Основы организации сетей CISCO т.1 - Вито Амато

Как правило, микрочип содержит на четверти квадратного дюйма (1,6 см2) от трех до пяти

миллионов таких переключателей

Резюме

∙Электричество основано на способности электронов атомов определенных типов отделяться или течь за пределами этих атомов.

∙Противоположные заряды притягиваются, а одноименные — отталкиваются. В электрических цепях ток течет от отрицательного полюса к положительному.

∙В зависимости от способности допускать протекание электронов материалы могут подразделяться на изоляторы, проводники и полупроводники.

∙Понятия напряжения, тока, сопротивления и импеданса являются теми средствами измерения электричества, которые необходимы, чтобы иметь возможность проектировать и изготавливать электронные устройства.

∙Переменный и постоянный ток — это два типа электрического тока. Переменный ток используется для подачи электроэнергии в наши дома, школы и на рабочие места. Постоянный ток используется в устройствах, функционирование которых зависит от электрических батарей.

∙Электрическое заземление обеспечивает опорный уровень, относительно которого

измеряется напряжение Оно также используется в механизме защиты от опасных для жизни ударов электрического тока.

∙Все электронное оборудование состоит из электрических цепей, которые управляют потоком электронов посредством переключателей.

Приложение Е

Формирование сигналов и передача данных

Вприложении Д, "Основы электроники и сигналы", были изложены основополагающие физические принципы, управляющие взаимодействием компьютеров в сети. Физический уровень модели OSI представляет собой определенное окружение, в котором необходимое физическое явление подчиняется целям формирования сигналов. Формирование сигналов — это способы, с помощью которых становится возможной передача данных. Передача данных — это средства, с помощью которых сетевые устройства могут работать в рамках остальных уровней модели OSI.

Интересно понять, как работает подход на основе движения снизу вверх, который, собственно, и делает возможным мир сетевых взаимодействий. Все, что известно и делается в области организации работы компьютеров в сети, в конечном счете, зависит от основополагающих физических принципов электричества. И точно так же, как легче освоить принципы IP-адресации и назначения подсетей, если есть четкое представление о двоичных числах и соответствующих преобразованиях, значительно легче понять организацию взаимодействия в сети на физическом и канальном уровнях, если есть четкое представление о физике электричества.

Вданном приложении подробно объяснены различные концепции, связанные с формированием сигналов и передачей данных. Излагаемый материал завершается описанием формирования кадров из битов на физическом уровне модели OSI, чем и заканчивается рассмотрение физического уровня

вданной книге.

Сигналы и шумы в коммуникационных системах

Термином сигнал называют напряжение требуемой формы, картину распределения света или модулированную электромагнитную волну. Каждый из этих объектов может переносить данные в сети. Существуют два основных типа сигналов: аналоговые и цифровые. Рассмотрим специфические свойства каждого из этих типов сигналов.

Сравнение аналоговых и цифровых сигналов

Как уже говорилось, одним из типов сигналов являются аналоговые сигналы, которые имеют

следующие характеристики

∙Они волновые.

∙Непрерывно меняющийся график зависимости напряжения от времени.

∙Типичны в природе.

∙Широко использовались в телекоммуникациях более 100 лет.

На рис. ЕЛ показана синусоидальная волна, имеющая две важные характеристики: амплитуду (А), т.е. высота и глубина волны, и период (Т), т.е. продолжительность одного полного цикла (в нашем случае это временной параметр). Можно вычислить частоту волны (f), измеряемую количеством циклов в секунду, для чего необходимо воспользоваться формулой f = 1/Т.

Другой тип сигналов — цифровые. Эти сигналы обладают следующими характеристиками.

∙Дискретный (меняется скачкообразно) график зависимости напряжения от времени.

∙Типичность скорее для техногенных (вызванных человеком) явлений, чем для природных.

На рис. Е.2 показан цифровой сетевой сигнал. Он имеет фиксированную амплитуду, но его амплитуда, период и частота могут меняться. Цифровые сигналы можно приблизительно представить прямоугольными волнами (рис. Е.З) с мгновенными переходами от состояния с низким уровнем напряжения в состояние с высоким уровнем. Хотя это и приблизительное представление, оно вполне разумно и дальше часто используется.

