Локально-вычислительные сети

2.1 Физическая передающая  среда ЛВС

    Физическая среда обеспечивает перенос информации между абонентами вычислительной сети. Как уже упоминалось, физическая передающая среда ЛВС представлена тремя типами кабелей: витая пара проводов, коаксиальный кабель, оптоволоконный кабель.

    Витая пара состоит из двух изолированных проводов, свитых между собой (рис. 2.1.1). Скручивание проводов уменьшает влияние внешних электромагнитных полей на передаваемые сигналы. Самый простой вариант витой пары - телефонный кабель. Витые пары имеют различные характеристики, определяемые размерами, изоляцией и шагом скручивания. Дешевизна этого вида передающей среды делает ее достаточно популярной для ЛВС.

    

    Рис. 2.1.1 Витая пара проводов 

    Основной  недостаток витой пары – плохая помехозащищенность и низкая скорость передачи информации – 0,25 – 1 Мбит/с. Технологические усовершенствования позволяют повысить скорость передачи и помехозащищенность (экранированная витая пара), но при этом возрастает стоимость этого типа передающей среды.

    Коаксиальный  кабель (рис. 2.1.2) по сравнению с витой парой обладает более высокой механической прочностью, помехозащищенностью и обеспечивает скорость передачи информации до 10 – 50 Мбит/с. Для промышленного использования выпускаются два типа коаксиальных кабелей: толстый и тонкий. Толстый кабель более прочен и передает сигналы нужной амплитуды на большее расстояние, чем тонкий. В то же время тонкий кабель значительно дешевле. Коаксиальный кабель так же, как и витая пара, является одним из популярных типов передающей среды для ЛВС. 

      
 

    Рис. 2.1.2 Коаксиальный кабель 
 
 
 

     

      

    Рис. 2.1.3 Оптоволоконный кабель 

    Оптоволоконный кабель – идеальная передающая среда (рис. 2.1.3). Он не подвержен действию электромагнитных полей и сам практически не имеет излучения. Последнее свойство позволяет использовать его в сетях, требующих повышенной секретности информации.

    Скорость  передачи информации по оптоволоконному кабелю более 50 Мбит/с. По сравнению с предыдущими типами передающей среды он более дорог, менее технологичен в эксплуатации. [1]

    Существуют  и беспроводные локальные сети. В них информация между ЭВМ передается в СВЧ – диапазоне, либо с помощью инфракрасных лучей. В первом случае пользователи сети могут располагаться на значительном удалении друг от друга. Недостатком этого способа является наличие помех, создаваемых другими источниками той же частоты, а также сложность защиты данных от несанкционированного доступа, поскольку передаваемые сообщения в таком случае может воспринимать любой приемник, настроенный на ту же частоту.

    Сети, использующие инфракрасное излучение, свободны от указанных недостатков, но ЭВМ – приемник и ЭВМ – передатчик должны находится в пределах прямой видимости, т.е. в одной комнате. Бесконтактный способ связи целесообразен, например, при объединении в сеть портативных ЭВМ типа Notebook или при необходимости развернуть сеть в сжатые сроки в неприспособленном для этого помещения. Примерами подобных сетей являются сети AirLAN, Altair Plus. Отметим, что существуют ЛС, в которых роль каналов связи играет обычная электрическая сеть, например, Carriernet. Также ведутся работы по использованию в качестве транспорта (каналов связи) сети радиофикации. [2]

    ЛВС, выпускаемые различными фирмами, либо рассчитаны на один из типов передающей среды, либо могут быть реализованы в различных вариантах, на базе различных передающих сред.  

