Аппаратные компоненты сети

Каналы передачи данных компьютерных сетей

Для связи компьютеров в сети нужна физическая среда передачи данных; с этой целью, в частности, используются:

аналоговые телефонные каналы общего назначения;

цифровые каналы;

узкополосные и широкополосные кабельные каналы;

радиоканалы и спутниковые каналы связи;

оптоволоконные каналы.

Аналоговые каналы связи первыми начали применяться в компью­терных сетях; это было удобно, поскольку позволяло использовать традиционные телефонные сети. Передача данных в этом случае может выполняться двояко. При первом способе телефонные каналы (одна или две пары проводов) через телефонную станцию физически соединяют два коммуникационных устройства (обычно это модемы) с подключенными к ним компьютерами. Такое соединение называют выделенной линией или непосредственным соединением. Второй способ предполагает установку соединения с помощью набора телефонного номера (по коммутируемой линии).

Качество передачи данных по выделенным каналам гораздо выше и соединение устанавливается быстрее. Вместе с тем на каждый выделен­ный каналнеобходимо иметь отдельное коммуникационное устройство (хотя существуют и многоканальные устройства), а при коммутируемой связи для соединения с разными узлами можно использовать одно такое устройство.

Параллельно с аналоговыми телефонными сетями для межкомпью­терного взаимодействия стали использовать методы передачи данных в дискретной (цифровой) форме по ненагруженным телефонным каналам (то есть каналам, к которым не подведено электрическое напряжение, используемое в телефонной сети) — так называемым цифровым каналам. Наряду с дискретными данными по ним можно передавать и аналоговую информацию (голосовую, видео, факсимильную и т.д.), преобразованную в цифровую форму.

Наиболее высокие скорости передачи на небольших расстояниях могут быть получены при использовании особым образом скрученной пары проводников (это делается, чтобы избежать электромагнитных помех) — так называемой витой пары (ТР, Twisted Pair),

Коаксиальные кабельные каналы представляют собой два цилиндри­ческих соосных проводника, разделенные диэлектрическим покрытием. Один тип коаксиального кабеля (с сопротивлением 50 Ом) используется главным образом для передачи узкополосных цифровых сигналов, другой (с сопротивлением 75 Ом) - для передачи широкополосных аналоговых и цифровых сигналов. Узко- и широкополосные кабели, непосредственно связывающие взаимодействующие устройства, позволяют обменивать­ся данными на высоких скоростях (до нескольких мегабит в секунду) в аналоговой или цифровой форме. Следует отметить, что на небольших расстояниях (особенно в локальных сетях) кабельные каналы все больше вытесняются витой парой, а на больших расстояниях - оптововолоконными каналами.

Использование в компьютерных сетях в качестве передающей среды радиоволн различной частоты является экономически эффективным либо для связи на больших и сверхбольших расстояниях (с использованием спутников), либо для связи с труднодоступными, подвижными или вре­менно используемыми объектами. Частоты, на которых функционируют радиосети, обычно используют диапазон 2-40 ГГц (чаще всего 4-6 ГГц). Узлы в радиосети могут быть расположены (в зависимости от использу­емой аппаратуры) на расстоянии до 100 км друг от друга,

Спутники связи обычно содержат несколько усилителей (транспондеров), каждый из которых принимает сигналы в заданном диапазоне частот (обычно 6 или 14 ГГЦ) и регенерирует их в другом частотном диапазоне (например, 4 или 12 ГГц). Для передачи данных в основном используют геостационарные спутники, размещенные на высокой экваториальной орбите. Это приводит к заметной задержке сигнала (в среднем 270 мс), для компенсации которой используют специальные методы.

Обмен данными на радиоканалах может вестись с помощью как ана­логовых, так и цифровых методов передачи. Последние используются чаще, так как позволяют объединять наземные участки цифровых сетей и спутниковых каналов или радиоканалов в единую сеть. Новый импульс к развитию радиосетей дало массовое распространение мобильной телефонной связи и соответствующей инфраструктуры.

Для передачи данных на небольшие расстояния (обычно в пределах комнаты) последнее время все чаще используется инфракрасное излучение.

В оптоволоконных каналах находит применение известный физиче­ский феномен полного внутреннего отражения света; внутри оптоволоконного кабеля световые импульсы передаются на большие расстояния практически без потерь.

В качестве источников используются светоиспускающие диоды (LED

- light-emitting diode) или лазерные диоды, а в качестве приемников

- фотоэлементы. Такие каналы связи, несмотря на относительно высокую стоимость, получают все большее распространение, причем не только на небольших расстояниях, но и на внутригородских и междугородных участках.

