30. Сетевые компоненты. Сетевые кабели. Беспроводная среда. Платы сетевого адаптера. Сети Ethernet. Сетевые протоколы.

Сетевые кабели

На сегодня подавляющая часть компьютерных сетей использует для соединения кабели. Это среда передачи сигналов между компьютерами.

В большинстве сетей применяются три основные группы кабелей:

• коаксиальный кабель;

• витая пара (twisted pair), неэкранированная (unshielded) и экранированная (shielded);

• оптоволоконный кабель.

Коаксиальный кабель до недавнего времени был самым распространенным. Недорогой, легкий, гибкий, удобный, безопасный и простой в установке.

Существует два типа коаксиальных кабелей: тонкий и толстый.

Тонкий - гибкий, диаметр 0,64 см (0,25"). Прост в применении и подходит практически для любого типа сети. Подключается непосредственно к плате сетевого адаптера. Передает сигнал на 185 м

практически без затухания. Волновое сопротивление — 50 ом.

Толстый — жесткий, диаметр 1,27 см (0,5"). Его иногда называют стандартный Ethernet (первый кабель в популярной сетевой архитектуре). Жила толще, затухание меньше. Передает сигнал без затухания на 500 м. Используют в качестве магистрали, соединяющей несколько небольших сетей. Волновое сопротивление — 75 ом.

Для подключения к толстому коаксиальному кабелю применяется специальное устройство - трансивер (transceiver - приемопередатчик). Он снабжен коннектором, который называется вампир или пронзающий ответвитель. К сетевой плате трансивер подключается с помощью кабеля с разъемом. Для подключения тонкого коаксиального кабеля используются BNC -коннекторы (British Naval Connector). Применяются BNC— Т-коннекторы для соединения сетевого кабеля с сетевой платой компьютера, BNC— баррел-коннекторы для сращивания двух отрезков кабеля, BNC -терминаторы дяя поглощения сигналов на обоих концах кабеля в сетях с топологией шина.

Витая пара — это два перевитых изолированных медных провода. Несколько витых пар проводов часто помещают в одну защитную оболочку. Переплетение проводов позволяет избавиться от электрических помех, наводимых соседними проводами и другими внешними источниками, например двигателями, трансформаторами, мощными реле.

Неэкранированная витая пара (UTP) широко используется, максимальная длина 100 м. UTP определена особым стандартом, в котором указаны нормативные характеристики кабелей для различных применений, что гарантирует единообразие продукции.

Экранированная витая пара (STP) помещена в медную оплетку. Кроме того, пары проводов обмотаны фольгой. Поэтому STP меньше подвержены влиянию электрических помех и может передавать сигналы с более высокой скоростью и на большие расстояния.

Преимущества витой пары — дешевизна, простота при подключении. Недостатки — нельзя использовать при передаче данных на большие расстояния с высокой скоростью.

В оптоволоконном кабеле цифровые данные распространяются по оптическим волокнам в виде модулированных световых импульсов. Это надежный способ передачи, так как электрические сигналы при этом не передаются. Следовательно, оптоволоконный кабель нельзя вскрыть и перехватить данные.

Оптоволоконные линии предназначены для перемещения больших объемов данных на очень высоких скоростях, так как сигнал в них практически не затухает и не искажается. Оптоволокно передает сигналы только в одном направлении, поэтому кабель состоит из двух волокон с отдельными коннекторами: одно — для передачи, другое — для приема.

Скорость передачи данных в настоящее время составляет от 100 Мбит/с. Между тем, получает все большее распространение скорость 1 Гбит/с, теоретически — до 200 Гбит/с. Расстояние — многие километры. Кабель не подвержен электрическим помехам. Существенным недостатком этой технологии является дороговизна и сложность в установке и подключении.

Типичная оптическая сеть состоит из лазерного передатчика света, мультиплексора/демультиплексора для объединения оптических сигналов с разными длинами волн, усилителей оптических сигналов, демультиплексоров и приемников, преобразующих оптический сигнал обратно в электрический. Все эти компоненты обычно собираются вручную.

Для передачи по кабелю кодированных сигналов используют две технологии — немодулированную и модулированную передачу.

