Материал. Литература по теме Тема Циклические и узловые подсети Вопрос Циклическое кольцо
 Скачать 3.12 Mb.
|
|
Тема 6. Коммуникационные и моноканальные подсети Цели и задачи изучения темы: Научиться определять тип подсети, подходящий для решения конкретной задачи. Получить представление о топологии и структуре моноканала. Научиться идентифицировать метод доступа. Усвоить основные особенности каждого метода доступа: o CSMA/CD; CSMA/CA; o с передачей маркера; по приоритету запроса. Вопросы темы: 1. Коммуникационная сеть. 2. Аналоговая сеть. 3. Дискретная сеть. 4. Моноканальная сеть. 5. Множественный доступ. Вопрос 1. Коммуникационная сеть. Коммуникационной сетью - называется сеть, основной задачей которой является передача данных. Коммуникационная сеть, именуемая также сетью передачи данных, является ядром информационной сети, обеспечивающим передачу и некоторые виды обработки данных. На базе одной коммуникационной сети можно создать несколько информационных сетей. Задачей коммуникационной сети является доставка адресатам блоков данных, которые при этом не должны терять своей целостности, доставляться без ошибок и искажения. Важными в сети являются также операции по предотвращению больших очередей и переполнения буферов систем, Коммуникационные сети делятся на три класса: сети с маршрутизацией данных, сети с селекцией данных и смешанные сети. Наряду с сетями, каждая из которых функционирует в соответствии с принятым протоколом, появились многопротокольные сети. Их создание требует больших капиталовложений. Однако затраченные средства быстро окупаются гибкостью работы этих сетей. Высокопроизводительные коммуникационные сети стали именоваться базовыми сетями. Высокие скорости обеспечивают сети ретрансляции кадров. Соответственно типам передаваемых сигналов различают аналоговые сети и дискретные сети. Вопрос 2. Аналоговая сеть. Аналоговая сеть - коммуникационная сеть, передающая и обрабатывающая аналоговые сигналы. Необходимость передачи звука, речи и изображений привела к созданию аналоговых сетей, в которых носителем данных является аналоговый сигнал. Для передачи речи были созданы телефонные сети. Как и любая сеть с маршрутизацией данных, телефонная состоит из узлов коммутации, именуемых Автоматическими телефонными станциями (АТС), а в качестве абонентских систем, в первую очередь, используются телефонные аппараты. Чаще всего, телефонная сеть опирается на кабельную сеть. В настоящее время телефонная сеть быстро переходит на дискретные сигналы. Это дает возможность использовать многопрофильные коммуникационные сети, строить работу телефонных станций на базе микропроцессоров. Дискретная телефонная сеть надежна в работе и обеспечивает высокую помехоустойчивость связи. Передача движущихся изображений стала осуществляться через телевизионные сети. Телевизионная сеть - сеть, предназначенная для обеспечения функционирования телевидения. На первых этапах своего развития телевизионные сети создавались как аналоговые сети, предназначенные только для передачи движущихся изображений и звукового их сопровождения. Характерной особенностью всех телевизионных сетей является их высокая пропускная способность, достигающая сотен мегабит в секунду. Телевизионная сеть вначале базировалась на использовании одного либо двух древовидных моноканалов, построенных на широкополосных каналах, создаваемых на основе эфира. Теперь большое распространение получают сети кабельного телевидения; особенно с использованием оптических кабелей. Из-за увеличения числа абонентов, наращивания длины магистралей на смену древовидной пришла гнездовая структура. Телевизионная сеть из сети широковещания постепенно превращается в многоцелевую коммуникационную сеть большой пропускной способности. Однако, вскоре стал ясен первый важный недостаток аналоговых сетей - искажение сигналов и трудности, связанные с восстановлением их первоначальной формы. С появлением компьютеров стал ясен второй недостаток рассматриваемых сетей трудности, связанные с обеспечением взаимодействия компьютеров, которые данные