Будакова Е.А. Учебное пособие Современные информационные технологии
Подождите немного. Документ загружается.
31
Рисунок 8 - Топология «двойное кольцо» и обход поврежденного участка сети
Рисунок 9 - Обход мест повреждения сети
4 Архитектура Arcnet
Общая характеристика архитектуры Arcnet следующая:
- информационный блок - кадр;
- размер кадра - до 514 байт + 6 бит поля предупреждения;
- среда передачи - неэкранированная витая пара, коаксиальный кабель
(RG-62, разъемы BNC), волоконно-оптический кабель;
- доступ к среде передачи - маркерная шина;
- скорость передачи данных - 2,5 Мбит/с (20 Мбит/с для ArcnetPlus);
- физическая топология - «шина», «звезда»;
- логическая топология - «кольцо»;
- размеры сетей - до 6400 м при использовании активных концентраторов.
Архитектура Arcnet определяет сеть без конкуренции, в которой каждый
узел по очереди получает право на передачу в соответствии с адресом своего
сетевого адаптера (устанавливается с помощью 8-разрядного DIP-
переключателя). Схема взаимодействия узлов сети показана на рисунок 10.
32
Рисунок 10 - Взаимодействие узлов в сети Arcnet
Каждый адаптер знает свой сетевой адрес (SID) и адрес узла, которому он
передает маркер (NID). Узел с самым старшим адресом (SID=210) замыкает
логическое кольцо, передавая маркер узлу с самым младшим адресом (SID=12).
2.1.2 Физическая среда передачи данных. Методы доступа к
физической среде передачи данных. Стандартные архитектуры
вычислительных сетей
Топологии вычислительных сетей
1 Топология «шина»
Топология «шина» (bus) - локальная сеть (рисунок 11), в которой связь
между любыми двумя станциями устанавливается через один общий канал
(общая шина) и данные, передаваемые любой станцией, одновременно
становятся доступными для всех других станций, подключенных к этой же
среде передачи данных (последнее свойство называют широко-
вещательностью).
Рисунок 11 - Топология «шина»
2 Топология «кольцо»
Топология «кольцо» (ring) - локальная сеть (рисунок 12), в которой все узлы
связаны кольцевой линией передачи данных (к каждому узлу подходят только
две линии), которая всегда замкнута. Из-за этого сигналы в сети всегда
передаются в одном направлении
33
Рисунок 12 - Топология «кольцо»
3 Топология «звезда»
Топология «звезда» (star) - локальная сеть (рисунок 13), в которой все узлы
подключены к одному устройству - концентратору (HUB). Локальные сети с
топологией «звезда» наиболее надежные, поскольку каждый узел имеет
выделенный канал, при этом выход из строя рабочей станции не влияет на
работу сети.
Рисунок 13 - Топология «звезда»
4 Смешанные и логические топологии
Наиболее распространенные сети Ethernet применяют как топологию
«шина», так и топологию «звезда». Сети Token Ring и FDDI используют
топологию «кольцо».
В современных сетевых технологиях известны и применяются другие
топологии. В первую очередь следует отметить смешанные топологии,
образованные из комбинаций трех базовых топологий.
В целом выбор топологии вычислительной сети существенно сказывается на
ее стоимости и рабочих характеристиках. Поэтому выбор топологии является
одним из первых и главных этапов проектирования вычислительной сети,
учитывающим характер решаемых задач, количество узлов проектируемой
сети, их территориальное расположение, финансовые затраты, возможность
расширения сети и др.
В таблице 2 приведена краткая характеристика базовых топологий вы-
числительных сетей.
34
Таблица 2 - Характеристика базовых топологий вычислительных сетей
Топология Преимущества Недостатки
Шина Простота монтажа и
надежность. Возможность
расширения без нарушения
работы сети. Экономный расход
сетевого кабеля и общая низкая
стоимость.
Низкая пропускная способность
при большом количестве узлов
и увеличении сетевого трафика.
Нарушение работы при
дефектах центрального канала.
Кольцо Возможность создания сетей на
больших расстояниях. Все узлы
имеют равный доступ к среде
передачи данных.
Нарушение работы одного узла
блокирует работу сети. Высокая
стоимость, необходимость
установки на одном узле двух
сетевых интерфейсов.
Расширение сети
сопровождается ее временной
остановкой.
Звезда Неисправность узла не влияет
на работоспособность сети.
Высокая надежность. Легкость
модификации и расширения.
Возможность
централизованного контроля и
управления
Выход из строя центрального
узла выводит из строя всю сеть.
