по дисциплине «Сети ЭВМ и телекоммуникации»
1 История развития сетевых технологий.
Этап |
Время |
Первые глобальные связи компьютеров, первые эксперименты с пакетными сетями |
Конец 60-х |
Начало передач по телефонным сетям голоса в цифровой форме |
Конец 60-х |
Появление больших интегральных схем, первые мини-компьютеры, первые нестандартные локальные сети |
Начало 70-х |
Создание сетевой архитектуры IBM SNA |
1974 |
Стандартизация технологии Х.25 |
1974 |
Появление персональных компьютеров, создание Интернета в современном виде, установка на всех узлах стека TCP/IP |
Начало 80-х |
Появление стандартных технологий локальных сетей (Ethernet — 1980 г., Token Ring, FDDI — 1985 г.) |
Середина 80-х |
Начало коммерческого использования Интернета |
Конец 80-х |
Изобретение Web |
1991
|
2 Модель OSI
В начале 80 –х годов ряд международных организаций по стандартизации – ISO, ITU-T и некоторые другие - разработали модель взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection, OSI)
Эта модель определяет различные уровни взаимодействия систем, даёт им стандартные имена и указывает какие функции должен выполнять каждый уровень. Модель OSI была разработана на основе большого опыта, и полное описание модели составляет более 1000 страниц.
В модели OSI средства взаимодействия делятся на семь уровней, каждый из которых имеет дело с одним определённым аспектом взаимодействия сетевых устройств.
Функции и процедуры, выполняемые в рамках одного функционального уровня, составляют соответствующий уровневый протокол.
Нумерация уровневых протоколов идет снизу вверх.
Уровни взаимодействуют на строго иерархической основе: каждый уровень пользуется услугами нижнего уровня и, в свою очередь, обслуживает уровень, расположенный выше.
Создание сети в соответствии с моделью OSI дает возможность использования сети ЭВМ различных классов и типов. Поэтому сеть, удовлетворяющая требованиям этой модели, называется ОТКРЫТОЙ.
Функции любого узла сети разбиваются на уровни, для конечных систем их семь. Внутри каждого узла взаимодействие между уровнями идет по вертикали. Взаимодействие между двумя узлами логически происходит по горизонтали – между соответствующими уровнями. Реально же из-за отсутствия непосредственных горизонтальных связей производится спуск до нижнего уровня в источнике, связь через физическую среду и подъем до соответствующего уровня в приемнике информации. В промежуточных устройствах подъем идет до того уровня, который доступен «интеллекту» устройства.
Каждый уровень обеспечивает свой набор сервисных функций, прикладная ценность возрастает с повышением уровня. Уровень, с которого посылается запрос, и симметричный ему уровень отвечающей системы формируют свои блоки данных. Данные снабжаются служебной информацией (заголовком) данного уровня и опускаются на уровень ниже, пользуясь сервисными функциями соответствующего уровня. На этом уровне к полученной информации также присоединяется служебная информация, и так происходит спуск до самого нижнего уровня. Служебная информация управляет процессом передачи и служит для контроля его успешности и достоверности. В случае возникновения проблем может быть сделана попытка их уладить на том уровне, где они обнаружены.
Компьютер -1 |
|
Компьютер -2 |
||||
Прикладные процессы |
Уровневые протоколы |
Прикладные процессы |
||||
Уровни процессов взаимодействий |
7 |
Прикладной
|
Управление прикладными процессами
|
Уровни процессов взаимодействий |
7 |
П рикладной |
6 |
Представительный
|
Управление представлением данных
|
6 |
П редставительный |
||
5 |
Сеансовый
|
Управление сеансами
|
5 |
С еансовый |
||
4 |
Транспортный
|
Управление трафиком
|
4 |
Т ранспортный |
||
3 |
С етевой
|
Управление сетью
|
3 |
С етевой |
||
2 |
Канальный
|
Управление информационным каналом
|
2 |
К анальный |
||
1 |
Физический
|
Управление физическим каналом
|
1 |
Физический |
||
Передающая среда |
||||||
ФИЗИЧЕСКИЙ уровень – нижний уровень, обеспечивающий физическое кодирование бит кадра в электрические (оптические) сигналы и передачу их по линиям связи
КАНАЛЬНЫЙ уровень – обеспечивает формирование фреймов – кадров, передаваемых через физический уровень, контроль ошибок и управление потоком данных
СЕТЕВОЙ уровень – форматирует данные транспортного уровня и снабжает их информацией, необходимой для маршрутизации. Уровень отвечает за адресацию, поиск пути от источника к получателю или между двумя промежуточными устройствами, установление и обслуживание логической связи между узлами для установления связи
ТРАНСПОРТНЫЙ уровень – отвечает за передачу данных от источника к получателю с уровнем качества затребованным сеансовым уровнем
СЕАНСОВЫЙ уровень – обеспечивает инициацию и завершение сеанса – диалога между устройствами, синхронизацию и последовательность пакетов в сетевом диалоге, надежность соединения до конца сеанса
ПРЕДСТАВИТЕЛЬНЫЙ уровень (уровень представления данных) – обеспечивает преобразование кодов, форматов файлов, сжатие и распаковку, шифрование и дешифрование данных.