передают с помощью дискретных сигналов. Развитие коммуникационных сетей показало необходимость интеграции звука, изображений и других типов данных для возможности их совместной передачи. Так как дискретные сети надежней и экономичней аналоговых, то за основу были приняты именно они. В этой связи число аналоговых сетей быстро сокращается и они заменяются дискретными. Вопрос 3. Дискретная сеть. Дискретная сеть — коммуникационная сеть, передающая и обрабатывающая дискретные сигналы. Первоначально дискретные принципы использовались в системах обработки данных. В семидесятых годах эти принципы стали применяться и в коммуникационных сетях. Разработка теории, массовое производство разнообразных высокоскоростных Интегральных Схем (ИС), создание дискретной аппаратуры для каналов привели к тому, что обработка и передача данных слились в единое целое. Появились протоколы, определяющие дискретные сети, именуемые также цифровыми сетями. Использование в сетях дискретных сигналов позволило обеспечить различные виды коммутации на базе одних и тех же узлов коммутации и каналов. Эта задача решена международным союзом электросвязи, который разработал модель Цифровой Сети с Интегральным Обслуживанием (ЦСИО или ISDN). Для дискретных сетей созданы дискретные системы, обеспечивающие скоростную передачу сигналов. Дискретные сети по сравнению с прежними (аналоговыми сетями) имеют достаточно много преимуществ. К ним, в первую очередь, относятся: высокая помехоустойчивость, широкое использование микропроцессоров и устройств памяти, простота каналообразующей аппаратуры. Сеть с маршрутизацией данных – тип коммуникационной сети, в которой для передачи данных необходимо выполнение процесса маршрутизации. Важной особенностью, отличающей сеть с маршрутизацией данных от сети с селекцией данных, является наличие узлов коммутации. Характерно, что в этой сети передача данных от одного источника одновременно возможна только одному адресату. Такая сеть состоит из одного либо группы узлов коммутации (1,2,3), связанных каналами друг с другом, а также с абонентскими системами и административными системами, подключаемыми в точках абонентского интерфейса (рис. 33). Этот интерфейс определяет взаимодействие сети с абонентской либо административной системой. Межузловой интерфейс характеризует в сети взаимодействие узлов коммутации друг с другом. И, наконец, межсетевой интерфейс описывает взаимодействие двух сетей. Простейшим видом рассматриваемой сети является одноузловая звездообразная сеть. Рис. 33. Сеть с маршрутизацией данных Стратегия передачи данных в сети с маршрутизацией информации строится на следующих принципах. Каждый узел коммутации участвует в процессе маршрутизации, управляя только своей зоной - каналами, связанными с этим узлом. Получая информацию в этой зоне, узел осуществляет маршрутизацию в зоне и коммутацию блоков данных либо каналов. Узлы коммутации могут также сообщать друг другу о состоянии компонентов сети и трафика в различных ее частях. В результате прокладываются маршруты передачи данных в соответствии с адресами их отправления и назначения. Процесс управления сетью распределен между административной системой и всеми узлами. Структура узла разбивается на несколько крупных блоков: Ядром ее является коммуникационный блок, который обеспечивает маршрутизацию и коммутацию пакетов. Непосредственно с коммуникационным блоком взаимодействует административный блок, выполняющий функции управления узлом. К узлу, подходят магистральные каналы и абонентские каналы. Первые соединяют узлы и сети друг с другом, вторые подключаются к абонентским системам и административным системам. Универсальный интерфейс коммуникационной сети – это интерфейс между абонентской или административной системой и коммуникационной сетью. Международный союз по электросвязи утвердил универсальный интерфейс для синхронной работы в общественной коммуникационной сети, определяемый рекомендацией Х.21. В ней определяется пара взаимодействующих смежных систем: Оконечное Оборудование Данных ООД (DTE) и Оконечное Оборудование