Основы организации сетей CISCO т.1 - Вито Амато
.pdfЧтобы избежать возникновения проблем из-за описанных выше шумов электропитания и опорной земли, важно работать в тесном сотрудничестве со службой главного энергетика и энергокомпаниями. Это позволит иметь высококачественный и самый короткий контур электрического заземления. Один из способов добиться этого состот в том, чтобы определить стоимость получения отдельного силового трансформатора, выделенного под область установки локальной сети. Если такой вариант приемлем, то можно контролировать подключение к вашей электросети других устройств. Накладывая ограничение на то, как и где подключаются такие устройства, как моторы и сильноточные электрические нагреватели, можно во многом исключить влияние генерируемого ими электрического шума.
В службе главного энергетика можно попросить об установке отдельных силовых распределительных панелей для каждого офиса. Эти панели известны под названием щитов пакетных выключателей. Так как провода нейтрали и заземления от каждой розетки сходятся вместе в щите пакетных выключателей, такой шаг увеличивает шансы на укорочение длины земли сигналов. Хотя установка отдельных силовых распределительных панелей для каждого
кластера компьютеров увеличивает предварительные расходы на прокладку электросетевой разводки, это уменьшает длину проводов заземления и ограничивает влияние некоторых типов шумов, маскирующих электрические сигналы.
Электромагнитные и радиочастотные помехи
Внешние источники электрических импульсов, способных атаковать качество электрических сигналов в кабеле, включают молнии, электрические моторы и радиосистемы. Такие типы помех называются электромагнитными и радиочастотными помехами. Каждый провод в кабеле может действовать в качестве антенны Когда такое происходит, провод
фактически поглощает электрические сигналы от других проводов кабеля и от внешних электрических источников. Если возникающий в результате электрический шум достигает достаточно высокого уровня, то для платы сетевого интерфейса становится сложным отделять шум от сигналов данных. Проблема еще и в том, что в большинстве локальных сетей используются частоты, лежащие в диапазоне от 1 до 100 МГц, а так получается, что именно в этом диапазоне лежат сигналы ЧМ-радио и телевизионные сигналы. Кроме того, в этом же диапазоне лежат рабочие частоты многих бытовых приборов.
Чтобы понять, как электрический шум, независимо от типа источника, воздействует на цифровые сигналы, представим, что по сети необходимо переслать данные, представляемые двоичным числом 1011001001101. Компьютер преобразовывает двоичное число в цифровой сигнал. На рис. ЕЛО показано, как выглядит цифровой сигнал для числа 1011001001101. Цифровой сигнал начинает двигаться по среде к пункту назначения. Как оказалось, получатель стоит рядом с розеткой электропитания, которая имеет длинные провода как нейтрали, так и заземления. Эти провода действуют для электрического шума как антенны. На рис. ЕЛО также показано, как выглядит электрический шум. Поскольку шасси компьютера получателя используется и как заземление, и как опорная земля сигналов, то сгенерированный шум накладывается на цифровой сигнал, который принимает компьютер. Внизу на рис. ЕЛО показано, что происходит с сигналом, когда он складывается с этим электрическим шумом. В результате вместо считывания сигнала как число 1011001001101 компьютер читает его как 1011000101101, делая данные ненадежными (поврежденными).
Существует много способов ограничения электромагнитных и радиочастотных помех. Одним из них является увеличение диаметра проводников. Другой путь заключается в улучшении типа используемого изолирующего материала. Однако такие изменения увеличивают диаметр и стоимость кабеля быстрее, чем они улучшают его качество.
Поэтому для проектировщиков сетей более типична закладка в проект кабеля хорошего качества и задание требований на максимально рекомендуемую длину кабеля между узлами.
Для нейтрализации электромагнитных и радиочастотных помех разработчики кабелей успешно используют два метода: экранирование и подавление. В кабеле, использующем метод экранирования, каждую пару проводов или группу пар проводов окружает металлическая оплетка или фольга. Подобный экран выступает в качестве барьера для любых сигналов помех.
Однако увеличение диаметра проводника и использование покрывала из оплетки или фольги увеличивает диаметр кабеля и его стоимость. Поэтому для защиты провода от нежелательных помех чаще используется метод подавления.