∙Не непрерывные (дискретные) импульсы

∙Может иметь только один из двух уровней напряжения

∙Напряжение меняется скачком между уровнями

∙Состоит из множества определенных синусоидальных волн

Рис. Е.2. Пример цифрового сигнала

Представление одного бита в физической среде

Сети передачи данных стали все более зависимыми от цифровых (двоичных, с двумя устойчивыми состояниями). Основным строительным блоком информации является двоичная цифра, известная под названием бит, или импульс. Один бит в проводящей электричество среде представляет собой электрический сигнал, соответствующий двоичному 0 или двоичной 1. Это может быть реализовано просто как О вольт — для двоичного нуля и +5 вольт — для двоичной единицы (или может использоваться более сложное кодирование). Во всех сетевых средах, использующих для передачи сообщений напряжение, важной является концепция опорной земли сигналов.

Для правильного функционирования опорная земля сигналов должна располагаться как можно ближе к цифровым цепям компьютера. Инженеры добиваются этого, проектируя печатные платы, в которых формируются плоскости земли. В свою очередь, корпуса компьютеров используются в качестве общей точки соединения плоскостей земли печатных плат, чем и формируется опорная земля сигналов. На диаграммах, подобных приведенной на рис. Е.5, опорная земля сигналов определяет положение линии 0 вольт.

В случае применения оптических сигналов двоичный 0 обычно кодируется низким уровнем света или отсутствием света вообще (темнотой), а двоичная единица — светом с более высокой интенсивностью (яркостью). Могут использоваться и другие более сложные способы кодирования.

При беспроводной передаче сигналов двоичный 0 может представляться короткой пачкой электромагнитных волн, а двоичная 1 — более длинной пачкой электромагнитных волн или другой более сложной картиной распределения волн. Бит со значением 0 обычно изображается горизонтальной линией, идущей по оси времени (ось t) (на рис. Е.5 — это черная линия). Для показа бита со значением 1 также обычно используется линия, соответствующая уровню напряжения +5 В (верхняя горизонтальная линия на графике зависимости напряжения от времени слева).

На сигнал бита могут оказывать влияние шесть следующих факторов.

∙Распространение.

∙Аттенюация.

∙Отражение.

∙Шум.

∙Проблемы синхронизации.

∙ Конфликты.

Распространение

Под распространением понимают движение в среде. Когда плата сетевого интерфейса вводит в

физическую среду импульс напряжения или света, то этот прямоугольный импульс, состоящий из волн, начинает двигаться (распространяться) в среде. Распространение означает, что порция энергии, соответствующая биту со значением 1, движется из одного места в другое. Скорость, с которой происходит это движение, зависит от реального материала, используемого в среде, геометрии (структуры) среды и частоты импульсов. Время, которое занимает движение бита от одного конца среды до другого и назад, называется временем кругового обхода (round trip time, RTT). Если предположить, что отсутствуют другие задержки, то время движения бита до противоположного конца среды равно RTT/2 (рис. Е 6).

Тот факт, что бит перемещается с некоторой скоростью, не создает проблемы для сети. Сигналы двигаются настолько быстро, что для человека это иногда выглядит как мгновенная передача. Но в любом случае важно учитывать различные временные интервалы, связанные с распространением сигналов в сети.

Можно рассмотреть два крайних случая: либо время перемещения бита равно О, т.е. он перемещается мгновенно, либо он перемещается бесконечно долго. Согласно теории относительности Альберта Энштейна, первый случай не может соответствовать действительности, ибо никакая информация не может перемещаться со скоростью большей скорости света в вакууме. Это означает, что перемещение бита занимает по крайней мере некоторое, хотя и малое, время. Второй случай тоже не соответствует действительности, так как при правильном выборе оборудования всегда можно определить время прихода импульса. Незнание времени распространения представляет проблему, поскольку бит может приходить в некоторый пункт назначения либо слишком рано, либо слишком поздно.