Сети ООС (DCE). Первой является абонентская или административная система; второй – связанная с первой ретрансляционная система. Между ними определяется интерфейс на физическом уровне. Коммуникационные подсети характеризуются многими свойствами. Важнейшими из них являются те, которые определяют способы поставки информации конкретным адресатам. В этом отношении коммуникационные подсети делятся на два класса как это показано на рисунке 34. К первому из них относятся коммуникационные подсети с селекцией информации. Они характеризуются тем, что в них любой блок данных передается от одной абонентской системы-отправителя всем абонентским системам. Системы, получив очередной блок данных, проверяют адрес его назначения. Рис. 34. Классификация коммуникационных подсетей Система, которой адресован блок, принимает его, остальные системы отвергают этот блок. В результате происходит селекция информации, которая позволяет посылать блоки данных одной группе, а также сразу всем абонентским системам, подключенным к коммуникационной подсети. Подсети с селекцией информации делятся на две группы: моноканальные и циклические. Они различаются тем, что в подсети первой группы каждый посланный блок данных попадает ко всем абонентским системам практически одновременно, а в подсети второй группы каждый передаваемый блок доставляется всем абонентским системам последовательно (по очереди), проходя мимо каждой из них. Моноканальная коммуникационная подсеть далее для краткости именуется моноканалом. Моноканал строится на основе общего канала, к которому через специальные устройства подключаются все абонентские системы сети. Циклическая коммуникационная подсеть, часто именуемая циклическим кольцом, - это канал, имеющий кольцевую форму. В это кольцо врезаются абонентские системы, деля его на сегменты. Ко второму классу относятся коммуникационные подсети с маршрутизацией информации. В этих подсетях передача данных в отличие от сетей предыдущего класса осуществляется от одной абонентской системы- отправителя к другой абонентской системе-получателю. Для обеспечения такой доставки информации в коммуникационной подсети используются один либо более узлов коммутации. Поэтому рассматриваемую подсеть далее будем именовать узловой. Каждый узел коммутации принимает блоки данных и передает далее по различным направлениям в зависимости от адресов их назначения. Благодаря этому в подсети осуществляется маршрутизация информации - прокладка через коммуникационную подсеть трактов, связывающих абонентские системы. Моноканальные, циклические и узловые подсети нередко конкурируют друг с другом. При этом, правда, нужно иметь в виду, что моноканальные и узловые подсети могут быть как локальными, так и территориальными. Что же касается циклических подсетей, то они являются только локальными. Вопрос 4. Моноканальная сеть. Моноканал – это канал, одновременно (с точностью до времени их распространения) передающий сигналы группе систем. Моноканал похож на циклические сети. Моноканал является основой моноканальной сети. Он состоит из одного или нескольких параллельно расположенных общих звеньев, блоков доступа и абонентских звеньев. В зависимости от размеров, топологии, пропускной способности и других характеристик, выделяют несколько типов моноканала: шина, магистральный моноканал, древовидный моноканал. Моноканальная сеть – это локальная сеть, ядром которой является моноканал. Моноканал в соответствии с базовой эталонной моделью взаимодействия открытых систем выполняет в сети роль физических средств соединения. Блоки доступа и абонентские звенья обеспечивают включение в сеть абонентских систем. В последних физический уровень и канальный уровень определяются характеристиками моноканала. Выбор физических средств моноканала зависит от предъявляемых к ним требований, в первую очередь — скорость передачи сигналов, надежность работы, стоимость средств. В зависимости от способа передачи сигналов по моноканалам, последние делятся на два вида: физические и частотные. Физический - канал, через который возможна