Введение

Коммуникационные устройства и их разнообразие. Скорость, с которой мобильные телефоны завоевывали популярность и внедрялись в нашу современную жизнь менялась на протяжении последних десятилетий в геометрической прогрессии. Ежегодно разнообразие мобильных аппаратов возрастало и в наши дни по-настоящему поражает. Попробуйте представить область деятельности человека, в которой не применялись бы портативные электронные устройства. Скорее всего, это будет не просто. Выполнение будничных задач мы постепенно отдаем на откуп возможностям новых цифровых приборов. Вместо поиска альтернативного метода их решения, мы стараемся отыскать нужный функционал в электронных устройств, чтобы заменить наши усилия автоматическими.

Данная курсовая работа состоит из двух частей: первая - теоретическая часть. В ней рассматривается все типы современных коммуникационных устройств, их характеристика и свойства. Вторая часть - расчетная, в ней рассматриваются типы топологий «шина» и «кольцо», Их сравнительные характеристики, преимущества и недостатки.

Коммуникационные устройства

Коммуникационные устройства ПК предназначены для обмена данными между компьютерами, компьютером и удаленным устройством ввода-вывода, требуется для различных целей: передачи файлов, совместного использования периферийных устройств (например, принтеров), доступа к разнообразным информационным услугам Интернета и частных сетей, приема и передачи факсимильных сообщений, посылки сообщений на пейджеры и мобильные телефоны, установление голосовой связи (IP-телефония), видеосвязи и даже совместных игр по сети, а также для объединения компьютеров в локальную (Local Area Network, LAN) или глобальную (Wide Area Network, WAN) сеть (включая Интернет). Обмен данными требуется для различных целей: передачи файлов, совместного использования периферийных устройств (например, принтеров), доступа к разнообразным информационным услугам Интернета и частных сетей, приема и передачи факсимильных сообщений, посылки сообщений на пейджеры и мобильные телефоны, установление голосовой связи (IP -телефония), видеосвязи и даже совместных игр по сети. Современные технологии, используемые для этих целей, ориентированные именно на коммуникации: СОМ-порт, беспроводные интерфейсы, модемы, адаптеры локальных сетей. Связь между компьютерами, правда, с рядом ограничений, может быть установлена и другими средствами: через LPT-порты, последовательные шины FireWire и USB.

Локальная сеть (Local Area Network, LAN) - компьютерная сеть, покрывающая обычно относительно небольшую территорию или небольшую группу зданий (дом, офис, фирму, институт). Также существуют локальные сети, узлы которых разнесены географически на расстояния более 12 500 км (космические станции и орбитальные центры). Несмотря на такие расстояния, подобные сети всё равно относят к локальным. Связывает компьютеры в пределах одной организации и предоставляет следующие преимущества:

• · возможность обмена информацией (файлами) без использования дискет;
• · возможность хранить файлы на общем сетевом диске и обращаться к ним с любого компьютера сети;
• · возможность использования общих внешних устройств (принтеры, сканеры), подключенных к сети.

Глобальная компьютерная сеть, ГКС (англ. Wide Area Network, WAN) -- компьютерная сеть, охватывающая большие территории и включающая в себя большое число компьютеров. ГКС служат для объединения разрозненных сетей так, чтобы пользователи и компьютеры, где бы они ни находились, могли взаимодействовать со всеми остальными участниками глобальной сети.

Некоторые ГКС построены исключительно для частных организаций, другие являются средством коммуникации корпоративных ЛВС с сетью Интернет или посредством Интернет с удалёнными сетями, входящими в состав корпоративных. Чаще всего ГКС опирается на выделенные линии, на одном конце которых маршрутизатор подключается к ЛВС, а на другом коммутатор связывается с остальными частями ГКС.

Сети компьютеров можно классифицировать следующим образом.

• * Простейшие одноуровневые объединяют небольшое число компьютеров, причем все они имеют одинаковые возможности использования;
• * Двухуровневые сети могут объединять большее число компьютеров, среди которых выделяется один центральный компьютер, который организует работу всей сети. На дисках сервера хранятся основные файлы, необходимые для управления работой всей сети и отдельных компьютеров, а также файлы пользователей.
• * Многоуровневые сети могут объединять между собой отдельные локальные сети со своими серверами. Особенность таких сетей состоит в том, что серверы могут быть компьютерами разных типов (IBM-совместимые ПК, компьютеры Macintosh, рабочие станции). Это требует использования специальных программ управления такими сетями. Подобные сети иногда называют корпоративными.
• * Региональные сети объединяют компьютеры в рамках некоторого региона (Татарстан, Поволжье, Россия) и используют для передачи информации телефонные линии или специальные высокоскоростные каналы. Наиболее известной сетью в России является сеть Relcom.
• * Глобальные (мировые) сети объединяют миллионы компьютеров по всему миру. Наиболее известная мировая сеть - Internet.

Для связи компьютеров друг с другом в пределах одной сети необходимы два основных типа устройств:

• · специальные электронные схемы (сетевые платы), вставляемые в каждый компьютер;
• · провода (кабели), необходимые для физического соединения компьютеров.

