Введение в компьютерные сети. Авербах В.С. Введение в вычислительные сети. В. С. Авербах введение в вычислительные сети издательство Самарского государственного экономического университета 2008
 Скачать 2.84 Mb.
|
|
4.5.Основные характеристики кабелей Помимо разделения на типы и категории, каждый кабель имеет определённые характеристики. Рассмотрим их. Выше мы уже оперировали характеристикой скорости передачи. Скорость передачи данных. Это фактическая скорость потока данных, прошедшего через сеть. Измеряется в бит/с. Пропускная способность. Это максимально возможная скорость передачи, измеряется также в бит/с. Поскольку бит/с – очень малая величина для оценки пропускной способности, на практике применяют Мбит/с. Качество передачи данных. Определяется параметром Bit Error Rate, или, сокращённо, BER – количество ошибок на бит. На современных линиях связи этот параметр довольно низок – от 10-4 до 10–9. Полоса пропускания. Определяет непрерывный диапазон частот синусоидального сигнала, при которых этот сигнал передаётся по кабелю без значительных искажений. Между пропускной способностью и полосой пропускания существует определённая зависимость. Есть несколько формул, определяющих эту зависимость, например, формула Шеннона: C=F*log2(1 + SNR), где: C – максимальная пропускная способность, бит/с; F – ширина полосы пропускания линии, Гц; SNR – соотношение сигнал/шум, дБ. Из формулы видно, что для повышения пропускной способности линии следует увеличивать ширину полосы пропускания либо снижать уровень шума, что технически трудно осуществить. Есть ряд характеристик кабелей, связанных с потерями в линии. Основные из них приведены ниже. Затухание (Attenuation). Это относительное уменьшение амплитуды сигнала или его мощности при передаче линии сигнала определённой частоты. Измеряется в децибелах на метр. По причине затухания сигнала длина линий ограничена и строго оговаривается в стандартах локальных сетей. Волновое сопротивление. Это полное сопротивление сети, его также называют импедансом. Единица измерения – Ом. Это постоянная для определённого кабеля величина. Для UTP 5 категории импеданс равен 100 Ом. Изменение волнового сопротивления может быть связано с некачественной заделкой кабеля, низким качеством разъёма и др. Активное сопротивление. Это сопротивление постоянному току. Активное сопротивление зависит от длины и сечения кабеля. В сети также существуют помехи: электрический шум, перекрёстные наводки на ближнем конце (NEXT), возвратные потери. Эти факторы искажают сигнал, специалисты применяют для борьбы с помехами специальные методы защиты. 5. МЕТОДЫ КОММУТАЦИИ В ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ 5.1.Понятие коммутации Комплекс технических решений обобщенной задачи коммутации в совокупности составляет базис любой сетевой технологии. От того, какой механизм прокладки маршрутов, продвижения данных и совместного использования каналов связи заложен в той или иной сетевой технологии, зависят ее фундаментальные свойства. Среди множества возможных подходов к решению задачи коммутации абонентов в сетях выделяют два основополагающих: коммутация каналов (circuit switching); коммутация пакетов (packet switching). Коммутируемой транспортной сетью назывался сеть, в которой между двумя (или более) конечными пунктами устанавливается связь по запросу. Примерами таких сетей являются коммутируемая телефонная сеть и коммутируемые вычислительные сети. Сети с коммутацией каналов имеют более богатую историю, они произошли от первых телефонных сетей. Сети с коммутацией пакетов сравнительно молоды, они появились в конце 60-х годов как результат экспериментов с первыми глобальными компьютерными сетями. Каждая из этих схем имеет свои достоинства и недостатки, но по долгосрочным прогнозам многих специалистов, будущее принадлежит технологии коммутации пакетов, как более гибкой и универсальной. 5.2.