одновременная передача только одного сигнала. Физический моноканал строится на основе коаксиального либо оптического кабеля, скрученной пары проводов, плоского кабеля, через который одновременно направляется только один сигнал. Последний использует физическую среду полностью (рис. 35). Рис. 35. Физический моноканал В частотном канале за счет создания частотных полос одновременно передается группа сигналов (по каждой полосе по сигналу). Частотный моноканал, напротив, занимает только одну полосу, в используемой физической среде. Так, на рисунке 36 показана группа частотных каналов, построенных на основе широкополосного коаксиального кабеля. Рис. 36. Частотный моноканал Для упрощения изображены лишь две используемые полосы, в действительности же в кабеле создается значительное число частотных полос, на основе которых строится большое число частотных моноканалов. На основе двух частотных моноканалов, образованы две не связанные друг с другом информационные сети. Сигналы по общему каналу передаются только в одну сторону. Вследствие этого приходится принимать специальные меры. В коммуникационных подсетях все шире начинают применяться оптические моноканалы (рис. 37). Это связано с тем, что оптическое волокно по сравнению с металлом имеет ряд важных преимуществ. К ним, прежде всего, следует отнести высокую защищенность от электромагнитных помех, малую массу и отсутствие все более дефицитной меди. Кроме того, если затухание сигнала, передаваемого по коаксиальному кабелю, составляет 50—200 дБ/км, то в качественном оптическом волокне оно равно всего 2—5 дБ/км. Это позволяет резко повысить частоту передаваемых в моноканале сигналов и увеличить длину кабеля без повторителей и усилителей. Современные оптические кабели обеспечивают передачу данных со скоростями, >500 Мбит/с, при расстоянии между повторителями до 5 км. Рис. 37. Оптический моноканал со смесителем сигналов Моноканал, в котором сигналы по оптическим волокнам передаются только в одном направлении, показан на рис.30. Моноканал имеет форму звезды, исходящей из специального устройства, именуемого смесителем (СМ) сигналов. К нему от каждого блока доступа (БД) подходит два оптических волокна. Каждое из них передает сигналы в одном направлении. Задачей смесителя является передача пришедшего по одному из волокон сигнала параллельно всем волокнам, направленным к абонентским системам сети. В большом оптическом моноканале используется группа активных смесителей, располагаемых в несколько ярусов. Большое число абонентских систем, включаемых в моноканальную сеть, все возрастающие объемы информации требуют увеличения скоростей передачи блоков данных. Эта задача может быть решена созданием многоканальных моноканалов. Первый способ повышения скорости передачи данных заключается в создании не одного, а нескольких общих каналов. Несмотря на наличие нескольких каналов, здесь не возникает, как в узловой подсети, проблема маршрутизации информации. В рассматриваемом моноканале выбирается не маршрут передачи, а номер общего канала. И, несмотря на наличие нескольких каналов осуществляется, как обычно, селекция (выбор по адресам назначения) принимаемых блоков информации. Второй способ повышения скорости — заключается в создании моноканальной иерархии как это показано на рисунке 38: в сети функционирует 18 абонентских систем (А - Т), однако они подключены не к одному, а к шести моноканалам (1—6). Рис. 38. Иерархия моноканалов В рассматриваемой сети в большинстве случаев взаимодействующие системы передают данные соответственно через свои моноканалы 1, 2, 4, 5, 6. Что касается моноканала 3, то он используется только тогда, когда необходимо взаимодействие систем, подключенных к разным моноканалам. В результате использования иерархии моноканалов можно резко повысить скорость передачи информации. Вопрос 5. Множественный доступ. К общему звену моноканала подключается значительное число абонентских систем. Поэтому возникает проблема множественного доступа. Ее решение обеспечивает принцип функционирования моноканала. Доступом называют