Когда электрический ток течет по проводнику, он создает вокруг проводника слабое круговое магнитное поле (рис. Е.11). Направление силовых магнитных линий определяется направлением тока, протекающего по проводнику. Если два провода являются частью одной и той же электрической цепи, то электроны от отрицательного полюса источника напряжения текут к пункту назначения по одному проводу. Затем электроны текут от пункта назначения к положительному полюсу источника напряжения по другому проводу. Теперь, если два этих провода электрической цепи разместить близко друг к другу, то их магнитные поля будут точно противоположны друг другу. Таким образом, два магнитных поля подавят одно другое. Более того, они также будут подавлять и некоторые внешние магнитные поля. Свивка проводов может еще усилить этот эффект. Используя метод подавления совместно с перевивкой проводов, разработчики кабелей могут обеспечить эффективный способ самоэкранирования пар проводов среды передачи данных в сети.
Дисперсия, неустойчивая синхронизация и запаздывание (проблемы синхронизации)
Хотя дисперсия, неустойчивая синхронизация и запаздывание фактически представляют собой три разные проблемы, которые могут произойти с битом, они сгруппированы вместе, поскольку каждая из них оказывает влияние на одно и то же — на временную синхронизацию бита. Так как мы здесь пытаемся разобраться в том, какие проблемы могут иметь место, когда в среде передачи данных путешествуют миллионы и миллиарды битов в секунду, то синхронизация играет весьма существенную роль.
Дисперсией называется явление расширения сигнала во времени (рис. ЕЛ 2). Степень дисперсии зависит от типа среды передачи данных. Если она достаточно серьезна, то один бит может начать накладываться на следующий бит, затрудняя определение, где заканчивается один бит и начинается другой. Поскольку надо посылать миллионы или миллиарды бит в секунду, необходимо быть особенно внимательным, чтобы не допустить расширение сигналов. Дисперсия может быть минимизирована за счет соответствующего проектирования кабеля, ограничения его длины и нахождения подходящего значения импеданса. В оптическом волокне дисперсией можно управлять путем использования света лазера с точно заданной длиной волны. При беспроводной связи дисперсию можно минимизировать выбором частот, используемых для передачи.
Все цифровые системы тактируются. Это означает, что тактовые импульсы управляют работой электроники. Именно тактовые импульсы заставляют центральный процессор вычислять, данные — записываться в память и плату сетевого интерфейса — посылать биты. Если генератор тактовых импульсов на машине-отправителе не синхронизирован с машиной- получателем, то в результате получаем неустойчивую синхронизацию. Это означает, что биты прибывают немного раньше или немного позже, чем ожидается. Справиться с неустойчивой
синхронизацией можно с помощью ряда сложных механизмов синхронизации тактовых импульсов, включая аппаратную и программную или протокольную синхронизации.
Запаздывание, известное и под названием задержка, вызывается двумя основными причинами. Во-первых, согласно теории относительности Эйнштейна, ничто не может перемещаться быстрее скорости света в вакууме (3,0 х 108 м/с). Сигналы в беспроводной сети двигаются со скоростью, несколько меньшей скорости света (2,9 х 108 м/с). В медных проводах они двигаются со скоростью 2,3 х 108 м/с, а в оптоволоконных — 2,0 х 108 м/с. Так что для прохода расстояния до пункта назначения бит затрачивает какое-то, пусть небольшое, время. Во-вторых, если бит проходит через какие-нибудь устройства, то транзисторы и другая электроника вносят дополнительное запаздывание. Некоторые
решения вопроса запаздывания заключаются во внимательном пользовании устройствами межсетевого взаимодействия, в применении различных стратегий кодирования и в реализации подходящих протоколов на каждом уровне модели OSI.
