11.3 Сетевые компоненты

Сетевые кабели

На сегодня подавляющая часть компьютерных сетей использует для соединения кабели. Это среда передачи сигналов между компь­ютерами.

В большинстве сетей применяются три основные группы кабелей:

• коаксиальный кабель;

• витая пара (twisted pair), неэкранированная (unshielded) и эк­ранированная (shielded);

• оптоволоконный кабель.

Коаксиальный кабель до недавнего времени был самым распро­страненным. Недорогой, легкий, гибкий, удобный, безопасный и простой в установке.

Существует два типа коаксиальных кабелей: тонкий (специфи­кация 10Base2) и толстый (спецификация 10Base5).

Тонкий - гибкий, диаметр 0,64 см (0,25"). Прост в применении и подходит практически для любого типа сети. Подключается непо­средственно к плате сетевого адаптера. Передает сигнал на 185 м практически без затухания. Волновое сопротивление — 50 ом.

Толстый — жесткий, диаметр 1,27 см (0,5"). Его иногда называ­ют стандартный Ethernet (первый кабель в популярной сетевой ар­хитектуре). Жила толще, затухание меньше. Передает сигнал без за­тухания на 500 м. Используют в качестве магистрали, соединяющей несколько небольших сетей. Волновое сопротивление - 75 ом.

Для подключения к толстому коаксиальному кабелю применя­ется специальное устройство - трансивер (transceiver - приемопере­датчик). Он снабжен коннектором, который называется вампир или пронзающий ответвитель. К сетевой плате трансивер подключается с помощью кабеля с разъемом. Для подключения тонкого коаксиаль­ного кабеля используются BNC-коннекторы (British Naval Connector). Применяются BNC-T-коннекторы для соединения сетевого кабеля с сетевой платой компьютера, BNC—баррел-коннекторы для сращи­вания двух отрезков кабеля, BNC-терминаторы для поглощения сиг­налов на обоих концах кабеля в сетях с топологией шина.

Витая пара — это два перевитых изолированных медных прово­да. Несколько витых пар проводов часто помещают в одну защит­ную оболочку. Переплетение проводов позволяет избавиться от элек­трических помех, наводимых соседними проводами и другими внешними источниками, например двигателями, трансформаторами, мощными реле.

Неэкранированная витая пара (UTP) широко используется в ЛВС, максимальная длина 100 м. UTP определена особым стандартом, в котором указаны нормативные характеристики кабелей для различ­ных применений, что гарантирует единообразие продукции.

Экранированная витая пара (STP) помещена в медную оплетку. Кроме того, пары проводов обмотаны фольгой. Поэтому STP мень­ше подвержены влиянию электрических помех и может передавать сигналы с более высокой скоростью и на большие расстояния.

Преимущества витой пары — дешевизна, простота при подклю­чении. Недостатки — нельзя использовать при передаче данных на большие расстояния с высокой скоростью.

В оптоволоконном кабеле цифровые данные распространяются по оптическим волокнам в виде модулированных световых импульсов. Это надежный способ передачи, так как электрические сигналы при этом не передаются. Следовательно, оптоволоконный кабель нельзя вскрыть и перехватить данные.

Оптоволоконные линии предназначены для перемещения боль­ших объемов данных на очень высоких скоростях, так как сигнал в них практически не затухает и не искажается. Оптоволокно переда­ет сигналы только в одном направлении, поэтому кабель состоит из двух волокон с отдельными коннекторами: одно — для передачи, дру­гое — для приема.

Скорость передачи данных в настоящее время составляет от 100 Мбит/с. Между тем, получает все большее распространение ско­рость 1 Гбит/с, теоретически — до 200 Гбит/с. Расстояние - многие километры. Кабель не подвержен электрическим помехам. Суще­ственным недостатком этой технологии является дороговизна и слож­ность в установке и подключении.

Типичная оптическая сеть состоит из лазерного передатчика све­та, мультиплексора/демультиплексора для объединения оптических сигналов с разными длинами волн, усилителей оптических сигналов, демультиплексоров и приемников, преобразующих оптический сиг­нал обратно в электрический. Все эти компоненты обычно собира­ются вручную.

Для передачи по кабелю кодированных сигналов используют две технологии — немодулированную и модулированную передачу.

Немодулированные системы передают данные в виде цифровых сигналов, которые представляют собой дискретные электрические или световые импульсы. При таком способе цифровой сигнал ис­пользует всю полосу пропускания кабеля (полоса пропускания — раз­ница между максимальной и минимальной частотой, которую мож­но передать по кабелю). Устройство в сетях с немодулированной передачей посылает данные в обоих направлениях. Для того, чтобы избежать затухания и искажения сигнала в немодулированных сис­темах, используют репитеры, которые усиливают и ретранслируют сигнал.

Модулированные системы передают данные в виде аналогового сигнала (электрического или светового), занимающего некоторую полосу частот. Если полосы пропускания достаточно, то один кабель могут одновременно использовать несколько систем (например, транслировать передачи кабельного телевидения и передавать дан­ные). Каждой передающей системе выделяется часть полосы пропус­кания. Для восстановления сигнала в модулированных системах ис­пользуют усилители. В модулированной системе устройства имеют раздельные тракты для приема и передачи сигнала, так как передача идет в одном направлении. Чтобы устройства могли и передавать, и принимать данные, используют разбиение полосы пропускания на два канала, которые работают с разными частотами для передачи и приема, или прокладку двух кабелей — для передачи и приема.