операцию, обеспечивающую запись, модификацию, чтение или передачу данных. Ситуация, в которой несколько объектов хотят одновременно использовать ресурс, называют состязанием. Упорядочение этой ситуации осуществляется недопущением либо прекращением состязаний. Метод доступа – это способ определения того, какая из рабочих станций сможет следующей использовать ИС. Метод доступа — набор правил, которые определяют, как компьютер должен отправлять и принимать данные по сетевому кабелю. То, как сеть управляет доступом к каналу связи (кабелю), существенно влияет на ее характеристики. Примерами методов доступа являются: Множественный доступ с разделением времени (TDMA). Множественный доступ с разделением времени (Time Division Multiple Access (TDMA) — это множественный доступ, основанный на распределении времени работы канала между информационными системами. Доступ TDMA основан на использовании специального устройства, именуемого тактовым генератором. Этот генератор делит время работы канала на повторяющиеся циклы. Каждый из циклов начинается сигналом - разграничителем. Цикл включает n пронумерованных временных интервалов, именуемых ячейками. Интервалы предоставляются для загрузки в них блоков данных (рис. 39). Рис. 39. Структура разделения времени Множественный доступ с передачей полномочия (TPMA). Множественный доступ с передачей полномочия (Token Passing Multiple Access (TPMA)) — это множественный доступ в моноканал либо циклическое кольцо при помощи полномочия. Сущность ТРМА заключается в том, что абонентские системы передают по логическому кольцу (пунктир на рисунке 40) друг другу особый блок данных, называемый полномочием либо жезлом. В передаче полномочия участвуют не все абонентские системы локальной сети, а только те, которые являются активными (желают начать передачу либо прием данных). Рис. 40. Цикл движения полномочия Метод ТРМА характеризуется двумя важными особенностями. Во- первых, он гарантирует определенное время доставки блоков данных абонентским системам. Во-вторых, он дает возможность предоставления различных приоритетов передачи данных. Вместе с этим, метод имеет немаловажный недостаток. Здесь, всегда есть возможность потери полномочия либо появления в сети нескольких полномочий. В обоих случаях сеть прекращает свою работу. В этой связи в сети создаются централизованный либо распределенный комплекс средств, задачей которого является восстановление потерянного полномочия и уничтожение всех, кроме одного из полномочий. Это значительно усложняет структуру сети. Множественный доступ с контролем передачи и обнаружением столкновений (CSMA/CD и CSMA/CA). Множественный доступ (Сarrier Sense Multiple Access with Collision Detection- CSMA/CD) — это случайный метод множественного доступа в моноканал. Основан метод доступа на допущении состязаний абонентских систем за право вести передачу данных и организации выхода из этих состязаний. Сущность метода заключается в том, что каждая абонентская система следит за тем, какие сигналы появляются в моноканале. Данный метод характерен тем, что позволяет включать в локальную сеть новые абонентские системы и отключать из нее системы без изменения адресов и извещения остальных систем. Рассматриваемый метод достаточно прост и надежен. Однако он не гарантирует времени доставки блоков данных. Поэтому, в последние годы появилась его модификация. CSMA/CA отличается от CSMA/CD тем, что коллизиям подвержены не пакеты данных, а только jam-сигналы. Отсюда и название «Collision Avoidance» — предотвращение коллизий (именно пакетов данных). Множественный доступ с разделением частоты (FDMA). Множественный доступ с разделением частоты (Frequency Division Multiple Access (FDMA)) — это множественный доступ, основанный на использовании в канале группы полос частот, образующих логические каналы. При использовании FDMA широкая полоса пропускания канала делится на ряд узких полос, разделенных защитными полосами. В каждой узкой полосе создается логический канал. Размеры узких полос могут быть различными. Передаваемые по этим каналам сигналы