ПРИКЛАДНОЙ уровень – высший уровень модели, который обеспечивает пользовательской прикладной программе доступ к сетевым ресурсам
В реальных сетях используются различные протокольные стеки, и далеко не всегда возможно практическое разделение системы на уровни модели OSI с возможностью обращения приложений к каждому из них. Ради повышения производительности количество уровне уменьшается до 3-4 с объединением функций смежных уровней. При всем разнообразии подходов к реализации верхних уровней стеков стандартизация на физическом, канальном и сетевом уровнях соблюдается довольно строго. Здесь играет роль необходимость обеспечения совместимости сетевых устройств от разных производителей
3 Сетевое оборудование (серверы)
Серверы
Сервер является таким же компьютером, подключенным к сети, как и компьютер являющийся рабочей станцией, но подразумевается его более высокая сетевая активность и значимость. Для подключения к сети желательно использовать полнодуплексные высокопроизводительные адаптеры для шин РСI. Серверы желательно подключать к выделенному порту коммутатора в полнодуплексном режиме. При установке двух и более сетевых интерфейсов (в том числе модемного подключения ) и соответствующего ПО сервер может играть роль маршрутизатора или моста. Конструктивно сервер может представлять собой обычный настольный компьютер. Специализированные серверы имеют более просторный конструктив, обеспечивающий большую расширяемость (число процессоров, объем оперативной и дисковой памяти). Серверы могут иметь возможность горячей замены дисковых накопителей, резервирования питания, блокировку несанкционированного доступа, средства мониторинга состояния. Операционные системы серверов обычно располагают средствами повышения производительности дисков. Так в NetWare можно несколько дисков сгруппировать или связать (span) в один ДИСКОВЫЙ ТОМ.При записи большого файла NetWare автораспределяет блоки так, что файл пишется на все диски тома; это называется ЧЕРЕДОВАНИЕМ ДИСКОВ (disk striping). Это значит, что операции чтения / записи распределяются равномерно по всем дискам. При этом несколько дисков работают параллельно, что ускоряет процесс.
4 Обзор сетевого оборудования ЛВС
1.Серверы
Сервер является таким же компьютером, подключенным к сети, как и компьютер являющийся рабочей станцией, но подразумевается его более высокая сетевая активность и значимость. Для подключения к сети желательно использовать полнодуплексные высокопроизводительные адаптеры для шин РСI. Серверы желательно подключать к выделенному порту коммутатора в полнодуплексном режиме. При установке двух и более сетевых интерфейсов (в том числе модемного подключения) и соответствующего ПО сервер может играть роль маршрутизатора или моста. Конструктивно сервер может представлять собой обычный настольный компьютер. Специализированные серверы имеют более просторный конструктив, обеспечивающий большую расширяемость (число процессоров, объем оперативной и дисковой памяти). Серверы могут иметь возможность горячей замены дисковых накопителей, резервирования питания, блокировку несанкционированного доступа, средства мониторинга состояния.
2.Сетевые адаптеры
По выполняемым функциям СА разделяются на две группы:
1. Реализующие функции физического и канального уровней.
2. Реализующие функции первых четырех уровней модели OSI – физического, канального, сетевого и транспортного.
Адаптеры ориентированы на определенную архитектуру локальной сети и ее технические характеристики, поэтому по топологии ЛВС адаптеры разделяются на следующие группы: поддерживающие шинную топологию, кольцевую, звездообразную, древовидную, комбинированную (звездно-кольцевую, звездно-шинную).
