Какие виды линий каналов используются для связи компьютеров в локальных сетях
Чтобы компьютеры могли взаимодействовать, необходима какая-либо среда, обеспечивающая возможность передачи сигналов на физическом уровне. Эта среда передачи может представлять собой кабельную инфраструктуру, то есть набор проводов различных типов, соединительных разъёмов (коннекторов) и устройства связи. Она также может быть и просто атмосферой или даже безвоздушным пространством, - лишь бы имелась возможность передать сигнал от одного компьютера к другому.
Таким образом, линии связи в сетях можно разделить на две группы: кабельные и беспроводные.
Кабельные линии связи представляют собой достаточно сложную конструкцию.
Кабель состоит из проводников, заключённых в несколько слоёв изоляции. Кроме того, кабель должен быть оснащён разъёмами, позволяющими быстро выполнять присоединение к нему различного оборудования.
В компьютерных сетях применяются три основных типа кабеля: кабель на основе скрученных пар медных проводов, называемых витой парой (twisted pair), коаксиальные кабели (coaxial), а также оптоволоконный кабель (optical fiber).
Витая пара существует в экранированном варианте, когда пара медных проводов обёртывается в изолированный материал и неэкранированном, когда изоляционная обёртка отсутствует. Благодаря своей дешевизне, лёгкости в установке и универсальности (может использоваться в большинстве сетевых технологий), неэкранированная витая пара сейчас является самым распространённым типом кабеля, используемым при построении локальных сетей. Экранированная витая пара, несмотря на большую помехоустойчивость, не получила широкого применения из-за сложностей в установке – требуется заботиться о заземлении, да и кабель по сравнению с неэкранированной витой парой более жёсткий.
Коаксиальный кабель имеет несимметричную конструкцию и состоит из внутренней медной или алюминиевой жилы, слоя изоляции, экранирующей оплётки из медных проводов или алюминиевой фольги и защитной внешней оболочки. Для передачи сигнала существует два типа коаксиального кабеля – «толстый» и «тонкий».
Тонкий коаксиальный кабель – гибкий, диаметром около 0,5 см, позволяет передавать данные без затухания на расстояния до 300 м. Толстый коаксиальный кабель – относительно жёсткий, диаметром чуть больше 1 см, позволяет передавать сигнал на расстояния до 500 м.
В настоящее время применяется редко, в большинстве сетей он заменён витой парой или оптическими кабелями.
Оптоволоконный кабель значительно отличается от других видов кабелей тем, что передаёт световые, а не электрические импульсы. Он очень похож на коаксиальный, но вместо медной или алюминиевой жилы используется сердечник из стекловолокна, по которому передаются световые лучи инфракрасного диапазона.
Оптоволоконный кабель идеально подходит для создания сетевых магистралей, так как он не чувствителен к влажности и другим внешним условиям; обеспечивает повышенную по сравнению с медью секретность передаваемых данных, так как не испускает электромагнитного излучения, и к нему практически невозможно подключиться без разрушения целостности и главное, обеспечивает передачу данных с очень высокой скоростью.
Недостатки оптоволокна в основном связаны со стоимостью его прокладки и эксплуатации, которые намного выше, чем для медной среды передачи данных, но благодаря совершенствованию оптоволоконной технологии данный кабель становится всё более приемлемым по цене. Существуют несколько типов оптических кабелей, отличающихся по своему назначению.
В компьютерных сетях сегодня применяют практически все описанные типы кабелей, но наиболее перспективным является оптоволоконный кабель
Для определения единой кабельной системы, поддержанной большим количеством разных сетевых технологий, был принят стандарт Международной организацией по стандартизации ISO 11801E 1995.
Основные проблемы, характерные для всех видов кабельных сетей, - их низкая мобильность, довольно большие капиталовложения в кабельную инфраструктуру и относительно малая дальность передачи сигнала. Таких недостатков нет в беспроводных сетях.
Для беспроводной передачи используется несколько способов.
Технологии радиосвязи пересылают данные на радиочастотах и практически не имеют ограничения по дальности. Они используются как в локальных сетях, так и для сетевых соединений на большие расстояния. Но так как радиосигналы легко перехватить, требуется обязательная защита данных кодированием или шифрованием.
Передача данных в спутниковых системах связей использует более высокие частоты и применяется как на коротких расстояниях (объединение локальных сетей в разных зданиях), так и в глобальных коммуникациях – с помощью спутников и наземных спутниковых антенн.
Главное ограничение такой связи: и передатчик, и приёмник должны быть в зоне прямой видимости друг друга. В спутниковых системах связи используются антенны сверхвысокочастотного диапазона для приёма радиосигналов от передающих наземных станций и для ретрансляции этих сигналов обратно на наземные станции.
Существуют два основных режимов спутниковых систем.
При первом режиме сигналы передающей станции могут приниматься любой наземной станцией, находящейся в зоне приёма спутника. Такой режим называется широковещательным.