накладываются на разные несущие и поэтому в частотной области не должны пересекаться. Вместе с этим, иногда, несмотря на наличие защитных полос, спектральные составляющие сигнала могут выходить за границы логического канала и вызывать шум в соседнем логическом канале. Метод доступа FDMA относительно прост, но для его реализации необходимы передатчики и приемники, работающие на различных частотах. Множественным доступом с разделением волны (WDMA). Данный метод широко используется в оптических каналах. В нем разделение частоты осуществляется направлением в каждый из них лучей света с различными частотами. Благодаря этому пропускная способность физического канала увеличивается в несколько раз, и уже превысила 1 Тбит/с. Сравнение методов доступа Свойство или функция CSMA/CD CSMA/CA Доступ с передачей маркера Доступ по приоритету запроса Тип связи Широковещательный Широкове- щательный Передача маркера Через концентратор Тип доступа Состязательный Состяза- тельный Не состязательный Состязательный Тип сети Ethernet Local Talk® Token Ring, ArcNet 100VG-AnyLAN Вопросы для самопроверки: 1. Что такое аналоговая, коммуникационная и дискретная сеть? 2. Дайте классификацию коммуникационных подсетей. 3. Что такое моноканал? 4. Какие существуют методы доступа? 5. Назовите какие узлы существуют в ретрансляционных системах? 6. При каком методе доступа обе станции могут одновременно начать передачу и войти в конфликт? 7. В каких сетевых технологиях используется метод CSMA/CD? 8. Охарактеризовать метод доступа с передачей полномочия. 9. Охарактеризовать метод множественного доступа с разделением частоты. 10. Что такое метод доступа и как влияет метод доступа на передачу данных в сети? Литература по теме: Основная литература: 1. Компьютерные сети. / А.В. Кузин, Учебное пособие. 3-е изд., перераб. и доп. М.: ФОРУМ, 2013. 192 с. 2. Таненбаум Э.С. Компьютерные сети. 5-е изд, – СПб.: Питер, 2013. – 960с. Дополнительная литература: 1. Вишневский В.М., Ляхов А.И., Портной С., Шахнович И.В. Широкополосные беспроводные сети передачи информации, М.: Техносфера, cерия: Мир связи, 2005. 2. Дымарский Я.С., Крутякова Н.П., Яновский Г.Г. Управление сетями связи: принципы, протоколы, прикладные задачи. – М.: Мобильные коммуникации, 2003. – 384 с. 3. Иммореев И.Я., Судаков А.А., Сверхширокополосная помехоустойчивая система скрытной связи с высокой скоростью передачи данных. - Труды Всероссийской научной конференции-семинара «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике» (СРСА`2003), Россия, Муром, Июль 2003. 4. Компьютерные сети. / Н.В. Максимов, И.И. Попов. Учебное пособие. 5-е изд., перераб. и доп. М.: ФОРУМ, 2012. 464 с. 5. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учебник для вузов. 4-е изд. СПб: Питер, 2013, 944 с. 6. Пятибратов А.П., Гудыно Л.П., А.А.Кириченко, Вычислительные системы, сети и телекоммуникации (для бакалавров): Учебник / Под редакцией А.П. Пятибратова. – М.: КноРус, 2013. – 376 с. 7. Столлингс В. Современные компьютерные сети. – СПб.: Питер, 2003. – 783 с. 8. Шахнович И. В., Стандарт широкополосного доступа IEEE 802.16 для диапазона ниже 11 ГГц. ЭЛЕКТРОНИКА: наука, технология, бизнес, Россия, Москва, 2005, №1. Интернет-ресурсы: 1. Локальные сети на основе коммутаторов // http://www.citforum.ru/nets/lsok/contents.shtml 2. сетевые приложения // http://www.citforum.ru/nets/articles/atm_2_000.shtml 3. Основы технологии АТМ // http://www.citforum.ru/nets/articles/atm_base.shtml 4. Подсистема изучения циклических кодов // http://uiits.ruweb.net/systems/cod/lec_main.php 5. Роль коммуникационных протоколов и функциональное назначение основных типов оборудования корпоративных сетей. Н. Олифер, В. Олифер, ЦИТ // http://www.citforum.ru/nets/protocols/index.shtml 6. Справочник Novell Netware 4 С.Б. Орлов, по заказу ИИЦ «Попурри», 1994. // http://www.citforum.ru/operating_systems/nw4/index.shtml 7. Статическая IP-маршрутизация, Дмитрий Карпов // http://www.citforum.ru/nets/tcp/iproutng.shtml 8. Стандарты CDMA // http://www.cdma.ru/technology/standart/evdo/ |