Задание_Практика 23.01.22 6. Содержание Характеристика сточных вод биотехнологического производства пенициллина
 Скачать 363.8 Kb.
|
|
Содержание Характеристика сточных вод биотехнологического производства пенициллина 3 Очистка сточных вод биотехнологического производства пенициллина 13 Расчётное задание Рассчитать общую брутто-формулу загрязнений сточных вод биотехнологического производства. Составить уравнение материального баланса очистки сточных вод. Рассчитать ХПК и БПК 20 Список литературы 30 Характеристика сточных вод биотехнологического производства пенициллина Общая принципиальная схема любого биотехнологического производства включает какой-либо биообъект (или их ассоциацию) и питательную среду (культуральную жидкость, растворы, подлежащие обработке). Целевым продуктом оказывается либо биомасса клеток (тканей), либо метаболит. Поэтому, в каждом производстве отходом могут быть эти же компоненты — клетки (ткани) и культуральные жидкости после извлечения из них нужных метаболитов. Если условно принять скорость удвоения каждой генерации, например, микробной клетки весом 4 •10 -10 мг, в течение 20 минут, то за двое суток возникло бы 2144 клеток или, примерно, 8 * 10131 г, или 8 * 10125 т. Эта величина примерно в несколько тысяч раз превышает вес Земного шара. Но этого не происходит, поскольку в процессах биологической технологии на размножение биообъектов влияют многие факторы, ограничивающие такой безудержный прирост биомассы клеток[1,256c]. Однако в случаях с производством пенициллина расчеты подтверждают возможность получения 2 т сухого мицелия через ряд генераций пеницилла в течение 10—12 дней выращивания при первоначальном засеве 10 -5 г спор гриба с доведением объема влажной культуры до 100 м 3. Даже при использовании биомолекул (например, ферментов) в иммобилизованном состоянии своеобразная двухкомпонентность системы сохраняется. Метаболиты будут в растворе, носитель с биомолекулами остается в твердом состоянии[3,477c]. При наличии крупномасштабных биотехнологических производств возникают проблемы общего и частного характера. К ним можно отнести: 1) необходимость решения задач по экологическому выравниванию нагрузок, оказываемых производством на окружающую среду: а) вследствие непомерного потребления природной воды и столь же непомерного количества выбросов во внешнюю среду; только в промышленности расходуется примерно следующее количество воды (в литрах): на 1 т нефти — 10, на одну банку овощных консервов — 40, на 1 кг бумаги — 100, на 1 кг шерстяной ткани — 600, на 1 т сухого цемента — 3500, на 1 т стали — 20000, на 1 т сухих дрожжей — более 100000 литров воды и более 10 т пара; в США ежегодно генерируется более 155 млн тонн городских сточных вод (данные на 1996 год), из них порядка 94 млн. т (65%) легко очищаемых биодеградацией; 23,2 млн. т (16%) — потенциально биодеградируемых и 27,6 млн. т (19%) — не поддающихся очистке с помощью биологических процессов (стекло, металлы, пр.); при попадании в нее стоков, содержащих различные вещества, способные "поглощать" растворенный в воде кислород, иначе говоря, способные окисляться. Маслянистые отходы могут физически мешать проникновению кислорода в водоем. Органические вещества также нуждаются в повышенных количествах растворенного кислорода, идущего на их минерализацию. В такой ситуации органические структуры конкурируют с рыбами и другими водными обитателями за такой кислород, но поскольку поступление загрязненных сточных вод может быть почти непрерывным, то живые существа не выдерживают этой "конкурентной борьбы" и погибают. Поступление в водоемы больших количеств фосфора и серы приводит в конечном результате к такому же плачевному итогу — образуются плохо растворимые или нерастворимые осадки фосфорных солей и сульфидов [Са2(НРО4)2, Са3(РО4)2; MeS], благодаря чему выводятся из круговорота такие элементы-органогены как фосфор и сера. Физиологические значения рН и температуры хорошо известны для различных групп организмов. Например, большинство бактерий лучше обитает в водных средах с рН 7,3—7,5; большинство грибов — при рН 5,6—6,5; оптимальная температура для роста мезофильных микроорганизмов соответствует 20—40°С с колебаниями в пределах от 10° до 50°С, и т. д. Холоднокровные животные относятся к пойкилотермным организмам (от греч. poikilos — различный, terme — тепло), тогда, как теплокровные животные — к гомойотермным (от греч. omoios — подобный, одинаковый) организмам. Исходя из приведенных данных, можно представить реакцию микрои макрофлоры, микрои макрофауны на непрерывные температурные