При втором режиме каждый спутниковый канал жёстко закреплён между двумя наземными станциями. Остальные станции не могут принимать сигналы этого спутника.
Главной особенностью этого вида связи является большое время распространения сигнала при передаче. Значительная зона действия связи сопряжена с некоторыми проблемами обеспечения конфиденциальности, так как сигнал может быть перехвачен нелегальной станцией, поэтому необходимы специальные меры защиты информации.
2. КЛАССИФИКАЦИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ
Для классификации компьютерных сетей используются различные признаки, но чаще всего сети делят на типы по территориальному признаку. В связи с этим выделяют локальные, глобальные и городские сети.
К локальным сетям — Local Area Networks (LAN) — относят сети компьютеров, сооединенные на небольшой территории (в радиусе не более 1- 2 км ). Из-за малых расстояний в локальных сетях используются дорогие высококачественные линии связи, которые позволяют достигать высоких скоростей обмена данными (более 100 Мбит/с). В связи с этим услуги, предоставляемые локальными сетями, отличаются широким разнообразием и обычно предусматривают реализацию в режиме on-line .
Глобальные сети — Wide Area Networks (WAN) — объединяют территориально рассредоточенные компьютеры, которые могут находиться в различных городах и странах. Поэтому в глобальных сетях часто используются уже существующие линии связи, предназначенные совсем для других целей (телефонные и телеграфные каналы). Из-за низких скоростей таких линий связи в глобальных сетях (десятки килобит в секунду) набор предоставляемых услуг обычно ограничивается передачей файлов, преимущественно не в оперативном, а в фоновом режиме с использованием электронной почты. Для устойчивой передачи дискретных данных по некачественным линиям связи применяются методы и оборудование, существенно отличающиеся от таковых для локальных сетей. Как правило, здесь применяются сложные процедуры контроля и восстановления данных, так как наиболее типичный режим передачи данных по территориальному каналу связи связан со значительными искажениями сигналов.
Городские сети (или сети мегаполисов) — Metropolitan Area Networks (MAN) — занимают промежуточное положение и включают в себя черты локальных и глобальных сетей. Они используют цифровые магистральные линии связи, часто оптоволоконные, и предназначены для связи локальных сетей в масштабах города и соединения локальных сетей с глобальными . Развитие технологии сетей мегаполисов осуществлялось местными телефонными компаниями.
Рассмотрим основные отличия локальных сетей от глобальных (однако в последнее время эти отличия становятся менее заметными).
В настоящее время в мире локальных и глобальных сетей явно наметилось движение навстречу друг другу, которое уже сегодня привело к значительному взаимопроникновению технологий локальных и глобальных сетей.
Одним из проявлений этого сближения является появление сетей масштаба большого города (MAN), занимающих промежуточное положение между локальными и глобальными сетями. При достаточно больших расстояниях между узлами они обладают качественными линиями связи и высокими скоростями обмена, даже более высокими, чем в классических локальных сетях.
Сближение в методах передачи данных происходит на платформе оптической цифровой (немодулированной) передачи данных по оптоволоконным линиям связи. Из-за резкого улучшения качества каналов связи в глобальных сетях начали отказываться от сложных и избыточных процедур обеспечения корректности передачи данных. В результате скорости передачи данных в уже существующих коммерческих глобальных сетях нового поколения приближаются к традиционным скоростям локальных сетей (в сетях frame relay 2 Мбит/с), а в глобальных сетях ATM - 622 Мбит/ с .
В локальных сетях в последнее время уделяется такое же большое внимание методам обеспечения защиты информации от несанкционированного доступа, как и в глобальных сетях. Такое внимание обусловлено тем, что локальные сети перестали быть изолированными, чаще всего они имеют выход в глобальные сети. При этом часто используются те же методы — шифрование данных, аутентификация пользователей, возведение защитных барьеров, предохраняющих от проникновения в сеть извне.
И, наконец, появляются новые технологии, изначально предназначенные для обоих видов сетей. Наиболее ярким представителем нового поколения технологий является технология ATM, которая может служить основой не только локальных и глобальных компьютерных сетей, но и телефонных сетей, а также широковещательных видеосетей , объединяя все существующие типы трафика в одной транспортной сети.
Еще одним популярным способом классификации сетей является их классификация по масштабу производственного подразделения, в пределах которого действует сеть. Различают сети отделов, сети кампусов и корпоративные сети.
Сети отделов (рис.14) — это сети, которые используются сравнительно небольшой группой сотрудников, работающих в одном отделе предприятия. Эти сотрудники решают некоторые общие задачи. Сети отделов обычно не разделяются на подсети и являются однородными (одна сетевая технология и сетевая ОС).
Существует и другой тип сетей — сети рабочих групп. К таким сетям относят совсем небольшие сети, включающие до 10-20 компьютеров. Характеристики рабочих групп практически не отличаются сетей отделов, однако простота сети и однородность здесь проявляются в наибольшей степени.
