Данных и каналообразующей аппаратуры

Структурно информационно-вычислительная сеть содержит:

- компьютеры (хост-компьютеры, сетевые компьютеры, рабочие станции, серве­ры), размещенные в узлах сети;

- аппаратуру и каналы передачи данных, с сопутствующими им периферийными устройствами;

- интерфейсные платы и устройства (сетевые платы, модемы);

- маршрутизаторы и коммутационные устройства.

В сетях могут использоваться как однопользовательские мини- и микрокомпью­теры (в том числе и персональные), оснащенные терминальными устройствами для связи с пользователем или выполняющие функции коммутации и маршрути­зации сообщений, так и мощные многопользовательские компьютеры (мини-ком­пьютеры, большие компьютеры). Последние выполняют эффективную обработку данных и дистанционно обеспечивают пользователей сети всевозможными инфор­мационно-вычислительными ресурсами. В локальных сетях эти функции реали­зуют серверы и рабочие станции.

Рабочая станция (work station) — подключенный к сети компьютер, через кото­рый пользователь получает доступ к ее ресурсам. Часто рабочую станцию (равно как и пользователя сети, и даже прикладную задачу, выполняемую в сети) называ­ют клиентом сети. В качестве рабочих станций могут использоваться как обычные и мощные компьютеры, так и специализированные, называемые «сетевыми компь­ютерами» (NET PC — Network Computer).

Рабочая станция сети на базе обычного компьютера функционирует как в сетевом, так и в локальном режимах. Она оснащена собственной операционной системой и обеспечивает пользователя всем необходимым для решения прикладных задач. Рабочие станции на базе сетевых компьютеров могут функционировать, как прави­ло, только в сетевом режиме при наличии в сети сервера приложений. Отличиесе­тевого компьютера (Network Personal Computer —NET PC) от обычного в том, что он максимально упрощен: классический NET PC не содержит дисковой памяти (ча­сто называют бездисковым ПК). Он имеет упрощенную материнскую плату, основ­ную память, а из внешних устройств имеет только дисплей, клавиатуру, мышь и се­тевую карту обязательно с чипом ПЗУ BootROM, обеспечивающим возможность загрузки операционной системы, расположенной на внешнем запоминающем устройстве сервера.

Сервер (server) — это выделенный для обработки запросов от всех рабочих стан­ций сети многопользовательский компьютер, предоставляющий этим станциям доступ к общим системным ресурсам (вычислительным мощностям, базам дан­ных, библиотекам программ, принтерам, факсам и т. д.) и распределяющий эти ресурсы. Сервер имеет свою сетевую операционную систему, под управлением которой и происходит совместная работа всех звеньев сети. Из наиболее важных требований, предъявляемых к серверу, следует выделить высокую производитель­ность и надежность работы.

Сервер, кроме предоставления сетевых ресурсов рабочим станциям, может и сам выполнять содержательную обработку информации по запросам клиентов — такой сервер часто называют сервером приложений. Сервер приложений — это работаю­щий в сети мощный компьютер, имеющий программное обеспечение (приложения), с которым могут работать клиенты сети.

Для подключения компьютера к локальной сети требуются устройства сопряжения, называемые сетевыми адаптерами, или сетевыми интерфейсными картами, вставляемыми в слот материнской платы компьютера. В настоящее время широкое распространение приобрели адаптеры, ко­торые могут настраиваться на различную скорость передачи данных: 10 Мбит/с (Ethernet) и 100 Мбит/с (Fast Ethernet).

Большинство сетевых адаптеров Ethernet имеет разъемы для под­ключения различных видов кабелей: разъем RJ - 45 для подключе­ния кабеля «витая пара» и разъем BNC для подключения тонкого коак­сиального кабеля. Некоторые адаптеры имеют также разъемы AUI (15-контактные) для подключения толстого коаксиального кабеля. В насто­ящее время в основном используются сетевые адаптеры, рассчитанные на сопряжение PCI (сопряжение ISAсчитается устаревшим).

В топологии Ethernet, используемой в ЛВС, наиболее распространены три среды пере­дачи данных:

- коаксиальные кабели с волновым сопротивлением 50 Ом;

- медный провод «витая пара»;

- оптоволоконный кабель.