В компьютерных сетях для передачи данных между узлами сети при­меняют три технологии: коммутацию каналов, коммутацию сообщений и коммутацию пакетов.

Коммутация каналов (обеспечиваемая, в частности, телефонной сетью общего пользования) позволяет с помощью коммутаторов установить прямое соединение между узлами сети.

При коммутации сообщений устройства, называемые коммутаторами (выполненные на базе универсальных или специализированных компью­теров), позволяют накапливать сообщения и посылать их в соответствии с заданной системой приоритетности и принципами маршрутизации другим узлам сети.

Такой подход может замедлять доставку сообщений (по сравнению с коммутацией каналов), однако при этом сглаживаются пиковые нагрузки в сети и повышается ее устойчивость.

При пакетной коммутации данныепользователя разбиваются на мелкие порции - пакеты, каждый из которых содержит служебные по­ля и поле данных. Далее применяют два основных способа передачи данных: виртуальный канал, когда между узлами устанавливается и поддерживается соединение как бы по выделенному каналу (хотя на самом деле физический канал передачи все время разделен между не­сколькими пользователями) и режим дейтаграмм, когда каждый пакет из набора, содержащего данные пользователя, передается между узлами независимо друг от друга. Первый способ соединения называют также контактным режимом (connection mode), второй - бесконтактным (con­nectionless mode).

Сетевое оборудование

К техническим средствам коммуникации в компьютер­ных сетях относятся кабели (экранированная и неэкра­нированная витая пара, коак­сиальный, оптоволоконный), коннекторы и терминаторы, сетевые адаптеры, повтори­тели, разветвители, мосты, маршрутизаторы, шлюзы, а также модемы, позволяющие использовать различные про­токолы передачи данных и топологии в единой неодно­родной системе.

Рис. 48. Сетевая карта

Сетевой адаптер (контроллер, карта) - это устройство, располо­женное в компьютере, подключаемое к сетевому кабелю, и позволяющее вести прием-передачу данных по сети (рис. 48). Обычно размещается на плате расширения (хотя в последнее время все чаще сетевые адаптеры монтируют непосредственно на материнской плате). В сущности, это главный компонент сетевой аппаратуры. Минимальный набор аппарат­ных средств, необходимый для объединения компьютеров в сеть - это адаптеры (по одному на каждую машину) и соединительный кабель (с соответствующими разъемами и терминаторами). Все остальное обо­рудование сети служит для улучшения ее характеристик, а также для повышения удобства ее использования.

Функции сетевого адаптера можно разделить на две большие группы. Первая связана с его взаимодействием с компьютером (магистральные функции), вторая - с организацией обмена данными в сети (сетевые функции). Если функции первой группы определяются устройством компьютера и сравнительно однотипны, то функции второй группы за­висят от типа сети и могут быть самыми различными в зависимости от вида кабеля, протокола управления, топологии сети и т.д.

Для решения проблемы межсетевого взаимодействия изготовителями оборудования предлагаются различные устройства - повторители (repe­ater), мосты (bridge), маршрутизаторы (router), мосты/маршрутизаторы (bridge/router) и шлюзы (gateway). Основное различие между этими устройствами состоит в том, что повторители действуют на 1-м (физическом) уровне модели OSI, мосты - на 2-м, маршрутизаторы - на 3-м, а шлюзы - на 4-7 уровнях (рис. 49).

Маршрутизаторы работают на границах сегментов сети; их глав­ная задача - оптимизация маршрутов продвижения информацион­ных пакетов. С этой целью они обмениваются между собой данными о топологии, состоянии сети, работоспособности каналов и доступности отдельных узлов. Различают одно- и многопротокольные маршрутизаторы (последние могут поддерживать одновременно несколько протоколов — например IPX/SPX и TCP/IP)

Рис. 49. Сетевое оборудование различных уровней

Эти устройства, помимо выбора опти­мального маршрута, могут разбивать длинные сообщения на несколько коротких и использовать альтернативные пути их доставки, что позволяет выравнивать трафик по параллельным путям и соединять сети, исполь­зующие пакеты разной длины.

Мосты представляют собой устройства для соединения сегментов сети, функционирующие на подуровне контроля доступа к среде (Media Access Control). Они прозрачны для протоколов более высоких уровней, то есть осуществляют передачу кадра из одного сегмента в другой по фи­зическому адресу станции получателя, который выделяется из заголовка канального уровня, анализируют целостность кадров и отфильтровывают испорченные. Эти устройства могут обладать свойством самообучения, то есть по мере прохождения через мост кадров он заполняет две таблицы адресами станций, отправляющих сообщения, физически располагая их по разные стороны от моста и записывая в разные таблицы.