Для организации взаимодействия компьютеров через телефонные линии необходимы специальные устройства - модемы. Они служат посредниками между компьютером и телефонной линией и необходимы для преобразования цифрового представления информации в непрерывный сигнал и обратно.

Проводные интерфейсы связи. Последовательный интерфейс для передачи данных в одном направлении использует одну сигнальную линию, по которой информационные биты передаются друг за другом -- последовательно. Английские названия интерфейса и порта -- Serial Interface и Serial Port. Последовательная передача позволяет сократить количество сигнальных линий и добиться улучшения связи на больших расстояниях. Начиная с первых моделей, в PC имеется последовательный интерфейс - СОМ-порт (Communications Port -- коммуникационный порт). Этот порт обеспечивает асинхронный обмен по стандарту RS-232C. Синхронный обмен в PC поддерживают лишь специальные адаптеры, например, SDLC или V.35. СОМ-порты реализуются на микросхемах универсальных асинхронных приемопередатчиков (UART), совместимых с семейством 18250/16450/16550.

Порты могут вырабатывать аппаратные прерывания IRQ4 (обычно используются для СОМ1 и COM3) и IRQ3 (для COM2 и COM4). С внешней стороны порты имеют линии последовательных данных передачи и приема, а также набор сигналов управления и состояния, соответствующий стандарту RS-232C. СОМ-порты имеют внешние разъемы-вилки DB25P или DB9P, выведенные на заднюю панель компьютера. Характерной особенностью интерфейса является применение не ТТЛ-сигналов -- все внешние сигналы порта двух - полярные. Гальваническая развязка отсутствует -- схемная земля подключаемого устройства соединяется со схемной землей компьютера. Скорость передачи может достигать 115,2 Кбит/сек.

Название порта указывает на его основное назначение -- подключение коммуникационного оборудования (например, модема) для связи с другими компьютерами, сетями и периферийными устройствами. К порту могут непосредственно подключаться и периферийные устройства с последовательным интерфейсом: принтеры, плоттеры, терминалы и др. СОМ-порт широко используется для подключения мыши, а также организации непосредственной связи двух компьютеров. К СОМ-порту подключают и электронные ключи.

В настоящее время устройства, которые традиционно используют СОМ-порт, рекомендуется переводить на последовательные шины USB и Fire Wire.

3. Коммуникационные устройства локальных сетей

Ранее было показано, что работа в составе локальной сети требует корректного и эффективного выполнения определенных процедур канального уровня, начиная от формирования кадра с учетом алгоритмов контроля данных и восстановления искаженных или утерянных в процессе передачи данных (LLC подуровень) и заканчивая управлением доступом к разделяемой среде передачи данных (MAC подуровень). Все эти задачи канального уровня должны решаться каждым узлом локальной сети, поэтому все узлы обязательно содержат коммуникационные устройства (в компьютерных сетях – сетевые адаптеры, в CAN-сети – CAN-контроллеры), реализующие эти процедуры канального уровня. Зачастую задачи, решаемые этими устройствами, выходят за пределы канального уровня и, например, включают достаточно сложные процедуры контроля и диагностики работы элементов сети.

В локальных сетях, даже без разделения на логические сегменты, может потребоваться применение дополнительных коммуникационных устройств. Например, преобразование физической топологии «звезда» в логическую топологию «общая шина» или «кольцо» производится концентраторами (хабами). Хаб – наиболее простое коммуникационное устройство, его функции заключаются в ретрансляции поступающих на один из входных портов сообщений на другие выходные порты. Выполняя такие операции, хаб изменяет логическую топологию сети. Обычно порты хаба двунаправленные (вход / выход) и таких портов – несколько. Естественно, что хаб должен работать строго в соответствии с MAC-процедурами. Как правило, хабы выполняют дополнительные контрольные функции и могут отключать порты с некорректно работающими узлами сети. Хаб не является полноценным узлом локальной сети, т.е. он не имеет собственного MAC-адреса и не может быть ни отправителем, ни получателем сообщений. Таким образом, хаб объединяет отдельные физические сегменты сети в единую разделяемую среду передачи данных в соответствии с используемой сетевой технологией.

Для разделения единой среды передачи данных на логические сегменты в локальных сетях применяют более сложные коммуникационные устройства: мосты и коммутаторы. Мосты и коммутаторы также реализуют только MAC-процедуры и, следовательно, являются устройствами для решения задач канального уровня. Как правило, они тоже не имеют самостоятельных MAC-адресов и не могут быть ни отправителями, ни получателями сообщений. В отличие от хабов мосты и коммутаторы обеспечивают селективную ретрансляцию поступающих сообщений, разделяя локальную сеть на относительно самостоятельные логические сегменты. Если получатель сообщения находится в одном логическом сегменте с отправителем, поступившее сообщение не передается на другие выходные порты. Если поступившее сообщение адресовано в другой сегмент, оно либо повторяется на всех выходных портах, либо только на том, который соответствует адресуемому логическому сегменту. Для такой селективной ретрансляции мосты и коммутаторы должны производить анализ MAC-адресов всех поступающих сообщений. Очевидно, что эта необходимость существенно усложняет работу этих коммуникационных устройств. Обычно мост содержит один общий процессор обработки сообщений для всех портов и поэтому выполняет обработку сообщения только одного логического сегмента (порта). Остальные порты должны в это время принимать поступающие сообщения в буферные ЗУ и ожидать в очереди на обработку. Это может существенно снижать производительность сети.