3.Повторители
Средство объединения кабельных сегментов в единый логический сегмент. В сетях на витой паре повторитель является самым дешевым средством объединения конечных узлов и других коммуникационных устройств в единый разделяемый сегмент. В этом контексте вместо слова повторитель часто применяют хаб или концентратор. Полоса пропускания 10, 100 Мбит/с.
4.Мосты и шлюзы
МОСТ (bridge) является средством передачи кадров между двумя и боле логическими сегментами сети. По логике работы мосты являются частным случаем коммутатора. Полоса пропускания 10 Мбит/с. Мосты используются для соединения в основном идентичных сетей, имеющих некоторые физические различия на физическом и канальном уровнях.
МОСТ (bridge) является средством передачи кадров между двумя и боле логическими сегментами сети. По логике работы мосты являются частным случаем коммутатора. Полоса пропускания 10 Мбит/с.
Мосты используются для соединения в основном идентичных сетей, имеющих некоторые физические различия на физическом и канальном уровнях.
5.Коммутаторы
Средство организации виртуальных цепей для передачи каждого кадра между двумя его портами. Скорости портов 10,100 или 1000 Мбит/с, могут быть разными у разных портов одного устройства
6.Хаб
Устройство, к которому подключаются кабели от множества конечных узлов и коммуникационных устройств. Внутренняя структура может быть различной. Чаще под хабом подразумевают повторитель. Сегментирующий хаб является комбинацией нескольких повторителей, между которыми может присутствовать и мост.
7.Концентратор
Считается синонимом хаба, но может трактоваться шире (может включать набор повторителей, коммутаторов и мостов, соединяющих разные технологии).
8.Маршрутизатор
Устройство с нескольким физическими интерфейсами, возможно различных сетевых технологий. Выполняет передачи пакетов между интерфейсами на основе 3-го (сетевого) уровня. Используется для организации регламентированных связей между логическими сетями на основе сетевой адресной информации, возможно с фильтрацией. Они обеспечивают достаточно сложный уровень сервиса, так как могут выполнять интеллектуальные функции.
9.Брандмауэр
Устройство (программное средство), по уровню функционирования аналогичное маршрутизатору, но с более развитой системой фильтрации и малым (как правило 2) числом портов. Используется для защиты локальных сетей от несанкционированного вмешательства извне.
10.Модем, факс-модем
Модем - устройство для передачи данных на дальние расстояния по выделенным или коммутируемым линиям.
5 Оборудование для электрической передачи данных.
Скорость передачи двоичных сигналов по каналу связи измеряется числом битов, передаваемых за одну секунду.
Качество физического аналогового канала удобно характеризовать произведением
=f L,
где L - дальность передачи, км;
f - ширина полосы канала, Гц.
Качество канала дискретной передачи данных в целом оценивают произведением:
=B·L,
где В - скорость дискретной модуляции, Бод.
В каналах связи распределенных систем управления АСУ и СОИ обычно применяют телефонные пары, проложенные для телефонной сети. Качество физического канала с телефонной линией, передача по которой ведется видеоимпульсами, характеризуется величиной
=0,2км·Мбит/с.
Для модуляции несущей частоты на передающей стороне и демодуляции на приемной применяют модемы (модуляторы-демодуляторы). Максимальная скорость передачи данных по телефонному каналу с применением модемов достигает 9600 бит/с и более (38400, 19200, 4800, 2400 бит/с).
Повышение быстродействия и дальности связи зависит от качества физического канала. Для снижения уровня помех, а следовательно, повышения скорости передачи используют экранированные симметричные витые пары. Ввиду высокой стоимости таких линий связи их применяют на небольших расстояниях. Качество каналов связи в таких кабелях характеризуется показателем
= 1,5 км·Мбит/с.
Такой кабель должен иметь не менее тринадцати витков на метр, погонная емкость - не более 100 пФ/м.
Существенно лучшие характеристики имеет коаксиальный кабель, электромагнитное поле в котором не выходит за пределы цилиндрической экранной оболочки.
В отечественной практике применяют преимущественно кабель типа РК-75 с волновым сопротивлением 75 Ом. Погонная емкость этого кабеля - 67 пФ/м (телевизионный кабель). Показатель качества физического канала на коаксиальном кабеле порядка 10 км·Мбит/с.
