Современные технические средства обмена данных и каналообразующей аппаратуры.

Лекция 13 Понятие об информационно-вычислительной сети

 

1. Классификация и архитектура информационно-вычислительных сетей.

Каналы передачи данных и их характеристики.

Современные технические средства обмена данных и каналообразующей аппаратуры.

Литература: 1. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации /

В. Л. Бройдо. – СПб.: Питер, 2003.

2. Телекоммуникационные системы и сети: Учебное

пособие. В 3 томах. Том 1 – Современные технологии /

Б.И.Крук, В.Н.Попантонопуло, В.П.Шувалов; под ред.

проф. В.П.Шувалова. – Изд. 3-е, испр. и доп. – М.:

Горячая линия – Телеком, 2003.

 

1 Классификация и архитектура информационно-

вычислительных сетей

 

В настоящее время сетевое применение компьютерных тех­нологий становится основным. В условиях производства на раз­личных предприятиях, в офисах, фирмах и учреждениях отдель­но стоящий, не соединенный с другими компьютер является скорее исключением, чем правилом. Даже в домашних услови­ях большинство пользователей стремится к сетевому подклю­чению своего компьютера через модем. Можно смело утверж­дать, что через некоторое время большинство компьютеров будет включено в те или иные сети. Тенденции развития про­граммного обеспечения требуют, чтобы и отдельно стоящий компьютер был снабжен сетевыми программными средствами (браузерами, программными реализациями протоколов и т.п.). Широко используется концепция закольцованного локального сетевого интерфейса TCP/IP, позволяющего отлаживать сетевые приложения в отдельно стоящем компьютере.

Такому состоянию дел предшествовали десятилетия непре­станных исследований в этой области. Современные сетевые концепции органически связаны с общими вопросами органи­зации обработки данных с применением вычислительной тех­ники. Эта наиболее прогрессирующая в последние годы область техники уже имеет собственную историю.

Компьютерные сети и сетевые технологии обработки информации стали осно­вой для построения современных информационных систем. Компьютер ныне следует рассматривать как «окно» в компьютерные сети, средство коммуникаций с сетевыми ресурсами и другими пользователями сетей.

Сети ЭВМ породили новые технологии обработки информации - сетевые технологии. В простейшем случае сетевые технологии позволяют совместно использовать ресурсы - накопители большой емкости, печатающие устройства, доступ в Internet, базы и банки данных. Но более значимым приложением сетевых информационных технологий является распределенная обработка данных.

 

Распределенная обработка данных – обработка данных, выполняемая на независимых, но связанных между собой компьютерах, представляющих территориально распределенную систему.

 

Первыми представителями систем распределенной обработки данных были системы телеобработки данных (информационно-вычислительные системы, в которых выполняется дистанционная централизованная обработка данных, поступающих в центр обработки по каналам связи) и многомашинные вычислительные системы (системы, содержащие несколько относительно самостоятельных компьютеров, связанных между собой через устройство обмена информацией, в частности по каналам связи).

Многомашинная вычислительная система есть не что иное, как информационно-вычислительная сеть.

Современная информационно-вычислительная сеть представляет собой систему компьютеров, объединенных каналами пере­дачи данных.

Основное назначение информационно-вычислительных сетей (ИВС) — обеспече­ние эффективного предоставления различных информационно-вычислительных услуг пользователям сети путем организации удобного и надежного доступа к ре­сурсам, распределенным в этой сети.

В последние годы подавляющая часть услуг большинства сетей лежит в сфере именно информационного обслуживания. В частности, информационные системы, построенные на базе ИВС, обеспечивают эффективное выполнение следую­щих задач:

- хранение данных;

- обработка данных;

- организация доступа пользователей к данным;

- передача данных и результатов обработки данных пользователям.

