Вопрос Эволюция вычислительных систем
1) Системы пакетной обработки:
1950-ые годы – появление первых компьютеров.
Системы пакетной обработки, строились на базе мэйнфрейма - мощного и надежного компьютера универсального назначения. У пользователей перфокарты, содержащие данные и команды программ, операторы вводили эти карты в компьютер, а распечатанные результаты получали на следующий день.
Максимизация эффективности использования вычислительной мощности
Пренебрежение интересами пользователей
2) Многотерминальная система
Распределенный ввод-вывод данных.
Централизованная обработка.
1960-е годы появление многотерминальных систем разделения времени.
Прототип ЛВС.
Компьютер отдавался в распоряжение сразу нескольким пользователям, у каждого терминал, время реакции ВС достаточно мало.
Вычислительные сети
ВС– это совокупность компьютеров, соединенных линиями связи (кабели, сетевые адаптеры, телекоммуникационное оборудование).
Классификация сетей по территориальному признаку
LAN - MAN - WAN
Глобальные сети - Wide Area Networks (WAN).
Передача данных на сотни и тысячи километров
Хронологически появились первыми (50е-60е гг.)
Эволюционировали из телефонных сетей
Первоначально были медленными и ненадежными
Сегодня WAN:
Представляют собой кольца или backbone
Основная скорость 2.5 Gbit/s
Распространены решения 10-Gbit/s, 40-Gbit/s
Применяются сложные процедуры контроля и восстановления данных
Локальные сети - Local Area Networks (LAN).
Сосредоточены на территории 1-2 км.
Скорость до 10 Гбит/с
Широкий спектр услуг
Важнейший этап развития – становление стандартных технологий LAN: Ethernet, Token Ring, FDDI.
Городские сети - Metropolitan Area Networks (MAN)
Расстояния в несколько десятков километров
Более дешевые по сравнению с WAN
Скорости соединения 1-40 Gbit/s
Используются для объединения существующих LAN и выхода в WAN
Современные тенденции
Глобальные сети близко подбираются по качеству к локальным
2) В ЛС стали использоваться коммутаторы, маршрутизаторы, шлюзы => возможность построения сложных сетей
Вопрос. Семиуровневая модель OSI.
Физический уровень
Физический уровень определяет электротехнические, механические, процедурные и
функциональные характеристики активации, поддержания и дезактивации физического канала между конечными системами. Спецификации физического уровня определяют такие характеристики, как уровни напряжений, синхронизацию изменения напряжений, скорость передачи физической информации, максимальные расстояния передачи информации, физические соединители и другие аналогичные характеристики.Единица данных: Бит (bit)
Канальный уровень
Канальный уровень обеспечивает надежный транзит данных через физический канал. Выполняя эту задачу, канальный уровень решает вопросы физической адресации, топологии сети, линейной дисциплины (каким образом конечной системе использовать сетевой канал), уведомления о неисправностях, упорядоченной доставки блоков данных и управления потоком информации. Единица данных: Кадр (frame)
Сетевой уровень
Сетевой уровень - это комплексный уровень, который обеспечивает возможность соединения и выбор маршрута между двумя конечными системами, подключенными к разным "подсетям", которые могут находиться в разных географических пунктах.
В данном случае "подсеть" - это по сути независимый сетевой кабель (иногда называемый сегментом).
Т.к. две конечные системы, желающие организовать связь, может разделять значительное географическое расстояние и множество подсетей, сетевой уровень является доменом маршрутизации. Протоколы маршрутизации выбирают оптимальные маршруты через последовательность соединенных между собой подсетей. Традиционные протоколы сетевого уровня передают информацию вдоль этих
Маршрутов.Единица данных: Пакет (packet)
Транспортный уровень
Заботой транспортного уровня является решение таких вопросов, как выполнение надежной транспортировки данных через объединенную сеть. Предоставляя надежные услуги, транспортный уровень обеспечивает механизмы для установки, поддержания и упорядоченного завершения действия виртуальных каналов, систем обнаружения и устранения неисправностей транспортировки и управления информационным потоком (с целью предотвращения переполнения системы данными из другой системы).Единица данных: Дейтаграмма/Блок данных (datagramm)
Сеансовый уровень
Как указывает его название, сеансовый уровень устанавливает, управляет и завершает сеансы взаимодействия между прикладными задачами. Сеансы состоят из диалога между двумя или более объектами представления. Сеансовый уровень синхронизирует диалог между объектами представительного уровня и управляет обменом информации между ними. Сеансовый уровень предоставляет средства для отправки информации, класса услуг и уведомления в исключительных ситуациях о проблемах сеансового, представительного и прикладного уровней. Единица данных: Сообщение (message)
Представительный уровень
Представительный уровень отвечает за то, чтобы информация, посылаемая из прикладного уровня одной системы, была читаемой для прикладного уровня другой системы. При необходимости представительный уровень осуществляет трансляцию между множеством форматов представления информации путем использования общего формата представления информации.
Единица данных: Сообщение (message)
Прикладной уровень
Прикладной уровень - это самый близкий к пользователю уровень OSI. Он отличается от других уровней тем, что не обеспечивает услуг ни одному из других уровней OSI; однако он обеспечивает ими прикладные процессы, лежащие за пределами масштаба модели OSI. Примерами таких прикладных процессов могут служить программы обработки крупномасштабных таблиц, программы обработки слов, программы банковских терминалов и т.д.
Единица данных: Сообщение (message)
При продвижении пакета данных по уровням сверху вниз каждый новый уровень добавляет к пакету свою служебную информацию в виде заголовка и, возможно, трейлера (информации, помещаемой в конец сообщения). Эта операция называется инкапсуляцией данных верхнего уровня в пакете нижнего уровня
вопрос. Классификация сред передачи данных.
Под средой передачи данных понимают физическую субстанцию, по которой происходит передача электрических сигналов, использующихся для переноса той или иной информации, представленной в цифровой форме.
Естественная среда - это существующая в природе среда – Не естеств. – специально созданная(кабели и т.п)
Естественные среды
- Атмосфера Наибольшее распространение в качестве носителей данных в атмосфере получили электромагнитные волны.
- Радиоволны - электромагнитные волны с частотой меньше 6000 ГГц (с длиной волны больше 100 мкм).
- Инфракрасное излучение и видимый свет(лазер)
Искусственные среды Основные виды кабелей: волоконно-оптический (fiber), коаксиал (coaxial) и витая пара (twisted pair). При этом и коаксиал и витая пара для передачи сигналов используют металлический проводник, а волоконно-оптический кабель - световод, сделанный из стекла или пластмассы.
Коаксиальный кабель
Важное достоинство - его способность передавать в один и тот же момент множество сигналов. Каждый такой сигнал называется каналом. Все каналы организуются на разных частотах, поэтому они не мешают друг другу. Он обладает широкой полосой пропускания; это означает, что в ней можно организовать передачу трафика на высоких скоростях. Он также устойчив к электромагнитным помехам и способен передавать сигналы на большое расстояние.
Витая пара
Кабель, в котором изолированная пара проводников скручена с небольшим числом витков на единицу длины. Скручивание осуществляется для уменьшения внешних наводок.
Преимущества: более тонкий,более гибкий, проще устанавливать, недорог.
Недостатками: сильное воздействие внешних электромагнитных наводок, возможность утечки информации,
сильное затухание сигналов.
Неэкранированная витая пара (UTP)
САТ5(полоса частот 100 МГц) - 4пары, до 100 Мбит/с при использовании 2-х пар и до 1000 Мбит/с при использовании 4-х пар, является самым распространённым сетевым носителем, использующимся в компьютерных сетях до сих пор.
Экранированная витая пара (STP)
Фольгированная витая пара (FTP)
Фольгированная экранированная витая пара (SFTP)
Похожая информация.
Классификация сетей по типу среды для передачи данных
По типу среды для передачи данных сети делятся на проводные (медный коаксиальный кабель, витая пара, оптическое волокно и т.д.) и беспроводные (радиоканалы, передача данных в инфракрасном диапазоне и т.д.).
Классификация сетей по скорости передачи информации
По скорости передачи информации сети можно разделить на низко- (до 10 Мбит/с), средне- (до 100 Мбит/с) и высокоскоростные (свыше 100 Мбит/с).