Современные сети обычно работают на скоростях от 1 до 155 Мбит/с или больше. Вскоре они будут работать со скоростью 1 Гбит/с или 1 миллиард бит в секунду. Если в результате дисперсии биты расширяются, то тогда единицы могут приниматься за нули, нули — за единицы. Если группы битов маршрутизируются по-разному и синхронизации не уделяется должного внимания, то неустойчивость синхронизации может привести к ошибкам в принимающем компьютере, который пытается собрать пакеты в сообщение. Если группы битов задерживаются, то промежуточные сетевые устройства и компьютеры в пунктах назначения могут оказаться безнадежно забитыми миллиардом бит в секунду.
Конфликты
Конфликт имеет место в том случае, если два бита от двух различных обменивающихся данными компьютеров одновременно распространяются в коллективно пользуемой среде. В случае применения среды коллективного использования, напряжения двух двоичных сигналов складываются, что приводит к появлению третьего уровня напряжения. В двоичной системе такая вариация напряжения недопустима, так как они понимают только два уровня напряжений. Биты уничтожаются. На рис. Е.13 проиллюстрирована ситуация конфликта.
Некоторые технологии, например Ethernet, предусматривают наличие механизма пе- реговоров между хост-машинами, пытающимися обменяться данными, о том, чья очередь передавать в среду коллективного пользования. В некоторых случаях конфликты являются естественной частью функционирования сети. Однако чрезмерное количество конфликтов может замедлить или даже остановить работу сети. Поэтому при проектировании сетей большой кусок работы связан с минимизацией и локализацией конфликтов.
С конфликтами можно справляться многими способами. Один из способов заключается в их обнаружении и установлении набора правил их обработки в случае возникновения. Такой подход реализован в сетях Ethernet. Другой метод заключается в том, чтобы попытаться не допустить конфликты, разрешая передавать в среду коллективного пользования одновременно только одному компьютеру. Для этого вводится требование, чтобы компьютер захватывал специальную комбинацию битов, называемую меткой, которая разрешает начало передачи. Такая технология используется в сетях Token Ring и FDDI.
Сообщения в терминах битов
Теперь мы знаем, что в среде передачи данных на бит могут оказывать воздействие атгенюация, отражение, шум, дисперсия и конфликты. Конечно, в действительности передается не один бит, а значительно больше. Фактически передаются миллиарды бит в секунду. Все описанные ранее эффекты, которые могут иметь место для одного бита, косвенным образом работают и в отношении различных блоков данных протоколов в модели OSI: 8 бит эквивалентны 1 байту, несколько байт составляют один кадр (рис. Е.14), кадры содержат пакеты, а пакеты — сегменты. Сегменты несут сообщение, которое вы хотите передать. Это приводит нас к полному циклу назад по уровням модели OSI, обслуживаемым физическим уровнем: канальному, сетевому, транспортному, сеансовому, уровню представлений и уровню приложений.
Кодирование сетевых сигналов
Если вы хотите послать сообщение на большое расстояние, то необходимо решить две проблемы: как выразить сообщение (кодирование или модуляция) и какой метод использовать для его транспортировки (несущая).
История знает множество способов решения про- блемы связи на большие расстояния: скороходы, на- ездники, лошади, оптические телескопы, почтовые голуби и сигнальные дымы (рис. Е.15). Каждый ме-
тод доставки требует кодирования в той или иной форме. Например, сигнальные дымы, сообщающие о том, что только что были обнаружены богатые охот- ничьи угодья, могут представлять собой три коротких клуба дыма, а переносимые почтовыми голубями со- общения, что кто-то благополучно добрался до места, могут иметь вид улыбающегося лица.
Кодирование представляет собой процесс преобразования двоичных данных в форму, которая может перемещаться по физической линии связи. Модуляция означает использование двоичных данных для манипулирования волной. Компьютеры используют три технологии,
каждая из которых имеет свой аналог в истории. Эти технологии включают: кодирование сообщений
напряжениями в медных проводах различных форм, кодирование сообщений импульсами
управляемого света в оптическом волокне и кодирование сообщений с помощью модулированных излучаемых электромагнитных волн.
Создание азбуки Морзе стало революцией в средствах связи. Всего два символа, точка и тире, позволяют закодировать весь алфавит. Например, символы ...---... означают SOS — международный сигнал бедствия. Современные телефоны, факсы, AM, ЧМ и коротковолновые радиопередатчики, а также телевидение — все они кодируют свои сигналы электронным образом, обычно с использованием модуляции различных волн из различных участков электромагнитного спектра.