Немодулированные системы передают данные в виде цифровых сигналов, которые представляют собой дискретные электрические или световые импульсы. При таком способе цифровой сигнал ис-

пользует всю полосу пропускания кабеля (полоса пропускания — разница между максимальной и минимальной частотой, которую можно передать по кабелю). Устройство в сетях с немодулированной передачей посылает данные в обоих направлениях. Для того, чтобы избежать затухания и искажения сигнала в смодулированных системах, используют репитеры, которые усиливают и ретранслируют сигнал.

Модулированные системы передают данные в виде аналогового сигнала (электрического или светового), занимающего некоторую полосу частот. Если полосы пропускания достаточно, то один кабель могут одновременно использовать несколько систем (например, транслировать передачи кабельного телевидения и передавать данные). Каждой передающей системе выделяется часть полосы пропускания. Для восстановления сигнала в модулированных системах используют усилители. В модулированной системе устройства имеют раздельные тракты для приема и передачи сигнала, так как передача идет в одном направлении. Чтобы устройства могли и передавать, и принимать данные, используют разбиение полосы пропускания на два канала, которые работают с разными частотами для передачи и приема, или прокладку двух кабелей — для передачи и приема.

Платы сетевого адаптера

Платы сетевого адаптера (СА) выступают в качестве физического интерфейса, или соединения, между компьютером и сетевым кабелем. Платы вставляются в слоты расширения материнской платы всех сетевых компьютеров и серверов или интегрируются на материнскую плату. Для обеспечения физического соединения между компьютером и сетью к разъему платы подключается сетевой кабель.

Плата СА выполняет:

• подготовку данных, поступающих от компьютера, к передаче по сетевому кабелю;

• передачу данных другому компьютеру;

• управление потоком данных между компьютером и кабельной системой;

• прием данных из кабеля и перевод их в форму, понятную ЦП компьютера.

Плата СА должна также указать свое местонахождение или сетевой адрес, чтобы ее могли отличить от других плат сети. Перед тем, как послать данные по сети, плата СА проводит электронный диалог с принимающей платой, в результате которого они устанавливают:

• максимальный размер блока передаваемых данных;

• объем данных, пересылаемых без подтверждения о получении;

• интервал между передачами блоков данных;

• интервал, в течение которого необходимо послать подтверждение;

• объем данных, который может принять плата без переполнения буфера;

• скорость передачи.

Если новая плата взаимодействует с устаревшей платой, то они должны найти общую для них обеих скорость передачи. Схемы современных плат позволяют им приспособиться к низкой скорости старых плат. Каждая плата оповещает другую о своих параметрах, принимая чужие параметры и подстраиваясь к ним. После определения всех деталей начинается обмен данными.

Для правильной работы платы должны быть корректно установлены следующие параметры:

• номер прерывания (IRQ — interrupt query);

• базовый адрес порта;

• I/O. Базовый адрес памяти;

• тип трансивера.

Для обеспечения совместимости компьютера и сети плата СА должна соответствовать внутренней структуре компьютера (архитектуре шины данных) и иметь соответствующий соединитель, подходящий к типу кабельной системы.

Сети Ethernet — самая популярная сейчас архитектура. Используется в сетях любого размера. Ethernet — это промышленный стандарт, нашедший широкую поддержку среди производителей сетевого оборудования. Поэтому проблем, связанных с использованием устройств разных производителей, почти не существует.

В конце 60-х гг. Гавайский университет разработал ГВС под названием ALOHA. Университет, расположенный на обширной территории, решил объединить в сеть все компьютеры. Одной из ключевых характеристик созданной сети стал метод доступа CSMA/CD. Эта сеть послужила основой для современных сетей Ethernet. В 1972 г. в исследовательском центре Пало Альто фирмы Xerox разработали кабельную систему и схему передачи сигналов, а в 1975 г. — первый продукт Ethernet. Первоначальная версия Ethernet представляла собой систему со скоростью передачи 2,94 Мбит/с и объединяла более 100 компьютеров с помощью кабеля длиной 1 км. Сеть Ethernet фирмы Xerox имела такой успех, что компании Xerox, Intel Corporation и Digital Equipment Corporation разработали стандарт Ethernet со скоростью передачи 10 Мбит/с. Сегодня его рассматривают как спецификацию, описывающую метод совместного использования среды передачи компьютерами и системами обработки данных. Спецификация Ethernet выполняет те же функции, что Физический и Канальный уровни модели OSI.