Классификация сетей по способу передачи
По способу передачи данных можно выделить:
сети коммутации каналов;
сети коммутации пакетов.
В сетях коммутации каналов предполагается, что между источником и приемником существует выделенный маршрут, типичным примером является телефонная сеть. Является неэффективной, так как канал резервируется на все время соединения, достоинством этой технологии служит ее прозрачность, так как канал устанавливается на все время соединения.
В сетях коммутации пакетов длинные сообщения разбиваются на короткие пакеты. Каждый пакет перемещается от отправителя к получателю через промежуточные узлы сети. Основным преимуществом является гибкость, совместное использование одних каналов связи, возможность менять приоритет передаваемой информации, недостатком - невозможность гарантировать своевременную доставку пакетов.
Классификация сетей по роли компьютеров в них
По роли компьютеров в сетях можно выделить следующие типы сетей:
peer-to-peer network (p2p) - одноранговая сеть;
client\server network (server-based network) - сеть с выделенным сервером;
смешанные сети.
Сервер - специально выделенный высокопроизводительный компьютер, управляющий работой сети и/или предоставляющий другим компьютерам сети свои ресурсы (программное обеспечение, сервисы, файлы, устройства), отвечающий на запросы клиентов.
Клиентский компьютер (клиент, рабочая станция) - компьютер рядового пользователя сети, получающий доступ к ресурсам сервера (серверов).
Администратор сети - человек, обладающий полномочиями для управления компьютерами, пользователями и ресурсами в сети.
Администрирование сети - управление сетью: настройка сетевого оборудования, обеспечение доступа к данным, безопасность, работа с пользователями.
Одноранговые сети
В одноранговой сети все компьютеры равноправны. Каждый из них может выступать как в роли сервера, так и клиента, каждый пользователь является администратором своего компьютера, как следствие в таких сетях хаос часто становится нормой.
Преимущества:
легкость в установке и настройке;
независимость отдельных компьютеров и их ресурсов друг от друга;
недороги при развертывании и поддержке;
не нужен администратор.
Недостатки:
пользователи должны помнить столько паролей, сколько сетевых ресурсов;
резервное копирование для каждого компьютера;
затруднен поиск информации;
низкая защищенность.
Число компьютеров в одноранговых сетях обычно не превышает 10. Примерами могут служить домашние сети и сети небольших офисов.
Сеть с выделенным сервером
Сети с выделенным сервером, как правило, создаются в крупных организациях.
Преимущества:
централизованное управление учетными записями пользователей, безопасностью и доступом;
пользователю нужен лишь один пароль.
Недостатки:
неисправность сервера может сделать всю сеть неработоспособной;
наличие квалифицированного персонала для обслуживания сети;
высокая стоимость.
Физическое устройство сетей
Физическое устройство сети определяется в первую очередь средой, которая будет использована для передачи данных. От среды зависит, какое сетевое оборудование будет выбрано для ее создания, и то какую топологию будет иметь полученная сеть.
27. Сетевое оборудование.
Оборудование (оконечное оборудование)
Для создания сетевой среды с использованием кабелей, обычно требуются специальные коннекторы , закрепляемые на их концах. Затем кабель одним концом вставляется в сетевой адаптер (сетевую плату), устанавливаемую в компьютер и позволяющую подключить его к сети, а другим - в какое-либо устройство связи (концентратор, мост, коммутатор, маршрутизатор, шлюз и т.д.) Если же используется беспроводной сетевой адаптер, то взаимодействие с сетью происходит за счет передачи сигнала между адаптером и точкой доступа , соединенной с локальной сетью.
Сетевые адаптеры (сетевые карты) требуются для подключения к сетевой среде. Современные компьютеры обычно оснащены адаптерами Ethernet и Wi-Fi. Сетевой адаптер должен иметь нужный разъем для подключения коннектора и уникальный физический адрес (MAC-адрес), используемый для однозначной идентификации компьютера в данном сегменте сети. Для определения MAC-адреса можно использовать, например, команду:
Найти информацию о «Физическом адресе» можно и в свойствах сетевого адаптера.
Повторители и усилители (на физическом уровне) выполняют усиление передаваемого сигнала.
Концентраторы (hub) организуют рабочую группу, представляет собой активный центральный элемент звезды. Работают на физическом уровне. Их основная задача - принять, усилить и ретранслировать сигнал, полученный от одного компьютера, во все остальные активные порты. Обработка сигнала не производится.
Мосты и коммутаторы (bridge и switch) соединяют два или несколько сегментов сети, разделяя трафик в них, служат для соединения однотипных сетей (использующие одинаковые протоколы). Помогают снизить количество коллизий в сети, так как поддерживают таблицу соответствия своих портов и MAC-адресов компьютеров. Эти устройства работают не только на физическом, но и сетевом уровне модели OSI. Различие между мостами и коммутаторами заключается в том, что мост в каждый момент времени может передавать только один кадр, а коммутатор работает сразу с несколькими портами параллельно. Большинство современных сетей строится на коммутаторах.
Маршрутизаторы (router) работают на сетевом уровне. Применяется в сетях со сложной конфигурацией, использующие разные способы передачи данных, для эффективной работы с трафиком. В их задачу входит анализ адресов, определение наилучшего маршрута доставки пакета данных. Конечно, маршрутизаторы работают и на более низких уровнях модели OSI - восстанавливают уровень и форму передаваемого сигнала, как мосты и коммутаторы - позволяют избежать столкновений. При этом маршрутизаторы изменяют передаваемые кадры, фильтруют сетевой трафик, ведут статистику о передаваемых данных, проводят авторизацию пользователя, позволяют строить виртуальные локальные сети и т.д. Шлюзы - устройства, позволяющие объединять разнородные системы, использующие разные сетевые архитектуры, работающие с разными протоколами.
Модемы (модулятор-демодулятор) осуществляют соединение передающего устройства с каналами связи, работает на канальном уровне, например, позволяет осуществлять передачу данных компьютерами по телефонным проводам.
28. Доступ к среде передачи.
С сетевой топологией тесно связано понятие способа доступа к среде передачи , определяющего как компьютеры должны отправлять и принимать данные по сети. Примером могут служить:
множественный доступ с контролем несущей и обнаружением столкновений; Если кабель свободен, любой компьютер может начать передачу данных, остальные ждут окончания передачи. При возникновении коллизии передача приостанавливается на случайное время, после чего проводится еще одна попытка передачи данных. Этот метод используется в сетях Ethernet.
множественный доступ с контролем несущей и предотвращением столкновений ; Этот метод отличается от предыдущего тем, что перед передачей данных компьютер посылает в сеть специальный пакет, сообщая остальным компьютерам о своем намерении начать трансляцию. Пропускная способность снижается. Используется в беспроводных сетях.
передача маркера . От одного компьютера к другому курсирует блок данных, называемый маркером .
Передачу данных осуществляет компьютер, который «захватил» маркер. Коллизии отсутствуют.
Обычно топология сети и доступ к среде передачи определяются сетевым оборудованием, на основе которого строится сеть.
29. Топология.
В контексте компьютерной сети понятие топология означает способ соединения друг с другом сетевых устройств (оконечных систем, станций, хостов) и кабельной инфраструктуры. Распространенными сетевыми топологиями являются общая шина, кольцо и звезда.
Общая шина - топология сети, при которой станции присоединяются к общей среде передачи, которая представляет собой линейный кабель. Передаваемый сигнал распространяется по всей длине кабеля и принимается всеми станциями, но обрабатывает их только тот компьютер, аппаратный MAC-адрес сетевого адаптера которого записан в кадре как адрес получателя.
Эта топология проста в реализации и дешева. К недостаткам можно отнести:
трудность масштабирования , сложно увеличить количество компьютеров в сегменте такой сети;
в каждый момент времени передачу может вести только один из компьютеров. Если передачу одновременно начинают два или больше компьютеров, то возникают коллизии , ведущие к тому, что данные приходится передавать вновь. Производительность такой сети при большом объеме передаваемой информации и числе компьютеров снижается;
при повреждении шины вся сеть перестает работать.
В настоящее время эта топология используется редко.
Кольцо (Ring)
Кольцо - топология сети, при которой станции соединены с повторителями, образующими замкнутый контур. Передаваемые сигналы распространяются по кольцу в одном направлении и могут приниматься всеми станциями.