При выборе типа кабеля учитываются следующие показатели:

- стоимость монтажа и обслуживания;

- ограничение на длину коммуникаций без дополнительных уси­лителей-повторителей;

- безопасность передачи данных.

Коаксиальные кабели бывают нескольких типов:

- обычный кабель имеет среднюю цену, обеспечивает скорость передачи данных до 10 Мбит/с на расстояние до 1,5 км;

- широкополосный коаксиальный кабель более дорогой, легко на­ращиваем. Обеспечивает скорость обмена до 500 Мбит/с, но не бо­лее чем на 1,5 км без дополнительного усиления сигнала;

- толстый Ethernet-кабель (желтый кабель с 15-контактным включением), дорог, хорошо помехозащищен. Обеспечивает скорость до 500 Мбит/с на расстояние 500 м;

- тонкий Ethernet-кабель более дешев, обеспечивает ско­рость передачи данных 10 Мбит/с на 300 м. Однако мон­тажная длина этого кабеля ограничивается 185 метрами из-за про­блем с заземлением и помехоустойчивостью.

Неэкранированная витая пара (UTP) - самая популярная среда передачи данных для сетей Ethernet в настоящее время. В ней используется недорогой не­дефицитный медный телефонный провод. Она имеет ряд преимуществ по сравнению с другими средами. К этим преимуществам можно от­нести простоту монтажа и проверки, а также использование для со­единений дешевых и надежных разъемов RJ - 45. В отличие от соеди­нения коаксиальным кабелем соединение с одной машиной не зависит от соединения с другими машинами, поэтому неисправность аппара­туры или дефект кабельной системы в одном соединении не влияет на остальную сеть.

Типы кабеля UTP подразделяются на 5 категорий, которые обозначаются как Level-I - Level-V. Ка­бели категорий I и II годятся только для работы в звуковом диапазо­не. Кабель Level-III - стандартный для сетей, работающих на скоро­сти до 10 Мбит/с. Кабель категории IV конкретно ни для какого приложения не предназначен. Иногда его используют в сетях Token Ring. Кабель категории V позволяет обеспечить работу в сетях со скоростью до 100 Мбит/с. Этот кабель служит основой для многих разрабатываемых в настоящее время стандартов на основе витой пары.

Оптоволоконный кабель наиболее дорогой, обеспечивает скорость передачи данных до нескольких Гбайт/с на расстояние до 50 км без повторителя. В локальных сетях оптоволокно используется, когда расстояние между узлами превышает возможности других пере­дающих сред.

Монтаж оптоволокна достаточно сложен. Качество соединения сильно зависит от чистоты наконечников оптических соединителей. Кроме того, глядя на концы висящего или обрезанного оптоволокна, можно обжечь сетчатку глаза, если световод сопряжен с лазером. Поэтому монтаж оптоволоконного кабеля лучше заказывать специа­лизированным фирмам.

Сравнительные характеристики передающих сред локальных сетей приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Основные характеристики различных типов кабелей

Показатели	Среда передачи данных
Коаксиал	Витая пара	Оптоволокно
Цена Наращение Защита от прослушивания	Невысокая Проблематично Хорошая, но легко ответвляется	Невысокая Очень простое Незначительная	Высокая Простое Высокая
Скорость обмена Проблемы с заземлением	До 300 Мбит/с Возможны	10-100 Мбит/с Нет	Гбиты Нет
Восприимчивость к помехам	Существует	Существует	Отсутствует

В компьютерных сетях наиболее распространенным коммуника­ционным оборудованием являются концентраторы, коммутаторы и маршрутизаторы. При этом для сегментации с целью избежания пе­регрузок могут служить только коммутаторыи маршрутизаторы.

Концентратор (по-английски Hub) позволяет присоединить к нему несколько рабочих станций, логически (по адресам) входящих в одну и ту же сеть. Концентраторы могут подключаться каскадом (для увеличения количества подключаемых рабочих станций). Концентратор обеспечивает возможность использова­ния в ЛВС кабеля «витая пара».

Точка подключения компьютера или другого сетевого оборудова­ния к концентратору называется портом. Обычно выпускаются мо­дели с 5, 8, 12, 16, 24, 32 портами, кроме того, многие модели снабжа­ются разъемом BNCдля подключения коаксиала.