Ethernet использует немодулированную передачу, топологию шина и метод доступа CSMA/CD. Другие используемые топологии —звезда-шина. Спецификация — IEEE 802.3. Скорость передачи данных — 10 или 100 Мбит/с. Кабельная система — толстый и тонкий коаксиальный кабель, UTP.

Ethernet разбивает данные на пакеты (кадры), формат которых отличается от формата пакетов в других сетях. Длина 64—1518 байтов, но сама структура использует 18 байтов, поэтому остается 46-

1500 байтов.

Максимальная общая длина сети 925 м. Общее число компьютеров в сети достигает 1024.

Сетевые протоколы

Протоколы — это набор правил и процедур, регулирующих порядок осуществления некоторой связи. В сетевой среде — это правила и технические процедуры, позволяющие нескольким компьютерам общаться друг с другом.

Различают три определяющих свойства протоколов:

1. Каждый протокол предназначен для различных задач и имеет свои преимущества и недостатки.

2. Протоколы работают на разных уровнях модели OSI. Функции протокола определяются уровнем, на котором он работает.

3. Несколько протоколов могут работать совместно. В этом случае они образуют так называемый стек, или набор протоколов. Как сетевые функции распределяются по всем уровням модели OSI, так и протоколы совместно работают на различных уровнях стека. Например, Прикладной уровень протокола TCP/IP соответствует уровню Представления модели OSI. В совокупности протоколы определяют полный набор функций и возможностей стека.

Передача данных по сети должна быть разбита на ряд последовательных шагов, каждому из которых соответствует свой протокол. Эти шаги должны выполняться на каждом сетевом компьютере в одной и той же последовательности. На компьютере-отправителе они выполняются сверху вниз, а на компьютере-получателе — снизу вверх.

Компьютер-отправитель в соответствии с протоколом выполняет следующие действия: разбивает данные на небольшие блоки — пакеты, с которыми может работать протокол; добавляет к пакетам адресную информацию, чтобы компьютер-получатель мог определить, что эти данные предназначены именно ему; подготавливает данные к передаче через плату СА по сетевому кабелю.

Компьютер-получатель в соответствии с протоколом выполняет те же действия, но в обратном порядке. Он принимает пакеты данных из сетевого кабеля и через плату СА передает пакеты в компьютер. Затем он удаляет из пакета всю служебную информацию, добавленную компьютером-отправителем; копирует данные из пакета в буфер для их объединения в исходный блок данных; передает приложению собранный из пакетов блок данных в том формате, который использует это приложение.

И компьютеру-отправителю, и компьютеру-получателю необходимо выполнять каждое действие одинаковым способом, чтобы отправленные данные совпали с полученными.

TCP/IP — стандартный промышленный набор протоколов, обеспечивающий связь в неоднородной среде, т.е. между компьютерами разных типов. Совместимость — одно из основных преимуществ TCP/IP, поэтому его поддерживают большинство ЛВС. Кроме того, TCP/IP предоставляет маршрутизируемый протокол для корпоративных сетей и доступ в Интернет. Из-за своей популярности TCP/IP стал стандартом де-факто для межсетевого взаимодействия. У TCP/IP есть два главных недостатка: большой размер и недостаточная скорость работы. Но для современных ОС это не является проблемой, а скорость работы сравнима со скоростью работы протокола IPX.

Стек TCP/IP включает и другие протоколы:

• SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) — для обмена E-mail;

• FTP (File Transfer Protocol) - для обмена файлами;

• SNMP (Simple Network Management Protocol) — для управления сетью.

Протокол TCP/IP в точности не соответствует модели OSI. Вместо семи уровней в нем используется только четыре:

1. Уровень сетевого интерфейса.

2. Межсетевой уровень.

3. Транспортный уровень.

4. Прикладной уровень.