На основе этой топологии можно строить сети большой протяженности, так как каждый компьютер выступает в роли повторителя. Из-за отсутствия коллизий сети обладает устойчивостью к перегрузкам. К недостаткам можно отнести:
увеличивается время передачи информации, так как она передается по кольцу;
добавление новых компьютеров требует остановки работы всей сети;
выход из строя хоты бы одного компьютера или сегмента кабеля нарушает работу всей сети;
поэтому прокладывают обычно два кольца, что удорожает сеть.
Звезда (Star)
Звезда - топология локальной сети, при которой все станции соединены с центральным коммутатором. В этом случае центральный узел называют хабом, или концентратором.
Хаб выполняет функции повторителя, восстанавливает приходящие сигналы и пересылает их всем остальным подключенным к нему компьютерам и устройствам.
Такая организация сети является более надежной. Используется довольно часто. Если вместо концентратора установлены «интеллектуальных» сетевые устройства (мост, коммутатор, маршрутизатор), то это позволяет проводить не только ретрансляцию, но и управление передаваемыми сигналами.
Ячеистая (Mesh)
В таких сетях существует несколько маршрутов для доставки информации. Имеют высокую отказоустойчивость. Развертывание таких сетей на базе кабельных соединений достаточно дорого, так как требует увеличенного количества кабеля, более сложной настойки сетевого оборудования.
Чаще эта топология реализуется в беспроводных сетях.
Смешанные (гибридные) сети
Реальные сети постоянно расширяются и модернизируются, поэтому обычно топология сети представляет собой комбинацию нескольких базовых топологий.
Star-Bus (звезда на шине)
Star-Ring (звезда на кольце)
Hybrid Mesh (гибридная ячеистая структура)
Tree (дерево, звезда на звезде)
Выбор топологии зависит от ряда факторов, таких как надежность, расширяемость и производительность, стоимость, и обычно определяется средой, используемой для передачи данных.
30. Проводные технологии.
Провода переменного тока
Можно использовать при передаче данных на небольшие расстояния.
Телефонные провода
Модем, цифровая/аналоговая связь, бод.
телефонная коммутированная сеть общего пользования (PSTN);
цифровая сеть интегрированного обслуживания (ISDN - Integrated Services Digital Network);
цифровая связь (ADSL - Asymmetric Digital Subscriber Line).
«Витая пара» (twisted pair)
Витая пара состоит из двух изолированных медных проводов, свитых друг с другом, представляет собой один канал связи, несколько витых пар объединяются в кабель, обернутый в плотную защитную оболочку. Скручивание снижает перекрестные помехи от соседних проводов пары. Используется в телефонных сетях и для сетей внутри зданий. Подвержена помехам, поэтому чаще в сетях применяется экранирование с использованием металлической оплетки или оболочки, для телефонных линий - неэкранированная.
Скорость до 100 Гбит/сек, до 2 км без повторителей.
Самый распространенный тип кабеля для создания компьютерных сетей.
Коаксиальный кабель (coaxial cable)
Подобно витой пары состоит из двух проводников, но отличается по конструкции, может работать в более широком диапазоне частот. Коаксиальный кабель состоит из пустотелого внешнего цилиндрического проводника, внутри которого расположен внутренний провод. Внутренний проводник находится в изоляторе, внешний покрывается оболочкой или экраном. Диаметр от 1 до 2,5 см. Может использоваться для передачи данных на большие расстояния, в частности для передачи телесигналов, международной телефонии, компьютерных сетей.
Тонкий - скорость до 10 Мбит/сек на расстояние до 185 м.
Толстый - скорость до 10 Мбис/сек на расстояние до 500 м
В настоящее время используется достаточно редко для создания сетей.
Оптоволокно (fiber optic cable)
Оптическим волокном называют тонкую среду (от 2 до 125 мкм в диаметре), способную передавать световой луч. Для изготовления оптического волокна используют разного рода стекла и пластмассы. Наименьшие потери достигаются в волокне из сверхчистого плавленого кварца. Состоит из трех концентрических секций, две внутренние изготовлены из стекла с различными показателями преломления, сверху светопоглощающая оболочка. Волокна собирают в оптические кабели. Имеет большую пропускную способность, меньшее затухание, электромагнитная изоляция.
Скорость до 10 Гбит/сек, длина сегмента до 40 000 м, рабочая длина волны в диапазоне от 850 до 1300 нм.
К недостаткам можно отнести высокую стоимость кабеля, сложный монтаж, необходимость использования дополнительных трансиверов, преобразующих световые сигналы в электрические и обратно.
Преимущества кабельного соединения:
высокая пропускная способность;
помехоустойчивость.
Недостатки:
трудности при монтаже (доступ к системе канализации, прокладка внутри готовых зданий, привязка рабочих мест);
кабельное хозяйство требует обслуживания.
Архитектура Ethernet фактически объединяет набор стандартов, имеющих как общие черты, так и отличия. Скорость передачи данных до 10 Гбит/с. Технология Ethernet использует практически любой вид кабеля, позволяет проводить масштабирование, наращивать мощность сети. Поэтому сегодня архитектура Ethernet является самой распространенной в локальных сетях.
31. Беспроводные технологии.
Для телекоммуникации могут быть использованы электромагнитные волны, которые распространяются по атмосфере или в вакууме, а именно (в порядке повышения пропускной способности и увеличения частоты колебания волны):
радиосвязь (сотовая, спутниковая) (от 30 МГц до 1 ГГц). Обеспечивает высокую дальность передачи информации;
связь в микроволновом диапазоне (от 2 до 40 ГГц) (Bluetooth, WLAN);
инфракрасная связь (от 3 · 1011 до 2 · 1014 Гц). Используется для передачи данных на близких расстояниях, например, для взаимодействия с портативными (мобильными) устройствами. Источник и приемник должны быть в прямой видимости.;
световое излучение в видимом диапазоне. Используется редко.
Обычно сигналы низких частот распространяются от антенны во всех направлениях, сигналы более высоких частот можно сфокусировать в направленный луч.
Если не используется направленная антенна, и на пути нет препятствий, радиоволны распространяются по всем направлениям равномерно и мощность сигнала падает пропорционально квадрату расстояния между передатчиком и приемником. Они используются там, где не существует кабельных каналов или их создание по каким-то причинам невозможно или слишком дорого для передачи телевизионного, радио и других аналоговых сигналов.
Преимущества
возможность создания в труднодоступных местах;
не требуют поддержки и обслуживания.
Недостатки:
не являются помехоустойчивыми;
менее защищены от прослушивания, чем проводные сети (уровень защиты WEP и WPA).
Wi-Fi (Wireless Fidelity, беспроводная точность) - технология обеспечивающая подключение мобильных пользователей к Интернету. Объединяет несколько стандартов на основе спецификации IEEE 802.11 (a, b, g). Невысокая дальность передачи данных.
WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) - это коммерческое название стандарта беспроводной связи 802.16, принятого в январе 2003 года и поддержанного промышленной группой. В отличие от уже довольно популярного беспроводного доступа Wi-Fi, WiMAX меньше привязан к конкретным диапазонам - его варианты рассчитаны на частоту от 2 до 11 ГГц и от 10 до 66 ГГц. Ширина канала, занимаемого в эфире двумя устройствами, может выбираться в более широких, чем у Wi-Fi, пределах - от 1,5 до 28 МГц. «Изощренная» модуляция позволяет использовать радиоспектр с эффективностью 5 бит на каждый герц (у Wi-Fi 2,7 бит на герц), поэтому скорость достигает 134 Мбит/с (в канале шириной 28 МГц). Но главное преимущество WiMAX - в дальнобойности: максимальное расстояние между устройствами может достигать 50 км. К тому же между источником и приемником может отсутствовать прямая видимость. Мощность сигнала и большая устойчивость к отражениям позволяют WiMAX работать даже там, где Wi-Fi бессилен.
Технология Bluetooth (IEEE 802.15.1) использует радиосигнал с частотой 2,4 ГГц. Имеет низкое энергопотребление, позволяет устройствам устанавливать взаимодействие при минимальном участии пользователя, низкие показатели по дальности и пропускной способности.
32. Протоколы.
