Авербах В.С. Учебное пособие-Введение в вычислительные сети

Подождите немного. Документ загружается.

4.СРЕДА ПЕРЕДАЧИ ДАНННЫХ В ВС

4.1.Классификация сред передачи данных

Физическая среда, в которой происходит передача информации, называется

средой передачи данных. Можно выделить две основных среды передачи данных

(рис. 8):

проводную (с применением кабелей),

беспроводную (без применения кабелей).

Рис. 8. Среды передачи данных.

К беспроводным средам передачи данных относятся:

Инфракрасные лучи (соединение компьютеров с помощью инфракрасных

портов).

Радиоволны (передача данных между компьютерами с использованием

радиоэфира).

Инфракрасная связь действует только в зоне прямой видимости

(инфракрасные лучи не могут проникать сквозь стены). На ее основе может быть

организована лишь небольшая (часто - временная) сеть внутри одного помещения.

Такая сеть, помимо всего прочего, будет работать на довольно низких скоростях.

Использование для компьютерной связи радиоволн сейчас является перспективным

su - домен верхнего уровня

(страна); kiae - домен

организации (Курчатовскмй

институт); net - отдел; polyn -

отдельный пользователь.

и быстро развивающимся направлением. Более подробно беспроводные сети будут

рассмотрены ниже.

4.2.Кабельные каналы связи

Основными проводными средами передачи данных являются медь и

стекловолокно. На их основе изготавливаются различные типы кабелей. Медную

среду передачи данных используют такие типы кабелей как коаксиальный кабель и

"витые пары" различных категорий

Кабельные каналы для целей телекоммуникаций исторически использовались

первыми. И сегодня по суммарной длине они превосходят даже спутниковые

каналы. В настоящее время в локальных вычислительных сетях применяется три

вида кабелей:

коаксиальный (двух типов):- тонкий коаксиальный кабель (thin coaxial cable);

толстый коаксиальный кабель (thick coaxial cable);

витая пара (двух основных типов):

неэкранированная витая пара (unshielded twisted pair - UTP);

- экранированная витая пара (shielded twisted pair - STP);

волоконно-оптический кабель (двух типов):

многомодовый кабель (fiber optic cable multimode);

одномодовый кабель (fiber optic cable single mode).

За последние двадцать лет пропускная способность каналов выросла с 56

кбит/c до 1 Гбит/с. Разработаны технологии, способные работать на оптических

кабелях со скоростью 50 Тбит/с. Вероятность ошибки при этом сократилась с 10

-5

на

бит до пренебрежимо низкого уровня. Современный же лимит в несколько Гбит/с

связан главным образом с ограничением по быстродействию преобразователей

электрических сигналов в оптические. Сегодня практически все сети проектируются

на базе UTP и волоконно-оптических кабелей, коаксиальный кабель применяют

лишь в исключительных случаях и то, как правило, при организации

низкоскоростных стеков в монтажных шкафах. Поэтому наиболее подробно

рассмотрим витую пару и волоконно-оптические кабели.

su - домен верхнего уровня

(страна); kiae - домен

организации (Курчатовскмй

институт); net - отдел; polyn -

отдельный пользователь.

4.3.Кабель витая пара

Кабель витая пара получил свое название из-за использования в качестве

среды передачи данных одной, двух или четырех пар скрученных медных

проводников. Скрученность позволяет гасить помехи, создаваемые в каждом из

проводников. Существует две основных разновидности витой пары -

неэкранированная (UTP) и экранированная (STP). Неэкранированная витая пара, в

свою очередь, подразделяется на несколько категорий. Отличие между UTP и STP в

том, что кабель экранированной «витой пары» покрыт защитным экраном.