Уровень сетевого интерфейса, относящийся к Физическому и Канальному уровням модели OSI, напрямую взаимодействует с сетью. Он реализует интерфейс между сетевой архитектурой (Ethernet или Token Ring) и Межсетевым уровнем.

Межсетевой уровень, относящийся к Сетевому уровню модели OSI, использует несколько протоколов для маршрутизации и доставки пакетов. Для этого используются маршрутизаторы, которые работают на Сетевом уровне и могут переадресовывать и маршрутизировать пакеты через множество сетей, обмениваясь информацией между отдельными сетями.

Транспортный уровень, соответствующий Транспортному уровню модели OSI, отвечает за установку и поддержание соединения между двумя хостами. Транспортный уровень отвечает также за отправку уведомлений о получении данных, управление потоком, упорядочение пакетов и их повторную передачу. Transmission Control Protocol (TCP) отвечает за надежную передачу данных между узлами. Это ориентированный на соединение протокол, поэтому он устанавливает сеанс связи между двумя компьютерами прежде, чем начать передачу.

Прикладной уровень, соответствующий Сеансовому, Представительскому и Прикладному уровням модели OSI, соединяет в сети приложения.

Беспроводная среда

В зависимости от технологии беспроводные сети можно разделить на три типа:

- локальные вычислительные сети;

- расширенные локальные вычислительные сети;

- мобильные сети (переносные компьютеры).

Основные различия между этими типами сетей - параметры передачи. Локальные и расширенные локальные вычислительные сети используют передатчики и приемники, принадлежащие той организации, в которой функционирует сеть. Для переносных компьютеров в качестве среды передачи сигналов выступают AT&T, МCI, Sprint, местные телефонные компании и их общедоступные службы.

Точки доступа

Трансивер, называемый иногда точкой доступа (access point), обеспечивает обмен сигналами между компьютерами с беспроводным подключением и остальной сетью. В беспроводных ЛВС используются небольшие настенные трансиверы. Они устанавливают радиоконтакт между переносными устройствами. Такую сеть нельзя назвать полностью беспроводной именно из-за использования этих трансиверов.

Способы передачи

- инфракрасное излучение;

- лазер;

- радиопередачу в узком спектре (одночастотная передача);

- радиопередачу в рассеянном спектре.

Мобильные сети

В беспроводных мобильных сетях в качестве среды передачи выступают телефонные системы и общественные службы. При этом используются:

- пакетное радио-соединение;

- сотовые сети;

- спутниковые станции.

Сотовые сети

Сотовые цифровые пакеты данных (Cellular Digital Packet Data, CDPD) используют ту же технологию, что и сотовые телефоны. Они передают данные по существующим для передачи речи сетям в те моменты, когда эти сети не заняты. Это очень быстрая технология связи с задержкой в доли секунды, что делает ее вполне приемлемой для передачи в реальном масштабе времени. В сотовых сетях, как и в других беспроводных сетях, необходимо найти способ который позволит подключиться к существующей кабельной сети.

Nortel out of Mississauga (Онтарио, Канада) - компания, которая производит интерфейсный блок Ethernet (Ethernet Interface Unit, EIU), предназначенный для этой цели.

Микроволновые системы

Микроволновая технология помогает организовать взаимодействие между зданиями в небольших, компактных системах, например в университетских городках. В настоящее время микроволновая технология наиболее распространенный в Соединенных Штатах метод передачи данных на дальние расстояния. Он идеален при взаимодействии в прямой видимости двух точек, таких, как:

спутник и наземная станция;

два здания;

Практические задания.

Составление алгоритмов.

Название	Элемент	Комментарий
Процесс		Вычислительное действие или последовательность вычислительных действий
Решение		Проверка условия
Модификация		Заголовок цикла
Предопределенный процесс		Обращение к процедуре
Документ		Вывод данных, печать данных
Перфокарта		Ввод данных
Ввод/Вывод		Ввод/Вывод данных
Соединитель		Разрыв линии потока
Начало, Конец		Начало, конец, пуск, останов, вход и выход во вспомогательных алгоритмах
Комментарий		Используется для размещения надписей
Горизонтальные и вертикальные потоки		Линии связей между блоками, направление потоков
Слияние		Слияние линий потоков
Межстраничный соединитель		Нет

Пример алгоритма