Гаев А.В. Сети ЭВМ. Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

§ 1. Кабельные системы

Кабели являются наиболее распространенной физической средой передачи

информации в сетях. Используются несколько типов кабелей. Они отличаются

толщиной, скоростью передачи данных, сложностью установки, ценой и т. д. В

различных ситуациях могут потребоваться различные типы кабелей. При вы-

боре конкретного кабеля для данной сети следует учитывать требуемый тип

кабеля и приложения, которые будут функционировать в создаваемой сети.

Требования существующих приложений можно свести в пять классов:

1. Класс А. Передача голоса и низкоскоростная передача данных в

диапазоне частот до 100 кГц;

2. Класс В. Передача данных в диапазоне до 1 МГц;

3. Класс С. Передача данных с высокой скоростью — до 16 МГц;

4. Класс D. Передача данных с сверхвысокой скоростью — до 100 МГц;

5. Оптический. Оптический кабель используется, как правило, для передачи

данных с высокой и сверхвысокой скоростью; можно считать, что

ширина полосы практически неограниченна.

1.1. Витая пара. Изначально витая пара использовалась в телефонных

линиях. В таком кабеле обычно используются несколько пар изолированных

проводов, обвитых вокруг друг друга. Взаимная обвивка обеспечивает защиту

от собственных и внешних наводок. Кабель с витой парой бывает двух типов:

неэкранированным и экранированным.

 Кабель UTP 1 не поддерживает передачу цифровых данных.

 Кабель UTP 2 устарел; он поддерживает скорость передачи до 4 Мбит/с.

 Кабель UTP 3 способен поддерживать скорость передачи до 10 Мбит/с и

отвечает лишь минимальным требованиям к среде передачи. Эта катего-

рия соответствует классу С.

 Кабель UTP 4 не намного опережает кабель категории 3 по скорости пе-

редачи. Он способен передавать данные со скоростью 16 Мбит/с. Этот

кабель был разработан для стандарта IEEE 802.5.

 Более современным является кабель UTP 5, который соответствует классу

D. Он способен работать со скоростью 100 Мбит/с. Этот кабель был

разработан для сетей IEEE 802.5 и TPFDDI (спецификация сети FDDI на

электрическом кабеле).

Соединение кабеля с адаптером и концентратором производится при

помощи 8-контактных соединителей RJ-45.

К достоинствам кабеля на витой паре относят его дешевизну и простоту

установки.

Его недостатками являются: взаимное наложение сигналов между

смежными проводами (crosstalk), чувствительность к внешним

электромагнитным полям, возможность несанкционированного перехвата

информации, большая степень затухания сигнала по пути, чем у кабелей других

типов.

Объединение компьютеров в сеть со спецификацией 100BASE-TX практи-

чески ничем не отличается от схемы 10BASE-T. Используются 8-контактные

разъемы RJ-45 и две витые пары в кабеле, но разных категорий (5 и 3). Длина

сегмента сети на таком кабеле не может превышать 100 м.

Топология «пассивная звезда» требует обязательного использования

концентратора. Между адаптерами и сетевыми кабелями могут быть включены

трансиверы.

1.2. Коаксиальный кабель. Самым первым нашел применение в сетях

коаксиальный кабель (или, как его иногда называют, просто коаксиал). Такой

кабель способен передавать данные со скоростью 10 Мбит/с на расстояние до

500 м. Основными типами коаксиальных кабелей для ЛВС являются

«толстый» Ethernet (Thick Ethernet, Thicknet) и «тонкий» Ethernet (Thin

Ethernet, Thinnet).

Кабель «тонкого» Ethernet маркируется как RG-58 и наиболее широко рас-

пространен. Толщина этого кабеля равна 6 миллиметрам. Для соединения ком-

пьютеров в сети на базе коаксиального кабеля применяются Т-коннекторы или

цилиндрические соединители типа BNC (British Naval Connector) и 50-омные

заглушки (терминаторы, Terminator). Заглушки устанавливают на обоих концах

сетевого сегмента. Минимальное расстояние между абонентами должно быть

не менее полуметра. Трансиверный кабель не требуется. В этом случае Т-

коннекторы вставляются непосредственно в BNC-разъем сетевого адаптера.

При реализации сети на тонком кабеле можно сделать максимум 5 сегментов по

185 м, то есть максимальная длина может составить 925 м. Уменьшая длину

сегмента, можно подключить больше компьютеров, но при этом общее число

компьютеров не должно превышать 150.

