Компьютерные сети

 Основание  дерева вычислительной сети (корень) располагается в точке, в которой  собираются коммуникационные линии  информации (ветви дерева). Вычислительные  сети с древовидной структурой  применяются там, где невозможно  непосредственное применение базовых  сетевых структур в чистом  виде. Для подключения большого  числа рабочих станций соответственно  адаптерным платам применяют  сетевые усилители и/или коммутаторы.  Коммутатор, обладающий одновременно  и функциями усилителя, называют  активным концентратором.

 На практике  применяют две их разновидности,  обеспечивающие подключение соответственно  восьми или шестнадцати линий.  Устройство, к которому можно  присоединить максимум три станции,  называют пассивным концентратором. Пассивный концентратор обычно  используют как разветвитель. Он не нуждается в усилителе. Предпосылкой для подключения пассивного концентратора является то, что возможное максимальное расстояние до рабочей станции не должно превышать нескольких десятков метров.

Технологии  передачи информации

 Существуют  следующие технологии передачи  информации в компьютерных сетях:  Fast Ethernet, IEEE 1394/USB, Fiber Channel, FDDI, X.25, Frame Relay, ATM, ISDN, ADSL, SONET. Первые четыре технологии передачи данных: Fast Ethernet, IEEE 1394/ USB, Fiber Channel и FDDI относят к технологиям локальных сетей. Оставшиеся создавались для глобальных каналов связи. Рассмотрим некоторые из распространенных технологий передачи данных - Fast Ethernet, Fiber Channel, FDDI, ISDN.

 Fast Ethernet или «100Base-T» - это высокоскоростная технология передачи данных в локальных сетях. Правила передачи данных с использованием этой технологии определяются стандартом IEEE 802.3u. Этот стандарт описывает правила работы протоколов второго уровня модели OSI (канальный уровень) и предоставляет возможность передачи данных со скоростью 100 Мбит/с.

Технология 100Base-T использует метод CSMA/CD в качестве протокола  контроля доступа к среде передачи. 100Base-T базируется на возможностях масштабирования, обеспечиваемых методом CSMA/CD. Масштабирование  подразумевает возможность лростого увеличения или уменьшения размеров сети без значительного снижения ее производительности, надежности и управляемости. Технология 100Base-T использует кабель UTP5 (неэкранированная витая пара 5-й категории).

 Технология 100Base-T имеет следующие особенности.

1.     В связи с применением одинакового  протокола контроля доступа к  среде передачи - CSMA/CD сети, использующие  технологию 10Base-T Ethernet, легко переводятся на более высокоскоростную технологию 100Base-T. Поэтому многие производители выпускают сетевые карты, поддерживающие обе технологии передачи данных: 10Base-T Ethernet и 100Base-T. Такие сетевые карты имеют встроенные возможности автоматического определения скорости передачи данных в сети и автоматической настройки на соответствующий режим работы. Поскольку технологии 10Base-T Ethernet и 100Base-T могут легко сосуществовать в одной сети, администраторы получают очень высокую степень гибкости по переводу станций с технологии 10Base-TEthernet на 100Base-T.

2.     Кабель UTP5 и сетевые карты 100Base-T в настоящее время выпускаются  огромным количеством производителей.

 Недостаткам  использования технологии 100Base-T являются  существенно большие ограничения на длину кабельных сегментов, чем в технологии 10Base-T Ethernet. По сравнению с технологией 10Base-T Ethernet, позволяющей организовывать сети максимального диаметра размером 500 м, технология 100Base-T ограничивает этот диаметр 205 м. Для существующих сетей, превышающих этот лимит, потребуется установка дополнительных маршрутизаторов.

 Перспективность  использования технологии 10Base-T заключается  в том, что новая технология  Gigabit Ethernet (также известная как 1000Base-T или IEEE 802.3z) разрабатывается с учетом возможности использования существующих кабельных систем на базе UTP5. При этой технологии скорость передачи данных в сети увеличивается до 1000 Мбит/с, что в десять раз быстрее передачи данных по технологии 100Base-T.

Одной из относительно новых технологий передачи данных является Fiber Channel.