Протокол - это правила (соглашения, стандарты) передачи информации в сети. Протокол определяет формат и очередность сообщений, которыми обмениваются два и более устройства, а также действие, выполняемые при передаче и/или приеме сообщений либо при наступлении иных событий.
Так как в процесс взаимодействия вступают разные системы, то реализовывать сетевое соединение в виде одного, монолитного блока не имеет смысла, вводится понятие архитектуры протоколов, когда вместо одного модуля, обслуживающего взаимодействие компьютеров, имеется структурированный набор модулей, реализующих коммуникационные функции.
Можно провести следующую аналогию, когда директор одного предприятия пишет письмо директору другого предприятия, то, написав письмо и указав того, кому оно адресовано, он отдает его секретарю. Секретарь находит адрес получателя, вкладывает письмо в конверт, делает отметку об исходящих в своих документах, относит письмо на почту. Почта обеспечивает доставку письма, которое получает секретарь, делает отметку во входящих, то есть всегда можно проверить, не пропало ли письмо, распечатывает и кладет на стол директора. Каждый уровень взаимодействия не заботиться о том, что происходит ниже его, уверен в том, что он отработает правильно, но может и проверить правильность работы. На каждом уровне к письму добавляется дополнительная идентифицирующая информация, характерная для данного уровня.
Таким образом, можно рассмотреть упрощенную архитектуру протоколов сетевого взаимодействия. В процессе сетевого взаимодействия вовлечены: приложения, компьютеры и сети, с учетом этого естественно решать задачу взаимодействия на трех независимых уровнях:
уровень доступа к сети;
транспортный уровень;
прикладной уровень.
Уровень доступа к сети обеспечивает обмен данными между компьютером и сетью, компьютер, передающий данные, сообщает сети адрес компьютера, которому эти данные предназначены, причем тип сети может быть самый разный.
Все задачи, которые связаны с надежностью передачи, выполняет транспортный уровень, проверяет, чтобы все данные достигли адресата и были получены им в нужном порядке.
На прикладном уровне приложения выполняют необходимые им действия, осуществляют взаимодействие с пользователем, если необходимо запрашивают сетевую среду у транспортного уровня, например, для передачи файлов.
На каждом уровне добавляется служебная информация, необходимая для передачи данных (заголовки), на каждом уровне может быть свое деление на единицы обмена (пакеты).
На каждом уровне требуется информация для идентификации получателя, так на уровне приложений это будет точка доступа к службе (порт), транспортном уровне логическое имя компьютера, а на сетевом имя сетевого интерфейса (MAC-адрес).
Разные производители используют различные форматы данных и различные протоколы обмена данными, чтобы они могли взаимодействовать между собой, разрабатываются общие стандарты. Существуют несколько распространенных архитектур протоколов:
стек протоколов TCP/IP;
эталонная модель OSI;
сетевая архитектура IBM, привязанная к оборудованию этой фирмы.
33. Стек протоколов TCP/IP.
Хотя для этой модели отсутствует официальная модель, она является на настоящий момент времени самой распространенной, в ней можно выделить пять уровней протоколов, образующие стек протоколов:
прикладной уровень;
транспортный уровень;
сетевой уровень;
канальный уровень;
физический уровень.
Физический уровень отвечает за физический интерфейс между устройством и средой передачи данных, на нем идет работа с характеристиками передающей среды, природой сигналов, скоростью передачи данных и т.п. Поддерживает основные технологии локальных сетей - Ethernet, Wi-Fi, Token Ring, Bluetooth и т.д.
Канальный уровень организует передачу данных в имеющейся физической среде.
Сетевой уровень отвечает за маршрутизацию сообщений при прохождении по сети (Internet Protocol, IP).
Транспортный уровень отвечает за надежность передачи данных. Поддерживает два протокола:
1 финансовые функции в excel
Анализ1. Финансовые функции в Excel. Финансовые функции в Excel позволяют выполнить целый ряд финансовых вычислений без построения длинных и... сложных формул. Выделяют четыре группы функций : функции ...
«финансовое право » 2001 год оглавление
ДокументЗадач. Во-вторых, осуществление государством финансовых функций протекает (в зависимости от их содержания... страны, имеет непосредственное отношение к выполнению функций финансовой деятельности государства и муниципальных образований. По...
Финансовая математика
Пояснительная записка9. Расчеты на компьютере. Использование стандартных финансовых функций EXSEL. Условные обозначения основных параметров... в левом окне сделать выбор категории функции “финансовые ”. После чего в правом, прокручивая список...
Учебное пособие «Финансовая математика»
Учебное пособие6. Финансовые функции ЕХСЕL как основа практических расчетов в современных условиях 6.1. Сущность финансовых функций 6.2. Использование финансовых функций в финансовых операциях...
Transmission Control Protocol, TCP, протокол управления передачей. Обеспечивает гарантированную доставку пакетов в нужном порядке и без ошибок. Используется в тех приложениях, где важно обеспечить целостность передачи данных;
функции Финансовые функции финансовых вычислений без построения длинных и сложных... быть успешно использован и в задачах, содержащих финансовые функции . Рассмотрим подбор значения вклада для...
Типичными и наиболее распространенными представителями искусственной среды передачи данных являются кабели. При создании сети передачи данных выбор осуществляется из следующих основных видов кабелей: волоконно-оптический (fiber), коаксиал (coaxial) и витая пара (twisted pair). При этом и коаксиал (коаксиальный кабель), и витая пара для передачи сигналов используют металлический проводник, а волоконно-оптический кабель - световод, сделанный из стекла или пластмассы.
Совместно используемый несколькими интерфейсами физический канал называют разделяемым. Часто используют термин разделяемая среда передачи данных.
Вопрос 22.
Классификация методов доступа к разделяемой среде передачи данных.
1. Случайные методы доступа (Ethernet)
2. Детерминированные (Token bus, Token ring)
Случайные: доступ к среде осуществляется в любой момент времени не ависимо от других абонентов сети.
Детерм.: доступ к среде осуществляется только в строго определенные моменты времени при наличии разрешения.
Основным недостатком случайных методов доступа – наличие коллизий.
Основным плюсом детерминированного метода является независимость времени передачи от загрузки.
Вопрос 23.
Случайный метод доступа CSMA/CD. Алгоритм работы Эффективность.
В сетях Ethernet используется метод доступа к среде передачи данных, называемый методом коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий (carrier-sense-multiply-access with collision detection, CSMA/CD).
Этот метод применяется исключительно в сетях с логической общей шиной (к которым относятся и радиосети, породившие этот метод). Все компьютеры такой сети имеют непосредственный доступ к общей шине, поэтому она может быть использована для передачи данных между любыми двумя узлами сети. Одновременно все компьютеры сети имеют возможность немедленно (с учетом задержки распространения сигнала по физической среде) получить данные, которые любой из компьютеров начал передавать на общую шину (рис. 3.3). Простота схемы подключения - это один из факторов, определивших успех стандарта Ethernet. Говорят, что кабель, к которому подключены все станции, работает в режиме коллективного доступа (Multiply Access, MA).
Рис. 3.3. Метод случайного доступа CSMA/CD
Этапы доступа к среде
Все данные, передаваемые по сети, помещаются в кадры определенной структуры и снабжаются уникальным адресом станции назначения.
Чтобы получить возможность передавать кадр, станция должна убедиться, что разделяемая среда свободна. Это достигается прослушиванием основной гармоники сигнала, которая также называется несущей частотой (carrier-sense, CS). Признаком незанятости среды является отсутствие на ней несущей частоты, которая при манчестерском способе кодирования равна 5-10 МГц, в зависимости от последовательности единиц и нулей, передаваемых в данный момент.
Если среда свободна, то узел имеет право начать передачу кадра. Этот кадр изображен на рис. 3.3 первым. Узел 1 обнаружил, что среда свободна, и начал передавать свой кадр. В классической сети Ethernet на коаксиальном кабеле сигналы передатчика узла 1 распространяются в обе стороны, так что все узлы сети их получают. Кадр данных всегда сопровождается преамбулой (preamble), которая состоит из 7 байт, состоящих из значений 10101010, и 8-го байта, равного 10101011. Преамбула нужна для вхождения приемника в побитовый и побайтовый синхронизм с передатчиком.