Коммутатор (Switch) позволяет увеличить полосу пропускания и уменьшить время задержки обработки информации. С его помощью можно сегментировать локальную сеть на канальном уровне иерархи­ческой модели протокола TCP/IP, т.е. без использования IP-адресации.

Маршрутизатор (router), строго говоря, разбивает логически еди­ную по адресации сеть на подсети. Вообще, маршрутизатор служит либо для соединения сетей с различными протоколами, либо для со­единения сетей TCP/IP с различным пространством адресов. В пос­леднем случае его часто называют шлюзом (Gateway). Аппаратные маршрутизаторы обычно бывают многопротокольными и очень до­роги. В локальных сетях в качестве маршрутизатора можно исполь­зовать не очень мощный компьютер с двумя или более сетевыми кар­тами, что является самым дешевым решением для расширения сети. Кроме того, в случае не очень большой загрузки сегмента компью­тер-маршрутизатор можно использовать для выполнения рабочих функций.

Обычно маршрутизаторы, как аппаратные, так и на основе ком­пьютера, предоставляют дополнительные средства защиты данных и контроля трафика. Тем самым они играют большую роль в управле­нии сетью и выявлении нештатных ситуаций.

Устройства коммутации занимают важное место в системах передачи информации в вычислительных сетях. С помощью устройств коммутации значительно сокра­щается протяженность каналов связи в сетях с несколькими взаимодействующи­ми абонентами: вместо того чтобы прокладывать несколько каналов связи от данно­го абонента ко всем остальным, можно проложить лишь по одному каналу от каждого абонента к общему коммутационному узлу. В связи с этим, если не предъявляются чрезвычайно жесткие требования к оперативности и достоверности передачи дан­ных в вычислительных сетях, используются коммутируемые каналы связи.

Узлы коммутации осуществляют один из трех возможных видов коммутации при передаче данных:

- коммутацию каналов;

- коммутацию сообщений;

- коммутацию пакетов.

Одним из важных элементов информационно-вычислительной сети является повторитель – устройство, обеспечивающее сохранение формы и амплитуды сигнала при передаче его на большее, чем предусмотрено данным типом физической передающей среды, расстояние.

Существуют локальные и дистанционные повторители. Локальные повторители позволяют соединять фрагменты сетей, расположенные на расстоянии до 50 м, а дистанционные – до 2000 м.

Подключение отдельного компьютера или локальной сети в глобальную информационную сеть возможно только с помощью устройства, называемого модем.

Модем – это устройство прямого (модулятор) и обратного (демодулятор) преобразования сигнала к виду, принятому для использования в определенном канале связи.

Модемы можно разделить на аналоговые и цифровые.

Аналоговые модемы –это самые распространенные на сегодняшний день модемы. Первые модемы предназначались для выполнения следующих функций:

- при передаче – для преобразования широкополосных импульсов (цифрового кода) в узкополосные аналоговые сигналы;

- при приеме – для фильтрации принятого сигнала от помех и детектирования, то есть обратного преобразования узкополосного аналогового сигнала в цифровой код.

В современных модемах используются чаще всего три вида модуляции:

- частотная – FSK (Frequence Shift Keying);

- фазовая – PSK (Phase Shift Keying);

- квадратурная амплитудная — QAM (Quadrature Amplitude Modulation).

При частотной модуляции в соответствии с текущими значениями модулирующе­го сигнала (передаваемых данных) изменяется частота физического сигнала (обыч­но синусоидального) при неизменной его амплитуде. В простейшем случае значе­ниям 1 и 0 бит данных соответствуют два значения частот, например 980 и 1180 Гц, как было принято в одном из первых протоколов V.21 передачи данных. Частот­ная модуляция весьма помехоустойчива, ибо при передаче искажается обычно лишь амплитуда сигнала.

При фазовой модуляции модулируемым параметром является фаза сигнала при неизменных частоте и амплитуде; помехоустойчивость фазомодулированного сиг­нала также высокая.

При чистой амплитудной модуляции сигнала его защищенность от помех крайне низкая, поэтому применяют более помехоустойчивую, но и более сложную квад­ратурную амплитудную модуляцию, при которой в такт передаваемым данным изменяются одновременно и фаза, и амплитуда сигнала.