Эффективность решения указанных задач обеспечивается:

- распределенными в сети аппаратными, программными и информационными ресурсами;

- дистанционным доступом пользователя к любым видам этих ресурсов;

- возможным наличием централизованной базы данных наряду с распределен­ными базами данных;

- высокой надежностью функционирования системы, обеспечиваемой резерви­рованием ее элементов;

- возможностью оперативного перераспределения нагрузки в пиковые периоды;

- специализацией отдельных узлов сети на решении задач определенного класса;

- решением сложных задач совместными усилиями нескольких узлов сети;

- оперативным дистанционным информационным обслуживанием клиентов.

Информационно-вычислительные сети (ИВС), в зависимости от охватываемой ими территории, подразделяются на:

- локальные (ЛВС или LAN — Local Area Network);

- региональные (РВС или MAN — Metropolitan Area Network);

- глобальные (ГВС или WAN — Wide Area Network).

Локальной называется компьютерная сеть, абоненты которой находятся на небольшом (до 1-2 км) расстоянии друг от друга. Обычно такая сеть привязана к конкретному объекту. К классу ЛВС относятся сети от­дельных предприятий, фирм, банков, офисов, корпораций и т. д.

Из-за коротких расстояний в локальных се­тях имеется возможность использования относительно дорогих высококачествен­ных линий связи, которые позволяют, применяя простые методы передачи данных, достигать высоких скоростей обмена данными – порядка 100 Мбит/с.

Региональные сети связывают абонентов города, района, области или даже неболь­шой страны. Обычно расстояния между абонентами региональной ИВС составля­ют десятки — сотни километров. Региональные сети являются наименее распространенным типом сетей. Они появились сравнительно недавно.

Региональные сети используют цифровые магистральные линии связи, часто оптоволоконные, со скоростями от 45 Мбит/с, и предназначены для связи локальных сетей в масштабах города и соединения локальных сетей с глобальны­ми. Эти сети первоначально были разработаны для передачи данных, но сейчас они поддерживают и такие услуги, как видеоконференции и интегральную передачу голоса и текста.

Глобальные сети объединяют абонентов, удаленных друг от друга на значитель­ное расстояние, часто расположенных в различных странах или на разных конти­нентах. Взаимодействие между абонентами такой сети может осуществляться на базе телефонных линий связи, систем радиосвязи и даже спутниковой связи.

Объединение глобальных, региональных и локальных вычислительных сетей по­зволяет создавать многосетевые иерархии. Локальные вычислитель­ные сети могут входить как компоненты в состав региональной сети, региональ­ные сети — объединяться в составе глобальной сети, и, наконец, глобальные сети могут также образовывать сложные структуры. Именно такая структура принята в наиболее известной и популярной сейчас всемирной суперглобальной информа­ционной сети Интернет.

По принципу организации передачи данных сети можно разделить на две группы:

- последовательные;

- широковещательные.

В последовательных сетях передача данных выполняется последовательно от одно­го узла к другому, и каждый узел ретранслирует принятые данные дальше. Практи­чески все глобальные, региональные и многие локальные сети относятся к этому типу. В широковещательных сетях в каждый момент времени передачу может ве­сти только один узел, остальные узлы могут только принимать информацию. К та­кому типу сетей относится значительная часть ЛВС, использующая один общий канал связи (моноканал) или одно общее пассивное коммутирующее устройство.

При объединении в сеть несколько компьютеров в первую очередь необходимо выбрать способ организации их физических связей, то есть топологию.

 

Под топологией вычислительной сети понимается конфигура­ция графа, вершинам которого соответствуют компьютеры сети (иногда и другое оборудование, например концентраторы), а ребрам — физические связи между ними. Компьютеры, подключенные к сети, часто называют станциями или узла­ми сети.

 

Выбор топологии электрических связей существенно влияет на многие характе­ристики сети. Например, наличие резервных связей повышает надежность сети и делает возможным балансирование загрузки отдельных каналов. Простота присо­единения новых узлов, свойственная некоторым топологиям, делает сеть легко рас­ширяемой. Экономические соображения часто приводят к выбору топологий, для которых характерна минимальная суммарная длина линий связи.