«Толстый» Ethernet использует более толстый и дорогой кабель. Он приме-

няется в качестве основы спецификации 10BASE5. Такие кабели маркируются

как RJ-8 или RJ-11. Толщина кабеля составляет около 12 миллиметров. Для

присоединения сетевого адаптера к основному кабелю используется трансивер-

ный кабель и трансивер AUI (Attachment Unit Interface, интерфейсное устрой-

ство соединения). Трансиверный кабель имеет несколько проводников. Для его

концевой разделки используют 15-контактные DIX-разъемы типа «вилка».

Трансиверный кабель может иметь длину до 50 м в обычном исполнении (до

12.5 м в так называемом офисном варианте). Для соединения отдельных кусков

толстого кабеля используются разъемы N-типа. Два таких разъема от разных

кусков кабеля соединяются при помощи Barrel-коннекторов. Разъем N-типа

требует специального инструмента для установки. Длина кусков кабеля при

монтаже сети также имеет значение. Минимальное расстояние между точками

подключения не должно быть меньше 2.5 м. Для подсоединения трансивера к

кабелю часто используют так называемый «вампир» — специальное соедини-

тельное устройство, предложенное корпорацией AMP. «Толстый» Ethernet

обеспечивает надежную передачу данных на расстояние до 500 м. К его

недостаткам можно отнести сложность установки (что связано с его толщиной

и жесткостью) и большую стоимость.

1.3. Оптоволоконный кабель. Состоит из свободно уложенных или

определенным образом скрученных волоконных световодов и защитного

покрытия. Передача данных производится при помощи лазерного или

светодиодного передатчика, который генерирует световые импульсы,

проходящие через световоды. Перед тем как попасть в световод, сигнал от

передатчика (излучателя) проходит через оптическое согласующее устройство

и через оптический разъемный соединитель (коннектор). На принимающем

конце сигнал воспринимается фотодиодом, который преобразует его в

электрический ток. Оптоволоконный кабель обладает рядом преимуществ. К

ним можно отнести:

 малое затухание и независимость затухания от частоты передаваемого

сигнала;

 высокую степень защиты от внешних электромагнитных полей;

 исключение несанкционированного доступа к данным;

 малую стоимость и постоянную тенденцию к ее снижению.

Основной недостаток проявляется при установке сети на таком кабеле.

Требуется дорогое оборудование и высокая квалификация персонала.

В зависимости от условий распространения световой волны в центральном

световоде оптические кабели делятся на одномодовые (single mode — SM) и

многомодовые (multi mode — MM).

§ 2. Сетевые адаптеры

Сетевые адаптеры предназначены для сопряжения сетевых устройств со

средой передачи в соответствии с принятыми правилами обмена информацией.

Сетевым устройством может быть компьютер пользователя, сетевой сервер,

рабочая станция и т. д. Набор выполняемых сетевым адаптером функций

зависит от конкретного сетевого протокола. Ввиду того что сетевой адаптер и в

физическом, и в логическом смысле находится между устройством и сетевой

средой, его функции можно разделить на функции сопряжения с сетевым

устройством и функции обмена с сетью. Количественный и качественный

состав функций сопряжения с сетевым устройством определяется его

назначением и функциональной схемой.

Если в качестве сетевого устройства выступает компьютер, то связь с

сетевой средой можно реализовать двумя способами: через системную

магистраль (шину) или через внешние интерфейсы (последовательные или па-

раллельные порты). Наиболее распространенным является способ сопряжения

через шину (в основном, ISA или PCI). При этом адаптер буферизует данные,

поступающие с системной магистрали, и вырабатывает внутренние управляю-

щие сигналы.

Сетевые функции могут перераспределяться между адаптером и

компьютером. Чем больше функций выполняет компьютер, тем проще

функциональная схема адаптера. К основным сетевым функциям адаптера

относятся:

1. Гальваническая развязка с коаксиальным кабелем или витой парой. На-

иболее часто для этой цели применяют импульсные трансформаторы. В

сети Ethernet (в связи с тем, что для определения конфликтной ситуации

используется анализ постоянной составляющей) эта схема несколько

усложнена. Иногда для развязки используют оптроны.

2. Кодирование и декодирование сигналов. Наиболее часто применяется са-

мосинхронизирующийся манчестерский код.

3. Идентификация своего адреса в принимаемом пакете. Физический адрес

адаптера может определяться установкой переключателей, храниться в

специальном регистре или прошиваться в ППЗУ.

4. Преобразование параллельного кода в последовательный при передаче и

обратное преобразование при приеме, В простейшем случае для этой цели

используются сдвиговые регистры с параллельным входом и последова-

тельным выходом. Эта функция может быть реализована и программными

методами.

5. Промежуточное хранение данных и служебной информации в буфере. Ис-

пользование буфера позволяет возложить функции контроля за сетью на

адаптер. При наличии буфера компьютер может не отслеживать момент

передачи данных.