Эта проблема решаема. Как уже говорилось, наличие времени распространения (см. рис Е.6) само по себе не создает каких-либо сложностей; это просто факт, который надо себе четко представлять. Если время распространения слишком велико, необходимо пересмотреть способ учета такой задержки в остальной части сети. Если задержка распространения слишком мала, то, возможно, биты надо замедлить или ввести их временное хранение (этот метод называется буферизацией), чтобы остальное сетевое оборудование успевало их улавливать.

Аттенюация

Аттенюацией называется потеря силы сигнала при его движении в физической среде, в частности, когда длина кабеля превышает максимально рекомендуемую величину. Это означает, что сигнал напряжения бита со значением 1 уменьшает свою амплитуду за счет передачи энергии от собственно сигнала кабелю (рис. Е.7). Хотя электрическая аттенюация может быть уменьшена благодаря тщательному подбору материалов (например, использование меди вместо углерода) и учету геометрии (формы и расположения проводов), все же из-за наличия электрического сопротивления некоторые потери неизбежны. Аттенюация имеет место и в случае оптических сигналов: оптическое волокно поглощает и рассеивает некоторую часть световой энергии по мере продвижения по нему импульса света, или бита со значением 1. Этот эффект может быть минимизирован путем подбора длины волны или цвета света. Он также зависит от того, используется ли одномодовое или многомодовое оптоволокно, и от типа конкретного стекла, применяемого для изготовления самого оптического волокна. Но даже при оптимальном выборе некоторые потери сигнала неизбежны.

Радиоволны и микроволны также подвержены аттенюации, поскольку они поглощаются и рассеиваются молекулами атмосферы.

Аттенюация может воздействовать на сеть, поскольку она ограничивает длину кабелей сети, по которым посылаются сообщения. Если кабель слишком длинен, то единичный бит, посланный отправителем, к моменту прихода получателю может выглядеть как бит со значением 0.

Эту проблему можно решить путем выбора соответствующей среды передачи данных для конкретного сценария проектирования. Другой путь решения проблемы заключается в использовании повторителей, если требуемая длина кабеля превышает имеющиеся ограничения на его максимальную протяженность. Существуют повторители для электрических, оптических и радиоканалов передачи битов.

Отражение

Чтобы понять, что такое отражение, представим, что у вас в руках есть резинка или скакалка, другой конец которой держит натянутым ваш друг. Теперь представим, что вы посылаете своему другу импульс или сообщение в виде единичного бита. Если наблюдать внимательно, то можно увидеть небольшую волну (импульс), которая возвращается (отражается) к вам назад.

Отражение имеет место и в электрических сигналах. Если импульсы напряжения или биты сталкиваются с неоднородностью, то некоторая часть энергии может быть отражена. Это может произойти в месте соединения различных или даже одинаковых

материалов. Если эту энергию тщательно не контролировать, она может повредить другие биты. Необходимо помнить, что хотя сейчас мы рассматриваем случай передачи одного бита, в реальных сетях каждую секунду посылаются миллионы или даже миллиарды бит в секунду, что требует отслеживания этой энергии отраженных импульсов. В зависимости от качества кабельной системы и соединений отражения могут быть или не быть проблемой. Комплексная электрическая характеристика, которая связана с сопротивлением (противодействием потоку электронов) и реактивностью (противодействием изменению напряжения и тока), и называется импедансом.

Оптические сигналы отражаются там, где они наталкиваются на неоднородность в оптическом волокне, например в том месте, где разъем вставляется в устройство. Этот эффект можно наблюдать ночью, когда вы выглядываете в окно. Вам видно ваше отражение в окне, хотя оно и не является зеркалом. Некоторая часть света, отражаемая вашим телом, отражается окном. То же самое происходит с радио- и микроволнами, когда они сталкиваются с различными слоями атмосферы.