 Технология  Fiber Channel основывается на применении оптического волокна в качестве среды передачи данных. Наиболее часто встречающимся применением этой технологии в настоящее время являются высокоскоростные сетевые устройства хранения данных (SAN - Storage Area Networks). Такие устройства используются для построения высокопроизводительных кластерных систем. Технология Fiber Channel изначально создавалась как интерфейс, обеспечивающий возможность высокоскоростного обмена данными между жесткими дисками и процессором компьютера. Позже стандарт был дополнен и сейчас определяет механизмы взаимодействия не только систем хранения данных, но и способов взаимодействия нескольких узлов кластерной системы между собой и средствами хранения данных.

 Технология  Fiber Channel опирается на использование нескольких видов специализированного оборудования: оптический кабель, специализированные коммутаторы и преобразователи (Gigabit Interface Converter - GBIC). GBIC используются для преобразования электрического сигнала в световой и обратно. Стандартом поддерживаются два типа оптических кабелей: одноволновой (single-mode) и многоволновой (multimode). Многоволновой кабель имеет больший диаметр и позволяет передачу одновременно нескольких световых волн. Одноволновой кабель обеспечивает наличие единственной световой волны при передаче данных. Наличие нескольких волн (полезная и несколько паразитных) в кабеле ухудшает характеристики среды передачи и, как следствие, многоволновой кабель позволяет передавать данные без повторителей на расстояния примерно в 10 раз меньшие, чем одноволновой.

 Технология  Fiber Channel имеет несколько преимуществ по сравнению с другими средами передачи данных, важнейшим из которых является скорость. Технология Fiber Channel обеспечивает скорость передачи данных 100 Мбит/с. Вторым важным преимуществом является возможность передачи сигнала на очень большие расстояния. Обмен данными с использованием светового сигнала вместо электрического обеспечивает возможность передачи информации на расстояния до 10-20 км без использования повторителей (при применении одноволнового кабеля). Третьим преимуществом технологии Fiber Channel является полный иммунитет к электромагнитным помехам. Это качество позволяет активно использовать оптическую среду передачи даже в производственных помещениях с большим количеством электромагнитных помех. Четвертое преимущество состоит в полном отсутствии излучения сигнала в окружающую среду, что дает возможность применения Fiber Channel в сетях с повышенными требованиями к безопасности обрабатываемых и хранимых данных.

 Основным  недостатком технологии Fiber Channel является ее стоимость: оптический кабель со всеми сопутствующими его использованию разъемами и способами монтажа является существенно более дорогим, чем медные кабели.

 Для организации  высокоскоростных локальных сетей  используется FDDI (Fiber Distributed Data Interface).

 Технология FDDI предназначена не для непосредственного  соединения компьютеров, а для  построения высокоскоростных магистральных  каналов связи (backbone), объединяющих несколько сегментов локальной сети. Простейшим примером такой магистрали являются два сервера, соединенные высокоскоростным каналом связи, созданным на базе двух сетевых карт и кабеля. Так же, как и технология 100Base-T, FDDI обеспечивает скорость передачи данных 100 Мбит/с.

 Сеть FDDI использует  топологию двойного физического  кольца. Передающиеся сигналы движутся  по кольцам в противоположных  направлениях. Одно из колец называется  первичным, а другое - вторичным.  При корректном функционировании  сети первичное кольцо используется  для передачи данных, а вторичное  выступает в роли запасного.

 В сети FDDI каждое сетевое устройство (узел  сети) играет роль повторителя. FDDI поддерживает четыре вида узлов:  станция с двойным подключением (DAS - dual-attached stations), станция с одинарным подключением (SAS - single-attached stations), концентратор с двойным подключением (DAC - dual-attached concentrator) и концентратор с одинарным подключением (SAC-single-attached concentrator). DAS и DAC всегда подключаются к обоим кольцам, a SAS и SAC - только к первичному кольцу.

 Если в  какой-либо точке сети возникает  разрыв кабеля или Другая поломка, делающая невозможной передачу данных между соседними узлами сети, то устройства DAS и DAC восстанавливают работоспособность сети, перенаправляя сигнал в обход неработоспособного сегмента с использованием вторичного кольца.

FDDI использует  маркер доступа в качестве  протокола контроля доступа к  среде передачи и оптический  кабель в качестве среды передачи.

  Технология FDDI имеет  следующие преимущества.

 Топология  двойного физического кольца  обеспечивает надежность передачи  данных путем сохранения работоспособности  сети в случае обрыва кабеля. В стандарт FDDI заложены функции  управления сетью. В дополнение  к перечисленным преимуществам  существует спецификация (CDDI - Copper Distributed Data Interface) на построение сети по технологии FDDI с использованием медной витой пары. Эта спецификация позволяет снизить стоимость развертывания сети за счет использования менее дорогого медного кабеля вместо оптического.