6. Выявление конфликтных ситуаций и контроль состояния сети. В

наибольшей степени эта функция важна в сетях с топологией «шина» и со

случайным методом доступа к среде передачи. Возможные конфликты

адаптер должен разрешать самостоятельно.

7. Подсчет контрольной суммы. Наиболее распространенным способом оп-

ределения контрольной суммы является вычисление при помощи

сдвигового регистра через сумматор по модулю 2 с обратными связями от

некоторых разрядов. Места включения обратных связей определяются вы-

бранным полиномом.

8. Согласование скоростей пересылки данных компьютером в адаптер или из

него со скоростью обмена по сети. При малой скорости обмена в сети

компьютеру придется выжидать момент разрешенной передачи. При боль-

шой скорости он может не успевать отправлять свои данные. Адаптер при

помощи буфера справляется с этой задачей.

Адаптеры Ethernet представляют собой плату, которая вставляется в

свободный слот материнской (системной) платы компьютера. Из-за широкого

распространения компьютеров с системной магистралью ISA (Industrial System

Architecture, индустриальный стандарт системной архитектуры) существует

широкий спектр адаптеров, предназначенных для установки в слот ISA. Разра-

ботаны и производятся адаптеры, совместимые с шиной PCI (Peripheral Compo-

nent Interconnect, взаимосвязь периферийных компонентов).

Производятся как 8- (короткие) так и 16-разрядные (длинные) адаптеры

ISA. Чаще всего адаптеры Ethernet имеют для связи с сетью два внешних

разъема: для коаксиального кабеля (разъем BNC) и для кабеля на витой паре.

Наличие двух внешних разъемов позволяет работать по выбору в сети с

«тонким» Ethernet или с витой парой. Для выбора типа кабеля применяются

перемычки или переключатели, которые устанавливаются перед подключением

адаптера к сети. Для подключения витой пары может использоваться 15-

контактный разъем AUI или 8-контактный разъем RJ-45.

Адаптеры Fast Ethernet производятся изготовителями с учетом

определенного типа среды передачи. Сетевой кабель при этом подключается

непосредственно к адаптеру (без трансивера). Тем не менее, иногда используют

специальный трансивер. Это делается для того, чтобы сделать адаптер

независимым от типа среды передачи. Такой трансивер совместим только с

определенным типом кабеля. Адаптер подключается к трансиверу

трансиверным кабелем, который оснащен 40-контактным разъемом. Таким

образом, для разных кабелей вам необходимо использовать разные трансиверы,

но, выбрав подходящий трансивер, вы можете подключить один и тот же

адаптер к разным сетям.

Оптические адаптеры стандарта 10BASE-FL могут устанавливаться в

компьютеры с шинами ISA, PCI, MCA. Эти адаптеры позволяют отказаться от

внешних преобразователей среды и от микротрансиверов. При установке этих

адаптеров возможна реализация полнодуплексного режима обмена информа-

цией. Для повышения универсальности в оптических адаптерах сохраняется

возможность соединения по витой паре с разъемом RJ-45.

Для спецификации 100BASE-FX соединение концентратора и адаптера по

оптоволокну осуществляется с использованием оптических соединителей типа

SC или ST. Выбор типа оптического соединителя (SC или ST) зависит от того,

новая или старая это инсталляция. Если соединители типа ST уже установлены,

то их можно продолжать использовать. Однако в новых инсталляциях допуска-

ется применение только соединителей типа SC.

Для этой спецификации выпускаются сетевые адаптеры, совместимые с

шиной PCI. Адаптеры способны поддерживать как полудуплексный, так и пол-

нодуплексный режим работы. Для облегчения настройки и эксплуатации на пе-

реднюю панель адаптера вынесено несколько индикаторов состояния. Кроме

того, существуют модели адаптеров, способные работать как по одномодовому,

так и по многомодовому оптоволоконному кабелю.

§ 3. Концентраторы

В локальных сетях нашли применение топологии различных типов. Наряду

с широко распространенной «шиной» применяются топологии «пассивная

звезда» и «дерево».

Все типы топологий могут использовать репитеры и пассивные

концентраторы для объединения разных сегментов сети. Основное требование

к данным топологиям — отсутствие петель (замкнутых контуров).

Если сети на базе спецификаций 10BASE-2 или 10BASE-5 имеют

небольшие размеры, то вполне можно обойтись без концентраторов. Но

концентраторы обязательно должны применяться для спецификации 10BASE-

Т, имеющей топологию «пассивная звезда».