Коммутация каналов При коммутации каналов (цепей) между связываемыми конечными пунктами на протяжении всего временного интервала соединения обеспечивается обмен в реальном масштабе времени, причем биты передаются с неизменной скоростью по каналу с постоянной полосой пропускания. Между абонентами устанавливается сквозной канал связи до начала передачи информации. Этот канал формируется из отдельных участков с одинаковой пропускной способностью. Прохождение отдельного сигнала вызова обеспечивается с помощью последовательного включения нескольких коммутационных устройств. Каждое устройство резервирует за собой физическое соединение между одним входящим и одним исходящим каналами. Если при установлении сквозного канала связи занята вызываемая сторона или хотя бы одно из коммутационных устройств в цепочке прохождения сигнала вызова, последний будет блокироваться, и абонент, инициировавший вызов, должен спустя некоторое время его повторить. В качестве недостатков метода коммутации каналов можно указать следующие: длительное время установления сквозного канала связи из-за возможного ожидания освобождения отдельных его участков; необходимость повторной передачи сигнала вызова из-за занятости вызываемой стороны или какого-либо коммутационного устройства в цепочке прохождения этого сигнала; отсутствие возможности выбора скоростей передачи информации; возможность монополизации канала одним источником информации; наращивание функций и возможностей сети ограничено; не обеспечивается равномерность загрузки каналов связи (возможности по сглаживанию загрузки весьма ограниченны). Преимущества метода коммутации каналов: отработанность технологии (первое коммутационное устройство появилось еще в конце XIX в.); возможность работы в диалоговом режиме и в реальном масштабе времени; довольно широкая область применения (главным образом передача акустических сигналов). 5.3.Коммутация пакетов Эта техника коммутации была специально разработана для эффективной передачи компьютерного трафика (трафик – объём данных, принимаемых или передаваемых сетевым устройством). Первые шаги на пути создания компьютерных сетей на основе техники коммутации каналов показали, что этот вид коммутации не позволяет достичь высокой общей пропускной способности сети. Типичные сетевые приложения генерируют трафик очень неравномерно, с высоким уровнем пульсации скорости передачи данных. Например, при обращении к удаленному файловому серверу пользователь сначала просматривает содержимое каталога этого сервера, что порождает передачу небольшого объема данных. Затем он открывает требуемый файл в текстовом редакторе, и эта операция может создать достаточно интенсивный обмен данными, особенно если файл содержит объемные графические включения. После отображения нескольких страниц файла пользователь некоторое время работает с ними локально, что вообще не требует передачи данных по сети, а затем возвращает модифицированные копии страниц на сервер — и это снова порождает интенсивную передачу данных по сети. Коэффициент пульсации трафика отдельного пользователя сети, равный отношению средней интенсивности обмена данными к максимально возможной, может достигать 1:50 или даже 1:100. Если для описанной сессии организовать коммутацию канала между компьютером пользователя и сервером, то большую часть времени канал будет простаивать. В то же время коммутационные возможности сети будут закреплены за данной парой абонентов и будут недоступны другим пользователям сети. При коммутации пакетов все передаваемые пользователем сообщения разбиваются в исходном узле на сравнительно небольшие части, называемые пакетами. Сообщением называется логически завершенная порция данных - запрос на передачу файла, ответ на этот запрос, содержащий весь файл и т.д. Сообщения могут иметь произвольную длину, от нескольких байт до многих мегабайт. Напротив, пакеты обычно тоже могут иметь переменную длину, но в узких пределах, например от 46 до 1500 байт. При коммутации пакетов пользовательские данные (сообщения) перед началом передачи разбиваются на короткие пакеты фиксированной длины. Каждый пакет снабжается протокольной информацией (заголовком): коды начала и окончания пакета, адреса отправителя и получателя, номер пакета в сообщении, информация для контроля достоверности передаваемых данных в промежуточных узлах связи и в пункте назначения (контрольная сумма). Будучи независимыми единицами информации, пакеты, принадлежащие одному и тому же блоку информации, могут передаваться одновременно по различным маршрутам. Управление передачей и обработкой пакетов в узлах связи осуществляется коммутаторами или коммуникационными компьютерами. Одним из показателей этого метода является возможность согласования скоростей передачи данных между пунктами отправления и назначения, которое