Коммутаторы содержат процессоры обработки сообщений в каждом порту и поэтому обеспечивают независимую и одновременную обработку сообщений каждого логического сегмента (порта). Коммутаторы могут производить обработку сообщений с полной буферизацией или «на лету». Из-за относительно низкой производительности мосты в настоящее время практически не применяются.

Достаточно часто возникает необходимость в использовании в разных логических сегментах сети различных сетевых технологий. В этих случаях коммуникационные устройства должны на разных выходных портах реализовывать различные MAC-процедуры. Устройств, позволяющие объединять в единую сеть сегменты с разными сетевыми технологиями, принято называть шлюзами (gate way). Шлюзы, кроме функций коммутаторов, должны выполнять преобразование форматов сообщений и реализовывать необходимые MAC-процедуры для каждого сегмента. Особенно актуальны такие задачи в сложных составных сетях.

4. Техническая реализация коммутаторов

Для эффективной работы в коммутаторах необходимо обеспечить одновременную передачу сообщений между разными портами, т.е. пропускная способность должна соответствовать суммарной пропускной способности портов. Каждый порт должен содержать буферное ЗУ для хранения сообщений в случаях, когда выходной порт (или его канал связи) занят передачей другого сообщения. Наиболее жесткие требования по быстродействию предъявляются к коммутаторам при обработке сообщений «на лету».

В настоящее время используется три основных схемы реализации коммутаторов: коммутационные матрицы, разделяемую память, общую шину. Достаточно часто эти схемы могут комбинироваться в одном коммутаторе. Но в любом варианте реализации все порты коммутатора должны образовывать полносвязаную конфигурацию, т.е. сообщения из каждого порта должны при необходимости поступать в любой другой порт.

Коммутационная матрица (рис. 2) обеспечивает самый быстрый способ взаимодействия портов и представляет собой комбинационную логическую схему, обеспечивающую передачу сигналов от каждого порта к любому другому порту. Очень часто ее строят подобно многоступенчатым матричным дешифраторам, сигналы управляющие направлением передачи формируются на основе анализа MAC – адреса и добавляются к исходному сообщению (так называемый тэг), быстродействие элементов матрицы соизмеримо со скоростью передачи данных. Однако сложность коммутационной матрицы очень существенно возрастает при увеличении количества портов коммутатора.

Рис. 2. Реализация коммутационной матрицы с помощью двоичных переключателей

В коммутаторах с общей шиной (рис. 3) порты связаны высокоскоростной шиной, обеспечивающей производительность большую, чем суммарная производительность портов. Сообщения по внутренней шине должны передаваться небольшими порциями – ячейками, это необходимо для предотвращения задержек передачи других сообщений. Общая шина не предусматривает буферизации ячеек. Каждый порт принимает все ячейки, с помощью тэгов накапливает в буфере те ячейки, которые адресованы ему и передает их в выходной канал.

Рис. 3. Архитектура общей шины

Взаимодействие портов коммутатора можно организовать с помощью двухвходовой разделяемой памяти (рис. 4). Запись в разделяемую память из входных портов осуществляется также ячейками с помощью менеджера очередей, аналогичным образом производится чтение данных для передачи в выходные порты.

Рис. 4. Архитектура разделяемой памяти

Два последних способа предъявляют весьма высокие требования по быстродействию элементов коммутатора.

CAN контроллерами. Эти контроллеры выпускаются либо в виде отдельных интегральных схем, либо являются встроенными элементами более сложных устройств. CAN контроллер в комплекте с ИС CAN трансивера обеспечивает работу локальной сети, реализуя все необходимые функции: от управления доступом к разделяемой среде передачи данных (MAC - процедуры) до передачи сигналов по линии связи. Для HLP протоколов...

Три типа адресов: локальные, IP-адреса и символьные доменные имена. Локальный адрес – это адрес, используемый автономной системой (подсетью составной сети). Предполагается, что каждая автономная система может строиться по своей сетевой технологии, может иметь независимую систему адресации и использовать свои внутренние адреса. Если автономная система также является IP-сетью, локальный (внутренний) ...

Как цели образования, содержание образования, преподаватель, студенты, технологическая подсистема, включающая в себя средства, методы и формы обучения. 2. Повышение качеств знаний с помощью телекоммуникационной среды на уроках информатики В последнее время получают распространение средства «вирту­альных миров» в Интернет, трехмерных объектов, являющихся усовершенствованной...

Подобная программа будет включена в план ФПКП, то оплата труда специалистов, проводящих повышение квалификации, будет производиться из средств ФПКП. Глава 2. Образовательные возможности компьютерной сети 2.1 Электронная почта Наиболее распространенной коммуникационной технологией и соответствующим сервисом в компьютерных сетях стала технология компьютерного способа пересылки и обработки...

Современный мир развитых технологий даже не представляется без коммуникационного оборудования. Потому что практически в каждом доме, офисе, на предприятии, учебном заведении есть компьютер или даже несколько, а значит, и интернет, а как следствие, и сеть.