Рис. 14. Пример сети масштаба отдела
Сети кампусов (рис. 15) - сети любых предприятий и организаций, которые объединяют множество сетей различных отделов одного предприятия в пределах отдельного здания или в пределах одной территории, покрывающей площадь несколько квадратных километров. Глобальные соединения в сетях кампусов не используются. Важной службой, предоставляемой сетями кампусов, стал доступ к корпоративным базам данных независимо от того, на каких типах компьютеров они располагаются.
В этих сетях возникают проблемы интеграции неоднородного аппаратного и программного обеспечения.
Корпоративные сети (рис.16) называют также сетями масштаба предприятия. Эти сети объединяют большое количество компьютеров на всех территориях отдельного предприятия. Они могут покрывать город, регион и даже континент. Расстояния между сетями отдельных территорий могут оказаться такими, что становится необходимым использование глобальных связей. Для соединения удаленных локальных сетей и отдельных компьютеров в корпоративной сети применяются разнообразные телекоммуникационные средства, в том числе телефонные каналы, радиоканалы, спутниковая связь.
Непременным атрибутом такой сложной и крупномасштабной сети является высокая степень гетерогенности . В корпоративной сети обязательно используются различные типы компьютеров — от мэйнфреймов до ПК, несколько типов операционных систем и множество различных приложений.
7. ФИЗИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ
7.1. Каналы связи
Линия связи, ( line ) (рис. 21) состоит в общем случае из физической среды, по которой передаются электрические информационные сигналы, аппаратуры передачи данных и промежуточной аппаратуры. Синонимом термина линия связи является термин канал связи ( channel ).
Рис. 21. Состав линии связи
Физическая среда передачи данных ( medium ) может представлять собой кабель, то есть набор проводов, изоляционных и защитных оболочек и соединительных разъемов, а также земную атмосферу или космическое пространство, через которые распространяются электромагнитные волны.
В зависимости от среды передачи данных линии связи разделяются на следующие (рис. 22):
· кабельные (медные и волоконно-оптические);
· радиоканалы наземной и спутниковой связи.
Рис. 22. Типы линий связи
Проводные (воздушные) линии связи представляют собой провода без каких-либо изолирующих или экранирующих оплеток, проложенные между столбами и висящие в воздухе. По таким линиям связи традиционно передаются телефонные или телеграфные сигналы. Скоростные качества и помехозащищенность этих линий минимальна. Сегодня проводные линии связи быстро вытесняются кабельными .
Кабельные линии представляют собой достаточно сложную конструкцию. Кабель состоит из проводников, заключенных в несколько слоев изоляции: электрической, электромагнитной, механической, а также климатической. Кроме того, кабель может быть оснащен разъемами, позволяющими быстро выполнять присоединение к нему различного оборудования. В компьютерных сетях применяются три основных типа кабеля: кабели на основе скрученных пар медных проводов, коаксиальные кабели с медной жилой, а также волоконно-оптические кабели.
Скрученная пара проводов называется витой парой ( twisted pair ). Витая пара существует в экранированном варианте ( Shielded Twistedpair , STP) и неэкранированном ( Unshielded TwistedPair , UTP). Скручивание проводов снижает влияние внешних помех на полезные сигналы, передаваемые по кабелю. Коаксиальный кабель ( coaxial ) имеет несимметричную конструкцию и состоит из внутренней медной жилы и оплетки, отделенной от жилы слоем изоляции. Существует несколько типов коаксиального кабеля, отличающихся характеристиками и областями применения — для локальных сетей, глобальных сетей, кабельного телевидения и т.п. Волоконно-оптический кабель ( opticalfiber ) состоит из тонких (5-60 мкм) волокон, по которым распространяются световые сигналы. Это наиболее качественный тип кабеля — он обеспечивает передачу данных с очень высокой скоростью (до 10 Гбит/ с и выше) и к тому же лучше других обеспечивает защиту данных от внешних помех.
Радиоканалы наземной и спутниковой связи образуются с помощью передатчика и приемника радиоволн. Существует большое количество различных типов каналов. Диапазоны коротких, средних и длинных волн (KB, СВ и ДВ), называемые также диапазонами амплитудной модуляции ( Amplitude Modulation , AM), обеспечивают дальнюю связь, но при невысокой скорости передачи данных. Более скоростными являются каналы, работающие на диапазонах ультракоротких волн (УКВ), для которых характерна частотная модуляция ( Frequency Modulation , FM), а также диапазонах сверхвысоких частот (СВЧ или microwaves ). В диапазоне СВЧ (свыше 4 ГГц) сигналы уже не отражаются ионосферой Земли и, для устойчивой связи, требуется наличие прямой видимости между передатчиком и приемником. Поэтому такие частоты используют либо спутниковые, либо радиорелейные каналы.