Рассмотрим некоторые, наиболее часто встречающиеся топологии.

Полносвязная топология (рисунок 1, а) соответствует сети, в которой каждый компьютер сети связан со всеми остальными. Несмотря на логическую простоту, этот вариант оказывается громоздким и неэффективным. Действительно, каждый компьютер в сети должен иметь большое количество коммуникационных портов, достаточное для связи с каждым из остальных компьютеров сети. Для каждой пары компьютеров должна быть выделена отдельная электрическая линия связи. Полносвязные топологии применяются редко, так как не удовлетворяют ни одно­му из приведенных выше требований. Чаще этот вид топологии используется в многомашинных комплексах или глобальных сетях при небольшом количестве компьютеров.

Все другие варианты основаны на неполносвязных топологиях, когда для обме­на данными между двумя компьютерами может потребоваться промежуточная передача данных через другие узлы сети.

Ячеистая топология получается из полносвязной путем удаления некото­рых возможных связей (рисунок 1, б). В сети с ячеистой топологией непосредствен­но связываются только те компьютеры, между которыми происходит интенсивный обмен данными, а для обмена данными между компьютерами, не соединенными прямыми связями, используются транзитные передачи через промежуточные узлы. Ячеистая топология допускает соединение большого количества компьютеров и характерна, как правило, для глобальных сетей.

Рисунок 1 – Типовые топологии сетей

Общая шина (рисунок 1, в) является очень распространенной (а до недавнего времени самой распространенной) топологией для локальных сетей. В этом случае компьютеры подключаются к одному коаксиальному кабелю по схеме «монтажно­го ИЛИ». Передаваемая информация может распространяться в обе стороны. При­менение общей шины снижает стоимость проводки, унифицирует подключение различных модулей, обеспечивает возможность почти мгновенного широковещатель­ного обращения ко всем станциям сети. Таким образом, основными преимущества­ми такой схемы являются дешевизна и простота разводки кабеля по помещениям. Самый серьезный недостаток общей шины заключается в ее низкой надежности: любой дефект кабеля или какого-нибудь из многочисленных разъемов полностью парализует всю сеть. К сожалению, дефект коаксиального разъема редкостью не является. Другим недостатком общей шины является ее невысокая производитель­ность, так как при таком способе подключения в каждый момент времени только один компьютер может передавать данные в сеть. Поэтому пропускная способ­ность канала связи всегда делится здесь между всеми узлами сети.

Топология " звезда" (рисунок 1, г). В этом случае каждый компьютер подключается отдельным кабелем к общему устройству, называемому концентратором, который находится в центре сети. В функции концентратора входит направление передава­емой компьютером информации одному или всем остальным компьютерам сети. Главное преимущество этой топологии перед общей шиной — существенно боль­шая надежность. Любые неприятности с кабелем касаются лишь того компьютера, к которому этот кабель присоединен, и только неисправность концентратора мо­жет вывести из строя всю сеть. Кроме того, концентратор может играть роль ин­теллектуального фильтра информации, поступающей от узлов в сеть, и при необходимости блокировать запрещенные администратором передачи.

К недостаткам топологии звезда относится более высокая стоимость се­тевого оборудования из-за необходимости приобретения концентратора. Кроме того, возможности по наращиванию количества узлов в сети ограничиваются ко­личеством портов концентратора. Иногда имеет смысл строить сеть с использо­ванием нескольких концентраторов, иерархически соединенных между собой связями типа звезда (рисунок 1, д). В настоящее время иерархическая звезда явля­ется самым распространенным типом топологии связей как в локальных, так и глобальных сетях.

В сетях с кольцевой конфигурацией (рисунок 1, е) данные передаются по кольцу от одного компьютера к другому, как правило, в одном направлении. Если компь­ютер распознает данные как «свои», то он копирует их себе во внутренний буфер. В сети с кольцевой топологией необходимо принимать специальные меры, чтобы в случае выхода из строя или отключения какой-либо станции не прервался канал связи между остальными станциями. Кольцо представляет собой очень удобную конфигурацию для организации обратной связи — данные, сделав полный оборот, возвращаются к узлу-источнику. Поэтому этот узел может контролировать процесс доставки данных адресату. Часто это свойство кольца используется для тести­рования связности сети и поиска узла, работающего некорректно. Для этого в сеть посылаются специальные тестовые сообщения.