Беспроводная среда

История беспроводных технологий передачи информации началась в конце XIX века с передачей первого радиосигнала и появлением в 20-х годах ХХ века первых радиоприемников с амплитудной модуляцией. В 1930-е годы появилось радио с частотной модуляцией и телевидение. В 1970-е годы были созданы первые беспроводные телефонные системы. Сначала это были аналоговые сети, в начале 1980-х появился стандарт GSM, ознаменовавший начало перехода на цифровые стандарты как обеспечивающие лучшее распределение спектра, лучшее качество сигнала и большую безопасность. С 90-x годов ХХ века происходит укрепление позиций беспроводных сетей. Беспроводные технологии прочно входят в нашу жизнь. Развиваясь с огромной скоростью, они стимулируют создание новых устройств и услуг.

Обилие новых беспроводных технологий, таких как CDMA (Code Division Multiple Access - технология с кодовым разделением каналов), GSM (Global System for Mobile Communications - глобальная система для мобильных коммуникаций), TDMA (Time Division Multiple Access - множественный доступ с разделением во времени), 802.11, WAP (Wireless Application Protocol - протокол беспроводных технологий), 3G (третье поколение), GPRS (General Packet Radio Service - услуга пакетной передачи данных), Bluetooth ("голубой зуб", по имени Харальда Голубого Зуба - предводителя викингов, жившего в Х веке), EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution - увеличенная скорость передачи данных для GSM), i-mode, говорит о том, что в этой области грядет революция.

Весьма перспективно и развитие беспроводных локальных сетей (WLAN), Bluetooth (сети средних и коротких расстояний). Беспроводные сети развертываются в аэропортах, университетах, отелях, ресторанах, на предприятиях. Точкой отсчета в области разработки стандартов беспроводных сетей является образование всемирной организацией IEEE (Институт инженеров по электричеству и электронике) комитета 802.11 в 1990 году. Значительный импульс развитию беспроводных технологий дала Всемирная Паутина и идея работы в Сети при помощи беспроводных устройств. В конце 90-х годов пользователям была предложена WAP-услуга, сначала не вызвавшая большого интереса. Это были основные информационные услуги - новости, погода, всевозможные расписания и т. п. Также поначалу не пользовались спросом и Bluetooth, и WLAN - в основном из-за высокой стоимости этих средств связи. Однако по мере снижения цен рос и интерес населения. К середине первого десятилетия XXI века счет пользователей беспроводного Internet-сервиса пошел на десятки миллионов. С появлением беспроводной Internet-связи на первый план вышли вопросы обеспечения безопасности. Основные угрозы при использовании беспроводных сетей - это перехват сообщений спецслужб, коммерческих предприятий и частных лиц, перехват номеров кредитных карточек, кража оплаченного времени соединения, вмешательство в работу коммуникационных центров. Эти проблемы решаются по мере совершенствования стандартов связи.

Существенной для развития беспроводных технологий является и возможность их применения домашними пользователями. Чем больше устройств в домашней сети, тем сильнее загромождают дом соединяющие их провода. А это уже повод для перехода на беспроводные технологии. Повышение степени комфортности современного дома, объединение в одно целое всех его структур и объектов (компьютера, телевизора, цифровой фотокамеры, домашнего развлекательного центра, системы охраны, климатической системы, бытовой техники и т. д.) - основа идеи создания интеллектуального цифрового дома, которая также реализуется с помощью беспроводных устройств.

Платы сетевого адаптера

Платы сетевого адаптера (СА) выступают в качестве физичес­кого интерфейса, или соединения, между компьютером и сетевым кабелем. Платы вставляются в слоты расширения материнской пла­ты всех сетевых компьютеров и серверов или интегрируются на ма­теринскую плату. Для обеспечения физического соединения между компьютером и сетью к разъему платы подключается сетевой кабель.

Сетевой адаптер выполняет:

• подготовку данных, поступающих от компьютера, к передаче по сетевому кабелю;

• передачу данных другому компьютеру;

• управление потоком данных между компьютером и кабельной системой;

• прием данных из кабеля и перевод их в форму, понятную ЦП компьютера.

Плата СА должна также указать свое местонахождение или се­тевой адрес, чтобы ее могли отличить от других плат сети. Сетевые адреса определены комитетом IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc.), который закрепляет за каждым произво­дителем плат сетевого адаптера некоторый интервал адресов. Про­изводители зашивают эти адреса в микросхемы, поэтому каждый компьютер имеет свой уникальный номер, т.е. адрес в сети.

Перед тем, как послать данные по сети, плата СА проводит элек­тронный диалог с принимающей платой, в результате которого они устанавливают:

• максимальный размер блока передаваемых данных;

• объем данных, пересылаемых без подтверждения о получении;

• интервал между передачами блоков данных;

• интервал, в течение которого необходимо послать подтверждение;

• объем данных, который может принять плата без переполнения буфера;

• скорость передачи.

Если новая (более сложная и быстрая) плата взаимодействует с устаревшей (медленной) платой, то они должны найти общую для них обеих скорость передачи. Схемы современных плат позволяют им приспособиться к низкой скорости старых плат. Каждая плата оповещает другую о своих параметрах, принимая чужие параметры и подстраиваясь к ним. После определения всех деталей начинается обмен данными.

Для правильной работы платы должны быть корректно установ­лены следующие параметры:

• номер прерывания (IRQ — interrupt query);

• базовый адрес порта;

• I/O.Базовый адрес памяти;

• тип трансивера.

Для обеспечения совместимости компьютера и сети плата СА должна соответствовать внутренней структуре компьютера (архитек­туре шины данных) и иметь соответствующий соединитель, подхо­дящий к типу кабельной системы.

Например, плата, которая нормально работает в компьютере Apple Macintosh в сети с топологией шина, не будет работать в ком­пьютере IBM в сети с топологией кольцо. Сеть топологии кольцо требует плату, которая физически отличается от применяемой в сети топологии шина, к тому же Apple использует другой метод сетевого взаимодействия.