В компьютерных сетях сегодня применяются практически все описанные типы физических сред передачи данных, но наиболее перспективными являются волоконно-оптические. Спутниковые каналы и радиосвязь используются в тех случаях, когда кабельные связи применить нельзя — например, при прохождении канала через малонаселенную местность или же для связи с мобильным пользователем сети.
Аппаратура передачи данных ( АПД или DCE — Data Circuit terminating Equipment ) непосредственно связывает компьютеры или локальные сети и является, таким образом, пограничным оборудованием. Примерами DCE являются модемы, терминальные адаптеры сетей ISDN, оптические модемы, устройства подключения к цифровым каналам. Обычно DCE работает на физическом уровне, отвечая за передачу и прием сигнала нужной формы и мощности в физическую среду.
Аппаратура пользователя линии связи, вырабатывающая данные и подключаемая непосредственно к аппаратуре передачи данных, обобщенно носит название оконечное оборудование данных (ООД или DTE — Data Terminal Equipment ). Примером DTE могут служить компьютеры или маршрутизаторы локальных сетей. Эту аппаратуру не включают в состав линии связи.
Промежуточная аппаратура обычно используется на линиях связи большой протяженности и решает две основные задачи:
- улучшение качества сигнала;
- создание постоянного составного канала связи между двумя абонентами сети.
В глобальных сетях необходимо обеспечить качественную передачу сигналов на большие расстояния. Поэтому без усилителей сигналов, установленных через определенные расстояния, построить территориальную линию связи невозможно.
Промежуточная аппаратура канала связи прозрачна для пользователя. В действительности промежуточная аппаратура образует сложную сеть, которую называют первичной сетью, так как сама по себе она никаких высокоуровневых служб не поддерживает, а только служит основой для построения компьютерных, телефонных или иных сетей.
В зависимости от типа промежуточной аппаратуры все линии связи делятся на аналоговые и цифровые. В аналоговых линиях промежуточная аппаратура предназначена для усиления аналоговых сигналов. Для создания высокоскоростных каналов, которые мультиплексируют несколько низкоскоростных аналоговых абонентских каналов, обычно используется техника частотного мультиплексирования ( Frequency Division Multiplexing , FDM).
В цифровых линиях связи передаваемые сигналы имеют конечное число состояний. С помощью таких сигналов передаются как компьютерные данные, так и оцифрованные речь и изображение. В цифровых каналах связи промежуточная аппаратура улучшает форму импульсов и обеспечивает их ресинхронизацию (то есть восстанавливает период их следования). Промежуточная аппаратура образования высокоскоростных цифровых каналов работает по принципу временного мультиплексирования каналов ( Time Division Multiplexing , TDM), когда каждому низкоскоростному каналу выделяется определенная доля времени (тайм-слот или квант) высокоскоростного канала.
К основным характеристикам линий связи относятся:
- амплитудно-частотная характеристика;
- полоса пропускания;
- затухание;
- помехоустойчивость;
- перекрестные наводки на ближнем конце линии;
- пропускная способность;
- достоверность передачи данных;
- удельная стоимость.
Основными являются пропускная способность и достоверность передачи данных. Они характеризуют как линии связи, так и способ передачи данных.
Из теории гармонического анализа известно, что любой периодический процесс можно представить в виде суммы синусоидальных колебаний различных частот и различных амплитуд (рис. 23). Каждая синусоида называется также гармоникой, а набор всех гармоник называют спектральным разложением исходного сигнала. Непериодические сигналы можно представить интегралом синусоид с непрерывным спектром частот (от 0 до + ∞) (рис. 24).
Рис.23. Представление периодического сигнала суммой синусоид
Рис.24. Спектральное разложение идеального импульса
Искажение передающим каналом синусоиды какой-либо частоты приводит к искажению передаваемого сигнала любой формы, особенно если синусоиды различных частот искажаются неодинаково. В результате сигналы могут плохо распознаваться.
Линия связи искажает передаваемые сигналы из-за того, что ее физические параметры отличаются от идеальных . Так, медные провода всегда представляют собой некоторую комбинацию активного сопротивления, емкостной и индуктивной нагрузки (это наиболее ярко проявляется в области высоких частот). Волоконно-оптический кабель также имеет отклонения, мешающие идеальному распространению света.
Кроме искажений сигналов, вносимых внутренними физическими параметрами линии связи, существуют и внешние помехи. Они создаются различными электрическими двигателями, электронными устройствами, атмосферными явлениями и т. д.
Степень искажения синусоидальных сигналов линиями связи оценивается с помощью таких характеристик, как амплитудно-частотная характеристика и полоса пропускания.
Амплитудно-частотная характеристика (рис. 25) показывает, как затухает амплитуда синусоиды на выходе линии связи по сравнению с амплитудой на ее входе для всех возможных частот передаваемого сигнала.