Подобное явление может стать причиной проблем в сети (рис. Е.8). Для оптимальной производительности сети важно, чтобы ее среда передачи данных имела конкретное значение импеданса, чтобы согласовываться по этому параметру с электрическими компонентами платы сетевого интерфейса. Если среда не имеет нужного импеданса, то сигналы подвержены отражению и возникает интерференция. Кроме того, может иметь место несколько отраженных импульсов. Независимо от того, является ли система электрической, оптической или беспроводной, рассогласование импедансов вызывает отражения. Если количество отражаемой энергии достаточно велико, то двоичная система с двумя устойчивыми состояниями может запутаться во всей этой рикошетирующей туда-сюда энергии. Решение этой проблемы состоит в обеспечении точного согласования импедансов всех элементов сети. Множество технологий позволяют избежать рассогласования импедансов.

Шум

Шумом в процессе обмена данными называется нежелательное суммирование с сигналом в виде напряжения, оптическим или электромагнитным сигналом дополнительных сигналов. Другими словами, каждый бит получает дополнительные нежелательные сигналы от различных источников. Слишком высокий уровень шума может разрушить сигнал бита со значением 1, превратив его в двоичный 0 и, таким образом, уничтожив сообщение, состоящее из одного бита с единичным значением. Или из-за шума сообщение в виде бита со значением 0 может быть ошибочно принято за сообщение, содержащее бит со значением 1. Не бывает электрических сигналов без шума, однако величину отношения сигнал/шум необходимо поддерживать как можно более высокой. На рис. Е.9 показаны пять источников шума, которые могут оказывать влияние на бит в проводе.

Приконцевые перекрестные помехи (NEXT)

Если электрический шум в кабеле возникает от сигналов в соседних проводах кабеля, то такой шум называют перекрестными помехами. Аббревиатура NEXT (near-end crosstalk) обозначает приконцевые перекрестные помехи. Если два провода кабеля находятся рядом друг с другом и не свиты, то энергия из одного провода может наводить сигнал в другом. Это вызывает шум на обоих концах заделываемого в разъем кабеля. Существует много видов перекрестных помех, которые следует принимать во внимание при создании сетей.

С приконцевыми перекрестными помехами можно справиться с помощью технологии заделки, строгого следования стандартным процедурам заделки и использования качественных кабелей типа "витая пара".

Тепловой шум

Тепловой шум представляет собой случайное движение электронов, вызываемое температурными флуктуациями в среде, и обычно оказывает относительно небольшое влияние на сигналы. С тепловым шумом поделать ничего нельзя. Можно только обеспечить сигналам достаточную амплитуду, чтобы влияние теплового шума оставалось незаметным.

Сетевой шум и шум опорной земли

Сетевой шум и шум опорной земли представляют серьезную проблему при организации взаимодействия в сети. Сетевой шум является источником проблем в домах, школах и офисах. Электроэнергия подводится к бытовым электроприборам и машинам по проводам, спрятанным в стенах, полу и потолках. Следовательно, внутри зданий шум от силовой электропроводки — повсюду. Если не принять соответствующих мер, то этот шум может быть причиной проблем в сети.

В идеале опорная земля сигналов должна быть полностью изолированной от заземления.

Такая изоляция будет удерживать попадание утечек электропитания и всплесков напряжения на опорную землю сигналов. Но проблема в том, что шасси (корпус) вычислительного устройства играет роль как опорной земли сигналов, так и земли линий силового электропитания Поскольку существует связь между опорной землей сигналов и землей электропитания, то проблемы с землей электропитания могут привести к помехам в системе обработки данных.

Такие помехи могут быть трудно обнаруживаемыми и плохо поддающимися прослеживанию. Обычно проблемы возникают из-за того, что служба главного энергетика и монтажники не заботятся о длине проводов нейтрали и земли, подходящих к каждой розетке электропитания. К сожалению, если эти провода длинны, то они могут действовать для электрического шума в качестве антенны. Этот шум накладывается на цифровые сигналы (биты), которые компьютеры должны иметь возможность распознавать и обрабатывать.

Шума, поступающего от стоящего рядом видеомонитора или привода накопителя на жестких дисках, может оказаться достаточно, чтобы привести к возникновению ошибок в компьютерной системе. Происходит это из-за того, что он взаимодействует с полезными сигналами (изменяя форму и уровень напряжения), не давая компьютеру идентифицировать передние и задние фронты прямоугольной волны. Эта проблема может усугубляться еще больше, если компьютер имеет плохое заземление.