2.2 Оборудование ЛВС

    Нет необходимости перечислять все  многообразие оборудования для локальных сетей. Можно лишь отметить несколько основных его видов кроме сетевых карт. Это:

• «хаб» (hub – ступица, центр (англ.)) – узел, или, проще говоря, разветвитесь, без функций усиления сигнала;
• «репитер» (repeater – повторить (англ.)) – то же, но с усилением сигнала, увеличивает протяженность линий связи;
• «бридж» (bridge – мост (англ.)) – служит для связи двух различных сегментов ЛВС. Связывая сегменты, мост передает через себя электронные пакеты из одного сегмента, предназначенные адресату в другом сегменте, и не пропускает пакеты, предназначенные адресатам только в одном из сегментов. Таким образом, как и обычный мост, бридж «соединяет, разъединяя». Это разгружает сегменты сети и отчасти решает вопросы информационной безопасности на аппаратном, самом надежном уровне.
• «свич» (switch – переключатель (англ.)) – служит для тех же целей, что и бридж, но связывает при этом несколько сегментов. [2]

 

2.3 Основные топологии ЛВС

    Вычислительные  машины, входящие в состав ЛВС, могут  быть расположены самым случайным образом на территории, где создается вычислительная сеть. Следует заметить, что для способа обращения к передающей среде и методов управления сетью небезразлично, как расположены абонентские ЭВМ. Поэтому имеет смысл говорить о топологии ЛВС.

    Топология ЛВС – это усредненная геометрическая схема соединений узлов сети.

    Топологии вычислительных сетей могут быть самыми различными, но для локальных вычислительных сетей типичными являются всего три: кольцевая, шинная, звездообразная.

    Иногда  для упрощения используют термины  – кольцо, шина и звезда. Не следует думать, что рассматриваемые типы топологий представляют собой идеальное кольцо, идеальную прямую или звезду.

    Любую компьютерную сеть можно рассматривать  как совокупность узлов.

    Узел – любое устройство, непосредственно подключенное к передающей среде сети.

    Топология усредняет схему соединений узлов сети. Так, и эллипс, и замкнутая кривая, и замкнутая ломаная линия относятся к кольцевой топологии, а незамкнутая ломаная линия – к шинной.

    Кольцевая топология предусматривает соединение узлов сети замкнутой кривой – кабелем передающей среды (рис. 2.2.1). Выход одного узла сети соединяется со входом другого. Информация по кольцу передается от узла к узлу. Каждый промежуточный узел между передатчиком и приемником ретранслирует посланное сообщение. Принимающий узел распознает и получает только адресованные ему сообщения.

    

 

    Рис. 2.2.1 Сеть кольцевой топологии

    Кольцевая топология является идеальной для  сетей, занимающих сравнительно небольшое пространство. В ней отсутствует центральный узел, что повышает надежность сети. Ретрансляция информации позволяет использовать в качестве передающей среды любые типы кабелей.

    Последовательная  дисциплина обслуживания узлов такой  сети снижает ее быстродействие, а  выход из строя одного из узлов  нарушает целостность кольца и требует принятия специальных мер для сохранения тракта передачи информации.

    Шинная топология – одна из наиболее простых (рис. 2.2.2). Она связана с использованием в качестве передающей среды коаксиального кабеля. Данные от передающего узла сети распространяются по шине в обе стороны. Промежуточные узлы не транслируют поступающих сообщений. Информация поступает на все узлы, но принимает сообщение только тот, которому оно адресовано. Дисциплина обслуживания параллельная.

    

    Рис. 2.2.2 Сеть шинной топологии

    Это обеспечивает высокое быстродействие ЛВС с шинной топологией. Сеть легко наращивать и конфигурировать, а также адаптировать к различным системам. Сеть шинной топологии устойчива к возможным неисправностям отдельных узлов.

    Сети  шинной топологии наиболее распространены в настоящее время. Следует отметить, что они имеют малую протяженность и не позволяют использовать различные типы кабеля в пределах одной сети.

    Звездообразная топология (рис. 2.2.3) базируется на концепции центрального узла, к которому подключаются периферийные узлы. Каждый периферийный узел имеет свою отдельную линию связи с центральным узлом. Вся информация передается через центральный узел, который ретранслирует, переключает и маршрутизирует информационные потоки в сети.