Неэкранированная витая пара. Сети на основе неэкранированной витой

пары имеют пропускную способность от 10 Мбит/с до 1 Гбит/с ) в зависимости от

категории используемого кабеля, максимальную длину сегмента сети 100 м (сигнал,

передаваемый по неэкранированной «витой паре», довольно быстро затухает),

рекомендуемое число узлов в сети - 75 (максимально по спецификации - 1024, в

реальности - сильно зависит от трафика). Понятие "сегмент сети" связано с

максимальной длиной кабеля, при превышении которой уже требуется усиление

передаваемых сигналов. Сам кабель сильно подвержен электромагнитным помехам,

данные, передаваемые с его помощью, несложно перехватить. Однако UTP имеет

невысокую стоимость, при хороших технических характеристиках UTP недороги,

удобны при монтаже, их не надо заземлять. Всё это обусловливает большую

популярность сетей на основе неэкранированной витой пары в офисных сетях, где

отсутствуют электромагнитные помехи.

Кабели в сети должны удовлетворять определённым индустриальным

стандартам. Это нужно для обеспечения совместной работоспособности устройств

разных производителей. Неэкранированная витая пара UTP делится на несколько

категорий:

UTP 1; 2; 3 категории – уже устаревшие стандарты;

UTP 4 категории – электрические характеристикм этого кабеля лежат в

диапазоне до 20 МГц. Сегодня этот кабель устарел и применяется крайне редко;

UTP 5 категории - его электрические характеристикм лежат в диапазоне до

100МГц. Это наиболее широко применимый стандарт;

su - домен верхнего уровня

(страна); kiae - домен

организации (Курчатовскмй

институт); net - отдел; polyn -

отдельный пользователь.

UTP 6 категории – характеристики определены до частоты 200МГц;

UTP 7 категории – характеристики определены до частоты 600МГц.

Для присоединения кабелей UTP к сетевому адаптеру и к розеткам

используются специальные коннекторы RJ-45. При этом применяются специальные

обжимные инструмены. Кабели UTP выпускаются в четырёхпарном исполнении.

Каждый проводник имеет определённый цвет и шаг скрутки. Не во всех кабелях для

передачи данных используются все линии. Не рекомендуется восстанавливать

повреждённые UTP или STP кабели, повреждённый кабель следует заменить новым.

Экранированная витая пара STP. Эти кабели различаются по материалу

экрана:

STP - экранирование медной оплеткой;

FTP - экранирование фольгой;

SFTP - экранирование медной оплеткой и фольгой.

Эти кабели имеют хорошие технические характеристики, но дороги, из-за

жёсткости неудобны в работе, требуют заземления. Используются в условиях,

требующих защиты кабельных коммуникаций от помех. В зависимости от

характеристик делятся на типы:

type 1; type2;type 3;type 5;type 9.

Начиная с type 5, кабели имеют скоростные характеристики, аналогичные

характеристикам волоконно - оптических кабелей. Сети на основе экранированной

"витой пары" имеют более высокую скорость передачи (теоретически: до 500 Мбит/

с на расстояние 100 м), максимальную длинную сегмента сети 100 м (сигнал,

передаваемый по STP и UTP затухает одинаково быстро), максимальное число узлов

по спецификации - 270, а за счет наличия экрана такие сети в значительно меньшей

степени подвержены электромагнитным помехам. Данные, передаваемые

посредством экранированной витой пары перехватить сложнее. В тоже время

экранированная витая пара имеет большую стоимость и более трудную прокладку,

чем неэкранированная.

Неэкранированная витая пара, и особенно 5 категории, сейчас доминирует в

ЛВС. Это связано с резким улучшением его характеристик в последнее десятилетие.

su - домен верхнего уровня

(страна); kiae - домен

организации (Курчатовскмй

институт); net - отдел; polyn -

отдельный пользователь.

Например, скорость передачи витой пары UTP 5 категории при применении

стандарта Gigabit Ethernet составляет 1000 Мбит/с при ограниченном сегменте (до

25 м.).

4.4.Волоконно-оптические кабели

Особенности волоконно-оптических кабелей:

по оптической линии связи можно передавать луч света, являющийся

источником сигнала, со скоростью порядка 1Тбит/с. По одному волокну можно

передать одновременно 10 миллионов телефонных разговоров и миллион

видеосигналов;

имеют очень малое затухание светового сигнала в волокне;

волокно изготавливается из недорогого материала – кварца.

оптические волокна очень компактны и легки, имеют диаметр около 100 мкм.