Ведь главной функцией коммуникационного оборудования является принятие, иногда обработка и передача данных на расстояние (от нескольких сантиметров до нескольких тысяч километров).

Еще раньше очень распространенными разновидностями таких устройств служили: проводной телефон, телеграф… Чуть позже факс.

Научно-техническое определение и виды оборудования

Коммуникационное оборудование - это специальные устройства, которые осуществляют передачу каких-либо данных по определенным линиям, называющимся линиями связи (кабель, коммутатор и другие).

Наиболее распространенные их разновидности - это оптоволоконный кабель, витая пара, коаксиальный кабель.

Каковы же виды коммуникационного оборудования?

1. Оборудование данных или терминальное.
2. Сетевое оборудование.
3. Оборудование линии связи.

Расшифровка каждого вида

Все представители каждого вида могут также назваться техническими средствами коммуникационного оборудования.

Оборудование данных - это устройства, преобразующие информацию пользователя в данные, предназначенные для передачи их по линии связи, и осуществляющие обратное преобразование. К этому виду устройств относятся персональные компьютеры, а также большая электронно-вычислительная машина, устройство сбора данных, кассовый аппарат и другие терминальные приспособления.

Сетевое коммуникационное оборудование - это техника, которая необходима для того, чтобы компьютерные сети работали. Наиболее яркими представителями этого вида являются: коммутатор, патч-панель, маршрутизатор, концентратор, сетевой адаптер, репитер и другие. Бывает такое оборудование двух основных типов: активное и пассивное.

Оборудование линии связи - это устройства, преобразующие данные, которые сформированы специальным шифрующим прибором в сигнал, передающийся по этим линиям и выполняющий обратное преобразование. Наиболее узнаваемым и ярким представителем этого оборудования является модем.

Активное сетевое оборудование

Это устройства, содержащие электронные схемы, которые работают от электрических сетей (или других подобных источников). Эти приборы выполняют функцию усиления и преобразования сигнала в другие.

В такое оборудование уже изначально заложена способность обрабатывать сигналы по специальным алгоритмам. А именно: эти устройства не только улавливают и передают сигналы, но и обрабатывают данную им техническую информацию, перенаправляя и распределяя поступающие к ним потоки соответственно встроенным в память оборудования алгоритмам.

В составе оборудования: сетевой адаптер, репитер (повторяет сигнал с целью увеличения длины его распространения), концентратор (еще называется многопортовый репитер), коммутатор (прибор, у которого несколько портов), маршрутизатор (тот же роутер), ретранслятор, медиаконвертер, сетевой трансивер (для преобразования интерфейса передачи информации).

Пассивное сетевое оборудование

Пассивным называют такое оборудование, которое применяется для распределения, а также снижения уровня сигнала. Оно работает без питания от электрической сети или другого подобного источника.

Наиболее яркими представителями этого вида оборудования являются:

• кабельная система;
• оборудование трассы для кабелей.

Локальные сети

Коммуникационное оборудование локальных сетей - это оборудование, которое служит для взаимного объединения устройств в единую сеть. А необходимо это для создания и связи множества сетей или подсетей.

Оборудование, которое используется в них, применяется и для подключения отдельного узла, и для связи большого их количества между собой.

Очень хорошо знакомый каждому вид локальной сети - это компьютерная, которая представляет собой набор машин, соединенных между собой и снабженных специальными программами, предоставляющим пользователям сети возможность доступа ко всем данным этих компьютеров.

Локальные сети - это системы, распространение сигнала которых осуществляется в радиусе до 3 километров. Бывает сеть отделов, корпоративная (если в одном здании), внутри учебного заведения, а также домашняя.

Есть также городские сети (в радиусе крупного города) и глобальные (распространение сигнала на территории города, региона, страны). Но они уже не являются локальными.

Корпоративная сеть

Очень распространенной в настоящее время локальной сетью является корпоративная, которая объединяет системы, находящиеся на всей территории предприятия. Количество рабочих мест - сто и более.

Если же подразделения организации находятся на большом расстоянии друг от друга, тогда применяют технологии глобальной сети.

В корпоративной сети, как правило, достаточно высокие требования к надежности и производительности.

Взаимодействие компонентов компьютерной системы происходит согласно схемам, которые могут несколько отличаться друг от друга.

Кроме этого, есть такие составляющие подобной сети:

1. Компьютеры, подключенные к системе, именуются станциями или узлами.
2. Наличие сетевого адаптера - устройства для подключения к системной шине компьютера и обеспечивающего прием, а также передачу информации по линии связи.
3. Витая пара, которая состоит из нескольких перекрученных жил медного провода.
4. Коаксиальный кабель состоит из покрытого изоляцией медного провода, изолирующей оплетки, наружной оболочки (он может, в отличие от витой пары, передавать информацию на более дальние расстояния).
5. Оптоволоконный кабель (через него сигнал проходит лучше всего).
6. Компьютеры, которые предназначены для того, чтобы обслуживать другие компьютеры, называются серверами.
7. Те же, что обращаются с запросами к ресурсной базе других компьютеров, имеют название узел-клиенты.
8. Если же один компьютер совмещает в себе одном оба предназначения, то он называется одноранговым узлом.

