, чтобы маркер не был утерян или разрушен.

Преимущества сетей топологии Token Ring:

• топология обеспечивает равный доступ ко всем рабочим станциям;

• высокая надежность, так как сеть устойчива к неисправностям отдельных станций и к разрывам соединения отдельных станций.

Технология передачи данных.

В стандарте первых версий (Ethernet v1.0 и Ethernet v2.0) указано, что в качестве передающей среды используется коаксиальный кабель, в дальнейшем появилась возможность использовать витую пару и оптический кабель.

• Преимущества использования витой пары по сравнению с коаксиальным кабелем:

• возможность работы в дуплексном режиме;

• низкая стоимость кабеля «витой пары»;

• более высокая надёжность сетей при неисправности в кабеле;

• минимально допустимый радиус изгиба меньше;

• большая помехозащищенность из-за использования дифференциального сигнала;

• возможность питания по кабелю маломощных узлов, например IP-телефонов (стандарт Power over Ethernet, POE);

• отсутствие гальванической связи (прохождения тока) между узлами сети. При использовании коаксиального кабеля в российских условиях, где, как правило, отсутствует заземление компьютеров, применение коаксиального кабеля часто сопровождалось пробоем сетевых карт и иногда даже полным «выгоранием» системного блока.

Причиной перехода на оптический кабель была необходимость увеличить длину сегмента без повторителей.

Метод управления доступом (для сети на коаксиальном кабеле) — множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD, Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), скорость передачи данных 10 Мбит/с, размер пакета от 72 до 1526 байт, описаны методы кодирования данных. Режим работы полудуплексный, то есть узел не может одновременно передавать и принимать информацию. Количество узлов в одном разделяемом сегменте сети ограничено предельным значением в 1024 рабочих станции (спецификации физического уровня могут устанавливать более жёсткие ограничения, например, к сегменту тонкого коаксиала может подключаться не более 30 рабочих станций, а к сегменту толстого коаксиала — не более 100). Однако сеть, построенная на одном разделяемом сегменте, становится неэффективной задолго до достижения предельного значения количества узлов, в основном по причине полудуплексного режима работы.

В 1995 году принят стандарт IEEE 802.3u Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с и появилась возможность работы в режиме полный дуплекс. В 1997 году был принят стандарт IEEE 802.3z Gigabit Ethernet со скоростью 1000 Мбит/с для передачи по оптическому волокну и ещё через два года для передачи по витой паре.

Довольно большую область беспроводной передачи данных можно разделить на три подобласти: мобильная связь, передача данных внутри зданий и между зданиями. Конечно, эта классификация достаточно условна, однако нам кажется, что она верно отражает основные виды задач, решаемых средствами беспроводной связи. Технические решения, применяемые в этих областях, значительно отличаются друг от друга.

Мобильные системы передачи данных распространены на Западе очень широко, и в первую очередь к ним относятся сотовые сети с коммутацией пакетов (Cellular Digital Packet Data, CDPD) и коммутацией каналов. Все они обеспечивают передачу данных на довольно низких скоростях (как правило, не выше 19,2 кбит/с) и рассчитаны в основном на индивидуальных пользователей.

Внутри зданий к беспроводным технологиям прибегают прежде всего тогда, когда кабельные работы невозможны (по техническим, организационным или экономическим причинам) либо когда необходимо обеспечить обмен данными с пользователями, перемещающимися в пределах зданий. Последнее не следует путать с мобильной связью: речь идет не о реализации обмена информацией непосредственно в процессе движения, а о возможности работать в сети из любой точки помещения (здания). Для таких применений имеется специальный термин - "роуминг" (от английского "roam" - слоняться, блуждать).

Беспроводные сети передачи данных внутри зданий весьма широко распространены на Западе - именно это и есть та самая область для применения новых технологий, о которой говорилось выше. Наиболее типичными примерами применения этой технологии являются:

• разнообразные складские системы и системы автоматизированного учета для крупных предприятий розничной торговли (сотрудники перемещаются по большому залу, не теряя связи с центральной базой данных и диспетчерской; в базу данных немедленно заносится вся информация о движении товаров, а сам сотрудник может получать из диспетчерской очередные задания);

• большие больницы (медицинский персонал перемещается из палаты в палату, и все изменения в историях болезни немедленно попадают в информационную систему больницы);

• биржи (маклеры передвигаются по залу с ноутбуками в руках, не теряя при этом связи с сетью);

• производственные предприятия (прокладка кабелей к рабочим местам понизу затруднена наличием бетонного пола, а поверху - разнообразным подвесным оборудованием);

• различные временные инсталляции - вроде сетей на промышленных выставках и семинарах.

Как видно из этого перечня, на Западе беспроводные технологии часто применяются в пределах здания - прежде всего для того, чтобы обеспечить некоторые дополнительные удобства. В конце концов, склады, больницы, биржи и супермаркеты отлично функционировали и до изобретения средств передачи данных по радио. В России же, наоборот, беспроводные технологии передачи данных используются преимущественно вне зданий. Первое и главное, для чего они нужны в нашей стране, - это организация информационного обмена на сравнительно большом расстоянии. Причин тут две.

Первая из них - отсутствие разветвленной кабельной инфраструктуры, точнее, заметное отставание этой инфраструктуры от требований интенсивно развивающегося российского рынка. Эта ситуация характерна для всех стран, в экономике которых происходят быстрые изменения. Качественная связь нужна немедленно, а развертывание кабельных систем может занять значительное время. Поэтому часто бывает полезно в качестве временного решения установить оборудование для беспроводной передачи данных - пока будет создаваться достаточно развитая кабельная система, это относительно недорогое оборудование успеет окупиться.