Рис. 25. Амплитудно-частотная характеристика
Знание амплитудно-частотной характеристики реальной линии позволяет определить форму выходного сигнала для любого входного сигнала.
Полоса пропускания ( bandwidth ) - это непрерывный диапазон частот, для которого отношение амплитуды выходного сигнала к входному превышает некоторый заранее заданный предел (обычно 0,5). То есть определяет диапазон частот синусоидального сигнала, которые передаются без значительных искажений. Этот параметр зависит от типа лин ии и ее протяженности.
Пропускная способность ( throughput ) линии характеризует максимально возможную скорость передачи данных по линии связи. Пропускная способность измеряется в битах в секунду — бит/с, а также в производных единицах, таких как килобит секунду (Кбит/с), мегабит в секунду (Мбит/с), гигабит в секунду (Гбит/с) и т. д.
Пропускная способность линий связи и коммуникационного сетевого оборудования традиционно измеряется в битах в секунду, а не в байтах в секунду. Это связано с тем, что данные в сетях передаются последовательно. Такие единицы измерения, как килобит, мегабит или гигабит, в сетевых технологиях строго соответствуют степеням 10 (килобит - это 1000 бит, а мегабит - это 1 000 000 бит).
Пропускная способность линии связи зависит не только от ее характеристик, таких как амплитудно-частотная характеристика, но и от спектра передаваемых сигналов. Если значимые гармоники сигнала попадают в полосу пропускания линии, то такой сигнал будет хорошо передаваться данной линией связи и приемник сможет правильно распознать информацию, отправленную по линии передатчиком (рис. 26).
Рис. 26. Соответствие между полосой пропускания линии связи и спектром сигнала
Выбор способа представления дискретной информации в виде сигналов, подаваемых на линию связи, называется физическим или линейным кодированием.
Теория информации говорит, что любое различимое и непредсказуемое изменение принимаемого сигнала несет в себе информацию. Так большинство способов кодирования используют изменение какого-либо параметра периодического сигнала — частоты, амплитуды и фазы синусоиды или же знак потенциала последовательности импульсов. Периодический сигнал, параметры которого изменяются, называют несущим сигналом или несущей частотой.
Количество изменений информационного параметра несущего периодического сигнала в секунду измеряется в бодах ( baud ). Период времени между соседними изменениями информационного сигнала называется тактом работы передатчика. Пропускная способность линии в битах в секунду в общем случае не совпадает с числом бод, это соотношение зависит от способа кодирования.
На пропускную способность линии оказывает влияние не только физическое, но и логическое кодирование. Логическое кодирование выполняется до физического кодирования и подразумевает замену бит исходной информации новой последовательностью бит, несущей ту же информацию, но обладающей дополнительными свойствами. Другим примером логического кодирования может служить шифрация данных, обеспечивающая их конфиденциальность при передаче через общественные каналы связи.
Чем выше частота несущего периодического сигнала, тем больше информации в единицу времени передается по линии и тем выше пропускная способность линии при фиксированном способе физического кодирования. Однако с увеличением частоты периодического несущего сигнала увеличивается его ширина спектра. Чем больше несоответствие между полосой пропускания линии и шириной спектра передаваемых информационных сигналов, тем больше сигналы искажаются и тем вероятнее ошибки в распознавании информации принимающей стороной, а значит, скорость передачи информации оказывается меньше.
Связь между полосой пропускания лин ии и ее максимально возможной пропускной способностью, вне зависимости от принятого способа физического кодирования, установил Клод Шеннон:
где С – максимальная пропускная способность линии, бит/с;
F – ширина полосы пропускания линии, Гц ;
РС – мощность сигнала;
РШ – мощность шума.
Из этого соотношения видно, что хотя теоретического предела пропускной способности линии с фиксированной полосой пропускания не существует. Однако повышение мощности передатчика ведет к значительному увеличению его габаритов и стоимости. Снижение уровня шума требует применения специальных кабелей с хорошими защитными экранами, что весьма дорого, а также снижения шума в передатчике и промежуточной аппаратуре, чего достичь весьма не просто. К тому же при достаточно типичном исходном отношении мощности сигнала к мощности шума в 100 раз повышение мощности передатчика в 2 раза даст только 15 % увеличения пропускной способности линии.
Близким по сути к формуле Шеннона является соотношение, полученное Найквистом, которое также определяет максимально возможную пропускную способность линии связи:
где М — количество различимых состояний информационного параметра.
Хотя формула Найквиста явно не учитывает наличие шума, косвенно его влияние отражается в выборе количества состояний информационного сигнала. Для повышения пропускной способности канала увеличивают это количество до значительных величин, но на практике оно ограничено из-за шума на линии.