обеспечивается наличием в сети эффективных развязок, реализуемых созданием буферных запоминающих устройств (ЗУ) в узлах связи. Пакеты доставляются в пункт назначения с минимальной задержкой, где из них формируется первоначальное сообщение. Технология коммутации пакетов, позволяет: увеличить количество подключаемых узлов, так как здесь легче преодолеть трудности, связанные с подключением к коммутаторам дополнительных линий| связи; осуществлять альтернативную маршрутизацию (в обход повреждённых или занятых узлов связи и каналов), что создает повышенные удобства для пользователей; существенно сократить время на передачу пользовательских данных, повысить пропускную способность сети и повысить эффективность использования сетевых ресурсов. Одной из концепций коммутации пакетов является мультиплексирование с помощью разделения времени использования одного и того же канала многими пользователями, что повышает эффективность функционирования сети. Логика коммутации пакетов позволяет мультиплексировать многие пользовательские сеансы на один порт компьютера. Пользователь воспринимает порт как выделенный, в то время как он используется как разделенный ресурс. Мультиплексирование порта и канала называют виртуальным каналом. Коммутация пакетов и мультиплексирование обеспечивают сглаживание асимметричных потоков в каналах связи. При коммутации пакетов в сети находятся пакеты разных пользователей, которые доставляются коммуникационным оборудованием до адресатов. На рис.11 представлены схемы коммутации каналов и коммутации пакетов.  Рис.11.Схемы коммутации каналов и пакетов В варианте "А" коммутационная сеть образует между телефонными абонентами непрерывный составной физический канал из последовательно соединенных коммутаторами промежуточных канальных участков (выделено жирным). В варианте "Б" пакеты могут быть направлены коммутаторами от одного компьютера до другого по разным каналам . Достоинства и недостатки любой сетевой технологии относительны. В определенных ситуациях на первый план выходят достоинства, а недостатки становятся несущественными. Так, техника коммутации каналов хорошо работает в тех случаях, когда нужно передавать только трафик телефонных разговоров. Здесь с невозможностью "вырезать" паузы из разговора и более рационально использовать магистральные физические каналы между коммутаторами можно мириться. А вот при передаче очень неравномерного компьютерного трафика эта нерациональность уже выходит на первый план. Первые научные работы о принципах работы сетей с коммутацией пакетов относятся к началу 60 - х годов. Исследования в области сетей с коммутацией пакетов стали основой, на которой базируются сегодняшняя сеть Internet и все другие вычислительные сети. Через некоторое время эти исследования вылились в исследовательскую программу Advanced Projects Research Agency (ARPA), в рамках которой была создана первая сеть с коммутацией пакетов, известная как ARPAnet. В 1972 г. был разработан первый протокол передачи данных между компьютерами, который назывался Network Control Protokol (NCP). После того, как сетевые концепции были отработаны на ARPAnet, стали появляться другие компьютерные сети. Среди них ALOHAnet, Telenet, Transpac и другие. Это были глобальные сети. История компьютерных сетей начинается именно с глобальных сетей. Но в 1972 г. Роберт Меткалф, работавший в фирме Xerox, разработал принципы Ethernet – сетей, которые впоследствии охватили весь мир, породив неизмеримое количество локальных сетей. Сети активно развивались, и в 1983 г. увидел свет стандарт протоколов стека TCP/IP. Он заменил применявшийся в ARPAnet протокол NCP, появилась система доменных имён DNS. С того времени развитие IP – сетей стало набирать мощь, этот процесс продолжается и сегодня. 6.АППАРАТНОЕ ОЬЕСПЕЧЕНИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ 6.1.Сетевое оборудование Оборудование, с помощью которого осуществляется объединение компьютеров в сети, называется сетевым оборудованием. По способу участия в передачи данных сетевое оборудование подразделяется на пассивное и активное. Пассивное оборудование работает только с электрическими сигналами, не анализируя при этом информацию из передаваемых данных. К пассивному сетевому оборудованию относятся кабели, соединительные разъемы, коммутационные панели, повторители (усилители) и др. Активное оборудование читает и анализирует информацию из передаваемых данных и на основании этой информации принимает решение об их дальнейшей передаче. К активному оборудованию относятся сетевые адаптеры, коммутаторы, маршрутизаторы и др 6.2.