Все станции, подключенные к кабелю, могут распознать факт передачи кадра, и та станция, которая узнает собственный адрес в заголовках кадра, записывает его содержимое в свой внутренний буфер, обрабатывает полученные данные, передает их вверх по своему стеку, а затем посылает по кабелю кадр-ответ. Адрес станции источника содержится в исходном кадре, поэтому станция-получатель знает, кому нужно послать ответ.
Узел 2 во время передачи кадра узлом 1 также пытался начать передачу своего кадра, однако обнаружил, что среда занята - на ней присутствует несущая частота, - поэтому узел 2 вынужден ждать, пока узел 1 не прекратит передачу кадра.
После окончания передачи кадра все узлы сети обязаны выдержать технологическую паузу (Inter Packet Gap) в 9,6 мкс. Эта пауза, называемая также межкадровым интервалом, нужна для приведения сетевых адаптеров в исходное состояние, а также для предотвращения монопольного захвата среды одной станцией. После окончания технологической паузы узлы имеют право начать передачу своего кадра, так как среда свободна. Из-за задержек распространения сигнала по кабелю не все узлы строго одновременно фиксируют факт окончания передачи кадра узлом 1.
В приведенном примере узел 2 дождался окончания передачи кадра узлом 1, сделал паузу в 9,6 мкс и начал передачу своего кадра.
Возникновение коллизии
При описанном подходе возможна ситуация, когда две станции одновременно пытаются передать кадр данных по общей среде. Механизм прослушивания среды и пауза между кадрами не гарантируют от возникновения такой ситуации, когда две или более станции одновременно решают, что среда свободна, и начинают передавать свои кадры. Говорят, что при этом происходит коллизия (collision), так как содержимое обоих кадров сталкивается на общем кабеле и происходит искажение информации - методы кодирования, используемые в Ethernet, не позволяют выделять сигналы каждой станции из общего сигнала.
ПРИМЕЧАНИЕ Заметим, что этот факт отражен в составляющей «Base(band)», присутствующей в названиях всех физических протоколов технологии Ethernet (например, 10Base-2,10Base-T и т. п.). Baseband network означает сеть с немодулированной передачей, в которой сообщения пересылаются в цифровой форме по единственному каналу, без частотного разделения.
Коллизия - это нормальная ситуация в работе сетей Ethernet. В примере, изображенном на рис. 3.4, коллизию породила одновременная передача данных узлами 3 и У. Для возникновения коллизии не обязательно, чтобы несколько станций начали передачу абсолютно одновременно, такая ситуация маловероятна. Гораздо вероятней, что коллизия возникает из-за того, что один узел начинает передачу раньше другого, но до второго узла сигналы первого просто не успевают дойти к тому времени, когда второй узел решает начать передачу своего кадра. То есть коллизии - это следствие распределенного характера сети.
Чтобы корректно обработать коллизию, все станции одновременно наблюдают за возникающими на кабеле сигналами. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется обнаружение коллизии (collision detection, CD). Для увеличения вероятности скорейшего обнаружения коллизии всеми станциями сети станция, которая обнаружила коллизию, прерывает передачу своего кадра (в произвольном месте, возможно, и не на границе байта) и усиливает ситуацию коллизии посылкой в сеть специальной последовательности из 32 бит, называемой jam-последовательностью.
Рис. 3.4. Схема возникновения и распространения коллизии
После этого обнаружившая коллизию передающая станция обязана прекратить передачу и сделать паузу в течение короткого случайного интервала времени. Затем она может снова предпринять попытку захвата среды и передачи кадра. Случайная пауза выбирается по следующему алгоритму:
Пауза = L *(интервал отсрочки),
где интервал отсрочки равен 512 битовым интервалам (в технологии Ethernet принято все интервалы измерять в битовых интервалах; битовый интервал обозначается как bt и соответствует времени между появлением двух последовательных бит данных на кабеле; для скорости 10 Мбит/с величина битового интервала равна 0,1 мкс или 100 нс);
L представляет собой целое число, выбранное с равной вероятностью из диапазона , где N - номер повторной попытки передачи данного кадра: 1,2,..., 10.
После 10-й попытки интервал, из которого выбирается пауза, не увеличивается. Таким образом, случайная пауза может принимать значения от 0 до 52,4 мс.
Если 16 последовательных попыток передачи кадра вызывают коллизию, то передатчик должен прекратить попытки и отбросить этот кадр.
Из описания метода доступа видно, что он носит вероятностный характер, и вероятность успешного получения в свое распоряжение общей среды зависит от загруженности сети, то есть от интенсивности возникновения в станциях потребности в передаче кадров. При разработке этого метода в конце 70-х годов предполагалось, что скорость передачи данных в 10 Мбит/с очень высока по сравнению с потребностями компьютеров во взаимном обмене данными, поэтому загрузка сети будет всегда небольшой. Это предположение остается иногда справедливым и по сей день, однако уже появились приложения, работающие в реальном масштабе времени с мультимедийной информацией, которые очень загружают сегменты Ethernet. При этом коллизии возникают гораздо чаще. При значительной интенсивности коллизий полезная пропускная способность сети Ethernet резко падает, так как сеть почти постоянно занята повторными попытками передачи кадров. Для уменьшения интенсивности возникновения коллизий нужно либо уменьшить трафик, сократив, например, количество узлов в сегменте или заменив приложения, либо повысить скорость протокола, например перейти на Fast Ethernet.
Следует отметить, что метод доступа CSMA/CD вообще не гарантирует станции, что она когда-либо сможет получить доступ к среде. Конечно, при небольшой загрузке сети вероятность такого события невелика, но при коэффициенте использования сети, приближающемся к 1, такое событие становится очень вероятным. Этот недостаток метода случайного доступа - плата за его чрезвычайную простоту, которая сделала технологию Ethernet самой недорогой. Другие методы доступа - маркерный доступ сетей Token Ring и FDDI, метод Demand Priority сетей 100VG-AnyLAN - свободны от этого недостатка.
На физическом уровне обычно применяется один из следующих четырех типов среды передачи:
Кабель “витая пара” (симметричный кабель);
Коаксиальный кабель (тонкий или толстый);
Оптоволоконный кабель;
Окружающее пространство.
Каждая из этих сред отличается друг от друга необходимым оборудованием, пропускной способностью, помехоустойчивостью, максимальной протяженностью, сложностью установки, собственником инфраструктуры и многими другими параметрами. Характеристики сред будем рассматривать со следующих основных четырех точек зрения: пропускной способности, помехоустойчивости, сложности установки, популярности среди пользователей. Общее впечатление с этих позиций дает табл.5.1.
Таблица 5.1
Сравнительные характеристики сред передачи данных
Пропускная способность – это область (спектр) частот гармонических колебаний, пропускаемых средой передачи, т. е. полоса пропускания. Полоса пропускания измеряется в герцах, а скорость передачи – в битах в секунду. Ширина полосы пропускания среды должна быть достаточной для прохождения существенных амплитуд частотного спектра сигналов. При повышении спектра полосы пропускания, например, за счет возросшей частоты сигналов, среда может не успевать изменять свое энергетическое состояние, что и приведет к искажению сигналов. Мы уже отмечали границы полосы пропускания кабельных сред (см. рис.3.2). Расширим эту схему использованием окружающего пространства различными владельцами, как показано на рис.5.1.
Скорость пропускания зависит не только от ширины полосы, но и от способов модуляции и кодирования. Например, передача последовательности одинаковых цифр манчестерским кодом идет на частоте вдвое большей, чем потенциальным кодом без возвращения к нулю.
Рис. 5.1. Полосы пропускания, закрепленные за различными службами
С пропускной способностью связана такая характеристика, как способность к широковещанию. Эта способность определяется, в основном, конструкцией и материалом среды передачи. “Витая пара” – для двухточечной связи, коаксиал – для широковещания.
Помехозащищенность среды также зависит от конструкции. Она измеряется отношением мощности сигнала к мощности шума. Чем больше это отношение (измеряется в децибелах), тем выше помехоустойчивость. Качественные оценки этого параметра уже даны в табл. 5.1.
При распространении в среде сигнал любой частоты теряет свою мощность из-за рассеивания или излучения. Затухание сигнала определяет максимальную допустимую протяженность среды при фиксированных мощности передатчика и чувствительности приемника. Для увеличения протяженности обычно применяются усилители мощности, повторители, ретрансляторы.