Помехоустойчивость линии определяет ее способность уменьшать уровень помех, создаваемых во внешней среде, на внутренних проводниках. Помехоустойчивость линии зависит от типа используемой физической среды, а также от экранирующих и подавляющих помехи средств самой линии. Наименее помехоустойчивыми являются радиолинии, хорошей устойчивостью обладают кабельные линии и отличной — волоконно-оптические линии.
Перекрестные наводки на ближнем конце ( Near End Cross Talk — NEXT) определяют помехоустойчивость кабеля к внутренним источникам помех, когда электромагнитное поле сигнала, передаваемого выходом передатчика по одной паре проводников, наводит на другую пару проводников сигнал помехи. Показатель NEXT, выраженный в децибелах: , где РВЫХ и РНАВ — мощность выходного и наведенного сигнала.
В связи с тем, что в некоторых новых технологиях используется передача данных одновременно по нескольким витым парам, в последнее время стал применяться показатель PowerSUM , являющийся модификацией показателя NEXT. Этот показатель отражает суммарную мощность перекрестных наводок от всех передающих пар в кабеле.
Достоверность передачи данных или интенсивность битовых ошибок ( Bit Error Rate , BER) характеризует вероятность искажения для каждого передаваемого бита данных. Величина BER для каналов связи составляет, как правило, 10 -4 -10 -6 , в оптоволоконных линиях связи — 10 -9 . Значение достоверности передачи данных, например, в 10 -4 говорит о том, что в среднем из 10 000 бит искажается значение одного бита.
Ethernet - самая популярная технология построения локальных сетей. Основанная на стандарте IEEE 802.3, Ethernet передает данные со скоростью 10 Мбит/с. В сети Ethernet устройства проверяют наличие сигнала в сетевом канале ("прослушивают" его). Если канал не использует никакое другое устройство, то устройство Ethernet передает данные. Каждая рабочая станция в этом сегменте локальной сети анализирует данные и определяет, предназначены ли они ей.
Технология Клиент-сервер. Характер взаимодействия компьютеров в локальной сети принято связывать с их функциональным назначением. Как и в случае прямого соединения, в рамках локальных сетей используется понятие клиент и сервер. Технология клиент-сервер — это особый способ взаимодействия компьютеров в локальной сети, при котором один из компьютеров (сервер) предоставляет свои ресурсы другому компьютеру (клиенту). В соответствии с этим различают одноранговые сети и серверные сети.
При одноранговой архитектуре в сети отсутствуют выделенные серверы, каждая рабочая станция может выполнять функции клиента и сервера. В этом случае рабочая станция выделяет часть своих ресурсов в общее пользование всем рабочим станциям сети. Как правило, одноранговые сети создаются на базе одинаковых по мощности компьютеров.
Наличие распределенных данных и возможность изменения своих серверных ресурсов каждой рабочей станцией усложняет защиту информации от несанкционированного доступа, что является одним из недостатков одноранговых сетей. Другим недостатком одноранговых сетей является их более низкая производительность. Это объясняется тем, что сетевые ресурсы сосредоточены на рабочих станциях, которым приходится одновременно выполнять функции клиентов и серверов.
В серверных сетях осуществляется четкое разделение функций между компьютерами: одни их них постоянно являются клиентами, а другие — серверами. Учитывая многообразие услуг, предоставляемых компьютерными сетями, существует несколько типов серверов, а именно: сетевой сервер, файловый сервер, сервер печати, почтовый сервер и др.
Сетевой сервер представляет собой специализированный компьютер, ориентированный на выполнение основного объема вычислительных работ и функций по управлению компьютерной сетью.
При построении сетей применяются линии связи, в которых используются различные физические среды: подвешенные в воздухе телефонные и телеграфные провода, проложенные под землей и по дну океана медные коаксиальные и волоконно-оптические кабели, опутывающие все современные офисы медные витые пары, всё проникающие радиоволны.
В данной лабораторной работе рассматриваются как общие характеристики линий связи, не зависящие от их физической природы, такие как полоса пропускания, пропускная способность, помехоустойчивость и достоверность передачи, так особенности присущие конкретной физической среде.
Ширина полосы пропускания является фундаментальной характеристикой канала связи, так как определяет максимально возможную информационную скорость канала, которая называется пропускной способностью канала. Формула Найквиста выражает эту зависимость для идеального канала, а формула Шеннона учитывает наличие в реальном канале шума.
В подавляющем большинстве компьютерных сетей (особенно локальных) используются проводные или кабельные каналы связи, хотя существуют и беспроводные сети, которые сейчас находят все более широкое применение, особенно в портативных компьютерах.
Общие основные характеристики линий связи локальных вычислительных сетей.
Средой передачи информации называются те линии связи (или каналы связи), по которым производится обмен информацией между компьютерами.
Передача на большие расстояния при любом типе кабеля требует сложной передающей и приемной аппаратуры, так как при этом необходимо формировать мощный сигнал на передающем конце и детектировать слабый сигнал на приемном конце. При последовательной передаче для этого требуется всего один передатчик и один приемник. При параллельной же количество требуемых передатчиков и приемников возрастает пропорционально разрядности используемого параллельного кода.