Кодирование и модуляция
В процессе кодирования единицы и нули преобразуются в нечто реальное и физическое, например:
∙электрический импульс в проводе;
∙импульс света в оптическом волокне;
∙импульс электромагнитных волн в пространстве.
Для выполнения кодирования существуют два метода: кодирование без возврата к нулю и манчестерское кодирование (рис. Е.17).
Кодирование по методу без возврата к нулю является самым простым и характеризуется наличием высокого и низкого сигналов (часто это +5 В или +3,3 В — для двоичной 1 и О В — для двоичного 0). В оптическом волокне двоичная 1 может представляться ярким светом СИДа или лазера, а двоичный 0 — темнотой или отсутствием света. В беспроводных сетях двоичная 1 может означать наличие несущей, а двоичный О — ее отсутствие.
Манчестерское кодирование более сложное, но и более устойчивое к шуму и лучше держит
синхронизацию При использовании манчестерского кодирования напряжение в медном проводе, яркость СИДа или лазера в оптическом волокне или мощность электромагнитной волны содержат биты, закодированные переходами. В частности, при манчестерском кодировании переходы сигнала от низкого уровня к высокому означают двоичную 1, а переходы от высокого уровня к низкому — двоичный 0.
Тесно связан с кодированием процесс модуляции, когда волна изменяется (модулируется) таким образом, что начинает нести информацию. Чтобы иметь представление о том, что такое модуляция, рассмотрим следующие три формы модификации или модулирования несущей с целью кодирования битов.
∙AM (амплитудная модуляция) — для переноса сообщения изменяется амплитуда несущей синусоидальной волны.
∙ЧМ (частотная модуляция) — для переноса сообщения изменяется частота несущей волны.
∙ ФМ (фазовая модуляция) — для переноса сообщения изменяется фаза(начальные и конечные точки цикла) несущей волны.
Существуют и другие более сложные формы модуляции. На рис. Е.18 показаны три способа кодирования двоичных данных в несущей волне с помощью процесса модулирования. Двоичное число 11 (читается как "один, один", а не как "одиннадцать"!) может переноситься волной с использованием AM (волна есть или волны нет), ЧМ (волна резко увеличивает количество колебаний при передаче единиц и совсем чуть-чуть при передаче нулей) или ФМ (один тип изменения фазы для нулей и другой для единиц).
Сообщения могут кодироваться разными способами.
∙Уровнем напряжения в медном проводе; в сетях, основанных на медных проводниках, популярны манчестерское кодирование и без возврата к нулю.
∙Управляемым светом; в оптоволоконных сетях популярны манчестерское кодирование и кодирование по методу 4В/5В
∙Излучаемыми электромагнитными волнами; в беспроводных сетях используются разнообразные схемы кодирования (вариации AM, ЧМ и ФМ).
Резюме
∙Компьютер преобразовывает двоичные числа в цифровые сигналы.
∙Когда подключенный к сети компьютер принимает данные в виде цифровых сигналов, он
распознает данные путем измерения и сравнения напряжения сигналов относительно определенной точки отсчета, называемой опорной землей сигналов.
∙В идеале опорная земля сигналов должна быть полностью изолирована от электрического заземления. Такое изолирование не допустит попадание на опорную землю сигналов утечек
цепей питания переменного тока и выбросов напряжения
∙Если не принимать соответствующих мер, то шум от разводки электропитания может представлять серьезную проблему для сети.
∙Существуют пять типов шумов: приконцевые перекрестные помехи, тепловой шум, шум электросети или опорной земли и электромагнитные/радиочастотные помехи.
∙Проблемы синхронизации включают дисперсию, неустойчивость синхронизации и запаздывание.
∙Конфликты возникают в том случае, когда два бита от двух различных компьютеров, участвующих в обмене данными, одновременно распространяются в среде коллективного пользования.
∙Существуют два основных метода кодирования битов: без возврата к нулю и манчестерское.
∙Существуют три основных типа модуляции несущей: амплитудная, частотная и фазовая.