Вторая причина -низкая плотность населения и частое отсутствие вообще какой-либо инфраструктуры. Для того чтобы обеспечить связь с небольшим поселком или, скажем, буровой вышкой, нецелесообразно прокладывать кабельную линию. Куда удобнее установить радио-мост и "прокачивать" данные по нему. Подчеркнем, что справедливость этого соображения не напрямую зависит от уровня развития экономики страны - в любом случае, тянуть кабельную линию на десять километров для обслуживания дюжины человек экономически неоправданно.

В ряде крупных городов России уже развернуты опорные сети с беспроводным доступом. Они, во-первых, расширяют возможности использования крупных информационных ресурсов и Internet, а во-вторых, позволяют организовывать корпоративные сети примерно так же, как это делается с помощью кабельных сетей. В тех городах (а таких пока большинство), где нет городских опорных сетей, организация может создать свою собственную беспроводную сеть, объединив радио-мостом две удаленные друг от друга ЛС.

Обратимся к технологиям передачи данных на радиочастотах. Для полноты картины скажем, что беспроводную связь можно организовать и в инфракрасном диапазоне (соответствующее оборудование выпускает, например, компания Transformation Techniques). При этом обеспечивается очень высокая скорость обмена данными (до 155 Мбит/с), однако дистанция связи ограничена пределами прямой видимости; к тому же на работу в данном диапазоне частот оказывают очень сильное влияние различные атмосферные явления (в дождь и снег канал связи может вообще перестать работать). Дальность такой связи не слишком высока, а цены на оборудование (особенно скоростное и "дальнобойное") могут составлять более сотни тысяч долларов. Поэтому в дальнейшем мы сосредоточимся на технологиях передачи данных в СВЧ-диапазоне.

Технологии передачи данных.

О технологии расширения спектра Spread Spectrum (SS), широко используемой в беспроводных сетях передачи данных, написано уже немало. Необходимость этой статьи вызвана появлением стандарта IEEE 802.11 на беспроводные сети передачи данных, принятого летом 1997 г., появлением на рынке аппаратуры, соответствующей этому стандарту и дополнительной информации, позволяющей систематизировать представления о конкретных вариантах реализации технологии SS в беспроводных сетях. В соответствии со стандартом использование технологии SS предусмотрено в частотных диапазонах 902-928 МГц, 2,4 - 2.4835 ГГц и 5,725 - 5,875 ГГц. Наиболее популярным в России и в мире является диапазон 2,4 ГГц.

Для расширения спектра используется один из двух вариантов - прямая последовательность - Direct Sequence (DS) или скачки по частоте - Frequency Hopping (FH).

Недостатки традиционной технологии передачи данных

При традиционной узкополосной технологии передачи данные, представленные в двоичном коде, используются для модуляции (как правило - по фазе) гармонического несущего колебания, как показано на рис. 1:

Традиционная узкополосная технология передачи данных.

В результате передаваемое сообщение переносится на несущую частоту, выбранную для передачи. Распределение мощности такого сигнала по частоте, называемое спектром мощности, показано на рисунке.

Из рисунка видно, что основная доля энергии сигнала сосредоточена в сравнительно узкой полосе частот, равной удвоенной скорости передачи двоичных символов. Именно эта часть спектра сигнала и передается в реальных системах. Такая технология передачи и ее различные модификации используются практически во всех современных цифровых радиоканалах. Основным ее недостатком является низкая помехоустойчивость к помехам, создаваемым другими радиосредствами, попадающим в полосу сигнала. Такие помехи могут полностью "забить" полезный сигнал, что приведет к потере связи. Этот недостаток не является определяющим в магистральных каналах, работающих в специально выделенных для них диапазонах частот.

Принципиально иначе обстоит дело с радиооборудованием диапазона 2.4 ГГц, открытого для практически безлицензионного использования (СВЧ печи не требуют лицензирования). По этой причине в рассматриваемом диапазоне существует объективная необходимость применения специальных мер повышения помехоустойчивости. Одним из основных способов решения этой задачи, хорошо зарекомендовавшим себя в системах передачи информации военного назначения, является технология расширения спектра в вариантах DSSS и FHSS, использующих различные подходы к решению этой задачи, основывающиеся на едином принципе - введении частотной избыточности в сигнал с целью придания ему свойств шума. Отличие состоит в способе введения избыточности.

Виды проводных технологий передачи данных:

1. Коммутируемый доступ - сервис, позволяющий компьютеру, используя модем и телефонную сеть общего пользования, подключаться к другому компьютеру (серверу доступа) для инициализации сеанса передачи данных (например, для доступа в сеть Интернет, или для связи с узлом Фидонет).

• Скорость передачи данных - 1200 - 115200 Бит/сек

• Расстояние между соединяемыми устройствами - неограниченно.

2. RS-232 - стандартный электрический интерфейс для последовательной двунаправленной передачи данных, поддерживающий асинхронную связь. Кабель, оконцованный коннекторами RS-232, иначе называют нуль-модемным.

• Скорость передачи данных - 9600 Бит/сек

• Расстояние между соединяемыми устройствами - 1-20 метров.

3. Ethernet - пакетная технология компьютерных сетей. В качестве передающей среды используется коаксиальный кабель, витая пара и оптический кабель. 1 вариант считается устаревшим, последний - по большей части доступен только ISP или среднему/большому бизнесу ввиду дороговизны и сложности прокладки, посему в обиходе технология Ethernet ассоциируется именно с кабелем "витая пара". Нижеследующее действительно только для нее.

• Скорость передачи данных - 1 Мбит/сек - 10 Гбит/сек

• Расстояние между соединяемыми устройствами - до 40 километров.