изменения или изменения рН среды обитания. В таких ситуациях нормальные обитатели водоема погибают либо из-за популяционного довления одних видов над другими, либо вследствие невыносимости экстремальных (от лат. extremus — крайний) условий жизни. Растворимость чистого кислорода в воде составляет 48 частей О2 на 1 млн. частей Н2О при 14°С. При такой же температуре и насыщении воды воздухом (содержание О2 в воздухе 20,9%) растворимость кислорода составляет около 10 частей на 1 млн. В естественных водоемах растворимость оказывается еще меньше. Например, в морской воде с соленостью 3,4% растворяется 80% О2 от растворенного в чистой воде, то есть 38,4 части на 1 млн. Экстраполируя эти данные в пересчетах на концентрации других веществ, можно прогнозировать потери растворенного кислорода в естественных водоемах, куда сбрасываются стоки от биопроизводств, содержащие органические и неорганические примеси. Все это отрицательно сказывается на водных экосистемах. К тому же из-за многокомпонентности стоков, трудностей определения каждого компонента прибегают к анализу плотных остатков, общего азота, органического углерода и биохимической потребности кислорода (ВПК5). Опираясь на фактические данные, полученные в результате проведенных анализов, выдают рекомендации по обработке жидких стоков. ВПК5 означает количество потребляемого растворенного кислорода при инкубации стоков в течение 5 дней и температуре 20°С. Растворенный кислород определяют различными методами — химическим, биологическим или физико-химическим. ВПК5 можно выразить в мг О2 на 100 мл или на 1 л пробы, в частях на 1 млн в мл О2 на 1 л пробы при О°С и 1,01 * 105 Па. Если, например, ВПК воды больше 10 частей на 1 млн., то она непригодна для использования человеком. ВПК для неочищенных стоков в производстве пенициллина 32000 частей на 1 млн. На уровне MAC, который обеспечивает доступ к среде и передачу кадра, для идентификации сетевых интерфейсов узлов сети используются регламентированные стандартом IEEE802.3 уникальные 6-байтовые адреса, называемые МАС-адресами. Каждый сетевой адаптер имеет, по крайней мере, один МАС-адрес. Помимо отдельных интерфейсов, МАС-адрес может определять группу интерфейсов или даже все интерфейсы сети. Первый (младший) бит старшего байта адреса назначения является признаком того, является адрес индивидуальным или групповым. Если он равен 0,то адрес является индивидуальным, то есть идентифицирует один сетевой интерфейс, а если 1,то групповым. Групповой адрес связан только с интерфейсами, сконфигурированными как члены группы, номер которой указан в групповом адресе. Если сетевой интерфейс включен в группу, то наряду с уникальным МАС-адресом с ним ассоциируется еще один адрес–групповой. Второй бит старшего байта адреса определяет способ назначения адреса–централизованный или локальный. Если этот бит равен 0 (что бывает почти всегда в стандартной аппаратуре Ethernet), то адрес назначен централизованно по правилам IEEE802. В стандартах IEEEEthernet младший бит байта изображается в самой левой позиции поля, а старший бит–в самой правой. Этот нестандартный способ отображения порядка следования битов в байте соответствует порядку передачи битов в линию связи передатчиком Ethernet(первым передается младший бит). Комитет IEEE распределяет между производителями оборудования так называемые организационно уникальные идентификаторы (Organizationally Uniquedentifier, OUI). Каждый производитель помещает выделенный ему идентификатор в три старших байта адреса. За уникальность младших трех байтов адреса отвечает производитель оборудования. Двадцать четыре бита, отводимые производителю для адресации интерфейсов его продукции, позволяют выпустить примерно 16 миллионов интерфейсов под одним идентификатором организации. 2 Доступ к среде и передача данных 2.1 Возникновение коллизии Предполагая для простоты изложения, что каждый узел (станция) имеет только один сетевой интерфейс, рассмотрим, как на основе алгоритма CSMA/CD происходит передача данных в сети Ethernet. Все компьютеры в сети с разделяемой средой имеют возможность немедленно (с учетом задержки распространения сигнала по физической среде) получить данные, которые любой из компьютеров начал передавать в общую среду. Говорят, что среда, к которой подключены все станции, работает в режиме коллективного доступа (Multiply Access, МА). Чтобы получить возможность передавать кадр, интерфейс-отправитель должен 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, принятом для всех вариантов Ethernet10 Мбит/с, 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. В