Принципы выстраивания компьютерной сети

Топологии сетей - это схемы соединения физических составляющих, которые обусловлены логической структурой самой сети.

• полносвязная;
• ячеистая;
• типа «звезда»;
• «общая шина»;
• кольцевая;
• древовидная.

При полносвязной каждая машина непосредственно связана с остальными.

Ячеистая - это когда из полносвязной убирается несколько возможных связей.

Топология типа «звезда» образуется, когда каждая отдельная машина подключена при помощи отдельного кабеля к общему центральному устройству.

Бывает «звезда» нескольких видов: с распределенным управлением и с центральным.

Технология «звезды»: все узлы подключаются к одному кабелю, имеющему 2 открытых конца. И только один узел в заданный момент времени имеет возможность посылать информацию. Сигнал распространяется в оба конца. При этом любой из узлов имеет возможность получить доступ к передаваемым данным. На концах шины устанавливаются такие специальные устройства - «терминаторы», которые подавляют сигнал.

«Общая шина» - это также еще одна разновидность типа «звезда», когда центральным устройством является пассивный кабель.

При информация передается от одной машине к другой - по кольцу.

Самой непростой является древовидная топология, где корнем «дерева» является центральное устройство перенаправления. К нему подключается главный кабель. А уже к нему - несколько сетевых. Изменяется частота данных. Преобразование частот осуществляется в корне дерева.

Сетевая технология

Технологии передачи информации в сети осуществляются на основании свода правил и протоколов, регламентирующих адресацию сообщений и упаковку для передачи по сети.

Набор же этих протоколов, а также осуществляющих их именуют сетевой технологией.

Усилители сотового сигнала

Человек в современной жизни даже не может уже себе представить день без мобильного или сотового телефона. Он помогает и в общении с близкими людьми, друзьями, и в работе. В общем, преимуществ большое количество.

Сотовая связь не везде может хорошо улавливаться телефоном. Особенно это касается отдаленных районов (пригородов).

А потому в таких местах представители связи устанавливают усилители сотового сигнала, что также относится к рассматриваемому в статье оборудованию для коммуникации.

Это определенная система, которая состоит из наружной антенны (прием и передача сигнала на базовую станцию), репитера (непосредственно усилителя), внутренней антенны (благодаря ей есть сигнал в помещении) и кабеля.

Резюме

Подведем итоги информационной статьи, которая, возможно, не так глубоко освещает тему того, что относится к коммуникационному оборудованию. Здесь отсутствуют более точные и специфические технические и технологические подробности.

А рассмотрены лишь самые базовые понятия и описаны основные технические средства компьютерных сетей, благодаря которым и осуществляется передача данных.

Всю же остальную, более глубинную информацию, касающуюся коммуникационного оборудования, можно уточнить в специализированной литературе.

Хотя компьютеры и являются центральными элементами обработки данных в сетях, не менее важную роль играет коммуникационное оборудование. В последнее время коммуникационные устройства из вспомогательных компонентов сети превратились в основные наряду с компьютерами и системным программным обеспечением как по влиянию на характеристики сети, так и по стоимости. Сегодня коммуникационное устройство может представлять собой сложный специализированный мультипроцессор.

Только в сети с полносвязной топологией для соединения каждой пары компьютеров имеется отдельная линия связи. Во всех остальных случаях неизбежно возникает вопрос о том, как организовать совместное использование линий связи несколькими компьютерами сети. Как и всегда при разделении ресурсов, главной целью здесь является удешевление сети.

Если топология сети не полносвязная, то обмен данными между произвольной парой конечных узлов (абонентов) должен идти в общем случае через транзитные узлы. Задача соединения конечных узлов через сеть транзитных узлов называется задачей коммутации. Устройство, функциональным назначением которого является выполнение коммутации, называется коммутатором (switch ). Коммутатор производит коммутацию входящих в его порты информационных потоков, направляя их в соответствующие выходные порты. Коммутатором в широком смысле называется устройство любого типа, способное выполнять операции переключения потока данных с одного интерфейса на другой. Операция коммутации может быть выполнена в соответствии с различными правилами и алгоритмами. Некоторые способы коммутации получили специальные названия (например, маршрутизатор ).

Коммутатором может быть как специальное устройство, так и универсальный компьютер со встроенным программным механизмом коммутации. В этом случае коммутатор называется программным. Компьютер может совмещать функции коммутации с выполнением своих обычных функций конечного узла. Эти узлы образуют коммуникационную сеть , к которой подключаются все остальные.

Задачей коммутатора является переброска данных на определённые для них интерфейсы. В связи с этим к функциям коммутатора добавляется задача мультиплексирования , при которой из нескольких отдельных потоков образуется общий агрегированный поток, который можно передавать по одному физическому каналу связи. Затем на выходе физического канала решается противоположная задача демультиплексирования – разделения суммарного агрегированного потока на несколько составляющих потоков. Мультиплексирование является способом обеспечения доступности имеющихся физических каналов одновременно для нескольких сеансов связи между абонентами сети. Операции мультиплексирования и демультиплексирования потоков при коммутации показаны на рисунке 3.