Увеличение затрат, связанных с
расходом сетевого кабеля и
установкой концентратора.
Физическая среда передачи данных
Средой передачи информации называется канал связи, установленный
между сетевыми компьютерами.
1 Витая пара
Этот вид кабеля применяется для монтажа простейших и наименее
затратных локальных сетей, причем расстояние между соседними
компьютерами в данном случае редко превышает 100 м. Кабель этого вида,
обычно включает две (или четыре) пары витых проводов (рисунок 14). В кабеле
экранированной витой пары каждая пара витых проводов заключается в
металлический экран.
Благодаря этому уменьшается влияние внешних помех, а
также исключаются внутренние наводки, возникающие в процессе передачи
сигналов в локальной сети. Наибольшее распространение получили UTP-
кабели.
35
Рисунок 14 - Кабель витой пары
В соответствии с общепринятыми стандартами, выделяют пять категорий
UTP- ка белей.
- Категория 1. Обычный телефонный кабель (отсутствует скрутка между
проводами), пригодный лишь для передачи речи, а не компьютерных данных.
- Категория 2. Витые пары, предназначенные для передачи сигналов,
частота которых не превышает 1 МГц.
- Категория 3. Этот кабель предназначается
для передачи сигналов,
полоса частот которых не превышает 16 МГц.
- Категория 4. Кабель предназначен для передачи сигналов в диапазоне
частот до 20 МГц.
- Категория 5. Этот кабель в настоящее время является наилучшим по
совокупности всех электрических параметров и может применяться для
передачи сигналов, максимальная частота которых не превышает 100 МГц.
2 Каоксиальный кабель
Электрический кабель, состоящий из центральной жилы и металлической
оплетки, разделенных слоем диэлектрика и помещенных в общую
изоляционную оболочку, называется коаксиальным кабелем (рисунок 15)
Рисунок 15 - Устройство коаксиального кабеля
Сравнительно недавно коаксиальный кабель был широко
распространенным в силу присущих ему положительных качеств. Высокая
степень помехозащищенности (благодаря наличию металлической оплетки),
высокая скорость передачи данных (до 500 Мбит/с) и низкий уровень
электромагнитных помех совершенно справедливо принесли ему лавры
чемпиона среди кабелей локальных сетей. Однако повышенная стоимость
коаксиального
кабеля и усложненный монтаж сетей на его основе привели к
тому, что на первое место вышел кабель витой пары. Область применения
коаксиального кабеля сети с шинной и звездообразной топологией.
36
3 Оптико - волоконный кабель
В оптоволоконных кабелях передача информации осуществляется с
помощью светового луча. Структура кабеля этого типа (рисунок 16)
напоминает структуру коаксиального кабеля, за исключением небольших
отличий. Вместо центральной медной жилы применяется тонкое стекловолокно
(диаметр —10 мкм), внутренняя изоляция заменена стеклянной (или
пластиковой) оболочкой, коэффициент преломления которой значительно
меньше, чем коэффициент преломления
центрального стекловолокна.
Рисунок 16 - Оптоволоконный кабель
Благодаря явлению отражения света от границы сред с различным
преломлением световой луч может распространяться на значительные
расстояния с минимальным затуханием.
Оптоволоконный кабель обеспечивает высочайшую степень
помехозащищенности и секретности, а также громадную полосу пропускания
(до 10
12
ГГц). К недостаткам этого типа кабеля относят высокую сложность
монтажа (особенно затруднено присоединение разъемов), а также меньшую
механическую прочность и гибкость.
Различают два типа оптоволоконных кабелей:
• многомодовый;
• одномодовый.
Основное различие между ними заключается в разном режиме передачи
световых лучей.
4 Инфракрасные сети
Благодаря применению инфракрасных каналов передачи информации
обеспечивается нечувствительность к электромагнитным помехам. Предельная
скорость передачи информации достигает 5-10 Мбит/с.
5 Радиоэфир
В этом случае информация передается по радиоканалу, причем дальность
связи может составлять несколько сотен километров, а величина скорости
передачи данных может достигать десятки Мбит/с. Основная область
применения радиоканала — организация связи в глобальных сетях. В
локальных сетях радиоканал применяется значительно реже в силу низкой
помехозащищенности, полного отсутствия секретности, а
также невысокой
надежности связи.
Методы доступа к физической среде передачи данных
Метод доступа - это некий регламент работы, совокупность правил по
которым узлы могут иметь доступ к общему ресурсу.