примере, показанном на рис. 3.1, 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 их получают все узлы сети. Кадр данных всегда сопровождается преамбулой, которая состоит из 7 байт, каждый из которых имеет значение 10101010, и 8-го байта, равного 10101011. Последний байт носит название ограничителя начала кадра. Преамбула нужна для вхождения приемника в побитовую и побайтовую синхронизацию с передатчиком. Наличие двух единиц, идущих подряд, говорит приемнику о том, что преамбула закончилась и следующий бит является началом кадра. Все станции, подключенные к кабелю, начинают записывать байты передаваемого кадра в свои внутренние буферы. Первые 6 байт кадра содержат адрес назначения. Та станция, которая узнает собственный адрес в заголовке кадра, продолжает записывать его содержимое в свой внутренний буфер, а остальные станции на этом прием кадра прекращают. Станция назначения обрабатывает полученные данные, передает их вверх по своему стеку. Кадр Ethernet содержит не только адрес назначения, но и адрес источника данных, поэтому станция-получатель знает, кому нужно послать ответ  Рисунок 1–Метод случайного доступа CSMA/CD Узел 2 во время передачи кадра узлом 1 также пытался начать передачу своего кадра, однако обнаруживает, 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, равную межпакетному интервалу (Inter Packet Gap, IPG) в 9,6 мкс. Эта пауза 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. В приведенном примере узел 2 дождался окончания передачи кадра узлом 1, сделал паузу в 9,6 мкс и начал передачу своего кадра. Механизм прослушивания среды и пауза между кадрами не гарантируют исключения такой ситуации, когда две или более станции одновременно решают, что среда свободна, и начинают передавать свои кадры. Говорят, что при этом происходит коллизия, так как содержимое обоих кадров сталкивается на общем кабеле и происходит искажение информации. Коллизия–это нормальная ситуация в работе сетей Ethernet. В примере на рис. 3.2 коллизию породила одновременная передача данных узлами 3 и 1. Для возникновения коллизии не обязательно, чтобы несколько станций начали передачу абсолютно одновременно, такая ситуация маловероятна. Более вероятна ситуация, когда один узел начинает передачу, а через некоторое (короткое) время другой узел, проверив среду и не обнаружив несущую, начинает передачу своего кадра. Таким образом, возникновение коллизии является следствием распределения узлов сети в пространстве.  Рисунок 2–Схема возникновения и распространения коллизии Чтобы корректно обработать коллизию, все станции одновременно наблюдают за возникающими на кабеле сигналами. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется факт обнаружения коллизии (Collision Detection, CD). Для увеличения вероятности скорейшего обнаружения коллизии всеми станциями сети станция, которая обнаружила коллизию, прерывает передачу своего кадра и усиливает ситуацию коллизии посылкой в сеть специальной последовательности из 32 бит, называемой jam-последовательностью. 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). В технологии Ethernet интервал отсрочки выбран равным значению 512 битовых интервалов. Битовый интервал соответствует времени между появлением двух последовательных битов данных на кабеле; для скорости 10 Мбит/с величина битового интервала равна 0,1 мкс, или 100 нс.представляет собой целое число, выбранное с равной вероятностью из диапазона [0, 2n], 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 в технологии Ethernet 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. Описанный алгоритм носит название усеченного экспоненциального двоичного алгоритма отсрочки. Администраторы сетей Ethernet с разделяемой средой руководствуются простым эмпирическим правилом–коэффициент использования среды не должен превышать 30%. Для поддержки чувствительного к задержкам трафика сети Ethernet могут применять только один метод поддержания характеристик QoS–недогруженный режим работы. 