В то время как небольшие сети, как правило, имеют типовую топологию — звез­да, кольцо или общая шина, для крупных сетей характерно наличие произвольных связей между компьютерами. В таких сетях можно выделить отдельные произ­вольно связанные фрагменты (подсети), имеющие типовую топологию, поэтому их называют сетями со смешанной топологией (рисунок 2).

Даже в результате достаточно поверхностного рассмотрения работы в сети становится ясно, что вычислительная сеть — это сложный комплекс взаимосвязанных и согласованно функционирующих программных и аппаратных компонентов. В качестве основных элементов сети можно выделить:

- компьютеры;

- коммуникационное оборудование;

- сетевые операционные системы;

- сетевые приложения.

 

Рисунок 2 – Смешанная топология

 

 

2 Каналы передачи данных и их характеристики

Все компьютеры информационно-вычислительной сети между собой соединены линиями связи.

Линия связи (рисунок 3) в общем случае состоит из физической среды, по которой передаются электрические информационные сигналы, аппаратуры передачи дан­ных и промежуточной аппаратуры. Синонимом термина линия связи (line) являет­ся термин канал связи (channel).

Рисунок 3 – Структура 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 (рисунок 4):

- проводные (воздушные);

- кабельные (медные и волоконно-оптические);

- радиоканалы наземной и спутниковой связи.

Рисунок 4 – Типы физических сред передачи данных

 

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, но при отсутствии других возможностей эти линии исполь­зуются и для передачи компьютерных данных. Скоростные качества и помехоза­щищенность этих линий оставляют желать много лучшего. 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, возможно, 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), когда пара мед­ных проводов обертывается в изоляционный экран, и неэкранированном (Unshielded Twistedpair, UTP), когда изоляционная обертка отсутствует. 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, для глобальных сетей, для кабельно­го телевидения и т. п. Волоконно-оптический кабель (optical fiber) состоит из тонких (5-60 микрон) 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 типов передающей среды обеспечивает защиту данных от внешних помех.

Радиоканалы наземной и спутниковой связи образуются с помощью передатчика и приемника радиоволн. Существует большое количество различных типов радио­каналов, отличающихся как используемым частотным диапазоном, так и дальностью канала. Диапазоны коротких, средних и длинных волн (KB, СВ и ДВ), называемые также диапазонами амплитудной модуляции (Amplitude Modulation, AM) по типу используемого в них метода модуляции сигнала, 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 каналы, либо радиорелейные каналы, где это условие выпол­няется.

В компьютерных сетях сегодня применяются практически все описанные типы физических сред передачи данных, но наиболее перспективными являются волоконно-оптические. На них сегодня строятся как магистрали крупных территори­альных сетей, так и высокоскоростные линии связи локальных сетей. Популярной средой является также витая пара, которая характеризуется отличным соотноше­нием качества к стоимости, а также простотой монтажа. С помощью витой пары обычно подключают конечных абонентов сетей на расстояниях до 100 метров от концентратора. Спутниковые каналы и радиосвязь используются чаще всего в тех случаях, когда кабельные связи применить нельзя — например, при прохождении канала через малонаселенную местность или же для связи с мобильным пользова­телем сети, таким как шофер грузовика, врач, совершающий обход, и т. п.

Аппаратура передачи данных (АПД или DCE — Data Circuit terminating Equipment) непосредственно связывает компьютеры или локальные сети пользователя с лини­ей связи и является, таким образом, пограничным оборудованием. Традиционно аппаратуру передачи данных включают в состав линии связи. 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 для передачи по линии связи 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.