Сетевые адаптеры Сетевой адаптер. Это плата, с помощью которой компьютер подключается к локальной сети. Выбор платы сетевого адаптера зависит от разных факторов: протокола канального уровня (наиболее часто используется Ethernet, но могут быть применены адаптеры, поддерживающие Token Ring, FDDI, ATM и др.); скорости передачи по сети (Ethernet имеет 10 Мбит/с, 100 Мбит/с - Fast Ethernet, 1000 Мбит/с – Gigabit Ethernet); типа сетевого кабеля. Тип сетевого кабеля выбирается в то же время, что и протокол канального уровня, поскольку приобретаемый адаптер должен поддерживать соответствующую среду передачи данных. Некоторые протоколы канального уровня рассчитаны на разные типы кабеля, и для каждого типа есть свои сетевые адаптеры. Также есть протоколы, разработанные для использования только одного типа кабеля; типа системной шины, в которую вставляется плата адаптера (обычно PCI); аппаратных ресурсов, запрашиваемых адаптером. Плата сетевого адаптера нуждается в свободной линии запроса на прерывание (IRQ, interrupt request line) и обычно в адресе порта ввода/вывода или адресе памяти, либо в том и другом. Когда оцениваются сетевые адаптеры, необходимо учитывать требования адаптера к ресурсам и сами доступные ресурсы компьютера. Если на ПК работает технология Plug and Play, то компьютер сам динамически назначает аппаратные ресурсы адаптеру; класса компьютера, использующего сетевой адаптер: сервер/рабочая станция, домашний/офисный. Функции сетевых адаптеров на серверах и рабочих станциях одинаковы, но есть сетевые платы, специально предназначенные для подключения к серверам. Некоторые адаптеры используют протоколы, подобные Gigabit Ethernet, которые предназначены только для серверов. Современные серверные адаптеры могут подддерживать четыре технологии оптимального распределения трафика и повышения надежности: адаптивную балансировку нагрузки (Adaptive Load Balancing), повышение производительности (Fast EtherChannel), агрегирование каналов (Link Aggregation) и обеспечение отказоустойчивости (Adapter Fault Tolerance). Утилита Intel PROSet позволяет сформировать из адаптеров группу (adapter team) и выбрать одну из этих технологий для использования. В результате данного процесса создается один виртуальный адаптер, то есть все адаптеры, входящие в группу, рассматриваются операционной системой как единое целое; наличия соответствующих драйверов. Сейчас все операционные системы содержат драйверы для большинства сетевых адаптеров, но для очень старых плат или адаптеров от малоизвестных фирм драйверов в системе может не быть. Установка сетевого адаптера. В современном компьютере сетевой адаптер как правило, интегрирован в материнскую плату. Установленная операционная система (будем говорить о наиболее распространённой сейчас Windows XP) самостоятельно установит встроенный сетевой адаптер. Если Вы покупаете новый сетевой адаптер для старого компьютера в исполнении OEM (драйвер не прилагается), то может случиться, что нужный драйвер в системе отсутствует. В этом случае надо поискать драйвер на сайте производителя. Для этого следует войти на начальную страницу сайта производителя, и там войти в раздел сетевого оборудования, где прописаны сетевые платы. Репитер (повторитель). Это устройство для усиления сигналов в сети в том случае, если длина сегмента сети превышает допустимую. В современной сети очень редко можно увидеть отдельно стоящий репитер. Как правило, его функции встроены в другое устройство – концентратор или коммутатор. 6.3.