2.2 Время оборота и распознавание коллизий Надежное распознавание коллизий всеми станциями сети является необходимым условием корректной работы сети Ethernet. Если какая-либо передающая станция не распознает коллизию и решит, что кадр данных передан ею верно, этот кадр будет утерян. Из-за наложения сигналов при коллизии информация кадра исказится, и он будет отбракован принимающей станцией из-за несовпадения контрольной суммы. Скорее всего, недошедшие до получателя данные будут повторно переданы каким-либо протоколом верхнего уровня, например транспортным или прикладным, работающим с установлением соединения, или протоколом LLC, если он работает в режиме LLC2. Но повторная передача сообщения протоколами верхних уровней произойдет гораздо позже (иногда по прошествии нескольких секунд), чем повторная передача средствами сети Ethernet, работающей с микросекундными интервалами. Поэтому если коллизии не будут надежно распознаваться узлами сети Ethernet, то это приведет к заметному снижению полезной пропускной способности сети. Для надежного распознавания коллизий должно выполняться следующее соотношение: min≥PDV Здесь Tmin- время передачи кадра минимальной длины, a- время оборота, то есть время, за которое сигнал коллизии успевает распространиться до самого дальнего узла сети. При выполнении этого условия передающая станция должна успеть обнаружить коллизию, которую вызвал переданный ее кадр, еще до того, как она закончит передачу этого кадра. Выполнение этого условия зависит, с одной стороны, от длины минимального кадра и скорости передачи данных протокола, а с другой стороны, от длины кабельной системы сети и скорости распространения сигнала в кабеле. Стандарт Ethernet определяет минимальную длину поля данных кадра в 46 байт (что вместе со служебными полями дает минимальную длину кадра 64 байт, а вместе с преамбулой–72 байт, или 576 бит). Отсюда может быть вычислено ограничение на расстояние между станциями. В стандарте Ethernet10 Мбит/с время передачи кадра минимальной длины равно 575 битовых интервалов, следовательно, время оборота должно быть меньше 57,5 мкс. Расстояние, которое сигнал может пройти за это время, зависит от типа кабеля и для толстого коаксиального кабеля равно примерно 13280 метров. Учитывая, что за время 57,5 мкс сигнал должен пройти по линии связи дважды, расстояние между двумя узлами не должно быть больше 6635 м. В стандарте величина этого расстояния выбрана существенно меньше с учетом других, более строгих ограничений. Одно из таких ограничений связано с предельно допустимым затуханием сигнала. Для обеспечения необходимой мощности сигнала при его прохождении между наиболее удаленными друг от друга станциями максимальная длина непрерывного сегмента толстого коаксиального кабеля с учетом вносимого им затухания выбрана в 500 м. Повторители увеличивают мощность передаваемых с сегмента на сегмент сигналов, что позволяет использовать сеть гораздо большей длины. В коаксиальных реализациях Ethernet разработчики ограничили максимальное количество сегментов в сети пятью, что, в свою очередь, ограничивает общую длину сети 2500 метрами. В результате учета всех факторов было тщательно подобрано соотношение между минимальной длиной кадра и максимально возможным расстоянием между станциями сети; которое обеспечивает надежное распознавание коллизий. Это расстояние называют максимальным диаметром сети. Для всех типов сетей Ethernet оно должно превышать 2500м. 2.3 Форматы кадров технологии Ethernet Стандарт технологии Ethernet, определенный в документе IEEE802.3, дает описание единственного формата кадра уровня MAC. Так как в кадр уровня MAC должен вкладываться кадр уровня LLC, описанный в документе IEEE802.2, то по стандартам IEEE в сети Ethernet может использоваться только единственный вариант кадра канального уровня, заголовок которого является комбинацией заголовков подуровней MAC и LLC. Тем не менее на практике в сетях Ethernet на канальном уровне используются кадры 4-х различных форматов (типов) (рис. 4.1). Один и тот же тип кадра может иметь разные названия, поэтому далее для каждого типа кадров приведено несколько наиболее употребительных названий. Кадр Ethernet DIX, или Ethernet И, появился в результате работы консорциума трех фирм Digital, Intel и Xerox в 1980 году, который представил на рассмотрение комитету 802.3 свою фирменную версию стандарта Ethernet в качестве проекта международного стандарта. Однако комитет 802.3 принял стандарт, отличающийся в некоторых деталях от предложения DIX, причем отличия касались и формата кадра. Так возник формат кадра 802.3/LLC, 802.3/802.2, или Novell 802.2. Кадр Raw802.3, или Novell802.3,–появился в результате усилий компании Novell по ускорению работы своего стека протоколов в сетях Ethernet. Кадр Ethernet SNAP стал результатом деятельности комитета 802.2 по приведению предыдущих форматов кадров к некоторому общему стандарту и приданию кадру необходимой гибкости для учета в будущем возможностей добавления полей или изменения их назначения. 