Рисунок 3

Мультиплексирование Инт. 2

Коммутатор 1

Демультиплексирование

Инт. 3 Инт.4 Инт. 5

Коммутатор, у которого все входящие информационные потоки коммутируются на один выходной интерфейс, называется мультиплексором . Коммутатор, который имеет один входной интерфейс и несколько выходных, называется демультиплексором .

В вычислительных сетях используют как индивидуальные линии связи между компьютерами, так и разделяемые (shared), когда одна линия связи попеременно используется несколькими компьютерами. В случае применения разделяемых линий связи (часто используется также термин разделяемая среда передачи данных – shared media) возникает комплекс проблем, связанных с их совместным использованием, который включает как чисто электрические проблемы обеспечения нужного качества сигналов при подключении к одному и тому же проводу нескольких приёмников и передатчиков, так и логические проблемы разделения во времени доступа к этим линиям.

Классическим примером сети с разделяемыми линиями связи являются сети с топологией «общая шина», в которых один кабель совместно используется всеми компьютерами сети. Ни один из компьютеров сети в принципе не может индивидуально, независимо от всех других компьютеров сети, использовать кабель, так как при одновременной передаче данных сразу несколькими узлами сигналы смешиваются и искажаются. В топологиях «кольцо» или «звезда» индивидуальное использование линий связи, соединяющих компьютеры, принципиально возможно, но эти кабели часто также рассматривают как разделяемые для всех компьютеров сети, так что, например, только один компьютер кольца имеет право в данный момент времени отправлять по кольцу пакеты другим компьютерам.

В локальных сетях разделяемые среды применяются достаточно часто. В глобальных сетях разделяемые между интерфейсами среды практически не используются. Это объясняется тем, что при большой протяжённости каналов связи возникают большие временные задержки распространения сигналов, сокращая до неприемлемого уровня долю полезного использования каналов связи на передачу данных абонентов. В последнее время наметилась тенденция отказа от разделяемых сред и в локальных сетях. Сеть с разделяемой средой при большом количестве узлов всегда будет работать медленнее, чем аналогичная сеть с индивидуальными линиями связи. За удешевление сети приходится расплачиваться снижением производительности.

В сетях с небольшим (10-30) количеством компьютеров чаще всего используется одна из типовых топологий - общая шина, кольцо, звезда или полней связная сеть. Все перечисленные топологии обладают свойством однородности, то есть все компьютеры в такой сети имеют одинаковые права в отношении доступа к другим компьютерам (за исключением центрального компьютера при соединении звезда). Такая однородность структуры делает простой процедуру наращивания числа компьютеров, облегчает обслуживание и эксплуатацию сети.

Однако при построении больших сетей однородная структура связей превращается из преимущества в недостаток. В таких сетях использование типовых структур порождает различные ограничения, важнейшими из которых являются:

· ограничения на длину связи между узлами;

· ограничения на количество узлов в сети;

· ограничения на интенсивность трафика, порождаемого узлами сети.

Например, технология Ethernet на тонком коаксиальном кабеле позволяет использовать кабель длиной не более 185 м, к которому можно подключить не более 30 компьютеров. Однако, если компьютеры интенсивно обмениваются и формацией между собой, иногда приходится снижать число подключенных к кабелю компьютеров до 20, а то и до 10, чтобы каждому компьютеру доставалалась приемлемая доля общей пропускной способности сети.

Для снятия ограничений на длину сети и количество её узлов используется физическая структуризация сети с помощью повторителей и концентраторов. Для повышения производительности и безопасности сети используется логическая структуризация сети, состоящая в разбиении сети на сегменты таким образом, что основная часть трафика компьютеров каждого сегмента не выходит за пределы этого сегмента. Средствами логической структуризации служат мосты, коммутаторы, маршрутизаторы и шлюзы.

Как уже упоминалось, различают топологию физических связей (физическую структуру сети) и топологию логических связей (логическую структуру сети). Под физической топологией понимается конфигурация связей, образованных отдельными частями кабеля, а под логической - конфигурация информационных потоков между компьютерами сети. Во многих случаях физическая и логическая топологии сети совпадают.

Для физического соединения различных сегментов кабеля локальной сети с целью увеличения общей длины сети используются такие коммуникационные устройства как повторители и концентраторы. Простейшее из коммуникационных устройств - повторитель (repeator ) передаёт сигналы, приходящие из одного сегмента сети, в другие её сегменты. Повторитель позволяет преодолеть ограничения на длину линий связи за счет улучшения качества передаваемого сигнала - восстановления его мощности и амплитуды, улучшения фронтов и т. п.

Повторитель, который имеет несколько портов и соединяет несколько физических сегментов, часто называют концентратором (concentrator ), или хабом (hub ). Эти названия (hub - основа, центр деятельности) отражают тот факт, что в данном устройстве сосредоточиваются все связи между сегментами сети.

Концентраторы характерны практически для всех базовых технологий локальных сетей - Ethernet, ArcNet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, 100VG-AnyLAN.

Нужно подчеркнуть, что в работе концентраторов любых технологий много общего – они повторяют сигналы, пришедшие с одного из своих портов, на других своих портах. Добавление в сеть концентратора всегда изменяет ее физическую топологию, но при этом оставляет без изменения логическую топологию.