37
К детерминированному методу относятся:
1 Метод опроса. Используется чаще всего в звездообразных сетях так, как
он базируется на наличии центрального узла сети. При этом методе узел сети
получает доступ по следующему правилу:
- все узлы сети могут осуществить передачу информации, когда получат
разрешение от центрального узла;
- центральный узел последовательно опрашивает каждый периферийный
узел на наличие у него информации для передачи;
- если у определенного узла есть информация для передачи, он извещает
об этом центральный узел;
- в ответ на заявку передатчика центральный узел предоставляет
монопольное право на использование среды передачи. По завершении передачи
возобновляется опрос передающих устройств.
2 Метод передачи права. Как правило, используется в сетях с кольцевой
топологией так, как в сети перемещается только один маркер. Этот метод
основан на последовательной циркуляции в сети специального пакета,
называемого маркером, который регламентирует право передачи по сети.
Маркер имеет два состояния свободное и занятое и циркулирует от узла к узлу,
поэтому иногда такие сети называют логическим кольцом.
Порядок передачи данных с помощью маркера:
- станция желающая передать данные ожидает свободного маркера, при
получении которого устанавливает признак его занятости, после чего добавляет
к маркеру пакет данных. Максимальная длина 2 Кбайта. Этот пакет содержит
сетевой адрес получателя, сетевой адрес отправителя, сами данные. И
отправляет переконфигурированный маркер в линию;
- маркер плюс пакет последовательно передается от узла к узлу. При этом
каждый узел осуществляет проверку адресов пакета. Пакет, адресованный
другому узлу, отправляется дальше;
- принимающий узел распознает пакет, если он может принимать его, то
устанавливает специальный бит подтверждения приема и отправляет
отправителю по остающемуся пути кольца;
- после то, как отправитель получит маркер обратно, он освобождает его и
отправляет в сеть.
3 Метод кольцевых слотов (метод сегментирования кольца). Этот метод
используется только в кольцевой топологии. В отличии от метода передачи
права осуществляет одновременную передачу информации по сети более чем
одному сегменту. При этом методе в место одного маркера по сети
циркулирует некоторое количество слотов (обычно от 2 до 8), и имеет
фиксированную длину. К одному такому маркеру можно присоединить
ограниченное количество информации (от 8 до 32 байт). Каждый слот имеет
два состояния свободно и занято.
Алгоритм функционирования такого маркера:
- узел, желающий передать информацию разделяет ее на пакеты, с длиной
соответствующей длине, которые может принять слот;
38
- узел нагружает пакет в каждый свободный слот до тех пор, пока не
передаст всю информацию. Каждый занятый слот содержит адрес получателя и
отправителя, а так же признак завершения или продолжения передачи;
- принимающий узел распознает «свой» слоты, копирует к себе
содержащую в них информацию и отмечает факт приема установкой
специального бита в слоте. Так определяет до тех пор, пока не придет слот с
признаком завершения информации;
- обработанный слот возвращается передающему его узлу, который
освобождает его, делая доступным для других узлов сети.
Достоинство этого метода в том, что узел не дождавшись возвращения
отправленного маркера (слота) для его освобождения может предавать
следующую порцию информации.
Недетерминированный метод. Он еще называется случайным методом
доступа, множественный метод доступа с контролем несущей и обнаружением
коллизии (МДКН/ОК). При данной системе передачи данных канал
захватывается в произвольный момент времени, если две или более системы
одновременно передают данные в канал, то за счет интерференции сигнала
данные искажаются и подлежат повторной передаче.
Порядок передачи:
- узел, желающий передать информацию прослушивает среду передачи
(дожидаясь освобождения, если она занята) т. е прослушивается чужая несущая
– это и есть контроль несущей;
- дождавшись освобождения канала, узел передает свои информационный
пакет (в нем содержится адрес получателя и отправителя) продолжая
одновременно с передачей прослушивание передающей среды своим
приемником;
- если приемник слышит только свои собственный пакет, процесс
передачи считается нормально завершенным;
- все другие узлы сети одновременно получают отправленный пакет, но
принимает его только тот узел, которому он адресован. После этого с помощью
другого специального пакета получатель извещает отправителя о приеме
пакета;
- если приемник начинает слышать, не только свой собственны пакет, но и
чей, то чужой, он воспринимает это как коллизию передачи. Все станции при
этом слышат шум, происходит разрыв связи и обе станции прекращают
передачу и прием. Точно так же прекращает передачу и тот узел, который
пытался передавать;
- узлы, участвующие в коллизии выдерживают технологическую паузу и
пытаются повторно передать сообщения до тех пор, пока не пройдет успешная
передача.