2.4 Максимальная производительность сети Ethernet Производительность сети зависит от скорости передачи кадров по линиям связи и скорости обработки этих кадров коммуникационными устройствами, передающими кадры между своими портами, к которым эти линии связи подключены. Скорость передачи кадров по линиям связи зависит от используемых протоколов физического и канального уровней, например Ethernet10 Мбит/с, Ethernet100 Мбит/с, Token Ring или FDDI. Скорость, с которой протокол передает биты по линии связи, называется номинальной скоростью протокола. Скорость обработки кадров коммуникационным устройством зависит от производительности его процессоров, внутренней архитектуры и других параметров. Для оценки требуемой производительности коммуникационных устройств, имеющих порты Ethernet, необходимо оценить производительность сегмента Ethernet, но не в битах в секунду, а в кадрах в секунду, так как именно этот показатель помогает оценить требования к производительности коммуникационных устройств. Это объясняется тем, что на обработку каждого кадра, независимо от его длины, мост, коммутатор или маршрутизатор тратит примерно равное время, которое уходит на просмотр таблицы продвижения пакета, формирование нового кадра (для маршрутизатора) и т. п. При постоянной битовой скорости количество кадров, поступающих на коммуникационное устройство в единицу времени, является, естественно, максимальным при их минимальной длине. Поэтому для коммуникационного оборудования наиболее тяжелым режимом является обработка потока кадров минимальной длины. Рассчитаем максимальную производительность сегмента Ethernet в таких единицах, как число переданных кадров (пакетов) минимальной длины в секунду. Кадры максимальной длины технологии Ethernet имеют поле данных 1500 байт, что вместе со служебной информацией дает 1518 байт, а с преамбулой составляет 1526 байт, или 12 208 бит. Максимально возможная пропускная способность сегмента Ethernet для кадров максимальной длины составляет 813 кадр/с. Рассчитаем, какой максимально полезной пропускной способностью, измеряемой в битах в секунду, обладают сегменты Ethernet при использовании кадров разного размера. Полезной пропускной способностью протокола называется максимальная скорость передачи пользовательских данных, которые переносятся полем данных кадра. Эта пропускная способность всегда меньше номинальной битовой скорости протокола Ethernet за счет нескольких факторов: служебной информации кадра; межкадровых интервалов (IPG); ожидания доступа к среде. Для кадров минимальной длины полезная пропускная способность равна: В = 14880 х 46 х 8 = 5,48 Мбит/с. Для кадров максимальной длины полезная пропускная способность равна: Ви = 813 х1500 х 8 = 9,76 Мбит/с. При использовании кадров среднего размера с полем данных в 512 байт пропускная способность протокола составит 9,29 Мбит/с. Таким образом при отсутствии коллизий коэффициент использования сети зависит от размера поля данных кадра и имеет максимальное значение 0,976 при передаче кадров максимальной длины. Спецификации физической среды Ethernet 3.1 Стандарт 10Base-5 Исторически первые сети технологии Ethernet были созданы на коаксиальном кабеле диаметром 0,5 дюйма. В дальнейшем были определены и другие спецификации физического уровня для стандарта Ethernet, позволяющие задействовать различные среды передачи данных. Метод доступа CSMA/CD и все временные параметры остаются одними и теми же для любой спецификации физической среды технологии Ethernet10 Мбит/с. Физические спецификации технологии Ethernet на сегодня включают следующие среды передачи данных. 10Base-5–коаксиальный кабель диаметром 0,5 дюйма, называемый «толстым» коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента–500 метров (без повторителей). 10Base-2–коаксиальный кабель диаметром 0,25 дюйма, называемый «тонким» коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента–185 метров (без повторителей). 10Base-T- кабель на основе неэкранированной витой пары (UTP). Образует звездообразную топологию на основе концентратора. Расстояние между концентратором и конечным узлом–не более 100 м. 10Base-F- волоконно-оптический кабель. Топология аналогична топологии стандарта 10Base-T. Имеется несколько вариантов этой спецификации–FOIRL(расстояние до 1000 м), 10Base-FL(расстояние до 2000 м), 10Base-FB(расстояние до 2000 м). Число 10 обозначает номинальную битовую скорость передачи данных этих стандартов–10 Мбит/с, а слово «Base»–метод передачи на одной базовой частоте 10 МГц–в отличие от методов, использующих несколько несущих частот. Последний символ в названии стандарта физического уровня обозначает тип кабеля. Стандарт 10Base-5 в основном соответствует экспериментальной