    

     

     Звездообразная топология значительно  упрощает взаимодействие узлов ЛВС друг с другом, позволяет использовать более простые сетевые адаптеры. В то же время работоспособность ЛВС со звездообразной топологией целиком зависит от центрального узла. [1]

    Иерархическая топология (конфигурация типа «дерево») представляет собой более развитой вариант структуры ЛВС, построенной на основе общей шины. Дерево образуется путем соединения нескольких шин с корневой системой, где размещаются самые важные компоненты ЛВС. Оно обладает необходимой гибкостью для того, чтобы охватить средствами ЛВС несколько этажей в здании или несколько зданий на одной территории, и реализуется, как правило, в сложных системах, насчитывающих десятки и даже сотни абонентов.

    Наиболее  сложной и дорогой является многосвязная топология, в которой каждый узел связан со всеми другими узлами сети. Эта топология в ЛВС применяется очень редко, в основном там, где требуется исключительно высокие надежность сети и скорость передачи данных.

    На  практике чаще встречаются гибридные  ЛВС, приспособленные к требованиям конкретного заказчика и сочетающие фрагменты шинной, звездообразной и других топологий. [4]

    Выбор той или иной топологии определяется областью применения ЛВС, географическим расположением ее узлов и размерностью сети в целом.

    В крупных ЛС предприятий и учреждений чаще всего используется шинная (линейная) топология, соответствующая архитектуре многих административных зданий, имеющих длинные коридоры и кабинеты сотрудников вдоль них. Для учебных целей в КУВТ чаще всего используют кольцевые и звездообразные ЛС.

    В любой физической конфигурации поддержка  доступа от одного компьютера к другому, наличие или отсутствие выделенного  компьютера (в составе КУВТ его называют «учительским», а остальные – «ученическими»), выполняется программой – сетевой операционной системой, которая по отношению к ОС отдельных компьютеров является надстройкой. Для современных высокоразвитых ОС персональных компьютеров вполне характерно наличие сетевых возможностей (например, OS/2, WINDOWS’95 – 98).

    Процесс передачи данных по сети определяют шесть компонентов:

• компьютер – источник
• блок протокола;
• передатчик;
• физическая кабельная сеть;
• приемник;
• компьютер - адресат;

    Компьютер – источник может быть рабочей  станцией, файл – сервером, шлюзом или  любым компьютером, подключенным к  сети. Блок протокола состоит из набора микросхем и программного драйвера для платы сетевого интерфейса. Блок протокола отвечает за логику передачи по сети. Передатчик посылает электрический сигнал через физическую топологическую схему. Приемник распознает и принимает сигнал, передающийся по сети, и направляет его для преобразования в блок протокола.

    Как показано в приложение (1), цикл передачи данных начинается с компьютера – источника, передающего исходные данные в блок протокола. Блок протокола организует данные в пакет передачи, содержащий соответствующий запрос к обслуживающим устройствам, информацию по обработке запроса (включая, если необходимо, адрес получателя) и исходные данные для передачи. Пакет затем направляется в передатчик для преобразования в сетевой сигнал. Пакет распространяется по сетевому кабелю пока не попадает в приемник, где перекодируется в данные. Здесь управление переходит к блоку протокола, который проверяет данные на сбойность, передает «квитанцию» о приеме пакета источнику, переформировывает пакеты и передает их в компьютер – адресат. [3]

2.4 Методы доступа к передающей среде

    Передающая  среда является общим ресурсом для  всех узлов сети. Чтобы получить возможность доступа к этому ресурсу из узла сети, необходимы специальные механизмы – методы доступа.

    Метод доступа к передающей среде – метод, обеспечивающий выполнение совокупности правил, по которым узлы сети получают доступ к ресурсу.

    Существует  два основных класса методов доступа: детерминированные, недетерминированные.