Вычислительные машины, системы и сети (стр. 23 )

Существует три «классических» топологии сети:

· шина (bus), при которой все компьютеры параллельно подключаются к одной линии связи и информация от каждого компьютера одновременно передается всем остальным компьютерам;

· звезда (star), при которой к одному центральному компьютеру присоединяются остальные периферийные компьютеры, причем каждый из них использует свою отдельную линию связи;

· кольцо (ring), при которой каждый компьютер передает информацию всегда только одному компьютеру, следующему в цепочке, а получает информацию только от предыдущего в цепочке компьютера, и эта цепочка замкнута в «кольцо».

Каждая из топологий поддерживается необходимым оборудованием, имеет свои преимущества и недостатки.

Топология «шина».

Топология «шина» своей структурой предполагает идентичность сетевого оборудования компьютеров и равноправие всех абонентов сети. При таком соединении компьютеры могут передавать данные только по очереди. При одновременной передаче информация будет искажаться в результате наложения (коллизии). Поэтому здесь реализуется режим полудуплексного (half duplex) обмена (в обоих направлениях, но по очереди, а не одновременно).

Этой топологии не страшны отказы отдельных компьютеров, так как все остальные компьютеры сети могут нормально продолжать обмен, однако из-за особенностей распространения электрических сигналов по линиям связи при повреждении кабеля прекращается обмен даже между теми компьютерами, которые остались соединенными между собой. Короткое замыкание в любой точке кабеля шины выводит из строя всю сеть. При прохождении по линии связи сети с топологией «шина» информационные сигналы ослабляются, поэтому для увеличения длины сети часто используют несколько сегментов, соединенных между собой с помощью специальных восстановителей сигналов - репитеров, или повторителей.

Топология «звезда».

«Звезда» - это топология с выделенным центром, к которому подключаются все остальные абоненты сети. Весь обмен информацией идет только через центральный компьютер и его сетевое оборудование сложнее, чем оборудование периферийных абонентов. Никакие конфликты в сети с топологией «звезда» в принципе невозможны, так как управление полностью централизовано. Ясно, что выход из строя периферийного компьютера никак не отразится на функционировании оставшейся части сети, зато любой отказ центрального компьютера делает сеть полностью неработоспособной. В данной топологии на каждой линии связи находятся только два абонента: центральный и один из периферийных. Обычно, для их соединения используется две линии связи, каждая из которых передает информацию только в одном направлении. Таким образом, на каждой линии связи имеется один приемник и один передатчик.

Звезда, показанная на рис. 9.1, носит название пассивной звезды, где в центре помещается не компьютер, а концентратор (hub), выполняющий ту же функцию, что и репитер. Фактически здесь мы имеем дело с шинной топологией, так как информация от каждого компьютера одновременно передается ко всем остальным компьютерам, а центрального абонента не существует. В последнее время пассивная звезда все больше вытесняет истинную шину.

Рис. 9.1. Топология пассивная «звезда»

Для локальных сетей в качестве кабельных сред передачи данных используются коаксиальный кабель, витая пара или оптоволоконный кабель. При этом кроме повторителей и концентраторов может использоваться следующее сетевое оборудование:

· мосты (bridge) – для объединения локальных сетей и изоляции внутреннего трафика подсетей;

· коммутаторы (switch) – для высокоскоростного одновременного соединения нескольких пар абонентов;

маршрутизаторы (router) – для управления путями передачи данных в сегментированных сетях.

Ethernet – самая распространенная технология используемая при создании локальных сетей. Технологии Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet обеспечивают скорость передачи данных соответственно 10, 100 и 1000 Мбит/с. Все технологии используют один метод доступа – CSMA/CD (Carrier Sense Multiply Access with Collision Detection), одинаковые форматы кадров, работают в полу - и полнодуплексном режимах. Метод предназначен для среды, разделяемой всеми абонентами сети.