сети Ethernet фирмы Xerox и может считаться классическим стандартом Ethernet. Кабель используется как моноканал для всех станций. Сегмент кабеля максимальной длины в 500 м (без повторителей) должен иметь на концах согласующие терминаторы («заглушки») сопротивлением 50 Ом, поглощающие распространяющиеся по кабелю сигналы и препятствующие возникновению отраженных сигналов. При отсутствии терминаторов в кабеле возникают стоячие волны, так что одни узлы получают мощные сигналы, а другие–настолько слабые, что их прием становится невозможным. Станция должна подключаться к кабелю при помощи приемопередатчика–трансивера. Трансивер–это часть сетевого адаптера; он устанавливается непосредственно на кабеле и питается от сетевого адаптера компьютера. Трансивер может подсоединяться к кабелю как методом прокалывания, обеспечивающим непосредственный физический контакт, так и бесконтактным методом. Трансивер соединяется с сетевым адаптером интерфейсным кабелем AUI длиной до 50 м, состоящим из 4 витых пар (адаптер должен иметь разъем AUI). Наличие стандартного интерфейса между трансивером и остальной частью сетевого адаптера очень полезно при переходе с одного типа кабеля на другой. Для этого достаточно только заменить трансивер, а остальная часть сетевого адаптера остается неизменной, так как она отрабатывает протокол уровня MAC. При этом необходимо только, чтобы новый трансивер поддерживал стандартный интерфейс AUI. Упрощенная структурная схема трансивера показана на рис. 6.2. Передатчик и приемник присоединяются к одной точке кабеля с помощью специальной схемы, например трансформаторной, позволяющей организовать одновременную передачу и прием сигналов с кабеля. При неисправностях в адаптере может возникнуть ситуация, когда в кабель будет непрерывно выдаваться последовательность случайных сигналов. Так как кабель–это общая среда для всех станций, то работа сети будет заблокирована одним неисправным адаптером. Чтобы этого не случилось, на выходе трансивера ставится схема, которая проверяет время передачи кадра. Если максимально возможное время передачи пакета превышается (с некоторым запасом), то эта схема просто отсоединяет выход передатчика от кабеля. Максимальное время передачи кадра (вместе с преамбулой) равно 1221 мкс, а время затянувшейся передачи устанавливается равным 4000 мкс (4 мс). Эту функцию трансивера иногда называют проверкой затянувшейся передачи, или jabber-контролем. Детектор коллизий определяет наличие коллизии в коаксиальном кабеле по повышенному уровню постоянной составляющей сигналов. Если постоянная составляющая превышает определенный порог (около 1,5 В), значит, на кабель работает более одного передатчика. Развязывающие элементы (РЭ) обеспечивают гальваническую развязку трансивера от остальной части сетевого адаптера и тем самым защищают адаптер и компьютер от значительных перепадов напряжения, возникающих на кабеле при его повреждении. Стандарт 10Base-5 определяет возможность использования в сети повторителя. Повторитель служит для объединения в одну сеть нескольких сегментов кабеля и увеличения тем самым общей длины сети. Повторитель принимает сигналы из одного сегмента кабеля и побитно синхронно повторяет их в другом сегменте, улучшая форму и мощность импульсов, а также синхронизируя импульсы. Стандарт разрешает использование в сети не более 4 повторителей и, соответственно, не более 5 сегментов кабеля. При максимальной длине сегмента кабеля в 500 м это дает максимальную длину сети 10Base-5 в 2500 м. Это в точности соответствует общему ограничению стандарта на максимальный диаметр Ethernet. Только 3 сегмента из 5 могут быть нагруженными, то есть такими, к которым подключаются конечные узлы. Между нагруженными сегментами должны быть ненагруженные сегменты, так что максимальная конфигурация сети представляет собой два нагруженных крайних сегмента, которые соединяются ненагруженными сегментами еще с одним центральным нагруженным сегментом. Правило применения повторителей в сети Ethernet10Ваsе-5 носит название правила 5-4-3:5 сегментов, 4 повторителя, 3 нагруженных сегмента. Ограниченное число повторителей объясняется дополнительными задержками распространения сигнала, которые они вносят. Применение повторителей увеличивает время оборота сигнала, которое для надежного распознавания коллизий не должно превышать время передачи кадра минимальной длины, то есть кадра в 72 байт или 576 бит. Стандарт 10Base-2 В стандарте 10Base-2 в качестве передающей среды используется «тонкий» коаксиал Ethernet. Максимальная длина сегмента без повторителей