К тому же при параллельной передаче чрезвычайно важно, чтобы длины отдельных кабелей были точно равны друг другу. Иначе в результате прохождения по кабелям разной длины между сигналами на приемном конце образуется временной сдвиг, который может привести к сбоям в работе или даже к полной неработоспособности сети. Например, при скорости передачи 100 Мбит/с и длительности бита 10нс (10*10 -9 сек) этот временной сдвиг не должен превышать 5—10 нс. Такую величину сдвига дает разница в длинах кабелей в 1—2 метра. При длине кабеля 1000 метров это составляет 0,1—0,2%.
Надо отметить, что в некоторых высокоскоростных локальных сетях все-таки используют параллельную передачу по 2—4 линиям, что позволяет при заданной скорости передачи применять более дешевые кабели с меньшей полосой пропускания. Но допустимая длина кабелей при этом не превышает сотни метров. Примером может служить сегмент 100BASE-T4 (кабель витая пара UTP 4cat.) или 1000Base-T (кабель витая пара UTP 5cat.) стандарт Ethernet.
В связи с этим, даже если разрабатывается сеть незначительной длины (порядка десятка метров) чаще всего выбирают последовательную передачу.
Каждый тип кабеля имеет свои преимущества и недостатки, так что при выборе надо учитывать как особенности решаемой задачи, так и особенности конкретной сети, в том числе и используемую топологию.
Электромагнитные характеристики линий и каналов связи определены международными европейскими стандартами.
В настоящее время действует следующие стандарты на кабели:
· EIA/TIA 568 (Commercial Building Telecommunications Cabling Standard) – американский;
· ISO/IEC IS 11801 (Generic cabling for customer premises) – международный;
· CENELEC EN 50173 (Generic cabling systems) – европейский.
Эти стандарты описывают практически одинаковые кабельные системы, но отличаются терминологией и нормами на параметры. В данной работе предлагается придерживаться терминологии стандарта EIA/TIA 568 и ISO/IEC IS 11801.
Характеристики линий и каналов связи зависят от конструктивных особенностей, качества применяемых материалов, технологии изготовления, воздействия внешних факторов, частоты, скорости и минимальной длительности передаваемых сигналов. По ширине полосы пропускаемых частот каналы и линии подразделяются на классы:
• класс А — 0,1 МГц;
• класс В — 1,0 МГц;
• класс С - 16,0 МГц;
• класс D- 100,0 МГц;
• класс Е - 250,0 МГц;
• класс F - 600,0 МГц.
Весь тракт физической среды от источника сигналов до приемника, состоит из активного оборудования и пассивного. К активному оборудованию относятся: концентраторы, коммутаторы, маршрутизаторы, медиаконверторы, сервера, рабочие станции. Пассивное оборудование состоит из следующих компонентов: кабели, коннекторы, вилки, гнезда, коммутационные Patch’s панели, телекоммуникационные шкафы, кабель каналы, короба и пр. Полностью смонтированная система, состоящая из пассивного оборудования, и выполненная по определенным правилам и стандартам называется «Структурированная Кабельная Система» - СКС.
Непосредственно компоненты, из которых создается СКС (кабели, коннекторы, вилки, гнезда и т. п.) классифицируются в выше указанных международных стандартах ISO/IEC и TIA/EIA-568 по категориям. Критерием отнесения компонента к категории является также ширина полосы пропускаемых им частот:
· категория 1 0,1МГц;
· категория 2 1,0 МГц;
· категория 3 16 МГц;
· категория 4 20 МГц;
· категория 5 100 МГц;
· категория 6 250 МГц;
· категория 7 600 МГц
Категории 1, 2 стандартом ISO/IEC 11801 не рассматриваются.
Можно выделить следующие основные параметры кабелей, принципиально важные для использования в локальных сетях:
1. Затухание (attenuation) определяется как относительное уменьшение амплитуды или мощности сигнала при передаче по линии сигнала определенной частоты. Часто при эксплуатации линии заранее известна основная частота передаваемого сигнала, то есть та частота, гармоника которой имеет наибольшую амплитуду и мощность. Поэтому достаточно знать затухание на этой частоте, чтобы приблизительно оценить искажения передаваемых по линии сигналов. Более точные оценки возможны при знании затухания на нескольких частотах или в полосе частот, охватывающих несколько основных гармоник передаваемого сигнала. Затухание А обычно измеряется в децибелах (дБ, decibel - dB) и вычисляется по следующей формуле:
А = 10 log10 Рout /Рin, (3.1.)
где Рout - мощность сигнала на выходе линии, Рin - мощность сигнала на входе линии.