Физическая структуризация сети с помощью концентраторов полезна не только для увеличения расстояния между узлами сети, но и для повышения её надежности. Например, при сбоях в работе сети концентратор автоматически отключает свой порт, если обнаруживает, что присоединенный к нему узел слишком долго монопольно занимает сеть. Концентратор может блокировать некорректно работающий узел и в других случаях, выполняя роль некоторого управляющего узла.

Физическая структуризация сети полезна во многих отношениях, однако в ряде случаев, обычно относящихся к сетям большого и среднего размера, невозможно обойтись без логической структуризации сети. Наиболее важной проблемой, не решаемой путем физической структуризации, остается проблема перераспределения передаваемого трафика между различными физическими сегментами сети. В большой сети естественным образом возникает неоднородность информационных потоков: сеть состоит из множества подсетей рабочих групп, отделов, филиалов предприятия и других административных образований. В одних случаях наиболее интенсивный обмен данными наблюдается между компьютерами, принадлежащими к одной подсети, и только небольшая часть обращений происходит к ресурсам компьютеров, находящихся вне локальных рабочих групп. На других предприятиях, особенно там, где имеются централизованные хранилища корпоративных данных, активно используемые всеми сотрудниками предприятия, наблюдается обратная ситуация: интенсивность внешних обращений выше интенсивности обмена между «соседними» машинами. Но независимо от того, в какой пропорции распределяются внешний и внутренний трафики, для повышения эффективности работы сети неоднородность информационных потоков необходимо учитывать.

Сеть с типовой топологией (шина, кольцо, звезда), в которой все физические сегменты рассматриваются в качестве одной разделяемой среды, оказывается неадекватной структуре информационных потоков в большой сети. Например, в сети с общей шиной взаимодействие любой пары компьютеров занимает её на все время обмена, поэтому при увеличении числа компьютеров в сети шина становится узким местом. Компьютеры одного отдела вынуждены ждать, когда окончит обмен пара компьютеров другого отдела, и это при том, что необходимость в связи между компьютерами двух разных отделов возникает гораздо реже и требует совсем небольшой пропускной способности.

Такая ситуация возникает из-за того, что логическая структура данной сети осталась однородной - она никак не учитывает увеличение интенсивности трафика внутри отдела и предоставляет всем парам компьютеров равные возможности по обмену информацией.

Отдел 1 Концентратор Концентратор Отдел 3

Концентратор Рабочая группа А

Рабочая группа В

Концентратор Концентратор

Физическая структуризация сети с помощью моста

Для повышения производительности и безопасности сети используется логическая структуризация сети , состоящая в разбиении сети на сегменты таким образом, что основная часть трафика компьютеров каждого сегмента не выходит за пределы этого сегмента. Распространение трафика, предназначенного для компьютеров некоторого сегмента сети, только в пределах этого сегмента называется локализацией трафика . Средствами логической структуризации служат такие коммуникационные устройства, как мосты, коммутаторы, маршрутизаторы и шлюзы.

Мост (bridge) – это устройство, соединяющее две одинаковые сети в пределах ограниченного пространства и использующие одинаковые методы передачи данных. Мост может соединять сети разных топологий, но работающие под управлением однотипных сетевых операционных систем. Мост делит разделяемую среду передачи сети на части (часто называемые логическими сегментами), передавая информацию из одного сегмента в другой только в том случае, если такая передача действительно необходима, то есть если адрес компьютера назначения принадлежит другой подсети. Тем самым мост изолирует трафик одной подсети от трафика другой, повышая общую производительность передачи данных в сети. Локализация трафика не только экономит пропускную способность, но и уменьшает возможность несанкционированного доступа к данным.

Логическая структуризация сети с помощью моста

Коммутатор (switch ) по принципу обработки данных ничем не отличается от моста. Основное его отличие от моста состоит в том, что он является своего рода коммуникационным мультипроцессором, так как каждый его порт оснащен специализированным процессором, который обрабатывает данные по алгоритму моста независимо от процессоров других портов. За счет этого общая производительность коммутатора обычно намного выше производительности традиционного моста, имеющего один процессорный блок. Можно сказать, что коммутаторы - это мосты нового поколения, которые обрабатывают данные в параллельном режиме.

Сеть сложной конфигурации, представляющая собой соединение нескольких сетей, нуждается в специальном устройстве. Задача этого устройства - отправить сообщение в нужную сеть. Такое устройство называется маршрутизатором или роутером . Маршрутизатор - это устройство, соединяющее сети разного типа, но использующие одну операционную систему. Кроме того, маршрутизатор обеспечивает балансировку нагрузки в сети, перенаправляя потоки сообщений по свободным каналам связи.

Маршрутизаторы более надежно и более эффективно, чем мосты, изолируют трафик отдельных частей сети друг от друга. Маршрутизаторы образуют логические сегменты посредством явной адресации, поскольку используют не плоские аппаратные, а составные числовые адреса. В этих адресах имеется поле номера сети, так что все компьютеры, у которых значение этого поля одинаково, принадлежат к одному сегменту, называемому в данном случае подсетью (subnet ). Важной особенностью маршрутизаторов является их способность связывать в единую сеть подсети, построенные с использованием разных сетевых технологий.