6 Средства оптической передачи данных.
Волоконно-оптические линии передачи данных являются сравнительно новым техническим средством. Носителем сигнала здесь служат близкие к монохроматическим световые колебания, которые модулируются по амплитуде передаваемым сигналом.
К достоинствам оптических каналов передачи данных следует отнести:
1) нечувствительность к внешним электромагнитным полям, колебаниям температуры и отсутствие коротких замыканий;
2) меньшие габариты и вес по сравнению с медными проводами;
3) высокая пропускная способность (более 30 Гбит/с);
4) большое значение показателя качества (1 Ггц(км).
Для преобразования электрического сигнала в оптический используют либо светодиоды, либо полупроводниковый лазер.
Световая мощность (Рсв), отдаваемая светодиодом, пропорциональна модулирующему электрическому току. В современных приборах Рсвпорядка 0,1 мВт.
Светодиоды имеют длительный срок службы, недорогие, однако, по сравнению с лазерами страдают серьезным недостатком: излучают свет не в одном направлении, а под весьма широким углом.
Полупроводниковые лазеры обеспечивают генерирование когерентных световых колебаний с очень узким спектром. Светоотдача лазера не пропорциональна модулирующему электрическому току: она растет быстрее после некоторого порогового значения. Средняя отдаваемая мощность лазера составляет
Рсв= 0,6 мВт.
Материал для изготовления световода - двуокись кремния (кремнезем).
В приемных узлах использую фотодиоды. это р-i-n диоды или лавинные диоды (в лавинном диоде падающий световой поток вызывает появление свободных электронов, причем число носителей заряда растет лавинообразно). В р-i-n диоде р и n зоны разделены высокоомной нелегированной областью. Падающий световой поток вызывает в диоде электрический ток, пропорциональный интенсивности света.
P-i-n диоды дешевы и надежны, но лавинные - более чувствительны.
Оптические каналы передачи данных широко применяются в АСУ ТП и в военной технике.
7. Беспроводные технологии передачи данных
Типы беспроводных сетей
В зависимости от технологии беспроводные сети можно разделить на три типа:
локальные вычислительные сети;
расширенные локальные вычислительные сети;
мобильные сети (переносные компьютеры).
Локальные вычислительные сети
Способы передачи
Беспроводные локальные сети используют четыре способа передачи данных:
инфракрасное излучение;
лазер;
радиопередачу в узком спектре (одночастотная передача);
радиопередачу в рассеянном спектре.
Инфракрасное излучение
Все инфракрасные беспроводные сети используют для передачи данных инфракрасные лучи. Системы данного типа очень чувствительны к препятствиям. Инфракрасное излучение имеет широкий диапазон частот, что позволяет системам на этой технологии спокойно функционировать на скорости 10 Мбит/с. Эти системы делятся на 4 типа:
Сети прямой видимости.
в таких сетях передача возможна лишь в случае прямой видимости между передатчиком и приемником.
Сети на рассеянном инфракрасном излучении.
При этой технологии сигналы, отражаясь от стен и потолка, в конце концов достигают приемника. Эффективная область ограничивается примерно 30 м (100 футами), и скорость передачи невелика из-за большого уровня внешних помех.
Сети на отраженном инфракрасном излучении.
В этих сетях оптические трансиверы, расположенные рядом с компьютером, передают сигналы в определенное место, из которого они переадресуются соответствующему компьютеру.
Широкополосные оптические сети.
Эти инфракрасные беспроводные сети предоставляют широкополосные услуги, соответствуют жестким требованиям мультимедийной среды и практически не уступают кабельным сетям.
Возникают трудности при передаче сигналов на расстояние более 30 м (100 футов). К тому же такие сети подвержены помехам со стороны сильных источников света.
Лазер
Лазерная технология похожа на инфракрасную тем, что требует прямой видимости между передатчиком и приемником. Если по каким-либо причинам луч будет прерван, это прервет и обмен данными.
Благодаря узкой направленности пучка лазерные системы старшего класса обгоняют по производительности не только Т1, но даже Fast Ethernet. Увы, лазер не устойчив даже к таким простым природным явлениям, как туман или дождь. Проблема защиты данных для него менее насущна: поскольку приемник и передатчик находятся строго на одной линии, перехват возможен только с прерыванием луча.