Измеряется затухание в децибелах как отношение мощности сигнала в начале и в конце единицы длины среды передачи (обычно 1 км) на фиксированной частоте передачи.
Чем толще кабель, тем труднее его прокладывать (требуется больший радиус закругления). Но более толстые проводники обладают меньшим затуханием и допускают большую длину передачи без применения дополнительного оборудования.
Стоимость среды передачи - стоимость проектно-монтажных работ по строительству этой линии и затрат на ее эксплуатацию. Стоимость является определяющим фактором популярности применения той или иной среды.
Рассмотрим характеристики конкретных сред.
Кабель “витая пара” состоит из двух изолированных проводников, перевитых между собою. По определенной частоте витков, типу изоляции (бумага, шелк, поливинил) и некоторым другим параметрам кабель “витая пара” разделяется на несколько категорий. В целом, чем выше категория кабеля, тем больший объем информации по нему можно передать, тем меньше перекрестные наводки между проводниками (больше витков на 1 м погонный кабеля), тем он дороже. По сравнению с другими средами “витая пара” обладает меньшей пропускной способностью и сравнительно низкой помехозащищенностью. Вместе с тем, кабель “витая пара” прост в установке и является безусловным лидером в реализации Физического уровня по популярности.
В соответствии со стандартом США EIA/TIA – 568А по проектированию и созданию Структурированных Кабельных Систем (СКС) допускается применение четырех типов кабелей. Наиболее популярным из них является кабель неэкранированный с витыми парами из медных проводников UTP (Unsielded Twisted Pair). Категории 3, 4, 5 этого кабеля поддерживают рабочие частоты 16, 20 и 100 МГц. Соответствие выпускаемых промышленностью кабелей предъявляемым требованиям устанавливается сертификатом. В США такого рода сертификацию проводит независимая организация UL по двум направлениям: по электробезопасности и по техническим характеристикам. Классификация кабелей различных фирм – производителей по уровням, соответствующая стандарту качества ISO 9002, приведена в табл. 5.2.
Таблица 5.2
Классификация кабелей различных производителей
| Рабочая полоса частот (скорость передачи) | Фирма – производитель | |||
| Anixter | UL | EIA/TIA | AT&T | |
| Передача речи, данных (до 20 кбит/с) | Level 1 | Level І | - | - |
| 1 МГц (1 Мбит/с) | Level 2 | Level ІІ | - | - |
| 16 МГц (16 Мбит/с) | Level 3 | Level ІІІ | Category 3 | Category ІІІ |
| 20 МГц (20 Мбит/с) | Level 4 | Level ІV | Category 4 | Category ІV |
| 100 МГц (100 Мбит/с) 155 МГц (155 Мбит/с) | Level 5 | Level V | Category 5 | Category V |
Кабель “витая пара” категории 3 применяется в локальных низкоскоростных сетях со скоростью до 20 Мбит/с на расстоянии до 100 м. Кабель категории 5 также применяется на расстояниях 100-200 м, но со значительно более высокой скоростью передачи.
Коаксиальный кабель представляет собою центральный медный провод, окруженный слоем изолирующего материала (полиэтилена), который заключен внутри второго проводника в виде оплетки. Вся конструкция защищена от механических повреждений пластиковой оболочкой. По сравнению с “витой парой” коаксиал обладает значительно большей пропускной способностью и помехозащищенностью.
Выпускаются тонкий узкополосный и толстый широкополосный коаксиальные кабели. С помощью тонкого кабеля можно передавать информацию на расстояния до 10 км со скоростью до 50 Мбит/с. Толстый кабель имеет параметры 50 км и 300-500 Мбит/с, соответственно. Лучшие характеристики и стоят дороже. К недостаткам следует отнести большие по сравнению с “витой парой” размеры и вес. Следствием этого является сложность монтажа и обслуживания, что и привело к снижению популярности использования в качестве среды Физического уровня.
Оптоволоконный кабель конструктивно весьма прост, но требует профессионального монтажа. Он состоит из волокон диаметром от единиц до сотен микрон, окруженных твердым покрытием и помещенных в защитную оболочку. Ночной светильник, имитирующий салют, и есть пучок таких волокон без внешней общей оболочки. Вначале оптоволоконные кабели изготавливались из чистого кварцевого стекла, но сейчас уже разработаны технологии на основе пластмассы. Оболочка световода выполняет функцию зеркала для обеспечения эффекта полного внутреннего отражения. Источником распространяемого по кабелю света является светодиод, а на другом конце детектор преобразует световые колебания в электрические.
Внешние электромагнитные поля никак не искажают световые сигналы, поэтому оптоволоконный кабель хорошо защищен от помех. Диапазон пропускной способности у различных видов оптического волокна довольно широк. Однако даже нижней границы современные технологии передачи достигнуть не могут, так что есть неиспользуемый пока ресурс. В установке оптоволоконный кабель не сложен, но требует профессиональных приспособлений для сопряжения соседних отрезков кабеля и высокой квалификации исполнителей. Сочетание высоких свойств оптоволоконного кабеля даже при пока относительно высокой цене обусловило растущую популярность его использования.
Окружающее пространство – атмосфера, стратосфера, ближний космос - являет собой особый случай: здесь сама среда передачи обычно является общественным достоянием. Именно поэтому ее использование тщательно регулируется в пределах каждого географического региона государственными органами и международными соглашениями. В отличие от других сред передачи, которые при необходимости можно наращивать, окружающее пространство, по сути, ограниченно. Если в эфире тесно, то можно только мешать друг другу. Степень помехоустойчивости окружающего пространства зависит от частоты. На низких частотах велики помехи от разрядов молний и электротранспорта, на высоких – от дождя, тумана, состояния ионосферы. Самая большая сложность при установке – получение лицензии на использование выделенной полосы частот. И все-таки популярность этого способа передачи растет. К началу ХХI в. практически вся планета опутана сотами беспроводной связи.
И тем не менее, сегодня в локальных сетях различных топологий чаще применяются кабельные среды передачи данных. Сравнительные их характеристики представлены в табл. 5.3.
Таблица 5.3
Сравнительные характеристики кабельных сред передачи данных
| Характе-ристика | Тип среды передачи | |||
| “витая пара” | коаксиал тонкий | коаксиал толстый | оптоволоконный кабель | |
| Примене-ние в сетях топологий | Кольцо, звезда, шина, дерево | Шина, дерево, реже - кольцо | Шина, дерево | Кольцо, звезда |
| Максим. число узлов сети | До 255 | До 1024 | 2500 и более | От 2 до 8 |
| Максим. длина, км | 10 ÷ 25 | 50 ÷ 80 | 2 ÷ 10 | |
| Максим. пропускная способность (скорость) Мбит/с | 1 ÷ 10 | 10 ÷ 50 | До 500 | 500 на 10 км 1500 на 8 км до 5*10 3 на 5 км |
| Основные преиму-щества | Низкая стоимость, можно использовать существующие телефонные линии | Низкая цена, простота установки | Широкое вещание, высокая помехозащи-щенность | Смешанный трафик, абсолютная защита от шумов, защита от несанкционированного доступа |
| Основные недостат-ки | Узость полосы, слабая защита от помех и несанкционированного доступа. Необходима механическая защита, сложность поиска разрывов и заземлений | Стабильная работа при нагрузке до 40 %, требует защиты от механичес-ких повреждений и несанкцио-нированного доступа | Повышенные цена и затраты на прокладку. Необходимы разно-частотные модемы для оконечных систем | Высокая цена, для установки необходим квалифицированный персонал. Коммерчески пока недоступен |
Рассмотрим некоторые технические параметры передачи по кабельным линиям связи.
Локальные сети строятся, в основном, с использованием кабельных линий связи. Любая кабельная линия описывается следующими параметрами передачи: коэффициентом распространения сигнала (iw) и волновым сопротивлением Z в (iw). По этим параметрам можно определить ток и напряжение в любой точке кабельной линии. Параметры передачи связаны с первичными параметрами линии – активным сопротивлением R, индуктивностью L, емкостью С и проводимостью изоляции G следующими соотношениями:
.