Сегменты сети, соединенные мостом, могут использовать как оди­наковые, так и разные канальные протоколы (в последнем случае мост переводит кадры одного формата в другой). Мосты автоматически адап­тируются к изменению конфигурации сети и могут соединять сегменты с различными протоколами сетевого уровня. К сожалению, эти устройства не могут оптимизировать трафик, используя альтернативные пути, что иногда приводит к перегрузке линий связи.

Во всех современных технологиях локальных сетей используются устройства, называемые концентраторами или хабами (hub). Концен­тратор объединяет отдельные физические сегменты сети в единую раз­деляемую среду; основная его функция - повторение кадра на всех портах. Концентраторы можно условно разделить на пассивные (с точки зрения обработки информации) и активные. Пассивные (репитерные) выполняют

функцию собранных в одном месте в единый конструктив нескольких повторителей (репитеров) или трансиверов. Никакой обработки инфор­мации они не производят, а только восстанавливают и усиливают сигналы (они могут также преобразовывать электрические сигналы в оптические и наоборот). К пассивному концентратору могут подключаться только части (сегменты) или отдельные абоненты одной и той же сети. Активные концентраторы выполняют более сложные функции. В частности, они могут преобразовывать информацию и протоколы обмена, правда, лишь

самым простым образом.

В отдельный тип нередко выделяют коммутирующие концентраторы, называемые также коммутаторами (switch). Они не передают информа­цию, адресованную абоненту в том же сегменте сети, что и передатчик; они распознают в реальном времени адрес пакета и при необходимости пересылают его в другой сегмент. Задержка пересылки при этом равна времени приема и распознавания пакета. Сам пакет коммутатором не принимается. Таким образом, каждый сегмент работает только с частью пакетов общей сети, что снижает интенсивность обмена в сегментах и улучшает их пропускную способность.

Трансиверы, или приемопередатчики (от англ, /rartsmitter + receiver), служат для двунаправленной передачи сигналов между адаптером и се­тевым кабелем или между двумя отрезками кабеля. Основная функция трансивера - усиление сигналов или преобразование их в другую форму для улучшения характеристик сети (например, повышения помехоустой­чивости и/или увеличения расстояния между абонентами).

Повторитель (репитер) выполняет более простую задачу, чем тран-сивер. Это устройство, действующее на физическом уровне, предназна­ченное для усиления сигналов с целью компенсации их естественного затухания в среде передачи данных. Тем самым увеличивается расстояние их распространения, а значит, и максимальная длина отрезка сети. Одной из разновидностей повторителей являются конверторы среды; они позво­ляют преобразовывать сигналы при переходе из одной среды передачи в другую (например, при соединении коаксиального и оптоволоконного

кабелей).

Важно понимать, что ни трансиверы, ни повторители не производят никакой обработки данных. С точки зрения передачи информации это абсолютно пассивные устройства, поэтому они в принципе не могут как-либо изменить информационные характеристики сети. Соединяя с их помощью отдельные сегменты, получают точно такую же сеть, но большего объема и с лучшим качеством передачи сигналов.

Разветвителем называется пассивное устройство, предназначенное для соединения более двух кабельных сегментов.

Шлюзы работают на верхних уровнях модели OSI (сеансовом, пред­ставления и приложений). В основном они используются для подсо­единения компьютерных сетей и их сегментов к центральным ЭВМ. В частности, шлюз нужен, когда объединяют две сети с совершенно раз­личной архитектурой для преобразования потока данных, проходящих между ними.

Рис. 50. Внешний и внутренний модемы

Для подключения компьютеров к стандартным линиям связи ис­пользуют модемы; большинство из них предназначено для работы на коммутируемых телефонных линиях. Соответственно, они осуществляют преобразование компьютерных данных в звуковой аналоговый сигнал для их передачи в линию (.модуляция), а также обратное преобразование (демодуляция) при получении информации. Модемы бывают внутренние и внешние (рис. 50). Внутренние выглядят так же, как и другие карты, устанавливаемые на платах расширения; внешние представляют собой отдельное устройство, соединяемое кабелем с последовательным портом компьютера. Они имеют собственный блок питания, отдельный корпус и поэтому при тех же качественных параметрах стоят дороже.

Многие модемы оснащаются дополнительными функциями, позволя­ющими передавать по телефонной линии оцифрованную графическую информацию аналогично факс-машинам. Такие модемы называют факсмодемами, хотя в них отсутствует сканер и печатающая головка, и по ним невозможно передать в линию подписанный бумажный документ как по обычному факсу. Тем не менее они позволяют принимать факсы (с последующей распечаткой на принтере) и отправлять любую страницу с текстовой и графической информацией, скомпонованную на компью­тере, на обычную факс-машину.