Радиопередача в узком спектре (одночастотная передача)
Этот способ напоминает вешание обыкновенной радиостанции. Пользователи настраивают передатчики и приемники на определенную частоту. При этом прямая видимость необязательна, площадь вещания составляет около 465002 м (500 000 квадратных футов).
Сигнал высокой частоты, который используется, не проникает через металлические или железобетонные преграды. Доступ к такому способу связи осуществляется через поставщика услуг, например Motorola. Поставщик услуг соответствует всем требованиям FCC (Federal Communications Commission). Связь относительно медленная (около 4.8 Мбит/с).
Радиопередача в рассеянном спектре
При этом способе сигналы передаются в некоторой в полосе частот, что позволяет избежать проблем связи, присущих одночастотной передаче.
Доступные частоты разделены на каналы, или интервалы. Адаптеры в течение предопределенного промежутка времени настроены на установленный интервал, после чего переключаются на другой интервал. Переключение всех компьютеров в сети происходит синхронно.
Чтобы защитить данные от несанкционированного доступа, применяют кодирование. Скорость передачи в 250 Кбит/с (килобит в секунду) относит данный способ к разряду самых медленных. Но есть сети, построенные на его основе, которые передают данные со скоростью до 2 Мбит/с на расстояние до 3,2 км на открытом пространстве и до 120 м внутри здания.
Расширенные локальные сети
Некоторые типы беспроводных компонентов способны функционировать в расширенных локальных вычислительных сетях так же, как их аналоги - в кабельных сетях. Беспроводной мост, например, предназначен для соединения сетей, находящихся друг от друга на расстоянии до нескольких километров.
Многоточечное беспроводное соединение Компонент, называемый беспроводным мостом (wireless bridge), помогает установить связь между удаленными сетями без участия кабеля. Мост может использовать технологию радиопередачи в рассеянном спектре для создания магистрали, соединяющей несколько сетей. Расстояние между ними, в зависимости от условий, может достигать нескольких километров. Стоимость эксплуатации такого устройства зачастую оказывается ниже аренды линии связи.
Беспроводные мосты дальнего действия Если расстояние, которое покрывает беспроводной мост, недостаточно, можно установить мост дальнего действия. Для работы с сетями Ethernet и Token Ring на расстояниях до 40 км он также использует технологию радиопередачи в рассеяном спектре. Его стоимость (как и обыкновенного беспроводного моста) может оказаться вполне удовлетворительной, так как отпадут затраты на аренду микроволновых каналов или линий Т1. Линия Т1 - это стандартная цифровая линия, предназначенная для передачи данных со скоростью до 1,544 Мбит/с. По ней можно передавать и речь, и данные.
Мобильные сети
В беспроводных мобильных сетях в качестве среды передачи выступают телефонные системы и общественные службы. При этом используются:
пакетное радиосоединение;
сотовые сети;
спутниковые станции.
Пакетное радиосоединение
При пакетном радиосоединении данные разбиваются на пакеты (подобные сетевым пакетам), в которых содержится следующая информация:
адрес источника;
адрес приемника;
информация для коррекции ошибок.
Пакеты передаются на спутник, который транслирует их в широковещательном режиме. Затем устройства с соответствующим адресом принимают эти пакеты.
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. Он идеален при взаимодействии в прямой видимости двух точек, таких, как:
спутник и наземная станция;
два здания;
любые объекты, которые разделяет большое открытое пространство (например, водная поверхность или пустыня). 8
Микроволновая система состоит из следующих компонентов.
Двух радиотрансиверов.
Один для генерации сигналов (передающая станция), а другой - для приема (приемная станция).
Двух направленных антенн.
Они нацелены друг на друга так, чтобы осуществить прием сигналов, передаваемых трансиверами. Эти антенны часто устанавливают на вышки, чтобы покрыть большие расстояния.
ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ НА РАДИОЧАСТОТАХ
Специфически "беспроводной" характеристикой технологии передачи данных является то, в какой полосе радиоспектра передается сигнал. Обычный "узкополосный" сигнал передается в узкой полосе радиоспектра, окружающего его несущую частоту. Недостаток этого метода заключается в том, что узкополосный сигнал должен обладать значительной энергией, поэтому он становится довольно сильным источником помех и, наоборот, сам оказывается уязвимым для внешних шумов.