Сигналы, передаваемые по линиям, имеют широкий частотный спектр, поэтому учет частотной зависимости весьма актуален. Частотные зависимости сопротивления R и индуктивности L кабеля определяются в основном процессами перераспределения тока в токопроводящих жилах из-за поверхностного эффекта и эффекта близости (рис. 5.2).
Поверхностный эффект заключается в перераспределении тока в проводнике при взаимодействии основного тока с вихревыми токами, наведенными основным через внутреннее магнитное поле. В результате поверхностного эффекта возрастает плотность тока в поверхностных слоях проводника. Так, в медном проводнике на частоте 100 кГц толщина поверхностного слоя, в котором концентрируется ток, составляет 208 мкм, а на 1 МГц – 66 мкм. Таким образом, уже на частотах в несколько десятков килогерц толщина токопроводящего слоя много меньше диаметра проводника. Поверхностный эффект приводит к росту активного сопротивления и уменьшению индуктивности с ростом частоты.
Эффектом близости называется перераспределение тока из-за взаимодействия тока, протекающего по проводнику, с вихревыми токами, наводимыми внешним магнитным полем. При передаче сигнала по кабелю в двух проводниках, образующих замкнутую цепь, проходят токи противоположных направлений. Влияние полей обоих проводников приводит к увеличению плотностей токов на поверхностях проводников, обращенных друг к другу. В коаксиальной паре, вследствие эффекта близости в центральной жиле, ток концентрируется на внешней поверхности аналогично действию поверхностного эффекта, а во внешнем проводнике ток концентрируется на внутренней поверхности, как показано на эпюрах
Рис.5.2. Перераспределение тока из-за поверхностного эффекта и
эффекта близости
Обратите внимание! Внешние поля вызывают появление токов, протекающих в основном по наружной поверхности внешнего проводника. Вследствие эффекта близости с ростом частоты ω пути сигнальных и мешающих токов во внешнем проводнике разделяются – происходит самоэкранирование кабеля (этот момент изображен на эпюрах). Это и приводит к возрастанию защищенности коаксиальной пары от внешних помех с увеличением частоты передаваемого сигнала. Отсюда и бытовое название внешнего проводника коаксиальной пары – экран. Правда, низкочастотные поля линий электропередач и электрического транспорта экранируются плохо.
Влияние эффекта близости на активное сопротивление и индуктивность проводников кабельной пары аналогично действию поверхностного эффекта: с ростом w R увеличивается, L – уменьшается.
При увеличении частоты сигнала возрастает и комплексное сопротивление Z n поверхностного слоя, где концентрируется протекающий по проводнику ток. С учетом этого обстоятельства параметры передачи линии будут определяться как
;
;
,
где ρ 1,2 и μ 1,2 – значения удельного сопротивления и магнитной проницаемости проводников пары, соответственно.
Из последних формул следует, что волновое сопротивление кабеля на низких частотах увеличивается по модулю. С увеличением частоты волновое сопротивление становится чисто активным и постоянным 
). Затухание кабеля пропорционально корню квадратному из частоты. Все рассмотренное относится ко всем электрическим кабелям.
Перейдем к рассмотрению свойств каждой среды передачи.
Кабель “витая пара” . Цифровые линии передачи данных организуются по кабелям “витая пара” на местных, межцеховых и межгородских сетях. На коротких расстояниях в единицы километров применяются многопарные телефонные кабели типа Т с диаметром жил 0,4-0,7 мм, изоляцией в виде пористой бумажной массы или спиралью намотанной бумажной ленты, парной скруткой жил. В одном кабеле типа Т число пар может достигать 1200 (для городской прокладки между жилыми домами и АТС). Могут также применяться многопарные кабели марки ТП с полиэтиленовой изоляцией. Для малонагруженных линий применяются кабели марки КСПП с диаметром жил 0,9 мм упрощенной конструкции, с малым числом жил (до четырех четверок) в полиэтиленовой изоляции. На средних дистанциях до 10 км могут использоваться одночетверочные кабели марки ЗКП с полиэтиленовой изоляцией. Скрутка четырех жил (а не двух) повышает помехозащищенность.
В кабелях основным видом помех являются переходные влияния между сигналами, передаваемыми по различным парам проводников одного кабеля. Предельная длина участка регенерации для цифровых линий определяется из условия обеспечения минимально допустимой величины защищенности от переходных помех. Взаимное влияние оценивается величиной переходного затухания на ближнем А 0 и дальнем концах участка: 
;
,
где индекс 1 относится к влияющей цепи, а индекс 2 – к цепи, подверженной влиянию.
Схема взаимного влияния между линиями в кабеле “витая пара” выглядит так (рис. 5.3):
Рис. 5.3. Взаимное влияние линий в кабеле
Величина переходного влияния в кабелях “витая пара” зависит не только от длины участка, но и от частоты передаваемого сигнала. Эта зависимость также носит характер возрастания влияния с ростом частоты.
Предельные нижние значения переходного затухания (в децибелах) для кабелей разных категорий приведены в табл.5.4.
Таблица 5.4
Границы переходного затухания в кабелях различных категорий, дБ
| Частота, МГц | Категория | ||
| 10,0 | 11,5 | 7,5 | 7,0 |
| 20,0 | - | 11,0 | 10,3 |
| 100,0 | - | - | 24,0 |
Коаксиальные кабели. Линии передачи данных более высокого качества и технических характеристик организуются по коаксиальным кабелям. Наибольшее распространение получили кабели марок КМ – 4, МКТ – 4 и КМ– 8/6. Магистральный коаксиальный кабель КМ – 4 содержит 4 коаксиальные пары диаметром 2,6/9,4 мм (первое число – диаметр центральной жилы, второе – внутренний диаметр внешнего проводника) и 5 “витых” четверок жил диаметром 0,9 мм. Изоляция коаксиальных пар выполнена в виде полиэтиленовых шайб. Малогабаритный коаксиальный кабель МКТ – 4 имеет 4 коаксиальные пары диаметром 1,2/4,6 мм и пять “витых пар” с диаметром жил 0,7 мм. Изоляция в коаксиальных парах – воздушно-полиэтиленовая. Комбинированный коаксиальный кабель КМ – 8/6 содержит 8 коаксиальных пар 2,6 / 9,4 мм, 6 коаксиальных пар 1,2/4,6 мм, а также одну четверку, 8 “витых пар” и 6 отдельных жил диаметром 0,9 мм.
Поскольку защищенность коаксиальной пары от внешних помех увеличивается пропорционально корню квадратному из частоты, переходное затухание в таких кабелях нормируется на нижней частоте используемого диапазона. Так, для пары 2,6/9,4 мм переходное затухание составляет 128 дБ на частоте 300 кГц для строительной длины 600 м. Это позволяет применять однокабельную систему организации линии передачи данных.
Волоконно-оптические кабели. Эти кабели являются наиболее перспективными для линий передачи сигналов. Основные достоинства оптического волокна – низкое затухание, слабые (практически нулевые) взаимные влияния между сигналами, передаваемыми по различным волокнам одного кабеля, малая чувствительность к внешним электромагнитным полям, небольшие размеры, малый радиус допустимого изгиба, большая ширина оптического диапазона волн, дешевое сырье для изготовления волокон.
Волоконный кабель содержит одно или много оптических волокон круглого сечения, изготовленных из кварцевого стекла (или пластмассы) с переменным по сечению волокна коэффициентом преломления. Потери на затухание в кварцевом стекле минимальны в диапазоне длин волн λ = 1,0 ÷ 1,8 мкм. Вне этого интервала возрастают потери на ультрафиолетовое слева и инфракрасное справа поглощение. В спектре пропускания кварцевого стекла максимумы поглощения приходятся на значения λ = 0,95; 1,24 и 1,39 мкм. Поэтому затухание в волокне менее 1 дБ/км принципиально может быть достигнуто лишь в нескольких дискретных областях (λ = 0,8; 1,2; 1,3 и
В реальных волокнах источником потерь, кроме чистоты стекла. являются вариации толщины волокна и плотности материала, изгибы, нарушение профиля показателя преломления, качество сращивания участков или их разъемных соединений. Все это приводит к возрастанию минимального затухания кабеля до 2 ÷ 5 дБ/км.