 Основным  недостатком FDDI является цена  построения сети. Сетевые карты  и оптический кабель для FDDI обладают существенно большей  стоимостью, чем для других технологий, обеспечивающих такую же скорость  передачи данных. Специфика монтажа  оптического кабеля требует дополнительной  подготовки специалистов, выполняющих  работу с кабелем. Несмотря  на то, что сетевые карты CDDI дешевле FDDI, тем не менее они являются более дорогими, чем сетевые карты 100Base-T.

 Технология  обмена цифровыми данными с  использованием телефонных линий   Integrated Services Digital Network (ISDN) предоставляет возможность обмена данными в виде передачи цифровых сигналов по цифровым телефонным линиям. Эти данные могут представлять собой комбинацию видео, звуковых и других данных. ISDN имеет несколько технологических решений, обеспечивающих заказчика необходимой производительностью канала связи. Для частных лиц и небольших офисов в основном предоставляются линии с базовой скоростью (Basic Rate Interface - BRI). Для крупных компаний предоставляются линии Primary Rate Interface - PRI. BRI использует два «несущих» (bearer - В) канала связи с пропускной способностью 64 Кбит/с каждый для приема и передачи данных и один управляющий канал (delta - D) для установки и поддержания соединения. PRI - это совокупность нескольких цифровых линий, используемых параллельно для приема и передачи данных. Такие совокупности линий получили условные обозначения Т1 и Е1. В США стандартом является применение линий Tl. T1 состоит из 23 В-каналов и одного D-канала с суммарной пропускной способностью 1,544 Мбит/с.

 В Европе  используются линии E1. E1 состоит  из 30 В-каналов и одного D-канала  с суммарной пропускной способностью 2,048 Мбит/с.

ISDN требует применения  специального оборудования, включающего  в себя цифровые телефонные  линии, и преобразователей (network termination unit - NT-1). NT-1 преобразует входной сигнал в цифровой, равномерно распределяет его по каналам для передачи и выполняет диагностический анализ состояния всей линии передачи данных. NT-1 является и точкой подключения к цифровой сети различного оборудования: телефонов, компьютеров и т.п. Также NT-1 может выполнять функции преобразователя для подключения оборудования, самостоятельно не поддерживающего ISDN.

 Преимущества ISDN заключаются в следующем.

1.     Увеличена скорость обмена данными  с дополнительными возможностями  интеграции данных, голоса и видео  в единый поток.

2.     С использованием ISDN вы имеете  возможность передавать данные  и голосовой трафик одновременно  по одной телефонной линии.

 К недостатку ISDN относится медленное распространение  в связи с необходимостью преобразования  существующей инфраструктуры телефонных  сетей, что неминуемо влечет  существенные затраты.

Сетевые устройства и средства коммуникаций

 Среда передачи  данных. Когда данные готовятся  к пересылке по сети, они преобразуются  в электрический сигнал. Эти сигналы  генерируются в виде электромагнитных  волн (аналоговый сигнал) или в  виде пульсаций напряжения (цифровой  сигнал). Для пересылки с одного  компьютера на другой сигнал  должен быть физически передан  из одного места в другое. Физический  путь, по которому передается  сигнал, и определяется существующей  средой передачи. Сигнал поступает  в среду передачи с компьютера-передатчика,  передается по среде передачи  и затем принимается компьютером-приемником. В настоящее время существуют  два типа среды передачи: кабельная  и беспроводная.

  Кабельные среды  передачи данных 

 Кабельные  среды передачи данных обеспечивают  передачу сигнала по строго  определенному пути. Наиболее широко  используемые в настоящее время  кабельные среды передачи данных  представлены кабелями следующих  типов: витая пара, коаксиальный  кабель и оптический кабель.

 Витая пара. Этот кабель состоит из двух  или более медных проводников,  защищенных пластиковой изоляцией  и свитых между собой (рис. 7). Свитые проводники снаружи защищаются  еще одним слоем изоляции. Свивание  проводников уменьшает искажение  полезного сигнала, связанное  с передачей электрического тока  по проводнику. С точки зрения  физики процесс такого искажения  называется интерференцией сигналов.