Концентраторы Концентратор - Это устройство, выполняющее функции связующего звена для кабеля в сети с топологией “звезда”. Каждый компьютер отдельным кабелем подключен к центральному концентратору. Концентратор распространяет трафик, пришедший на любой из портов, через все остальные порты. В зависимости от кабеля в концентраторе могут быть применены электрические схемы, оптические компоненты или другие технологии для распределения входящего сигнала между всеми выходными портами. Внешне концентратор представляет собой коробку с пронумерованными портами, к которым подключается кабель. Порты могут быть стандартными гнёздами RJ-45 для сетей на основе витой пары, гнёздами под ST – коннекторы для оптоволоконного кабеля или разъёмами под любые другие виды коннекторов, применяемых в сетях с тополгией "звезда". Термин "концентратор" употребляется для сети Ethernet. Некоторые интеллектуальные концентраторы запоминают физический адрес сетевой платы, связанной с отдельным портом. Эти концентраторы могут быть заранее запрограммированы с помощью статического списка адресов, соответствующих ПК, или установить это соответствие самостоятельным поиском. Установленное соответствие статических адресов может быть использовано для закрытия доступа к сети некоторым пользователям. Если ПК с физическим адресом, не указанным в этом списке, попытается подключиться к сети, ПК сможет изолировать этот порт. После изолирования этот ПК не сможет подсоединиться к ПК, подключеннму к другому порту концентратора. Не все порты концентратора служат для подключения ПК. Одним из портов может быть интерфейс сетевых устройств (AUI 0 - attachmen unit interface), позволяющий подключить другой концентратор, коммутатор или маршрутизатор. Концентраторы бывают пассивные и активные (ретранслирующие) – с функциями усиления сигналов. Репитеры, концентраторы и мосты (будут рассмотрены далее) соединяют сегменты сети на физическом и канальном уровнях модели OSI. 6.4.Коммутаторы Это многопортовое устройство, у которого каждый порт связан с отдельным сегментом сети. Внешне похожий на концентратор, коммутатор принимает входящий трафик через свои порты, но в отличие от концентратора, который передаёт исходящий трафик через множество портов, коммутатор передает трафик только через один порт, необходимый для достижения места назначения. Основная роль коммутаторов состоит в коммутации каналов, заключающейся в соединении на своих внутренних шинах входных и выходных цепей в зависимости от того, куда направляются данные. Иногда коммутация осуществляется с помощью буферов, без непосредственного электрического соединения. Коммутатор обычно значительно более сложное и дорогое устройство, чем концентратор. Иногда для названия того и другого используется термин HUB, что в переводе с английского означает центр, основа, сердце. При использовании термина HUB часто непонятно, о чем идет речь, о коммутаторе или концентраторе. Путаница возникает также из-за того, что концентраторы иногда выполняют функции коммутации, а коммутаторы выполняют функции маршрутизации. Поэтому для понимания того, что есть что, надо меньше обращать внимания на название устройства, а больше на набор функций, которые оно выполняет. Коммутатор ЛВС (LAN Switch) позволяет конфигурировать сети неограниченного размера. Коммутаторы функционируют на канальном уровне, но могут поддерживать и любой протокол сетевого уровня и выполнять функции маршрутизации. Современный Switch является одновременно и маршрутизатором, и коммутатором. Преимущество коммутатора заключается в том, что он управляет сетевым трафиком. Когда концентратор производит широковещательную передачу всех кадров во все подсоединённые к нему сегменты, то каждый ПК должен остановиться и прослушать среду во избежание конфликтов. Коммутатор же передаёт трафик только одному сегменту, не активизируя остальные сегменты. Фактически, можно продолжить обмен данными с другими сегментами. Коммутация делает возможным резервирование более широкой полосы пропускания для приложений, требующих интенсивного трафика. С помощью коммутации каждый порт может иметь свой канал, допустим, на 10 Мбит/с, в то время как в концентраторе все порты одновременно используют один и тот ж канал на 10 Мбит/с (или на другой скорости). Применение коммутаторов позволяет соединить вместе несколько сетей и воспользоваться преимуществами связи без помех, возникающих вследствие совместного использования полосы пропускания. В зависимости от местоположения коммутаторов в сети, их можно использовать для изолирования частей сети на уровне рабочих групп или магистрали. Поэтому различают коммутаторы рабочих групп и магистральные коммутаторы. Остановимся подробней на разновидностях и функциях коммутаторов. Далее будем рассматривать сетевое оборудование применительно к сети Ethernet, поскольку эта сеть в последние годы стала самой популярной и широко используемой, инфраструктура этой сети хорошо проработана. |