Для реализации беспроводных сред передачи данных Wi-Fi (Wireless Fidelity) используется стандарт RadioEthernet IEEE 802.11, при котором абоненты также имеют равноправный доступ к общему каналу передач. Подобно проводному Ethernet, стандарт определяет протокол использования единой среды передачи CSMA/CD. Вероятность коллизий беспроводных узлов минимизируется путем предварительной посылки короткого сообщения, называемого ready to send (RTS), оно информирует другие узлы о продолжительности предстоящей передачи и адресате. Это позволяет другим узлам задержать передачу на время, равное объявленной длительности сообщения. Приемная станция должна ответить на RTS посылкой clear to send (CTS). Это позволяет передающему узлу узнать, свободна ли среда и готов ли приемный узел к приему. После получения пакета данных приемный узел должен передать подтверждение (ACK) факта безошибочного приема. Если ACK не получено, попытка передачи пакета данных будет повторена.

Особенности глобальных сетей.

На рис. 9.2 изображена структура глобальной сети, включающей в свой состав маршрутизаторы и линии связи, а также объединяющая отдельные узлы, локальные и муниципальные сети. Фактически, глобальная сеть образована оборудованием, которое на рис. 9.2 выделено в подсеть.

Маршрутизатор

Подсеть

Локальная сеть

Линии связи ( каналы, магистрали )

GAN

Хост

Рис. 9.2. Структура глобальной сети

Отдельные компьютеры (узлы GAN) принято называть хостами. Задачей подсети является передача сообщений от хоста к хосту. Большинство глобальных сетей содержит большое количество линий связи, соединяющих между собой маршрутизаторы. Сообщения разбиваются на отдельные части – пакеты (или дейтаграммы), которые пересылаются по адресу получателя. Когда пакет пересылается через несколько промежуточных маршрутизаторов, он получается каждым промежуточным маршрутизатором и хранится на нем, пока требуемая линия связи не освободится. Подсеть, работающая так, называется подсетью с промежуточным хранением (store-and-forward) или подсетью с коммутацией пакетов (packet-switched). Продвижением потока пакетов занимаются маршрутизаторы и каждый «сам» решает куда направить очередной пакет. Используемый метод принятия такого решения называется алгоритмом маршрутизации. Существует большое число алгоритмов маршрутизации.

Не все глобальные сети используют коммутацию пакетов. Можно соединять маршрутизаторы глобальной сети с использованием радиосвязи, в частности через спутники.

9.2. Кодирование информации

Используемый способ кодирования информации зависит в первую очередь от среды передачи информации. Существуют следующие среды:

• коаксиальные кабели (coaxial cable);

• кабели на основе витых пар (twisted pair) - экранированные (shielded twisted pair, STP) и неэкранированные (unshielded twisted pair, UTP);

• оптоволоконные кабели (fiber optic);

• бескабельные каналы передачи информации.

Кодирование передаваемой по сети информации имеет самое непосредственное отношение к соотношению максимально допустимой скорости передачи и пропускной способности используемой среды передачи. Например, при разных кодах предельная скорость передачи по одному и тому же кабелю может отличаться в два раза. От выбранного кода прямо зависят также сложность сетевой аппаратуры и надежность передачи информации. В табл. 9.1 приведены типы кабелей для организации одной из наиболее популярной в настоящее время топологии Fast Ethernet (100 Мбит/сек).

Таблица 9.1

Название	Тип	Длина сегмента	Особенности
100Base-T4	Витая пара	100 м	Использование неэкранированной витой пары категории 3
100Base-TХ	Витая пара	100 м	Полный дуплекс при 100 Мбит/сек (витая пара категории 5)
100Base-FX	Опто-волокно	2000 м	Полный дуплекс при 100 Мбит/сек; большая длина сегмента

Некоторые коды, используемые в сетях, показаны на рис. 9.3.

Код NRZ (Non Return to Zero - без возврата к нулю) - это простейший код, к достоинствам которого относится простая реализация и минимальная среди других кодов пропускная способность линии связи, требуемая при данной скорости передачи. Недостатком кода NRZ является возможность потери синхронизации приемником при приеме слишком длинных пакетов. Приемник может привязывать момент начала приема только к первому (стартовому) биту пакета, а в течение приема пакета он может пользоваться только внутренним тактовым генератором.

Манчестерский код, получил наибольшее распространение в локальных сетях и относится к самосинхронизирующимся кодам. Логическому нулю соответствует положительный переход в центре периода (то есть первый полупериод - низкий уровень, второй - высокий), а логической единице соответствует отрицательный переход в центре периода. Именно наличие перехода в центре периода обеспечивает самосинхронизацию, что дает возможность передавать информацию сколь угодно большими пакетами без потерь из-за рассинхронизации.

Рис. 9.3. Распространенные коды передачи информации

Достоинство манчестерского кода — отсутствие постоянной составляющей (половину периода сигнал положительный, половину - отрицательный). Если же один из уровней сигнала в манчестерском коде нулевой (как, например, в сети Ethernet), то величина постоянной составляющей в течение передачи будет равна примерно половине амплитуды сигнала. Это позволяет легко фиксировать столкновения пакетов в сети (коллизию) по отклонению величины постоянной составляющей. При манчестерском кодировании очень просто определить, идет передача или нет, то есть детектировать занятость сети. Для этого достаточно контролировать, происходит ли изменение сигнала в течение битового интервала. Обнаружение несущей частоты необходимо, например, для определения момента начала и конца принимаемого пакета, а также для предотвращения начала передачи в случае занятости сети (когда передает какой-то другой абонент).

Код RZ (Return to Zero - с возвратом к нулю), в отличие от рассмотренных, является трехуровневым: после значащего уровня сигнала в первой половине периода следует возврат к «нулевому» уровню в середине каждого периода. Логическому нулю, таким образом, соответствует положительный импульс, логической единице - отрицательный в первом полупериоде. Благодаря наличию перехода в центре периода, код RZ также является самосинхронизирующимся.

Недостаток кода RZ состоит в том, что для него требуется вдвое большая полоса пропускания канала при той же скорости передачи по сравнению с NRZ (так как здесь на один бит приходится два изменения уровня напряжения). Код RZ применяется не только в сетях на основе электрического кабеля, но и в оптоволоконных сетях. Поскольку в них не существует положительных и отрицательных уровней сигнала, используется три уровня: отсутствие света, «средний» свет, «сильный» свет. Это очень удобно: даже когда нет передачи информации, свет все равно присутствует, что позволяет легко определить целостность оптоволоконной линии связи.

Для увеличения пропускной способности канала связи с узкой полосой пропускания, например по телефонным линиям в глобальных сетях, применяется модуляция информационными импульсами высокочастотного аналогового сигнала. При прохождении по каналу связи аналогового сигнала (синусоидального) не искажается форма сигнала, а только уменьшается его амплитуда, а в случае цифрового сигнала еще и искажается форма сигнала.

К самым простым видам аналогового кодирования относятся:

· амплитудная модуляция (AM), при которой логической единице соответствует наличие сигнала, а логическому нулю - его отсутствие (или сигнал меньшей амплитуды), частота сигнала остается постоянной;

· частотная модуляция (ЧМ), при которой логической единице соответствует сигнал более высокой частоты, а логическому нулю - сигнал более низкой частоты (или наоборот), амплитуда сигнала остается постоянной;

· фазовая модуляция (ФМ), при которой смене логического нуля на логическую единицу и логической единицы на логический нуль соответствует резкое изменение фазы синусоидального сигнала одной и той же частоты и амплитуды.

Чаще всего аналоговое кодирование используется в глобальных сетях. В локальных сетях оно применяется редко из-за необходимости использования кодирующего и декодирующего оборудования.

9.3. Назначение и структура пакетов

Сообщения в сетях, передаются не целиком, а отдельными частями, называемыми пакетами (кадрами, блоками). Использование пакетов позволяет разделить во времени сеть между передающими информацию абонентами. Длина пакета зависит от типа сети, но обычно она составляет от нескольких десятков байт до нескольких килобайт. Существует некоторая оптимальная длина пакета (или оптимальный диапазон длин пакетов), при которой скорость обмена информацией по сети будет максимальна. Оптимальная длина не является неизменной величиной, она зависит от уровня помех, метода управления обменом, количества абонентов сети, характера передаваемой информации и многих других факторов.

Структура пакета зависит от аппаратурных особенностей сети, ее топологии, среды передачи информации и определяется используемым протоколом. Существуют некоторые общие принципы формирования пакета, определяемые характерными особенностями обмена информацией по любым сетям, типовая структура представлена на рис. 9.4.

Рис. 9.4. Типичная структура пакета