Для объединения ЛВС совершенно различного типа, работающих по существенно отличающимся друг от друга протоколам, предусмотрены специальные устройства - шлюзы. Шлюз (gateway) - это устройство, позволяющее организовать обмен данными между двумя сетями, использующими различные протоколы взаимодействия. Обычно основной причиной, по которой в сети используют шлюз, является необходимость соединить сети с разными типами системного и прикладного программного обеспечения, а не желание локализовать трафик. Тем не менее, шлюз обеспечивает и локализацию трафика в качестве некоторого побочного эффекта. Шлюз осуществляет свои функции на уровне выше сетевого. С помощью шлюзов можно локальную сеть подключить к глобальной.

Крупные сети практически никогда не строятся без логической структуризации. Для отдельных сегментов и подсетей характерны типовые однородные топологии базовых технологий, а для их объединения всегда используется оборудование, обеспечивающее локализацию трафика. Мосты, маршрутизаторы и шлюзы конструктивно выполняются в виде плат, которые устанавливаются на компьютерах.

В коммуникационном оборудовании выделяют пассивное и активное оборудование. К пассивному оборудованию относят структурированную иерархическую кабельную систему. К активному коммуникационному оборудованию относят множество типов средств, среди них:

Оборудование для локальных компьютерных сетей;

Оборудование глобальных компьютерных сетей – межсетевое оборудование.

Основными компонентами локальных сетей являются (рисунок 7.6):

1. Сетевой сервер, который играет важную роль в управлении ЛВС. Он должен управлять накопителями на жестких дисках и поддерживать коллективные периферийные устройства. Большое значение имеет производительность сервера, при управлении информацией больших объемов и при большом количестве рабочих станций.

2. Рабочие места – автономные компьютерные системы, связанные в сеть и называемые рабочими станциями, автоматизированными рабочими местами и сетевыми станциями. В ЛВС персональный компьютер используется как рабочее место, располагающее своим собственным процессором с собственным внутренним накопителем и устройством ввода-вывода.

3. Сетевые усилители, или коммутаторы, а также концентраторы (хабы) используют для подключения большего количества рабочих станций.

4. Модем может связывать удаленных пользователей.

5. Периферийное оборудование (лазерные устройства печати, графопостроители, устройства факсимильной связи, модемы), подключенное к файловому серверу (или другому серверному устройству), можно использовать с любой рабочей станции.

6. Сетевые адаптеры. Центральный процессор соединяется с периферийным оборудованием специальным устройством. Для подключения одного ПК к другому требуется устройство сопряжения, которое называется сетевым адаптером или сетевым интерфейсом, модулем, картой. Оно вставляется в свободное гнездо материнской платы.

Рисунок 7.6 – Компоненты ЛВС

Межсетевое оборудование может включать следующие устройства:

1. Репитер - устройство согласования физических параметров частей (называемых сегментами) однотипной сети, увеличивающее протяженность тракта передачи информации. Он обеспечивает восстановление межсегментных пакетов, соединение разных сегментов, усиление ослабленного сигнала до необходимого уровня и фильтрацию его от шумов и помех.

2. Коммутаторы (хабы) расширяют топологические, функциональные и скоростные возможности компьютерных сетей. Хаб с набором разнотипных портов позволяет объединять сегменты сетей с различными кабельными системами. К порту хаба можно подключать как отдельный узел сети, так и другой хаб или сегмент кабеля.

3. Мост (bridge) – средство (аппаратное либо программное) логического соединения на канальном уровне двух сетей. В пределах допустимой длины строится отрезок сети – сетевой сегмент. Для объединения сетевых сегментов используются мосты – устройства, соединяющие две сети, использующие одинаковые методы передачи данных. Для сети персональных компьютеров мост – отдельная ЭВМ со специальным программным обеспечением и дополнительной аппаратурой. Мост может соединять сети разных топологий, но работающие под управлением однотипных сетевых операционных систем.

4. Маршрутизатор (router) объединяет сети с общим протоколом более эффективно, чем мост. Он позволяет, например, расщеплять большие сообщения на более мелкие куски, обеспечивая тем самым взаимодействие локальных сетей с разным размером пакета. Маршрутизатор может пересылать пакеты на конкретный адрес (мосты только отфильтровывают ненужные пакеты), выбирать лучший путь для прохождения пакета и многое другое. Чем сложней и больше сеть, тем больше выгода от использования маршрутизаторов.

5. Мостовой маршрутизатор (brouter) – это гибрид моста и маршрутизатора, который сначала пытается выполнить маршрутизацию, где это только возможно, а затем, в случае неудачи, переходит в режим моста.

6. Шлюз (gateway) в отличие от моста применяется в случаях, когда соединяемые сети имеют различные сетевые протоколы. Поступившее в шлюз сообщение от одной сети преобразуется в другое сообщение, соответствующее требованиям следующей сети. Таким образом, шлюзы не просто соединяют сети, а позволяют им работать как единая сеть. C помощью шлюзов также локальные сети подсоединяются к мэйнфреймам – универсальным мощным компьютерам.

Кроме коммуникационного оборудования любая компьютерная сеть нуждается в программных средствах, объединенных в операционную систему. Всемирно известной операционной системой вычислительных сетей является NetWare фирмы Novell. Функциями операционных систем наделены системы на платформе Windows.