составляет 185 м, сегмент должен иметь на концах согласующие терминаторы 50 Ом. Тонкий коаксиальный кабель дешевле толстого, поэтому сети 10Base-2 иногда называют Cheapernet. Но за дешевизну кабеля приходится расплачиваться качеством–«тонкий» коаксиал обладает худшей помехозащищенностью, худшей механической прочностью и более узкой полосой пропускания. Станции подключаются к кабелю с помощью высокочастотного Т-коннектора, который представляет собой тройник, один отвод которого соединяется с сетевым адаптером, а два других–с двумя концами разрыва кабеля. Максимальное количество станций, подключаемых к одному сегменту,–30. Минимальное расстояние между станциями–1 м. Кабель «тонкого» коаксиала имеет разметку для подключения узлов с шагом в 1 м. Стандарт 10Base-2 также предусматривает использование повторителей по правилу 5-4-3. В этом случае сеть будет иметь максимальную длину в 5 * 185 = 925 м. Очевидно, что это ограничение является более сильным, чем общее ограничение стандарта Ethernet в 2500 м. Стандарт 10Base-2 очень близок к стандарту 10Base-5, но трансиверы в нем объединены с сетевыми адаптерами за счет того, что более гибкий тонкий коаксиальный кабель может быть подведен непосредственно к выходному разъему платы сетевого адаптера, установленной в шасси компьютера. Кабель в данном случае «висит» на сетевом адаптере, что затрудняет физическое перемещение компьютеров. Реализация этого стандарта на практике приводит к наиболее простому решению для кабельной сети, так как для соединения компьютеров требуются только сетевые адаптеры, Т-коннекторы и терминаторы 50 Ом. Однако этот вид кабельных соединений наиболее сильно подвержен авариям и сбоям. Кабель более восприимчив к помехам, чем «толстый» коаксиал. В моноканале имеется большое количество механических соединений: каждый Т-коннектор дает три механических соединения, два из которых имеют жизненное значение для всей сети. Пользователи имеют доступ к разъемам и могут нарушить целостность моноканала. Общим недостатком стандартов 10Base-5 и 10Base-2 является отсутствие оперативной информации о состоянии моноканала. Повреждение кабеля обнаруживается сразу же (сеть перестает работать), но для поиска отказавшего отрезка кабеля необходим специальный прибор–кабельный тестер. 3.3 Стандарт 10Base-T ethernротокол локальный сеть В сетях 10Base-Tв качестве среды используются две неэкранированные витые пары. Многопарный кабель на основе неэкранированной витой пары категории 3 телефонные компании уже достаточно давно применяли для подключения телефонных аппаратов внутри зданий. Идея приспособить этот популярный вид кабеля для локальных сетей оказалась очень плодотворной, так как многие здания уже были оснащены нужной кабельной системой. Оставалось разработать способ подключения сетевых адаптеров и прочего коммуникационного оборудования к витой паре таким образом, чтобы изменения в сетевых адаптерах и программном обеспечении сетевых операционных систем были минимальными по сравнению с сетями Ethernet на коаксиале. Эта попытка оказалась успешной–переход на витую пару требует только замены трансивера сетевого адаптера или порта маршрутизатора, а метод доступа и все протоколы канального уровня остаются теми же, что и в сетях Ethernet на коаксиале. Конечные узлы соединяются с помощью двух витых пар по двухточечной топологии со специальным устройством–многопортовым повторителем. Одна витая пара требуется для передачи данных от станции к повторителю (выход Тх сетевого адаптера), а другая–для передачи данных от повторителя к станции (вход Rx сетевого адаптера). На рис. 3 показан пример трехпортового повторителя. Повторитель принимает сигналы от одного из конечных узлов и синхронно передает их на все свои остальные порты, кроме того, с которого поступили сигналы.  Рисунок 1–Сеть стандарта 10Base-T Многопортовые повторители в данном случае обычно называются концентраторами, или, на инженерном жаргоне, хабами. Концентратор осуществляет функции повторителя сигналов на всех отрезках витых пар, подключенных к его портам, так что образуется единая среда передачи данных–логический моноканал (логическая общая шина). Концентратор обнаруживает коллизию в сегменте в случае одновременной передачи сигналов по нескольким своим Ях-входам и посылает jam-последовательность на все свои Тх-выходы. Стандарт определяет битовую скорость передачи данных 10 Мбит/с и максимальное расстояние отрезка витой пары между двумя непосредственно связанными узлами (станциями и концентраторами) не более 100 м при наличии витой пары качества не ниже категории 