Фрагмент вычислительной сети включает основные типы коммуникационного оборудования, применяемого сегодня для образования локальных сетей и соединения их через глобальные связи друг с другом. Для построения локальных связей между компьютерами используются различные виды кабельных систем, сетевые адаптеры, концентраторы-повторители, мосты, коммутаторы и маршрутизаторы.
Роль кабельной системы
В коммуникационных системах, к которым относятся и компьютерные сети, средой передачи называют собственно среду распространения и/или волноведущую систему, по которой сигнал – электромагнитная волна – распространяется от передатчика к приемнику. Среды передачи данных можно разделить на кабельные и беспроводные. При передаче сигналов по кабельным средам волны распространяются вдоль направляющей системы, например оптического волокна.
Атмосфера и космическое пространство – примеры беспроводных сред. Электромагнитные волны могут распространяться в таких средах как в условиях прямой видимости, так и путем многократных переотражений (дифракции) на препятствиях.
Для построения локальных связей в вычислительных сетях в настоящее время используются различные виды кабелей:
Витая пара.
Коаксиальный кабель.
Оптоволоконный кабель.
Витая пара
Неэкранированная витая пара - это кабель, в котором изолированная пара проводников скручена с небольшим числом витков на единицу длины. Скручивание проводников уменьшает электрические помехи извне при распространении сигналов по кабелю.
Коаксиальный кабель
Тонкий коаксиальный кабель RG-представляет собой медный провод, экранированный при помощи оплетки. Толщина кабеля 6 мм. Волновое сопротивление 50 Ом. Следует отличать тонкий коаксиальный от телевизионного кабеля, применяемого в кабельном телевидении. Несмотря на схожесть, телевизионный кабель имеет волновое сопротивление 75 Ом и не предназначен для использования в компьютерной сети.
Толстый коаксиальный кабель имеет толщину 12 мм и бывает двух разновидностей: гибкий и жесткий. Он имеет большую степень помехозащищенности, большую механическую прочность, а также позволяет подключать новый компьютер к кабелю, не останавливая работу сети. Однако он сложен при прокладке, а для подключения к нему требуется специальное устройство (трансивер).
Оптоволоконный кабель
В оптоволоконном кабеле для передачи сигналов используется свет. Он обычно состоит из центральной стеклянной нити толщиной в несколько микрон (световодаили или оптоволокна), покрытой сплошной стеклянной оболочкой, обладающей меньшим показателем преломления, чем световод.
Сетевые адаптеры
Сетевой адаптер – это периферийное устройство компьютера, непосредственно взаимодействующее со средой передачи данных, которая прямо или через другое коммуникационное оборудование связывает его с другими компьютерами. Это устройство решает задачи надежного обмена двоичными данными, представленными соответствующими электромагнитными сигналами, по внешним линиям связи. Как и любой контроллер компьютера, сетевой адаптер работает под управлением драйвера операционной системы и распределение функций между сетевым адаптером и драйвером может изменяться от реализации к реализации.
Сетевой адаптер обычно выполняет следующие функции:
Ø Оформление передаваемой информации в виде кадра определенного формата.
Ø Получение доступа к среде передачи данных
Ø Кодирование последовательности бит кадра последовательностью электрических сигналов при передаче данных и декодирование при их приеме
Ø Преобразование информации из параллельной формы в последовательную и обратно.
Ø Синхронизация битов, байтов и кадров. Для устойчивого приема передаваемой информации необходимо поддержание постоянного синхронизма приемника и передатчика информации
Трансивер – это часть сетевого адаптера, его оконечное устройство, выходящее на кабель.
Вместо подбора подходящего трансивера можно использовать конвертор, который может согласовать выход приемопередатчика, предназначенного для одной среды, с другой средой передачи данных
Для построения простейшей односегментной сети достаточно иметь сетевые адаптеры и кабель подходящего типа. Но даже в этом простом случае часто используются дополнительные устройства – повторители сигналов, позволяющие преодолеть ограничения на максимальную длину кабельного сегмента.
Основная функция повторителя, как это следует из его названия – повторение сигналов, поступающих на один из его портов, на всех остальных портах или на следующем в логическом кольце порте синхронно с сигналами-оригиналами.
Многопортовый повторитель часто называют концентратором что отражает тот факт, что данное устройство реализует не только функцию повторения сигналов, но и концентрирует в одном центральном устройстве функции объединения компьютеров в сеть. Практически во всех современных сетевых стандартах концентратор является необходимым элементом сети, соединяющим отдельные компьютеры в сеть.