Для подключения к сети удаленных групп могут быть использованы

концентраторы с дополнительным волоконно-оптическим портом. Оптические

концентраторы применяются в качестве центрального устройства

распределенной сети с большим количеством отдельных удаленных рабочих

станций и небольших рабочих групп. Порты такого концентратора выполняют

функции усилителей и осуществляют полную регенерацию пакетов.

Существуют концентраторы с фиксированным количеством подключаемых

сегментов, но некоторые типы концентраторов имеют модульную

конструкцию, что позволяет гибко подстраиваться к существующим условиям.

Чаще всего концентраторы и репитеры представляют собой автономные блоки

с отдельным питанием.

Для технологии Fast Ethernet определены два класса концентраторов:

1. Концентраторы первого класса преобразуют приходящие из сегментов

сигналы в цифровую форму. И только после этого передают их во все другие

сегменты. Это позволяет подключать к таким концентраторам сегменты,

выполненные по разным спецификациям: 100BASE-TX, 100BASE-T4 или

100BASE-FX.

2. Концентраторы второго класса производят простое повторение сигналов

без преобразования. К такому концентратору можно подключать сегменты

только одного типа.

§ 4. Мосты

Мостом называется устройство, которое служит для связи между

локальными сетями. Мост передает кадры из одной сети в другую. Мосты по

своим функциональным возможностям являются более продвинутыми

устройствами, чем концентраторы. Мосты достаточно интеллектуальны, так

что не повторяют шумы сети, ошибки или испорченные кадры. Для каждой

соединяемой сети мост является узлом (абонентом сети). Узлом сети может

быть компьютер, специальная рабочая станция или другое устройство. При

этом мост принимает кадр, запоминает его в своей, буферной памяти,

анализирует адрес назначения кадра. Если кадр принадлежит к сети, из которой

он получен, мост не должен на этот кадр реагировать. Если кадр нужно

переслать в другую сеть, он туда и отправляется. Доступ к среде

осуществляется в соответствии с теми же правилами, что и для обычного узла.

По принадлежности к разным типам сетей различают локальные и

глобальные (удаленные) мосты. Эти мосты отличаются по типам своих сетевых

портов.

Локальные мосты поставляются с портами, предназначенными для

подключения к LAN. Как правило, для соединения устройств в таких сетях

используются коаксиальный и волоконно-оптический кабель или витая пара.

Одним из самых важных достоинств локальных мостов является их

способность соединять локальные сети, использующие разные среды.

Например, мосты способны объединить сеть на коаксиальном кабеле с сетью,

построенной на волоконно-оптическом кабеле.

Глобальные мосты устанавливаются в сетях передачи информации на

большие расстояния (сети WAN/MAN). При этом глобальные мосты могут

быть оборудованы локальными портами.

По алгоритму работы мосты делятся на мосты с «маршрутизацией от

источника» (Source Routing) и на «прозрачные» (transparent) мосты.

Алгоритм «маршрутизации от источника» принадлежит фирме IBM и

предназначен для описания прохождения кадров через мосты в сетях Token

Ring. В этой сети мосты могут не содержать адресную базу данных. Они

вычисляют маршрут прохождения кадра, исходя из информации, хранящейся в

полях самого кадра. Узел сети, которому необходима связь с другим узлом,

посылает ему специальный кадр-исследователь (Explorer Frame). Этот кадр

содержит специальный идентификатор, предназначенный для мостов с

алгоритмом «маршрутизация от источника». После получения этого кадра

такой мост записывает информацию о направлении, с которого был получен

кадр, и свое собственное имя в специальное поле в кадре, которое называется

разделом записи о маршруте (Routing Information Field). После этого мост

передает кадр по всем доступным ему направлениям, за исключением того, по

которому кадр был принят. В результате в сети возникает множество копий

одного и того же кадра-исследователя. К узлу, который должен получить пакет,

приходят сразу несколько копий кадра — одна на каждый возможный маршрут.

При этом каждый полученный кадр-исследователь содержит записи о мостах,

через которые он проходил. После получения всех кадров-исследователей узел

выбирает один из возможных маршрутов и посылает ответ узлу-отправителю.

Как правило, выбирается тот маршрут, по которому пришел первый кадр-

исследователь, так как он, вероятно, является самым быстрым (время

прохождения кадра-исследователя минимально). В ответе содержится полная

информация о маршруте, по которому должны направляться все остальные

кадры. После определения маршрута узел-отправитель использует этот

маршрут достаточно длительное время при посылке пакетов получателю.

Термин «прозрачные» мосты объединяет большую группу устройств.

Если рассматривать устройства этой группы с точки зрения решаемых ими

задач, то эту группу можно разделить на три подгруппы:

1. Прозрачные мосты (transparent bridges) объединяют сети с едиными про-

токолами канального и физического уровней модели OSI (Ethernet-Ethernet,

100