Передача данных и их преобразования в модемах выполняются в соответствии с принятыми протоколами. Протокол передачи данных –это совокупность правил, регламентирующих фор­мат данных и процедуры их передачи в канале связи. В протоколе, в частности, может подробно указываться, как представить данные, какой способ модуляции данных избрать с целью ускорения и защищенности их передачи, как выполнить соединение с каналом, преодолеть действующие в канале шумы и обеспечить дос­товерность передачи данных.

Официальным законодателем в области протоколов передачи данных для моде­мов является МККТТ — Международный консультативный комитет по телегра­фии и телефонии (часто встречается в литературе его французская аббревиатура CCITT). Этот Комитет недавно переименован в Международный институт теле­коммуникаций (ITU — International Telecommunication Union).

Практически все модемные стандарты передачи данных установлены этой орга­низацией; некоторые характеристики важнейших из них приведены в таблице 2.

Многие модемы кроме обеспечения процедур передачи информации выполняют и ряд других весьма полезных в системах телекоммуникаций функций, таких как:

- «оцифровка» голоса и обратная операция восстановления оцифрованного го­лоса (voice-модемы);

- прием и передача факсимильных сообщений (факс-модемы);

- автоматическое определение номера вызывающего абонента (АОН);

- функции автоответчика и электронного секретаря и т. д.

Таблица 2 – Протоколы передачи данных по телефонным каналам связи

Год появления
Код протокола МККТТ (ITU)	V.21	V.22	V.22 bis	V.32	V.32 bis	V.34	V.34 bis	V.90
Максимальная скорость передачи, бит/с, симв/с	300 47	1200 141	2400 282	9600 1129	14400 1694	28800 3388	33600 3952	56000 6437
Вид модуляции	FSK	PSK	QAM	QAM	QAM	QAM	QAM	QAM

Поэтому современный модем кроме устройств модуляции и демодуляции (а иног­да и вместо них) содержит специализированный микропроцессор, управляющий работой модема, оперативную и постоянную память, элементы звуковой и свето­вой сигнализации о режимах работы модема и характеристиках используемого канала связи.

Современные модемы бывают двух классов.

Class 1 предполагает выполнение основной работы по приему и передаче сообще­ний компьютером с программой поддержки факсимильной связи. Модемы этого класса часто называются программными (software) модемами. Программные мо­демы бывают на шине PCI, а поскольку они работают только под управлением Windows, их называют также Win-модемами. В программных модемах часть их функций реализована не в виде микросхем, а заменена программой, которая вы­полняется центральным процессором ПК. По некоторым (непроверенным) сведениям Win-модемы хуже работают на плохих телефонных линиях: возможностей настройки у них мень­ше, чем у аппаратных модемов, и чаще происходит обрыв связи.

Class 2 реализует все процедуры передачи и приема факсов средствами самого модема. Модемы этого клас­са часто называются аппаратными (hardware) модемами. Аппаратные модемы бы­вают на шине ISA и на шине PCI. PCI-модемы ввиду отсутствия логического СОМ-порта работают хорошо только под Windows, а для работы в DOS, Linix и т. д. требуют специальных драйверов. ISA-модемы, еще недавно доминировавшие на рынке, сдают свои позиции ввиду отсутствия шины ISA на последних моделях материнских плат. Достоинство Hard-модемов в том, что они просты в настройке, не занимают внутренних ресурсов ПК и хорошо держат плохие телефонные ли­нии.

Существует еще два типа модемов — AMR- и CNR-модемы. Ультрасовременные AMR (Audio and Modem Riser Card) и CNR (Communication and Networking Riser Card) могут работать только с новейшими Intel-чипсетами и с тональными номеронабирателями.

Модемы различаются также:

- конструкцией – автономные и встраиваемые в аппаратуру;

- интерфейсом с каналом связи – контактные и бесконтактные;

- назначением – модемы, факсмодемы;

- скоростью передачи данных, бит/с (300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 12000, 14400, 16800, 19200, 28800, 33600, 56000).

Цифровые модемы еще называют сетевыми адаптерами. Входной и выходной сигналы в таких модемах импульсные.

Цифровые модемы выпускают для работы в конкретных цифровых технологиях: ISDN, HDSL, ADSL, SDSL и т.д.