Для изготовления применяется особо прочный пластик, на кабельных заводах

изготавливают самонесущие подвесные кабели, не содержащие металла и тем

самым безопасные в электрическом отношении;

системы связи на основе оптических волокон устойчивы к электромагнитным

помехам, а передаваемая по световодам информация защищена от

несанкционированного доступа. Важное свойство оптического волокна -

долговечность.

Минусы:

из-за точности соединений необходимы дорогостоящие компоненты;

для монтажа оптических волокон требуется прецизионное, а потому дорогое

технологическое оборудование. Как следствие, при аварии (обрыве) оптического

кабеля затраты на восстановление выше, чем при работе с медными кабелями.

Кабель также подвержен влиянию различных климатических условий

На основе оптоволокна изготавливаются многомодовые и одномодовые

волоконно-оптические кабели, различающиеся по траектории прохождения

световых лучей.

В одномодовом кабеле все лучи проходят практически один и тот же путь и

одновременно достигают приемника. В многомодовом кабеле траектории лучей

su - домен верхнего уровня

(страна); kiae - домен

организации (Курчатовскмй

институт); net - отдел; polyn -

отдельный пользователь.

имеют существенный разброс, что приводит к искажению информации при передаче

на большие расстояния. Соответственно, сети на одномодовых кабелях имеют

большую пропускную способность и максимальную длину сегмента. В то же время

они отличаются более высокой стоимостью по сравнению с многомодовыми. На

рис.9 представлены типы световодов. на рисунке введены обозначения: n1 -

материал волокна, n2 – среда передачи светового луча.

Рис.9. Типы световодов: а)одномодовое волокно, б)многомодовое волокно

В одномодовом волокне диаметр световодной жилы порядка 8-10 мкм, то есть

сравним с длиной световой волны. При такой геометрии в волокне может

распространяться только один луч (одна мода). В многомодовом волокне размер

световодной жилы порядка 50-60 мкм, что делает возможным распространение

большого числа лучей (много мод).

В настоящее время использование оптоволокна становится все более

популярным, в том числе, вследствие снижения его стоимости. Сети, построенные

на основе оптоволокна, имеют чрезвычайно высокую практическую скорость

передачи (от 100 Мбит/с до 2 Гбит/с и более), не подвержены действию

электромагнитных помех, а сигнал, передаваемый по оптоволокну, имеет низкое

затухание, что позволяет прокладывать его на значительные расстояния,

измеряемые километрами. Оптоволокно не дает утечки сигнала, что делает его

надежным в плане перехвата информации. Вместе с тем, как сам кабель, так и

оборудование к нему и работы по его прокладке отличаются существенно большей

su - домен верхнего уровня

(страна); kiae - домен

организации (Курчатовскмй

институт); net - отдел; polyn -

отдельный пользователь.

стоимостью по сравнению с медными средами передачи данных. Изображение

волоконно-оптического кабеля приведено на рис.10.

Рис.10. Волоконно-оптические кабели

Длина сегмента для разных передающих сред приведена в табл.1

Таблица 1

Тип кабеля Длина сегмента

Витая пара 100 м

Тонкий коаксиальный 185 м

Толстый коаксиальный 500

Оптоволоконный одномодовый

кабель

2000 м (с применением специальных

средств до 40 - 90 км)

Оптоволоконный многомодовый

кабель

1000 м

4.5.Основные характеристики кабелей

Помимо разделения на типы и категории, каждый кабель имеет определённые

характеристики. Рассмотрим их. Выше мы уже оперировали характеристикой

скорости передачи.

Скорость передачи данных. Это фактическая скорость потока данных,

прошедшего через сеть. Измеряется в бит/с.

su - домен верхнего уровня

(страна); kiae - домен

организации (Курчатовскмй

институт); net - отдел; polyn -

отдельный пользователь.

Пропускная способность. Это максимально возможная скорость передачи,

измеряется также в бит/с. Поскольку бит/с – очень малая величина для оценки

пропускной способности, на практике применяют Мбит/с.