3. Это расстояние определяется полосой пропускания витой пары–на длине 100 м она позволяет передавать данные со скоростью 10 Мбит/с при использовании манчестерского кода. В стандарте 10Base-T определено максимальное число концентраторов между любыми двумя станциями сети, а именно 4. Это правило носит название правила 4-х хабов. Правило 4-х хабов подобно правилу 5-4-3, применяемому к коаксиальным сетям, служит для гарантированной синхронизации станций при реализации процедур доступа CSMA/CD и надежного распознавания станциями коллизий. Очевидно, что если между любыми двумя узлами сети не должно быть больше 4-х повторителей, то, учитывая, что максимальная длина кабеля между повторителями равна 100 м, получаем, что максимальный диаметр сети 10Base-Tсоставляет 5 *100 = 500 м. Заметим, что это ограничение строже общего ограничения стандартов Ethernet в 2500 м. Преимущества сетей, построенных на основе стандарта 10Base-T,связаны с разделением общего физического кабеля на отдельные кабельные отрезки, подключенные к центральному коммуникационному устройству. И хотя логически эти отрезки по-прежнему образуют общую разделяемую среду, их физическое разделение позволяет контролировать их состояние и отключать в случае обрыва, короткого замыкания или неисправности сетевого адаптера на индивидуальной основе. Это обстоятельство существенно облегчает эксплуатацию больших сетей Ethernet, так как концентратор обычно автоматически выполняет такие функции, уведомляя при этом администратора сети о возникшей проблеме. В стандарте 10Base-Tопределена процедура тестирования физической работоспособности двух отрезков витой нары, соединяющих трансивер конечного узла и порт повторителя. Эта процедура называется тестом связности и основана на передаче каждые 16 мс специальных сигналов J и К манчестерского кода между передатчиком и приемником каждой витой пары. Появление между конечными узлами активного устройства, которое может контролировать работу узлов и изолировать работу узлов и изолировать от сети некорректно работающие узлы, является главным преимуществом типологии 10Base-T по сравнению со сложными в эксплуатации коаксиальными сетями. 4 Сетевые технологии FastEthernet 4.1 Основные достоинства технологии GigabitEthernet Fast Ethernet — спецификация IEЕЕ 802.3 u официально принятая 26 октября 1995 года определяет стандарт протокола канального уровня для сетей работающих при использовании как медного, так и волоконно-оптического кабеля со скоростью 100Мб/с. Новая спецификация является наследницей стандарта Ethernet IEЕЕ 802.3, используя такой же формат кадра, механизм доступа к среде CSMA/CD и топологию звезда. Эволюция коснулась нескольких элементов конфигурации средств физического уровня, что позволило увеличить пропускную способность, включая типы применяемого кабеля, длину сегментов и количество концентраторов. Рис 1.Cтруктура Fast Ethernet.  Сеть Gigabit Ethernet – это естественный, эволюционный путь развития концепции, заложенной в стандартной сети Ethernet. Безусловно, она наследует и все недостатки своих прямых предшественников, например, негарантированное время доступа к сети. Однако огромная пропускная способность приводит к тому, что загрузить сеть до тех уровней, когда этот фактор становится определяющим, довольно трудно. Зато сохранение преемственности позволяет достаточно просто соединять сегменты Ethernet, Fast Ethernet и Gigabit Ethernet в сеть, и, самое главное, переходить к новым скоростям постепенно, вводя гигабитные сегменты только на самых напряженных участках сети. В сети Gigabit Ethernet сохраняется все тот же хорошо зарекомендовавший себя в Fast Ethernet полнодуплексный метод доступа, используются те же форматы пакетов (кадров) и те же их размеры. Не требуется никакого преобразования протоколов в местах соединения с сегментами Ethernet и Fast Ethernet. Единственно, что нужно, – это согласование скоростей обмена. С появлением сверхбыстродействующих серверов и распространением наиболее совершенных персональных компьютеров класса «high-end» преимущества Gigabit Ethernet становятся все более явными. Так, 64-разрядная системная магистраль PCI, уже фактический стандарт, вполне достигает требуемой для такой сети скорости передачи данных. Работы по созданию сети Gigabit Ethernet ведутся с 1995 года. В 1998 году был принят стандарт, получивший наименование IEEE 802.3z (1000BASE-SX, 1000BASE-LX и 1000BASE-CX). В 1999 году был принят стандарт IEEE 802.3ab (1000BASE-T). Номенклатура сегментов сети Gigabit Ethernet в настоящее время включает в себя следующие типы: |