Отрезки кабеля, соединяющие два компьютера или какие либо два других сетевых устройства называются физическими сегментами.
Концентраторы образуют из отдельных физических отрезков кабеля общую среду передачи данных – логический сегмент Логический сегмент также называют доменом коллизий, поскольку при попытке одновременной передачи данных любых двух компьютеров этого сегмента, хотя бы и принадлежащих разным физическим сегментам, возникает блокировка передающей средыПоявление устройств, централизующих соединения между отдельными сетевыми устройствами, потенциально позволяет улучшить управляемость сети и ее эксплуатационные характеристики (модифицируемость, ремонтопригодность и т.п.). С этой целью разработчики концентраторов часто встраивают в свои устройства, кроме основной функции повторителя, ряд вспомогательных функций, весьма полезных для улучшения качества сети.
Логическая структуризация сети. Мосты и коммутаторы
Мост, а также его быстродействующий функциональный аналог – коммутатор, делит общую среду передачи данных на логические сегменты. Логический сегмент образуется путем объединения нескольких физических сегментов (отрезков кабеля) с помощью одного или нескольких концентраторов. Каждый логический сегмент подключается к отдельному порту моста/коммутатора. При поступлении кадра на какой-либо из портов мост/коммутатор повторяет этот кадр, но не на всех портах, как это делает концентратор, а только на том порту, к которому подключен сегмент, содержащий компьютер-адресат.
Разница между мостом и коммутатором состоит в том, что мост в каждый момент времени может осуществлять передачу кадров только между одной парой портов, а коммутатор одновременно поддерживает потоки данных между всеми своими портами.
Для автоматического распознавания петель в конфигурации сети разработан алгоритм покрывающего дерева. Этот алгоритм позволяет мостам/коммутаторам адаптивно строить дерево связей, когда они изучают топологию связей сегментов с помощью специальных тестовых кадров. При обнаружении замкнутых контуров некоторые связи объявляются резервными. Мост/коммутатор может использовать резервную связь только при отказе какой-либо основной. В результате сети, построенные на основе мостов/коммутаторов, поддерживающих алгоритм покрывающего дерева, обладают некоторым запасом надежности, но повысить производительность за счет использования нескольких параллельных связей в таких сетях нельзя.
Маршрутизаторы
Маршрутизатор позволяет организовывать в сети избыточные связи, образующие петли. Он справляется с этой задачей за счет того, что принимает решение о передаче пакетов на основании более полной информации о графе связей в сети, чем мост или коммутатор. Маршрутизатор имеет в своем распоряжении базу топологической информации, которая говорит ему, например, о том, между какими подсетями общей сети имеются связи и в каком состоянии (работоспособном или нет) они находятся. Имея такую карту сети, маршрутизатор может выбрать один из нескольких возможных маршрутов доставки пакета адресату. В данном случае под маршрутом понимают последовательность прохождения пакетом маршрутизаторов. В отличии от моста/коммутатора, который не знает, как связаны сегменты друг с другом за пределами его портов, маршрутизатор видит всю картину связей подсетей друг с другом, поэтому он может выбрать правильный маршрут и при наличии нескольких альтернативных маршрутов. Решение о выборе того или иного маршрута принимается каждым маршрутизатором, через который проходит сообщение.
Для того, чтобы составить карту связей в сети, маршрутизаторы обмениваются специальными служебными сообщениями, в которых содержится информация о тех связях между подсетями, о которых они знают (эти подсети подключены к ним непосредственно или же они узнали эту информацию от других маршрутизаторов).
Маршрутизаторы позволяют объединять сети с различными принципами организации в единую сеть, которая в этом случае часто называется интерсеть (internet В каждой из сетей, образующих интерсеть, сохраняются присущие им принципы адресации узлов и протоколы обмена информацией. Поэтому маршрутизаторы могут объединять не только локальные сети с различной технологией, но и локальные сети с глобальными.
Маршрутизаторы не только объединяют сети, но и надежно защищают их друг от друга гораздо проще и надежнее, чем с помощью мостов/коммутаторов.
В результате, маршрутизатор оказывается сложным интеллектуальным устройством, построенным на базе одного, а иногда и нескольких мощных процессоров. Такой специализированный мультипроцессор работает, как правило, под управлением специализированной операционной системы.