39
2.1.3 Межсетевые аппаратные средства
Устройства объединения сетей обеспечивают связь между сегментами
сетей передачи данных. Существуют шесть основных типов устройств
объединения сетей: сетевые адаптеры, повторители (концентраторы), мосты,
коммутаторы, маршрутизаторы и шлюзы.
Сетевые адаптеры
Сетевые адаптеры (они же контроллеры, карты, платы, интерфейсы,
NIC – Network Interface Card) – это основная часть аппаратуры локальной сети.
Назначение сетевого адаптера – сопряжение компьютера (или другого
абонента) с сетью, то есть обеспечение обмена информацией между
компьютером и каналом связи в соответствии с принятыми правилами обмена.
Именно они реализуют функции двух нижних уровней модели OSI. Как
правило, сетевые адаптеры выполняются в виде платы (рисунок 17),
вставляемой в слоты расширения системной магистрали (шины) компьютера
(чаще всего PCI, ISA или PC-Card). Плата сетевого адаптера
обычно имеет
также один или несколько внешних разъемов для подключения к ней кабеля
сети.
Рисунок 17 - Плата сетевого адаптера
Функции сетевого адаптера делятся на магистральные и сетевые. К
магистральным относятся те функции, которые осуществляют взаимодействие
адаптера с магистралью (системной шиной) компьютера (то есть опознание
своего магистрального адреса, пересылка данных в компьютер и из
компьютера, выработка сигнала прерывания процессора и т.д.). Сетевые
функции обеспечивают
общение адаптера с сетью.
К основным сетевым функциям адаптеров относятся:
− гальваническая развязка компьютера и кабеля локальной сети (для
этого обычно используется передача сигналов через импульсные
трансформаторы);
− преобразование логических сигналов в сетевые (электрические или
световые) и обратно;
− кодирование и декодирование сетевых сигналов, то есть прямое и
обратное преобразование
сетевых кодов передачи информации (например,
манчестерский код);
− опознание принимаемых пакетов (выбор из всех приходящих пакетов
тех, которые адресованы данному абоненту или всем абонентам сети
одновременно);
40
− преобразование параллельного кода в последовательный при передаче и
обратное преобразование при приеме;
− буферизация передаваемой и принимаемой информации в буферной
памяти адаптера;
− организация доступа к сети в соответствии с принятым методом
управления обменом;
− подсчет контрольной суммы пакетов при передаче и приеме.
Типичный алгоритм взаимодействия компьютера с сетевым адаптером
выглядит следующим образом.
Если компьютер хочет передать пакет, то он сначала формирует этот пакет
в своей памяти, затем пересылает его в буферную память сетевого адаптера и
дает команду адаптеру на передачу. Адаптер анализирует текущее состояние
сети и при первой же возможности выдает пакет в сеть (выполняет управление
доступом к сети).
При этом он производит преобразование информации из
буферной памяти в последовательный вид для побитной передачи по сети,
подсчитывает контрольную сумму, кодирует биты пакета в сетевой код и через
узел гальванической развязки выдает пакет в кабель сети.
Буферная память в данном случае позволяет освободить компьютер от
контроля состояния сети, а также обеспечить
требуемый для сети темп выдачи
информации.
Если по сети приходит пакет, то сетевой адаптер через узел
гальванической развязки принимает биты пакета, производит их декодирование
из сетевого кода и сравнивает сетевой адрес приемника из пакета со своим
собственным адресом. Адрес сетевого адаптера, как правило, устанавливается
производителем адаптера. Если адрес совпадает, то
сетевой адаптер
записывает пришедший пакет в свою буферную память и сообщает компьютеру
(обычно – сигналом аппаратного прерывания) о том, что пришел пакет и его
надо читать. Одновременно с записью пакета производится подсчет
контрольной суммы, что позволяет к концу приема сделать вывод, имеются ли
ошибки в этом пакете. Буферная память в данном
случае опять же позволяет
освободить компьютер от контроля сети, а также обеспечить высокую степень
готовности сетевого адаптера к приему пакетов.
Чаще всего сетевые функции выполняются специальными микросхемами
высокой степени интеграции, что дает возможность снизить стоимость
адаптера и уменьшить площадь его платы.
Некоторые адаптеры позволяют реализовать функцию удаленной
загрузки, то есть поддерживать
работу в сети бездисковых компьютеров,
загружающих свою операционную систему прямо из сети. Для этого в состав
таких адаптеров включается постоянная память с соответствующей
программой загрузки. Правда, не все сетевые программные средства
поддерживают данный режим работы.
Повторители
Повторители принимают ослабленный сигнал, очищают его от помех,
усиливают и отправляют дальше в сеть.