Разделение оборудования на классы DCE и DTE в локальных сетях является достаточно условным. Например, адаптер локальной сети можно считать как при­надлежностью компьютера, то есть DTE, так и составной частью канала связи, то есть DCE.

Промежуточная аппаратура обычно используется на линиях связи большой про­тяженности. Промежуточная аппаратура решает две основные задачи:

- улучшение качества сигнала;

- создание постоянного составного канала связи между двумя абонентами сети.

В локальных сетях промежуточная аппаратура может совсем не использовать­ся, если протяженность физической среды — кабелей или радиоэфира — позволяет одному сетевому адаптеру принимать сигналы непосредственно от другого сетево­го адаптера, без промежуточного усиления. В противном случае применяются уст­ройства типа повторителей и концентраторов.

В глобальных сетях необходимо обеспечить качественную передачу сигналов на расстояния в сотни и тысячи километров. Поэтому без усилителей сигналов, уста­новленных через определенные расстояния, построить территориальную линию связи невозможно. В глобальной сети необходима также и промежуточная аппара­тура другого рода — мультиплексоры, демультиплексоры и коммутаторы. Эта ап­паратура решает вторую указанную задачу, то есть создает между двумя абонентами сети составной канал из некоммутируемых отрезков физической среды — кабелей с усилителями.

Наличие промежуточной ком­мутационной аппаратуры избавляет создателей глобальной сети от необходимости прокладывать отдельную кабельную линию для каждой пары соединяемых узлов сети. Вместо этого между мультиплексорами и коммутаторами используется высо­коскоростная физическая среда, например волоконно-оптический или коаксиальный кабель, по которому передаются одновременно данные от большого числа сравни­тельно низкоскоростных абонентских линий. А когда нужно образовать постоян­ное соединение между какими-либо двумя конечными узлами сети, находящимися, например, в разных городах, то мультиплексоры, коммутаторы и демультиплексо­ры настраиваются оператором канала соответствующим образом. Высокоскорост­ной канал обычно называют уплотненным каналом.

В зависимости от типа промежуточной аппаратуры все линии связи делятся на аналоговые и цифровые. В аналоговых линиях промежуточная аппаратура предна­значена для усиления аналоговых сигналов, то есть сигналов, которые имеют не­прерывный диапазон значений. Такие линии связи традиционно применялись в телефонных сетях для связи АТС между собой. Для создания высокоскоростных каналов, которые мультиплексируют несколько низкоскоростных аналоговых або­нентских каналов, при аналоговом подходе обычно используется техника частот­ного мультиплексирования (Frequency Division Multiplexing, FDM).

В цифровых линиях связи передаваемые сигналы имеют конечное число состоя­ний. Как правило, элементарный сигнал, то есть сигнал, передаваемый за один такт работы передающей аппаратуры, имеет 2 или 3 состояния, которые передаются в линиях связи импульсами прямоугольной формы. С помощью таких сигналов пе­редаются как компьютерные данные, так и оцифрованные речь и изображение. В цифровых каналах связи используется промежуточная аппаратура, которая улуч­шает форму импульсов и обеспечивает их ресинхронизацию, то есть восстанавливает период их следования. Промежуточная аппаратура образования высокоскорост­ных цифровых каналов (мультиплексоры, демультиплексоры, коммутаторы) рабо­тает по принципу временного мультиплексирования каналов (Time Division Multiplexing, TDM), когда каждому низкоскоростному каналу выделяется опреде­ленная доля времени (тайм-слот или квант) высокоскоростного канала.

Аппаратура передачи дискретных компьютерных данных по аналоговым и циф­ровым линиям связи существенно отличается, так как в первом случае линия свя­зи предназначена для передачи сигналов произвольной формы и не предъявляет никаких требований к способу представления единиц и нулей аппаратурой переда­чи данных, а во втором — все параметры передаваемых линией импульсов стандар­тизованы. Другими словами, на цифровых линиях связи протокол физического уровня определен, а на аналоговых линиях — нет.

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.