Качество передачи данных. Определяется параметром Bit Error Rate, или,

сокращённо, BER – количество ошибок на бит. На современных линиях связи этот

параметр довольно низок – от 10

-4

до 10

–9

Полоса пропускания. Определяет непрерывный диапазон частот

синусоидального сигнала, при которых этот сигнал передаётся по кабелю без

значительных искажений. Между пропускной способностью и полосой пропускания

существует определённая зависимость. Есть несколько формул, определяющих эту

зависимость, например, формула Шеннона:

C=F*log

(1 + SNR),

где:

C – максимальная пропускная способность, бит/с;

F – ширина полосы пропускания линии, Гц;

SNR – соотношение сигнал/шум, дБ.

Из формулы видно, что для повышения пропускной способности линии

следует увеличивать ширину полосы пропускания либо снижать уровень шума, что

технически трудно осуществить. Есть ряд характеристик кабелей, связанных с

потерями в линии. Основные из них приведены ниже.

Затухание (Attenuation). Это относительное уменьшение амплитуды сигнала

или его мощности при передаче линии сигнала определённой частоты. Измеряется в

децибелах на метр. По причине затухания сигнала длина линий ограничена и строго

оговаривается в стандартах локальных сетей.

Волновое сопротивление. Это полное сопротивление сети, его также

называют импедансом. Единица измерения – Ом. Это постоянная для определённого

кабеля величина. Для UTP 5 категории импеданс равен 100 Ом. Изменение

волнового сопротивления может быть связано с некачественной заделкой кабеля,

низким качеством разъёма и др.

su - домен верхнего уровня

(страна); kiae - домен

организации (Курчатовскмй

институт); net - отдел; polyn -

отдельный пользователь.

Активное сопротивление. Это сопротивление постоянному току. Активное

сопротивление зависит от длины и сечения кабеля.

В сети также существуют помехи: электрический шум, перекрёстные наводки

на ближнем конце (NEXT), возвратные потери. Эти факторы искажают сигнал,

специалисты применяют для борьбы с помехами специальные методы защиты.

su - домен верхнего уровня

(страна); kiae - домен

организации (Курчатовскмй

институт); net - отдел; polyn -

отдельный пользователь.

5. МЕТОДЫ КОММУТАЦИИ В ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ

5.1.Понятие коммутации

Комплекс технических решений обобщенной задачи коммутации в

совокупности составляет базис любой сетевой технологии. От того, какой механизм

прокладки маршрутов, продвижения данных и совместного использования каналов

связи заложен в той или иной сетевой технологии, зависят ее фундаментальные

свойства. Среди множества возможных подходов к решению задачи коммутации

абонентов в сетях выделяют два основополагающих:

коммутация каналов (circuit switching);

коммутация пакетов (packet switching).

Коммутируемой транспортной сетью назывался сеть, в которой между двумя

(или более) конечными пунктами устанавливается связь по запросу. Примерами таких

сетей являются коммутируемая телефонная сеть и коммутируемые вычислительные

сети. Сети с коммутацией каналов имеют более богатую историю, они произошли от

первых телефонных сетей. Сети с коммутацией пакетов сравнительно молоды, они

появились в конце 60-х годов как результат экспериментов с первыми глобальными

компьютерными сетями. Каждая из этих схем имеет свои достоинства и недостатки,

но по долгосрочным прогнозам многих специалистов, будущее принадлежит

технологии коммутации пакетов, как более гибкой и универсальной.

5.2.Коммутация каналов

При коммутации каналов (цепей) между связываемыми конечными пунктами

на протяжении всего временного интервала соединения обеспечивается обмен в

реальном масштабе времени, причем биты передаются с неизменной скоростью по

каналу с постоянной полосой пропускания. Между абонентами устанавливается

сквозной канал связи до начала передачи информации. Этот канал формируется из

отдельных участков с одинаковой пропускной способностью. Прохождение

отдельного сигнала вызова обеспечивается с помощью последовательного

включения нескольких коммутационных устройств. Каждое устройство резервирует

за собой физическое соединение между одним входящим и одним исходящим

каналами. Если при установлении сквозного канала связи занята вызываемая

su - домен верхнего уровня

(страна); kiae - домен

организации (Курчатовскмй

институт); net - отдел; polyn -

отдельный пользователь.