Так как мощность выходного сигнала кабеля без промежуточных усилителей всегда меньше, чем мощность входного сигнала, затухание кабеля всегда является отрицательной величиной. Например, кабель витой пары категории 5 характеризуется затуханием не ниже -23,6 дБ для частоты 100 МГц при длине кабеля 100 м
2. Амплитудно-частотная характеристика (рис. 3.1.) показывает, как затухает амплитуда синусоиды на выходе линии связи по сравнению с амплитудой на ее входе для всех возможных частот передаваемого сигнала. Вместо амплитуды в этой характеристике используют такой параметр сигнала, как затухание (см. формулу 3.1.). Знание амплитудно-частотной характеристики реальной линии позволяет определить форму выходного сигнала практически для любого входного сигнала. Для этого необходимо найти спектр входного сигнала, преобразовать амплитуду составляющих его гармоник в соответствии с амплитудно-частотной характеристикой, а затем найти форму выходного сигнала, сложив преобразованные гармоники. С ростом частоты сигнала растет затухание сигнала. Надо выбирать кабель, который на заданной частоте сигнала имеет приемлемое затухание. Или же надо выбирать частоту сигнала, на которой затухание еще приемлемо.
3. Помехозащищенность кабеля и обеспечиваемая им секретность передачи информации. Эти два взаимосвязанных параметра показывают, как кабель взаимодействует с окружающей средой, то есть, как он реагирует на внешние помехи, и насколько просто прослушать информацию, передаваемую по кабелю.
4. Полоса пропускания (bandwidth) - это непрерывный диапазон частот, для которого отношение амплитуды выходного сигнала к входному превышает некоторый заранее заданный предел, обычно 0,5. То есть полоса пропускания определяет диапазон частот синусоидального сигнала, при которых этот сигнал передается по линии связи без значительных искажений. Знание полосы пропускания позволяет получить с некоторой степенью приближения тот же результат, что и знание амплитудно-частотной характеристики. Ширина полосы пропускания в наибольшей степени влияет на максимально возможную скорость передачи информации по линии связи.
Рис 3.1. Амплитудно-частотная характеристика и полоса пропускания линии (канала) связи
|
.
5. Пропускная способность линии (throughput) характеризует максимально возможную скорость передачи данных, которая может быть достигнута на этой линии. Особенностью пропускной способности является то, что, с одной стороны, эта характеристика зависит от параметров физической среды, а с другой - определяется способом передачи данных. Следовательно, говорить о пропускной способности линии связи следует после того, когда определен протокол физического уровня.
Пропускная способность линий связи и коммуникационного сетевого оборудования измеряется в битах в секунду, а не в байтах в секунду. Это связано с тем, что данные в сетях передаются последовательно, то есть побитно, а не параллельно - байтами, как это происходит между устройствами внутри компьютера.
Такие единицы измерения, как килобит, мегабит или гигабит, в сетевых технологиях строго соответствуют степеням 10 (то есть килобит - это 1000 бит, а мегабит - это 1 000000 бит), как это принято во всех отраслях науки и техники, а не близким к этим числам степеням 2, как это принято в программировании, где приставка «кило» равна 2 10 =1024, а «мега» - 2 20 = 1048576.
Пропускная способность линий тесно связана с полосой пропускания. Эту связь ещё в 1924г. установил американский ученый X. Найквист (Н. Nyquist) из компании AT&T на основании теоремы Котельникова о дискретизации сигналов.
Найквист доказал, что если сигнал имеет M - количество различимых состояний информационного параметра, F- полоса пропускания в герцах, то (пропускная способность линий)
C=2*F*log2M(3.2)
Формула X. Найквиста, применима для идеального канала (линии) связи.
В реальных каналах и линиях связи на пропускную способность влияют соотношение уровня полезного сигнала и уровня помех.
Связь между полосой пропускания линии, и ее пропускной способностью вне зависимости от принятого способа физического кодирования установил Клод Шеннон:
Здесь C — пропускная способность линии в битах в секунду. F - ширина полосы пропускания линии в герцах, Pc— мощность сигнала, Pш — мощность шума.
6. Скорость распространения сигнала по кабелю или обратный параметр – задержка сигнала на метр длины кабеля. Этот параметр не связан с пропускной способностью линии (полосой пропускания), а отражает свойства среды передачи (медь, оптоволокно, радиоволны). В данном случае этот параметр имеет принципиальное значение при выборе длины сети. Типичные величины скорости распространения сигнала – от 0,6 до 0,8 от скорости распространения света в вакууме. Соответственно типичные величины задержек – от 4 до 5 нс/м.
7. Для электрических кабелей очень важна величина волнового сопротивления кабеля. Волновое сопротивление важно учитывать при согласовании кабеля для предотвращения отражения сигнала от концов кабеля. Волновое сопротивление зависит от формы и взаиморасположения проводников, от технологии изготовления и материала диэлектрика кабеля. Типичные значения волнового сопротивления – от 50 до 150 Ом.
Читайте также: