20

Размещено на http://www.allbest.ru/

53

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

Алматинский институт энергетики и связи

Кафедра “Телекоммуникационные системы”

Сети передачи данных

Выполнил ст. МТСу-99-01-2

Турганбеков А.Б.

Проверила: Елизарова Е.Ю.

Алматы 2004

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время компьютерные сети составляют основу всей информационной структуры многих учреждений и предприятий. Появление компьютерных сетей стало началом новой эры в обработке информации. С момента своего появления сети продолжают играть все возрастающую роль во многих областях.

В настоящее время локальные сети превратились в сети с пропускной способностью и производительностью, достаточной для традиционных форм обработки данных (например, электронного документооборота) и даже для таких требовательных к производительности процессора и сети клиент-приложений, как интерактивные голосовые и видеоконференции в реальном масштабе времени.

Сейчас достаточно трудно представить себе организацию, занимающуюся любым видом деятельности, без локальной сети. В наш век - век информационных технологий и научно-технического прогресса наиболее актуальны такие проблемы, как:

скорость обмена информацией;

дорогостоящее оборудование;

совместное использование внешних устройств;

доступ к информации.

Эффективная обработка информации - одна из наиболее распространенных функций, выполняемых локальной сетью. Передача данных и связь занимает особое место среди перечисленных приложений сетей.

Сеть передачи данных - совокупность средств для передачи данных между ЭВМ (другими оконечными устройствами).

Сеть передачи данных с пакетной коммутацией (иногда пакетная сеть) - совокупность средств для передачи данных между ЭВМ (другими оконечными устройствами), где информационная связь между абонентами устанавливается коммутацией пакетов.

Целью данной курсовой работы является закрепление знаний по основным положениям курса, приобретение практических навыков по проектированию сетей по заданным характеристикам, научить студентов применять на практике теоретические знания.

Методические указания предназначены для студентов специальности 3802 (МТС), но они могут использоваться и студентами других специальностей факультета радиотехники и связи.

1. Состав курсовой работы

Сеть передачи данных служит для передачи сообщений по выделенным и коммутируемым каналам связи. В состав сети передачи данных входят:

программные и аппаратные средства ЭВМ, реализующих протоколы передачи сообщений, пакетов и управления каналом;

различные адаптеры, интерфейсы;

протоколы для подключения ЭВМ в сеть, а также для подключения сетей ЭВМ, специализированных сетей и т.п.;

программные подсистемы, выполняющие функции центров управления сетью;

программные и аппаратные средства для проведения измерений и сбора статистики в сеть передачи данных, контроля и диагностики средств передачи данных;

специализированная аппаратура защиты.

Базовая СПД, состоящая из узлов и каналов связи, создает возможность ЭВМ устанавливать между собой информационные соединения. Эти возможности реализуются с помощью средств, образующих в семиуровневой модели три нижних уровня управления: физический, канальный, сетевой.

Любая сетевая технология должна обеспечить надежную и быструю передачу дискретных данных по линиям связи. И хотя между технологиями имеются большие различия, они базируются на общих принципах передачи дискретных данных. Эти принципы находят свое применение в методах представления двоичных единиц и нулей с помощью импульсных или синусоидальных сигналов в линиях связи различной физической природы, методах обнаружения и коррекции ошибок, методах коммутации.

Курсовая работа по дисциплине “Сети передачи данных” включает следущие разделы:

Задание

Введение

Основная часть

Описание моделей сети

Сетевые топологии, их особенности, достоинства, недостатки

Описание среды передачи данных. Классификация и применение

Описание методов доступа

Синтез структуры сети. Модели и методы синтеза.

Протоколы и стандарты

Кодирование сигналов на физическом уровне

Разработка и описание функциональной схемы сетевого адаптера

Спецификация оборудования

Схема разводки информационных потоков

Заключение

Список литературы

Приложение

2. Задание на курсовую работу

Ставится задача спроектировать локальную вычислительную сеть с заданной топологией. В задании на курсовую работу указываются метод доступа к среде передачи данных, количество узлов (компьютеров) в сети, метод синтеза структуры сети. Необходимо выбрать среду передачи данных, протокол канального уровня, разработать функциональную схему сетевого адаптера и описать его основные функциональные блоки. Выбор скорость передачи данных в сети остается за студентом (иногда преподаватель может задать и этот параметр), а язык программирования при решении задачи нахождения оптимальной структуры сети.

Например. Вариант № 25. Спроектировать локальную сеть со следующими характеристиками:

1. Топология - звезда.

2. Количество узлов в сети - 40

3. Метод доступа - CSMA/CD.

4. Метод синтеза - МПМ.

5 Описать функциональную схему сетевого адаптера.

3.Основная часть

3.1 Описание моделей сети

В курсовой работе необходимо привести краткие сведения о таких моделях сети как ВОС, TCP/IP, SNA (Sistem Network Architecture) фирмы IBM и DNA (Digital Network Architecture) компании Digital. Более подробно необходимо описать модель взаимодействия открытых систем (ВОС) и при этом особенно обратить внимание на функции канального и физического уровней.

Модель взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection - OSI) является международным стандартом для передачи данных. Модель OSI определяет различные уровни взаимодействия систем, дает им стандартные имена и указывает, какие функции должен выполнять каждый уровень.

В модели OSI средства взаимодействия делятся на семь уровней: прикладной, представительный, сеансовый, транспортный, сетевой, канальный и физический. Каждый уровень имеет дело с одним определенным аспектом взаимодействия сетевых устройств.

При продвижении пакета данных по уровням сверху вниз каждый новый уровень добавляет к пакету свою служебную информацию в виде заголовка и трейлера (информации, помещаемой в конец сообщения). Эта операция называется инкапсуляцией данных верхнего уровня в пакете нижнего уровня.

Итак, пусть приложение обращается с запросом к прикладному уровню. На основании этого запроса программное обеспечение прикладного уровня формирует сообщение стандартного формата. Обычное сообщение состоит из заголовка и поля данных. Заголовок содержит служебную информацию, которую необходимо передать через сеть прикладному уровню машины-адресата, чтобы сообщить ему, какую работу надо выполнить.

После формирования сообщения прикладной уровень направляет его представительному уровню. Протокол представительного уровня на основании информации, полученной из заголовка прикладного уровня, выполняет требуемые действия и добавляет к сообщению собственную служебную информацию - заголовок представительного уровня, в котором содержатся указания для протокола представительного уровня машины-адресата. Полученное в результате сообщение передается вниз сеансовому уровню, который в свою очередь добавляет свой заголовок, и т. д. Наконец, сообщение достигает нижнего, физического уровня, который собственно и передает его по линиям связи машине-адресату.

Когда сообщение по сети поступает на машину-адресат, оно принимается ее физическим уровнем и последовательно перемещается вверх с уровня на уровень. Каждый уровень анализирует и обрабатывает заголовок своего уровня, выполняя соответствующие данному уровню функции, а затем удаляет этот заголовок и передает сообщение вышележащему уровню.

Эта модель описывает функции семи иерархических уровней и интерфейсы взаимодействия между уровнями. Каждый уровень определяется сервисом, который он предоставляет вышестоящему уровню, и протоколом - набором правил и форматов данных для взаимодействия между собой объектов одного уровня, работающих на разных компьютерах.

Прикладной уровень

Прикладной уровень - это в действительности просто набор разнообразных сетевых сервисов (протоколов), с помощью которых пользователи сети получают доступ к разделяемым ресурсам, таким как файлы, принтеры и т.д., а также организуют свою совместную работу, например, с помощью протокола электронной почты. Прикладной уровень управляет общим доступом к сети, потоком данных и восстановлением после сбоев связи.

Представительный уровень

Этот уровень имеет дело с внешним представлением данных (с формой представления передаваемой по сети информации, не меняя при этом ее содержания). За счет представительного уровня информация, передаваемая прикладным уровнем одной системы, всегда понятна прикладному уровню другой системы. На этом уровне может выполняться шифрование и дешифрование данных, благодаря которому секретность обмена данными обеспечивается сразу для всех прикладных служб.

Сеансовый уровень

Сеансовый уровень позволяет двум приложениям на разных компьютерах устанавливать, использовать и завершать соединение, называемое сеансом. На этом уровне выполняются такие функции, как распознавание имен и защита, необходимые для связи двух приложений в сети. Он редко реализуется в виде отдельных протоколов, хотя функции этого уровня часто объединяют с функциями прикладного уровня и реализуют в одном протоколе.

Транспортный уровень

Транспортный уровень обеспечивает передачу данных между любыми узлами сети с требуемым уровнем надежности. Для этого на транспортном уровне имеются средства установления соединения, нумерации, буферизации и упорядочивания пакетов. Транспортный уровень гарантирует доставку пакетов без ошибок, в той же последовательности, без потерь и дублирования. На этом уровне компьютера-отправителя сообщения переупаковываются: длинные разбиваются на несколько пакетов, а короткие объединяются в один. Это увеличивает эффективность передачи пакетов по сети. На транспортном уровне компьютера-получателя сообщения распаковываются, восстанавливаются в первоначальном виде, и обычно посылается сигнал подтверждения приема. В качестве примера транспортных протоколов можно привести протоколы TCP и UDP стека TCP/IP и протокол SPX стека Novell.

Сетевой уровень

Сетевой уровень обеспечивает доставку данных между любыми двумя узлами в сети с произвольной топологией, при этом он не берет на себя никаких обязательств по надежности передачи данных. Проблема выбора наилучшего пути называется маршрутизацией, и ее решение является одной из главных задач сетевого уровня. Исходя из конкретных сетевых условий, приоритета услуги и других факторов здесь определяется маршрут от компьютера-отправителя к компьютеру-получателю. Сетевой уровень решает также задачи согласования разных технологий, упрощения адресации в крупных сетях. Если сетевой адаптер не может передавать большие блоки данных, посланные компьютером-отправителем, на сетевом уровне эти блоки разбиваются на меньшие, а сетевой уровень компьютера-получателя собирает эти данные в исходное состояние.

Примерами протоколов сетевого уровня являются Х25, протокол межсетевого взаимодействия IP стека TCP/IP и протокол IPX стека Novell.

Канальный уровень

На этом уровне осуществляются управление доступом к передающей среде, синхронизация, обнаружение и исправление ошибок. Здесь также определяются форматы, используемые в элементах сообщений. Каждый пакет содержит адреса источника и места назначения, а так же средства обнаружения ошибок.

Канальный уровень может не только обнаруживать ошибки, но и исправлять их за счет повторной передачи поврежденных кадров. Необходимо отметить, что функция исправления ошибок не является обязательной для канального уровня, поэтому в некоторых протоколах этого уровня она отсутствует, например, в Ethernet и Frame Relay.

Кадр состоит из контрольной суммы, адреса источника данных, адреса приемника данных и собственно данных. Адреса, используемые на канальном уровне в локальных сетях, часто называют МАС-адресами. Канальный уровень также отвечает за сборку кадров из потока битов, принятого от физического уровня. Он накапливает в буфере входящие биты до тех пор, пока они не составят полный кадр.

Функции канального уровня реализуются совместными усилиями сетевых адаптеров и их драйверов. Примерами протоколов канального уровня являются протоколы HDLC, Ethernet, Token Ring, FDDI, l00VG-AnyLAN и т.д.

Физический уровень

Этот уровень осуществляет передачу потока битов по физическим каналам связи, таким, например, как коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконный кабель. К этому уровню имеют отношение характеристики физических сред передачи данных, такие как полоса пропускания, помехозащищенность, волновое сопротивление и другие. На этом же уровне определяются характеристики электрических сигналов, передающих дискретную информацию, например, крутизна фронтов импульсов, уровни напряжения или тока передаваемого сигнала, тип кодирования, скорость передачи сигналов. На этом уровне определяется способ соединения сетевого кабеля с платой сетевого адаптера, в частности, количество контактов в разъемах и их функции.

При передачи данных по аналоговым каналам связи последовательность бит на входе канала преобразуется в модемах в аналоговые сигналы, параметры которых согласованы с параметрами физической среды (физического канала). В случае использования цифровых каналов связи преобразование последовательностей бит в аналоговые сигналы не производится.

Функции физического уровня реализуются во всех устройствах, подключенных к сети. Со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером или последовательным портом.

Примером протокола физического уровня может служить спецификация 10Base-T технологии Ethernet, которая определяет в качестве используемого кабеля неэкранированную витую пару категории 3 с волновым сопротивлением 100 Ом, разъем RJ-45, максимальную длину физического сегмента 100 метров, манчестерский код для представления данных в кабеле, а также некоторые другие характеристики среды и электрических сигналов.

3.2 Сетевые топологии

Под топологией (структурой) компьютерной сети обычно понимается физическое расположение компьютеров сети друг относительно друга и способ соединения их линиями связи. Важно отметить, что понятие топологии относится прежде всего к локальным сетям, в которых структуру связей можно легко проследить. В глобальных сетях структура связей обычно скрыта от пользователей. Топология определяет требования к оборудованию, тип используемого кабеля, возможные и наиболее удобные методы управления обменом, надежность работы, возможности расширения сети. И хотя выбирать топологию пользователю сети приходится нечасто, знать об особенностях основных топологий, их достоинствах и недостатках, наверное, надо всем. Топологии сетей можно описывать как с физической, так и с логической точки зрения. Физическая топология - конфигурация связей, образованных отдельными частями кабеля (т.е. она описывает геометрическое расположение компонентов сети), а логическая - конфигурация информационных потоков между компьютерами сети.

Существует большое количество вариантов сетевых топологий: сетка (Mesh), шина (магистраль, Bus), кольцо (Ring), звезда (Star), дерево (Tree) и ячеистая (гибридная). На практике нередко используют и комбинации базовых топологий, но большинство сетей ориентированы на три основных топологии сети: шина, звезда и кольцо.

Шинная топология

В шинной топологии все сетевые узлы соединены между собой с помощью одного кабеля. Все сигналы, передаваемые любым компьютером в сеть, идут по шине в обоих направлениях ко всем остальным компьютерам. Данные, передаваемые любой станцией, одновременно становятся доступными для всех других станции, подключенных к этой среде передачи данных. Оба конца кабеля должны оканчиваться резистором-терминатором. Эти резисторы предназначены для предотвращения отражения сигналов.

В ЛВС с прямой (не модулируемой) передачей информации всегда может существовать только одна станция, передающая информацию. Для предотвращения коллизий в большинстве случаев применяется временной метод разделения, согласно которому для каждой подключенной рабочей станции в определенные моменты времени предоставляется исключительное право на использование канала передачи данных.

В ЛВС с модулированной широкополосной передачей информации различные рабочие станции получают, по мере надобности, частоту, на которой эти рабочие станции могут отправлять и получать информацию. Пересылаемые данные модулируются на соответствующих несущих частотах, т.е. между средой передачи информации и рабочими станциями находятся модемы для модуляции и демодуляции. Техника широкополосных сообщений позволяет одновременно транспортировать в коммуникационной среде довольно большой объем информации.

Шинную топологию целесообразно использовать лишь в небольших локальных сетях.

Кольцевая топология

В первоначальной кольцевой топологии использовались одноранговые соединения между рабочими станциями локальной сети. Рабочие станции связаны одна с другой по кругу. Каждая сетевая рабочая станция соединялась с двумя ближайшими соседями. Данные передавались по кольцу в одном направлении. Каждая рабочая станция функционировала как повторитель, принимая и отвечая на адресованные ей пакеты и передавая остальные пакеты следующей рабочей станции в кольце. Основная проблема при кольцевой топологии заключается в том, что в случае выхода из строя хотя бы одной из них вся сеть парализуется.

Специальной формой кольцевой топологии является логическая кольцевая сеть. Физически она монтируется как соединение звездных топологий. Таким образом первоначальные примитивные версии кольцевой архитектуры были вытеснены новой архитектурой IBM Token Ring, стандартизованной впоследствии в спецификации IEEE 802.5. Token Ring отошла от одноранговых соединений в пользу концентратора. Устранение конструкции однорангового кольца повысило устойчивость всей сети к отказам отдельных рабочих станций. Несмотря на свое название, сети Token Ring используют звездообразную топологию и маркерный метод доступа. Несмотря на то, что с технической точки зрения все устройства подключены к одному концентратору, маркер доступа в циклической последовательности обходит все сетевые устройства.

Топология «звезда»

«Звезда» - это топология с явно выделенным центром, к которому подключаются все остальные абоненты. Весь обмен информацией идет исключительно через центральный компьютер. Как правило, именно центральный компьютер является самым мощным, и именно на него возлагаются все функции по управлению обменом.

Существует как активная так и пассивной звезда, которая только внешне похожа на звезду. В настоящее время она распространена гораздо больше, чем активная звезда. Достаточно сказать, что она используется в самой популярной на сегодняшний день сети Ethernet. В центре сети с данной топологией помещается не компьютер, а концентратор или хаб (hub). Концентратор транслирует сигналы, поступающие на любой из его портов, на все остальные порты.

Большое достоинство звезды (как активной, так и пассивной) состоит в том, что все точки подключения собраны в одном месте. Это позволяет легко контролировать работу сети, локализовать неисправности сети путем простого отключения от центра тех или иных абонентов, а также ограничивать доступ посторонних лиц к жизненно важным для сети точкам подключения. Никакие конфликты в сети с топологией «звезда» в принципе невозможны, так как управление полностью централизовано. Общим недостатком для всех топологий типа «звезда» является значительно больший, чем при других топологиях, расход кабеля, особенно когда центральный узел географически расположен не в центре топологии. Кроме того, при расширении вычислительных сетей не могут быть использованы ранее выполненные кабельные связи (к новому рабочему месту необходимо прокладывать отдельный кабель из центра сети), высокая стоимость сетевого оборудования из-за необходимости приобретения концентратора. Иногда имеет смысл использовать несколько концентраторов в сети, которые иерархически соединены между собой связями типа звезда. В настоящее время топология «Иерархическая звезда» является самым распространенным типом топологии связей как в локальных, так и в глобальных сетях. Примером локальной сети звездообразной топологии служит 10BaseT, Fast Ethernet и т.д.

Сетка или полносвязная топология

Полносвязная топология соответствует сети, в которой каждый компьютер сети связан со всеми остальными. Полносвязные топологии применяются редко. Чаще этот вид топологии используется в сетях при небольшом количестве компьютеров. Архитектура сети предоставляет множество путей к конечному пункту, что позволяет наилучшим образом обеспечить отказоустойчивость сети. Все другие варианты основаны на неполносвязных топологиях, когда для обмена данными между двумя компьютерами может потребоваться промежуточная передача данных через другие узлы сети.

Древовидная структура ЛВС

Она образуется в основном в виде комбинаций топологий типа «звезда» и «шина». Основание дерева вычислительной сети (корень) располагается в точке, в которой собираются коммуникационные линии информации (ветви дерева). Сети с древовидной структурой применяются там, где невозможно непосредственное применение базовых сетевых структур в чистом виде.

Ячеистая (гибридная) топология

Смешанный вариант различных типов конфигурации. Сети с такой топологией характеризуются относительной устойчивостью к перегрузкам и отказам, высокой надежностью и живучестью. Ячеистая топология допускает соединение большого количества узлов и характерна для глобальных сетей.

3.3 Среда передачи данных

При проектировании компьютерной сети очень важным является правильность выбора среды передачи для обмена данными между всеми устройствами сети. Выбор среды передачи, как правило, определяется структурой будущей сети. Правильный выбор среды передачи обеспечивает успешное построение сети, что в дальнейшем приводит к минимизации стоимости сети и обеспечения ее необходимой производительности.

Когда данные готовятся к пересылке по сети, они преобразуются в электрический сигнал. Физический путь, по которому передается сигнал и определяется существующей средой передачи. Сигнал поступает в среду передачи с компьютера-передатчика, передается по среде передачи и затем, принимается компьютером-приемником.

Для передачи можно использовать разные физические среды. Физическая среда передачи данных может представлять собой кабель, а также земную атмосферу или космическое пространство, через которые распространяются электромагнитные волны. Каждая из сред имеет свои уникальные характеристики: пропускная способность, задержка, стоимость, простота прокладки и сложность в обслуживании.

В качестве среды передачи наиболее часто используются витая пара, коаксиальный кабель и оптоволоконные линии. При выборе типа кабеля учитывают следующие показатели: скорость передачи информации; стоимость монтажа и обслуживания; ограничения на величину расстояния передачи информации (без дополнительных повторителей); безопасность передачи данных. Средой передачи данных называются те линии связи (или каналы связи), по которым производится обмен информацией между компьютерами, т.е. происходит передача электрических сигналов, использующихся для переноса той или иной информации. Среда передачи данных в общем случае может быть разделена на ограниченную и неограниченную. Ограниченная (проводная или кабельная) среда ограничивает сигнал внутри физического проводника. Они специально изготовлены для использования в качестве среды передачи данных. Представителями ограниченной среды являются, например, электрические и оптоволоконные кабели. Неограниченная среда (беспроводная) - это существующая в природе среда; чаще всего неограниченной средой для передачи сигналов является атмосфера Земли, но возможно также использование других сред - безвоздушного пространства и т.д.

В компьютерных сетях применяются кабели, удовлетворяющие определенным стандартам, что позволяет строить кабельную систему сети из кабелей и соединительных устройств разных производителей. Сегодня наиболее употребительными стандартами в мировой практике являются следующие: Американский стандарт EIA/TIA-568A, Международный стандарт ISO/IEC 11801 и Европейский стандарт EN50173.

Каждый тип кабеля имеет свои преимущества и недостатки, так что при выборе типа кабеля надо учитывать как особенности решаемой задачи, так и особенности конкретной сети, в том числе и используемую топологию.

1) Ограниченные среды передачи данных

При создании сети передачи данных выбор осуществляется из следующих основных видов кабелей: волоконно-оптический, коаксиальный и витая пара. При этом и коаксиал, и витая пара для передачи сигналов используют металлический проводник, а волоконно-оптический кабель - световод, сделанный из стекла или пластмассы.

Коаксиальный кабель до недавнего времени был распространен наиболее широко. Его сейчас применяют реже, чем витую пару. Коаксиальный кабель состоит из четырех частей. Внутри кабеля размещена центральная жила, окруженная изоляционным материалом (диэлектриком). Указанный слой изоляции охвачен тонким металлическим экраном. И, наконец, внешней частью кабеля является пластиковая оболочка.

Существует два основных типа коаксиального кабеля:

* тонкий (thin) кабель, имеющий диаметр около 0,5 см, более гибкий. RG-58/U, RG-58 A/U и RG-58 C/U - примеры «тонкого» коаксиального кабеля;

* толстый (thick) кабель, имеющий диаметр около 1 см, значительно более жесткий. RG-8 и RG-11 - разновидности «толстого» коаксиального кабеля.

Заметим также, что существуют такие разновидности коаксиального кабеля, как твинаксиал, тринаксиал, quad-кабель и т.д.

По сравнению с другими типами кабеля коаксиальный кабель сравнительно мало эффективен для передачи данных по сети. Сеть Ethernet, построенная на основе коаксиального кабеля, ограничена пропускной способностью 10 Мбит/с. Последующий переход на более высокую скорость передачи для нее невозможен. В новых сетях Ethernet он фактически не применяется. Коаксиальные кабели с волновым сопротивлением 50 Ом описаны в стандарте EIA/TIA-568. Новый стандарт EIA/TIA-568A коаксиальные кабели не описывает, как морально устаревшие.

Кабель "Витая пара" - "Twisted Pair", состоит из "пар" проводов, закрученных вокруг друг друга и одновременно закрученных вокруг других пар, в пределах одной оболочки.

Существует несколько типов витой пары, но экранированная (STP - Shielded Twisted Pair) и неэкранированная (UTP - Unshielded Twisted Pair) являются самыми важными. Кабель STP может иметь экран вокруг каждой витой пары и, в дополнение к этому, еще один экран, охватывающий все витые пары (кабель S-STP). Применение экрана позволяет повысить помехоустойчивость.

Неэкранированная витая пара (UTP). Большинство офисных сетей Ethernet построены на UTP. Кабель UTP использует медные проводники с характеристическим импедансом 100 Ом. Оболочка может быть пленумной и непленумной. Стандарты TIA/EIA-568, 568А определяют категории для витой пары. Существуют 7 таких категорий. Кабели категорий 1 и 2 были определены в стандарте EIA/TIA-568, но в стандарт 568А уже не вошли, как устаревшие.

Экранированная витая пара (STP) - это кабель с сопротивлением переменному электрическому току 150 Ом, поддерживающий дополнительное экранирование, которое защищает сигналы от электромагнитных помех. STP предназначен для прокладки в тех местах, где кабель UTP не может обеспечить достаточной помехозащищенности. Согласно стандарту кабель STP делится на несколько типов: Туре 1, Туре 2 и т.д.

Защита от электромагнитных помех в кабеле STP может осуществляться экранами двух типов: фольгой или металлической сеткой. Экранированная витая пара STP хорошо защищает передаваемые сигналы от внешних помех, а также меньше излучает электромагнитных колебаний вовне, что защищает, в свою очередь, пользователей сетей от вредного для здоровья излучения. Экранированный кабель применяется только для передачи данных, а голос по нему не передают.

Волоконно-оптические кабели состоят из центрального проводника света (сердцевины) - стеклянного волокна, окруженного другим слоем стекла - оболочкой, обладающей меньшим показателем преломления, чем сердцевина, а оптическая оболочка, в свою очередь, окружена слоем лака, элементов усиления и внешнего покрытия.. Распространяясь по сердцевине, лучи света не выходят за ее пределы, отражаясь от покрывающего слоя оболочки.

Волоконно-оптический кабель бывает одномодовым и многомодовым. Понятие «мода» описывает режим распространения световых лучей во внутреннем сердечнике кабеля. Одномодовый кабель (Single Mode Fiber, SMF) имеет диаметр световода (5-10 мкм) и допускает только прямолинейное распространение светового излучения (по центральной моде). В многомодовых кабелях (Multi Mode Fiber, MMF) используются более широкие внутренние сердечники, которые легче изготовить технологически. В стержне многомодового кабеля свет может распространяться не только прямолинейно (по нескольким модам). В стандартах определены два наиболее употребительных многомодовых кабеля: 62,5/125 мкм и 50/125 мкм, где 62,5 мкм или 50 мкм - это диаметр центрального проводника, а 125 мкм - диаметр внешнего проводника.

В качестве источников излучения света в волоконно-оптических кабелях применяются: светодиоды и полупроводниковые лазеры.

Волоконно-оптические кабели обладают отличными характеристиками: электромагнитными, механическими (хорошо гнутся, а в соответствующей изоляции обладают хорошей механической прочностью). Сама стоимость волоконно-оптических кабелей ненамного превышает стоимость кабелей на витой паре (оптоволоконная среда слегка дороже UTP-5), однако проведение монтажных работ с оптоволокном обходится намного дороже из-за трудоемкости операций и высокой стоимости применяемого монтажного оборудования.

Несмотря на это, фактически все применяемые протоколы канального уровня (высокоскоростная сетевая технология) используют его в той или иной форме. Вот некоторые из них: Fast Ethernet (100BaseFX), Gigabit Ethernet (1000BaseFX), FDDI, 100VG-AnyLAN, ATM, Fibre Channel и т.д.

В настоящее время каналы обычно имеют пропускную способность ~1Гбит/c и это связано с ограниченным быстродействием оборудования, преобразующего оптический сигнал в электрический и обратно.

2) Неограниченные (беспроводные) среды передачи данных

Неограниченная среда (часто называемая «беспроводной») обеспечивает передачу и прием электромагнитных сигналов без присутствия устройства, которое содержало бы этот сигнал внутри себя. Эфир (атмосфера) является наилучшим примером неограниченной среды. Наибольшее распространение в качестве носителей данных в атмосфере получили электромагнитные волны. Спектр электромагнитного излучения делится на радиоизлучение, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение, гамма-излучение. В настоящее время в связи с техническими трудностями ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение не используются. Микроволновая, лазерная, инфракрасная и радиосвязь являются примерами передающих систем, использующих неограниченную среду.

Если необходимо объединить несколько сетей зданий находящихся в разных городах или странах, то может оказаться целесообразным вместо прокладки кабеля использовать в качестве среды передачи атмосферу и передавать полезный сигнал с использованием радиоволн или средств спутниковой связи.

Радиоволны. В сетях передачи данных нашли применения радиоволны УКВ диапазона, которые распространяются прямолинейно и не отражаются ионосферой и не огибая встречающиеся препятствия. Поэтому связь в сетях передачи данных, построенных на УКВ радиосредствах, ограничена по расстоянию (до 40 км). Для преодоления этого ограничения обычно используют ретрансляторы.

Спутниковая связь. Спутник связи имеет несколько приемопередатчиков - транспондеров. Каждый транспондер слушает свою часть спектра, усиливает полученный сигнал и передает его обратно на землю в нужном направлении, на нужной частоте, отличной от частоты приема, чтобы избежать интерференции с принимаемым сигналом. Возвращаемый луч может быть по желанию либо широким, покрывая большую территорию, либо наоборот узко направленным.

Геостационарные спутники. Спутниковая связь, в отличие от наземной радиосвязи, вместо наземного ретранслятора использует спутник-ретранслятор, находящийся на геостационарной орбите.

Первые спутники имели один широкий луч. Современные имеют несколько относительно узких луча. Относительно новой технологией является технология малых антенн (узкоапертурную технологию передачи), называемых VSAT - Very Small Aperture Terminals - терминалы с очень маленькой апертурой. Такие терминалы используют антенны диаметром 1 метр и выходную мощность около 1 Вт. Они способны передавать данные со скоростью примерно 19.2 кбит/c и принимать - 512 кбит/c. Из-за малой мощности эти терминалы не могут взаимодействовать напрямую, но прекрасно это могут через специальный спутниковый хаб (телекоммуникационный спутник). Для решения этой проблемы используются промежуточные наземные антенны с большим усилением, что, правда увеличивает задержку.

Низкоорбитальные спутники. Изначально низко летящие спутники серьезно не рассматривались. Слишком быстро они проносились над определенным местом. В последнее время для телекоммуникаций планируется применение так называемых низколетящих спутников (<1000 км; период обращения ~1 час). Эти спутники движутся по эллиптическим орбитам и каждый из них по отдельности не может гарантировать стационарный канал, но в совокупности эта система обеспечивает весь спектр услуг. Из-за малой высоты полета наземные станции в этом случае могут иметь небольшие антенны и малую стоимость.

Например, идея проекта компании Моторола: когда один спутник исчезал, подлетал другой, так что передача не прерывалась. Компания подсчитала, что потребуется 77 спутников на высоте 750 км. Позднее, уточнив, это число сократилось до 66. Этот проект получил название Иридиум (77 элемент - Иридий).

Инфракрасное излучение. Источником инфракрасного излучения могут служить лазер или фотодиод. Инфракрасные сети передачи данных могут использовать прямое или рассеянное инфракрасное излучение. Сети, использующие прямое излучение, могут быть организованы по схеме "точка-точка" или через отражатель, закрепляющийся, как правило, на потолке. Используемые частоты излучения 100...1000 ГГц, пропускная способность от 100 Кбит/с до 16 Мбит/с. Сети, использующие рассеянное излучение, не предъявляют требования к точной настройке, более того, позволяют абоненту перемещаться, но обладают меньшей пропускной способностью - не более 1 Мбит/с.

Основной недостаток излучения в этом диапазоне - оно не проходит через преграду. Этот недостаток одновременно является преимуществом когда излучение в одной комнате не интерферирует с излучением в другой. На эту частоту не надо получать разрешения. Это прекрасный канал для передачи данных внутри помещений.

3.4 Методы доступа к среде передачи данных

К среде передачи данных в ЛВС подключаются узлы - компьютеры и возможно общее периферийное оборудование. Поскольку среда передачи данных общая, а запросы на сетевые обмены у узлов появляются асинхронно, то возникает проблема разделения общей среды между многими узлами, другими словами, проблема обеспечения доступа к сети. Доступом к сети называют взаимодействие станции (узла сети) со средой передачи данных для обмена информацией с другими станциями. Управление доступом к среде - это установление последовательности, в которой станции получают доступ к среде передачи данных.

Различают случайные и детерминированные методы доступа.

При случайном методе доступа сетевые устройства выполняют передачу в моменты наличия данных для передачи. Устройства просто используют канал без учета того, что делают остальные устройства. Эффективность этих методов заключается в отсутствии обмена дополнительной информацией до начала действительной передачи данных. Различают следующие случайные методы доступа: множественный (свободный) доступ с обнаружением (проверкой) конфликтов; множественный доступ с проверкой несущей и т.д.

Множественный доступ с проверкой несущей. В локальных сетях есть возможность определить, что делают другие станции и только после этого решать что делать. Протоколы, которые реализуют именно эту идею - называются протоколами с проверкой несущей CSMA (Carrier Sense Multiple Access).

Операция проверки состояния канала называется проверкой несущей. Сетевой адаптер "прослушивает" сеть на предмет обнаружения занятости кабеля, т.е. наличие в нем сигналов, используемых для передачи данных. Если канал свободен, адаптер системы начинает передачу пакета. В случае если кабель занят другой станцией, через случайный промежуток времени попытка доступа повторяется. За счет проверки несущей вероятность столковений существенно уменьшается. В результате этого увеличивается степень использования пропускной способности канала, т.е. скорость передачи данных. Проверка несущей реализуется достаточно простой схемой, встраиваемой в сетевой адаптер.

Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов - МДКН/ОК. Другое улучшение, которое можно сделать, - станции должны уметь определять коллизии как можно раньше, а не по окончании отправки кадра. Это экономит время и пропускную способность канала. Такой метод доступа, известный как CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) широко используется в локальных сетях. Например, Ethernet и Fast Ethernet. CSMA/CD можно описать вкратце следующим образом. Когда какая-либо станция хочет передать пакет другой станции, она пытается вначале определить, что никакая другая станция в это время ничего не передает: в случае, если кабель свободен, станция начинает передачу немедленно. В противном случае она ждет, пока кабель не освободится.

Если две станции начинают передачу одновременно, то происходит конфликт. Конфликт может быть определен по увеличению мощности или ширины импульса регистрируемого сигнала по сравнению с соответствующими характеристиками переданного сигнала. В этом случае обе станции прекращают передачу и ждут случайное время, прежде чем попытаться ее возобновить. Случайная величина задержки при возникновении коллизий определяется согласно алгоритма отката (алгоритм называется двоичный экспоненциальный алгоритм задержки). После 16 конфликтов сетевой адаптер отказывается от дальнейших попыток передать кадр и сообщает об этом компьютеру. Все дальнейшие действия по исправлению ситуации должны осуществляться высокоуровневыми протоколами.

Множественный доступ с контролем несущей и предотвращением конфликтов (CSMA/CA) не так популярен, как методы доступа CSMA/CD и с передачей маркера. При доступе CSMA/CA каждый компьютер перед началом передачи сигнализирует о своем намерении передать данные. В этом случае компьютеры “чувствуют”, когда может произойти конфликт, и заранее избегают передачи. Однако, широковещательное оповещение о намерении передать данные увеличивает суммарный трафик в кабеле и уменьшает пропускную способность сети.

Маркерные методы доступа. Среди детерминированных методов преобладают маркерные методы доступа. Детерминированный означает, что можно вычислить максимальное время, которое пройдет, прежде чем любая конечная станция сможет передавать. Этот метод более гибок и обеспечивает приоритетное обслуживание. Массовому его внедрению препятствует сложность и дороговизна. Используется в таких сетях как Token Ring, Arcnet и FDDI.

Маркерный метод - метод доступа к среде передачи данных в ЛВС, основанный на передаче полномочий передающей станции с помощью специального информационного объекта, называемого маркером. Пока маркер используется одним компьютером, другие компьютеры не могут передавать данные. Так как в любой момент времени маркер может использоваться только одним компьютером, при данном методе доступа нет никакого соперничества, никаких конфликтов.

Применяется ряд разновидностей маркерных методов доступа. Например, в эстафетном методе передача маркера выполняется в порядке очередности; в способе селекторного опроса (квантированной передачи) сервер опрашивает станции и передает полномочие одной из тех станций, которые готовы к передаче. В кольцевых одноранговых сетях широко применяется метод передачи маркера по кольцу.

В сети Token Ring (“Маркерное кольцо”) данные передаются следующим образом. Когда компьютер в кольце хочет передать данные, он должен дождаться свободного маркера. После того, как компьютер овладел маркером, он может передать данные. Данные передаются в кадрах с дополнительной информацией - адресом, заголовком и концевиком. Когда кадр достигает компьютера-адресата, данные копируются на эту машину, устанавливается флаг подтверждения приема, и кадр продолжает свой путь по кольцу. Когда кадр возвращается на передавший его компьютер, маркер и данные удаляются из кольца, и в кольцо передается новый маркер.

Доступ по приоритету запроса (метод Demand Priority) - это метод доступа, разработанный для сети со скоростью передачи 100 Мбит/с - 100VG-AnyLAN. Данный метод основан на передаче концентратору функций арбитра, решающего проблему доступа к разделяемой среде. Концентраторы управляют доступом к сети, последовательно опрашивая каждый узел в сети и выявляя запросы на передачу.

Концентратор циклически опрашивает порты. Станция, желающая передать пакет, посылает специальный низкочастотный сигнал концентратору, запрашивая передачу кадра и указывая его приоритет.

Если сеть свободна, то концентратор разрешает передачу пакета. После анализа адреса получателя в принятом пакете концентратор автоматически отправляет пакет станции назначения. Если сеть занята, концентратор ставит полученный запрос в очередь, которая обрабатывается в соответствии с порядком поступления запросов и с учетом приоритетов.

Как и при CSMA/CD, два компьютера могут создавать конфликтную ситуацию, осуществляя передачу в одно и то же время. Однако, при доступе по приоритету запроса можно реализовать механизм, при котором данным определенных типов в случае конфликта будет предоставляться приоритет. Если концентратором одновременно принимаются два запроса, то первым обслуживается запрос с более высоким приоритетом. Если два запроса имеют один и тот же приоритет, оба запроса обслуживаются в порядке очередности.

3.5 Синтез структуры сети

компьютерная сеть информационная локальная

3.5.1 Математическая модель сети

В работе [9] рассматриваются математические модели синтеза следующих наиболее распространенных типов структур ЛВС: магистральной, кольцевой, древовидной и звездообразной. Дается подробное описание эвристических методов решения задач синтеза структур ЛВС, обеспечивающих получение решения с различной степенью точности.

В данном методическом указании, в качестве примера, приводится математическая модель и метод получения оптимальной звездообразной структуры сети.

В сетях с звездообразной топологией каждая абонентская станция (АС) имеет доступ к центральной коммутационной станции (КС), которая после обнаружения запроса АС производит однонаправленное соединение двух АС.

Задача синтеза звездообразной структуры ЛВС с учетом вышеизложенных особенностей сводится минимизации функционала вида:

(3.1)

при ограничениях:

В каждом пункте может устанавливаться АС одного варианта

(3.2)

Каждый пользователь может прикрепляться только к одной АС:

(3.3)

Производительность АС должна обеспечивать обработку всех видов запросов поступающих от АС за единицу времени

(3.4)

и

 (3.5)

(3.6)

(3.7)

где - подмножество пунктов где возможны размещения КС; - пропускная способность -го типа КС; L- множество вариантов построения КС; - приведенные затраты на передачу информации в единице времени из -й АС через -й КС.

Ограничение (3.5) означает, что на заданном множестве возможных пунктов размещения может быть организована только КС, связанная со всеми АС. Ограничение (3.7) учитывает требования к пропускным способностям КС и линии связи. При этом пропускные способности линии связи считаются такими, что они полностью обеспечивают максимальную загрузку КС.

3.5.2 Метод синтеза структуры

Быстродействие таких ЛВС определяется в первую очередь пропускной способностью КС и пунктом ее размещения [9]. Решение этой задачи можно свести к задаче поиска медианы полного взвешенного графа G с матрицей весов , где каждой вершине присваивается вес . Медианой графа G называется вершина, для которой сумма кратчайших расстояний от нее до остальных вершин графа является минимальной. Для каждой вершины определим два числа, которые называются передаточными числами:

,

где - кратчайшее расстояние от вершины до , в данном случае . Числа соответственно называются внешними и внутренними передаточными числами вершины .

Вершина , для которой

, (3.8)

называется внешней медианой графа G, а вершина для которой

, (3.9)

называется внутренней медианой его. Если граф G имеет симметричную матрицу весов, т.е. по одним и тем же каналам связи осуществляется как передача, так и прием данных (например, как в ЛВС), то . Таким образом, в качестве пункта размещения КС можно взять вершину x^1,2, которая является внешне-внутренней медианой графа.

Выбор варианта построения КС будем производить таким образом, чтобы затраты на ее создание были минимальными и выполнялось условие:

(3.10)

где - пропускная способность r-го варианта КС, расположенного в j-м пункте.

Шаг 1. Упорядочить все затраты на создание вариантов построения КС по возрастанию:

Шаг 2. Посмотреть варианты построения КС в порядке возрастания затрат на их создание до тех пор пока не будет выполняться условие (3.10).

Шаг 3. Если условие (3.10) выполняется, то за j-й КС закрепляется r-е ТС с производительностью . Если условие (3.10) не выполняется, то j=j+1 и перейти к шагу 1.

Шаг 4. Если , то перейти к шагу 5. Иначе j=j+1 и перейти к шагу 1.

Шаг 5. Вычислить внешние (или внутренние) передаточные числа .

Шаг 6. Определить внешне-внутреннюю медиану графа с помощью выражений (3.8) и (3.9). Конец алгоритма.

Учитывая, что граф G имеет симметричную матрицу весов, т.е. по одним и тем же каналам связи осуществляется как передача, так и прием данных, а принимая _j==const для всех j, что получаем

.

Тогда задача поиска пункта размещения КС сводится к нахождению столбца (или строки) с минимальной суммой элементов. Решение примера приведено в таблицах 1 и 2.

На основе заданной топологии сети (исходного графа) строится матрица затрат С с элементами, равными расстояниям между компьютерами (таблиц 1).

Таблица 1.

	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21
1		5	12	16	14	17	18	22	17	15	53	57	59	52	48	46	43	50	48	46	43
2	5		12	11	9	11	13	17	20	19	57	61	63	56	52	50	47	54	52	50	47
3	12	7		6	4	6	8	12	15	19	62	66	68	61	57	55	52	59	57	55	52
4	16	11	6		3	7	9	13	15	19	64	68	70	63	59	57	54	61	59	57	54
5	14	9	4	3		4	6	10	12	16	61	65	67	60	56	54	51	58	56	54	51
6	17	11	6	7	4		4	8	10	14	59	63	65	58	54	52	49	56	54	52	49
7	18	13	8	9	6	4		4	6	10	55	59	61	54	50	48	45	52	50	48	45
8	22	17	12	13	10	8	4		10	8	53	57	59	52	48	46	43	50	48	46	43
9	17	20	15	15	12	10	6	10		4	49	53	55	48	44	42	39	46	44	42	39
10	15	19	19	19	16	14	10	8	4		47	51	53	46	42	40	37	44	42	40	37
11	53	57	62	64	61	59	55	53	49	47		4	6	7	8	10	12	11	13	15	16
12	57	61	66	68	65	63	59	57	53	51	4		4	10	11	13	15	9	11	13	14
13	59	63	68	70	67	65	61	59	55	53	6	4		12	13	15	17	7	9	11	12
14	52	56	61	63	60	58	54	52	48	46	7	10	12		6	8	10	17	19	21	22
15	48	52	57	59	56	54	50	48	44	42	8	11	13	6		4	6	17	19	21	22
16	46	50	55	57	54	52	48	46	42	40	10	13	15	8	4		4	20	22	24	26
17	43	47	52	54	51	49	45	43	39	37	12	15	17	10	6	4		22	24	26	28
18	50	54	59	61	58	56	52	50	46	44	11	9	7	17	17	20	22		4	6	8
19	48	52	57	59	56	54	50	48	44	42	13	11	9	19	19	22	24	4		4	6
20	46	50	55	57	54	52	48	46	42	40	15	13	11	21	21	24	26	6	4		3
21	43	47	52	54	51	49	45	43	39	37	16	14	12	22	22	26	28	8	6	3

Далее считается сумма расстояний от каждого узла к другим узлам, путем сложения всех значений матрицы по столбцам.

Таблица 2.

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21
681	701	738	765	711	692	645	649	610	603	662	704	726	682	637	636	624	651	641	634	617

После этого определяется минимальная сумма. В данном случае это 10-й столбец, значение которого равно 603. Следовательно, он и является центром сети и там будет раполагаться концентратор.

3.6 Протоколы и стандарты

Все компьютеры входящие в сеть должны взаимодействовать между собой. Формализованные правила, определяющих последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты, лежащие на одном уровне, но в разных узлах, называются протоколом. Таким образом, протоколом называется набор семантических и синтаксических правил, определяющий поведение функциональных блоков сети при передаче данных. Протоколы определяют правила коммуникаций. Они позволяют соединить компьютеры в слаженно функционирующую коммуникационную систему.

Спецификации протоколов описывают как строить сети. Они детализируют порядок, в котором компьютерным устройствам позволяется использовать среду передачи, размеры порций (пакетов) информации, передаваемых между узлами, а также много других вопросов. Производитель сетевого оборудования готовит свою собственную реализацию протокольной спецификации. Каждая реализация немного отличается от других.

Протоколы, которые получили широкую поддержку при их длительной эксплуатации, становятся стандартами. Протоколы могут стать стандартами как результат их замечательных характеристик или попросту вследствие поддержки многими независимыми поставщиками.

Например, стандарт X.25 предназначен для сетей с коммутацией пакетов, охватывает три нижних уровня модели ВОС. Основная специфика Х.25 определяется сетевым протоколом. Протокол сетевого уровня имеет обозначение X.25 Packet-Level Protocol (Протокол пакетного уровня X.25). Уровень 3 протокола Х.25 устанавливает формат пакета и способы организации запросов на соединения. Для физического уровня используется протокол Х.21 bis, который примерно эквивалентен RS-232С (RS-422, RS-423 и т.д.).

Для канального уровня Х.25 используются протоколы управления каналом связи высокого уровня HDLC (LAPB и IEEE802.2). МККТТ (CCITT) модифицировал HDLC с целью создания "Процедуры доступа к каналу" (LAP), а затем "Процедуры доступа к каналу, сбалансированной" (LAPB). Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE) модифицировал HDLC, чтобы разработать IEEE 802.2.

При организации взаимодействия узлов в локальных сетях основная роль отводится протоколу канального уровня. Несмотря на появление новых технологий, классические протоколы локальных сетей Ethernet и Token Ring будут повсеместно использоваться и далее. В связи с чем знание их деталей необходимо для успешного применения современной коммуникационной аппаратуры. Кроме того, некоторые современные высокопроизводительные технологии, такие как Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, в значительной степени сохраняют преемственность со своими предшественниками. Это еще раз подтверждает важность изучения классических протоколов локальных сетей, естественно, наряду с изучением новых технологий.