Оптическое волокно имеет сердцевину и оболочку. Для удержания света в волокне показатель преломления сердцевины n c должен быть выше, чем у оболочки n.
В зависимости от числа типов электромагнитных волн (мод), которые могут распространяться в волокне, различают одномодовые и многомодовые световоды (рис.5.4).
В настоящее время существует три основных типа световодов, отличающихся законом распределения показателя преломления по сечению и числом распространяющихся мод: многомодовое волокно со ступенчатым изменением показателя преломления (рис. 5.4а) , многомодовое градиентное волокно с плавным изменением показателя преломления (рис. 5.4б) и одномодовое волокно со ступенчатым изменением показателя преломления (рис. 5.4в) .
В многомодовых волокнах со ступенчатым профилем диаметр сердцевины d = 50 ÷ 300 мкм, скорости распространения различных мод не выравниваются, что приводит к дисперсии до 20 нс/км. В градиентных волокнах показатель преломления изменяется по параболе, что обеспечивает выравнивание оптических длин путей различных распространяющихся мод и, как следствие, резкое уменьшение межмодовой дисперсии до
0,2 ÷ 1,0 нс/км. Полное отсутствие дисперсии может обеспечить гиперболический профиль изменения показателя преломления, но его трудно выдержать при изготовлении волокна. Одномодовый режим распространения обеспечивается при поперечных размерах сердечника волокна, соизмеримых с длиной волны, и при малых значениях разности показателей преломления
сердцевины и оболочки. Так при n c = 1,5; Δ = n c - n = 0,002 и λ = 0,85 мкм диаметр одномодового волокна составляет d = 6,8 мкм. Из-за столь малых размеров сердечника и малой величины Δ изготовление таких волокон технически достаточно сложно. Поэтому первыми были освоены в изготовле-
нии многомодовые волокна.
Рис.5.4. Типы световодов
На различных участках сетей могут использоваться волоконно-оптические кабели с различными параметрами. На участках протяженностью порядка
10 км и скоростью передачи 2-140 Мбит/с можно применить волокно с затуханием до 10 дБ/км и дисперсией в несколько нс/км. При значительно большей протяженности линии связи потери в волокне не должны превышать 3-5 дБ/км, что определяет отстояние соседних пунктов регенерации на 8-10 км. Дисперсия импульсов в таких линиях должна быть ниже 1 нс/км, что потребует применения одномодового или градиентного волокна с очень жестко заданным профилем показателя преломления.
Вопросы для самопроверки:
1. Обоснуйте свой выбор между “витой парой” категории 3 (или 4) и тонким коаксиальным кабелем для передачи данных от автоматизированной технологической линии бумагоделательной машины до ВЦ комбината.
2. Сравните взаимовлияние каналов в кабеле с несколькими витыми парами и в кабеле с несколькими оптическими волокнами.
3. Из чего складывается стоимость среды передачи кабельных сред и окружающего пространства?
4. Какова физическая природа экранирующего эффекта внешнего проводника коаксиальной пары?
5. Чем объясняется перспективность применения оптоволоконного кабеля в линиях передачи данных информационных сетей?
6. В чем отличия многомодового волокна от одномодового?
7. Как зависит затухание сигнала в кабеле “витая пара” от частоты?
8. Чем следует руководствоваться при проектировании узлов усилителей мощности (регенерации сигнала) для различных физических сред передачи?
Страница 27 из 27 Физические основы передачи данных (Линии связи,)
Физические основы передачи данных
Любая сетевая технология должна обеспечить надежную и быструю передачу дискретных данных по линиям связи. И хотя между технологиями имеются большие различия, они базируются на общих принципах передачи дискретных данных. Эти принципы находят свое воплощение в методах представления двоичных единиц и нулей с помощью импульсных или синусоидальных сигналов в линиях связи различной физической природы, методах обнаружения и коррекции ошибок, методах компрессии и методах коммутации.
Линии связи
Первичные сети, линии и каналы связи
При описании технической системы, которая передает информацию между узлами сети, в литературе можно встретить несколько названий: линия связи, составной канал, канал, звено. Часто эти термины используются как синонимы, и во многих случаях это не вызывает проблем. В то же время есть и специфика в их употреблении.
Звено (link) - это сегмент, обеспечивающий передачу данных между двумя соседними узлами сети. То есть звено не содержит промежуточных устройств коммутации и мультиплексирования.
Каналом (channel) чаще всего обозначают часть пропускной способности звена, используемую независимо при коммутации. Например, звено первичной сети может состоять из 30 каналов, каждый из которых обладает пропускной способностью 64 Кбит/с.
Составной канал (circuit) - это путь между двумя конечными узлами сети. Составной канал образуется отдельными каналами промежуточных звеньев и внутренними соединениями в коммутаторах. Часто эпитет «составной» опускается и термин «канал» используется для обозначения как составного канала, так и канала между соседними узлами, то есть в пределах звена.
Линия связи может использоваться как синоним для любого из трех остальных терминов.
На рис. показаны два варианта линии связи. В первом случае (а) линия состоит из сегмента кабеля длиной несколько десятков метров и представляет собой звено. Во втором случае (б) линия связи представляет собой составной канал, развернутый в сети с коммутацией каналов. Такой сетью может быть первичная сеть или телефонная сеть.
Однако для компьютерной сети эта линия представляет собой звено, так как соединяет два соседних узла, и вся коммутационная промежуточная аппаратура является прозрачной для этих узлов. Повод для взаимного непонимания на уровне терминов компьютерных специалистов и специалистов первичных сетей здесь очевиден.
Первичные сети специально создаются для того, чтобы предоставлять услуги каналов передачи данных для компьютерных и телефонных сетей, про которые в таких случаях говорят, что они работают «поверх» первичных сетей и являются наложенными сетями.
Классификация линий связи
Линия связи состоит в общем случае из физической среды, по которой передаются электрические информационные сигналы, аппаратуры передачи данных и промежуточной аппаратуры. Физическая среда передачи данных (физические носители информации) 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 первом случае говорят о проводной среде, а во втором - о беспроводной.
В современных телекоммуникационных системах информация передается с помощью электрического тока или напряжения, радиосигналов или световых сигналов - все эти физические процессы представляют собой колебания электромагнитного поля различной частоты.
Проводные (воздушные) линии связи представляют собой провода без каких-либо изолирующих или экранирующих оплеток, проложенные между столбами и висящие в воздухе. Еще в недалеком прошлом такие линии связи были основными для передачи телефонных или телеграфных сигналов. Сегодня проводные линии связи быстро вытесняются кабельными. Но кое-где они все еще сохранились и при отсутствии других возможностей продолжают использоваться и для передачи компьютерных данных. Скоростные качества и помехозащищенность этих линий оставляют желать много лучшего.
Кабельные линии имеют достаточно сложную конструкцию. Кабель состоит из проводников, заключенных в несколько слоев изоляции: электрической, электромагнитной, механической и, возможно, климатической. Кроме того, кабель может быть оснащен разъемами, позволяющими быстро выполнять присоединение к нему различного оборудования. В компьютерных (и телекоммуникационных) сетях применяются три основных типа кабеля: кабели на основе скрученных пар медных проводов - неэкранированная витая пара (Unshielded Twisted Pair, UTP) и экранированная витая пара (Shielded Twisted Pair, STP), коаксиальные кабели с медной жилой, волоконно-оптические кабели. Первые два типа кабелей называют также медными кабелями.
Радиоканалы наземной и спутниковой связи образуются с помощью передатчика и приемника радиоволн. Существует большое разнообразие типов радиоканалов, отличающихся как используемым частотным диапазоном, так и дальностью канала. Диапазоны широковещательного радио (длинных, средних и коротких волн), называемые также АМ-диапазонами, или диапазонами амплитудной модуляции (Amplitude Modulation, AM), обеспечивают дальнюю связь, но при невысокой скорости передачи данных. Более скоростными являются каналы, использующие диапазоны очень высоких частот (Very High Frequency, VHF), для которых применяется частотная модуляция (Frequency Modulation, FM). Для передачи данных также используются диапазоны ультравысоких частот (Ultra High Frequency, UHF), называемые еще диапазонами микроволн (свыше 300 МГц). При частоте свыше 30 МГц 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, либо локальные или мобильные сети, где это условие выполняется.
