Контрольные вопросы

1. Понятие вычислительной сети.

2. Что такое архитектура компьютера?

3. Методы классификации компьютеров?

4. Классификация по уровню специализации? Классификация по размеру? Классификация по совместимости?

5. Разница между аналоговыми и цифровыми ЭВМ;

6. При решении каких задач аналоговые ЭВМ лучше?

7. Достоинства и недостатки АВМ.

8. Какие ЭВМ относятся к классу «мини», а какие к классу «микро» -ЭВМ?

9. Большие ЭВМ (Main Frame)? МиниЭВМ? МикроЭВМ?

10. Серверы.

11. Разница между процессорами CISC, RISC и MISC?

12. Виды неклассичесуих архитектур?

13. Что такое параллелизм в архитектуре ЭВМ?

14. Перечислить виды архитектур суперкомпьютеров;

15. Векторные и конвейерные архитектуры?

16. Что такое ассоциативный процессор и его отличие от фон-Неймановской адресации?

17. Персональные компьютеры?

18. Виды компьютерных сетей?

19. Чем ограничивается численность машин в одноранговой сети?

20. По каким четыремх сетевым характеристик чаще всего можно установить тип сети ?

21. Понятие топологии.

22. Клиент-серверная система и архитектура.NET ?

23. Понятие одноранговой сети;

24. В каких условиях можно установить одноранговую сеть?

25. Что должен знать каждый компьютер в одноранговой сети?

26. Почему в одноранговой сети не может быть много машин?

27. Сервер – устройство или программа ?

28. Достоинства и недостатки одноранговой и клиент-серверной сети?

29. Перечислить сетевые топологии.

30. Топология шина?

31. Топология звезда?

32. Топология кольцо?

33. В чем разница между понятием «физического» и «логического» колец Token Ring.

34. Коммутируемая топология?

35. Какие из сетевых топологий активны, и какие пассивны?

36. Топология звезда является активной или пассивной?

37. Виды смешенных топологий?

38. Иерархии?

39. Что такое диаметр сети?

40. Сотовые технологии?

41. Понятие «сегмента» и «магистрали»?

42. Функциональные области локальных сетей?

43. Виды магистралей?

ЛЕКЦИЯ 2

Физическая среда передачи

Сетевой кабель

На сегодняшний день подавляющее большинство компьютерных сетей использует для соединения про­вода или кабели. Они выступают в качестве среды передачи между ПК. В большинстве сетей применяются три основные группы кабелей:

-коаксиальный кабель;

-витая пара: экранированная – STP и неэкранированная (спецификация 10 BaseT) – UTP;

-оптоволоконный кабель.

Коаксиальные кабели

Самый простой коаксиальный кабель состоит из медной жилы, изоляции, ее окружающей, экрана в виде металлической оплетки и внешней оболочки. Существуют два типа коаксиальных кабелей – тонкий и толстый, отличающихся диаметром. Тонкий имеет диаметр около 0,5 см и способен пере­давать сигналы на расстояние до 185 м, а толстый при диаметре 1 см – до 500 м. Т. к. толстый коакси­альный кабель передает сигналы на большее расстояние, то он часто используется в качестве маги­стрального кабеля, соединяющего несколько небольших сетей, построенных на других кабелях. Для подключения к толстому коаксиальному кабелю применяют специальное устройство – транси­вер. Трансивер – интегральный компонент сетевого интерфейса, отвечающий как за передачу дан­ных по сети, так и за их прием. Трансивер подключается к толстому коаксиальному кабелю с по­мощью специального коннектора, называемого «зуб вампира». Этот «зуб» прокалывает изоляцию до проводящей жилы.

Для подключения тонкого кабеля применяются т. н. BNC-коннектор. Соответственно простой кон­нектор, для подсоединения конца кабеля к ПК, Т-коннектор, соединяющий кабель с сетевой пла­той ПК и баррел-коннектор для сращивания двух концов кабеля.

Существуют два класса коаксиальных кабелей – поливинилхлоридные и пленумные (применяемые для прокладки в области пленума). Пленум – это небольшое пространство под потолком, исполь­зуемое для вентиляции. По требованиям пожарной безопасности, проложенные здесь кабели должны иметь оболочку из огнеупорных материалов, выделяющих минимум дыма при горении.

Основное применение коаксиальный кабель находит в сетях с топологией «шина».

В настоящее время считается, что коаксиальный кабель устарел и в большинстве случаев его мо­жет заменить витая пара или оптоволоконный кабель. Новые стандарты на кабельные системы уже не всегда включают его в перечень типов кабелей.

Рис. 2.1 Сечение коаксиального кабеля

Рис. 2.2 Продольный разрез коаксиального кабеля

Витая пара

На сегодняшний день самый популярный тип сетевой среды – кабель «витая пара». Витая пара всех типов может передавать сигнал на расстояние до 100 м.

Витая пара – это два перевитых изолированных медных провода. В одной защитной оболочке может быть несколько витых пар. Кабели экранированной витой пары имеют медную оплетку. Кроме того, пары проводов STP обмотаны фольгой. Существуют несколько спе­цификаций, которые регулируют количество витков на единицу длины – в зависимости от назначения кабеля. Самой широко используемой разновидно­стью сетевых кабелей является неэкранированная витая пара (Unshielded Twister Pair – UTP). В зависимости от числа витков меняются электрические характеристики провода. Существуют кабели UTP с числом пар от 2 до 1000 и более. Обычно используют кабель с четырьмя витыми парами. Кабели с большим числом пар – для передачи речи. Стандарты на UTP включают 5 категорий:

Категория 1. Обычный телефонный кабель, по которому можно передавать только речь. Применяется только для телефонных сетей;

Категория 2. Кабель, способный передавать данные со скоростью до 4 Мбит/с. Состоит из четырех витых пар. Для телефонных сетей, а также для связи терминалов с мэйнфреймами IBM;

Категория 3. Кабель, способный передавать данные со скоростью до 10 Мбит/с. Состоит из четы­рех витых пар с 9 витками на метр. Используя две витые пары из четырех, поддерживает пропускную способность 10 Мбит/с, а на коротких отрезках – до 16 Мбит/с. При использовании всех четырех пар может поддерживать передачу со скоростью 10 Мбит/с. Однако при этом срок службы кабеля составляет всего 5-10 лет;

Категория 4. Кабель, способный передавать данные со скоростью до 16 Мбит/с. Состоит из четы­рех витых пар. Почти вышел из употребления, т. к. немногим лучше кабеля категории 3 и немногим дешевле кабеля категории 5;

Рис. 2.3 Кабель на основе витой пары

Категория 5. Кабель, способный передавать данные со скоростью до 100 Мбит/с. Состоит из че­тырех витых пар медного провода. В настоящее время является лучшим. Его стоимость составляет примерно 20 центов за метр. Используется в 80-95 % сетей. Обеспечивает более чем 15‑25‑летнюю эксплуатацию;

Категория 5-улучшенный. Новый стандарт, имеющий сопротивление 100 Ом и обеспечивающий передачу на скоростях свыше 100 Мбит/с;

Категория 6. Поддерживает передачу на скоростях до 250 Мбит/с;

Категория 7. Предназначен для передачи на скоростях до 600 Мбит/с.

Для подключения витой пары используются телефонные коннекторы RJ-45. Они похожи на обыч­ные телефонные коннекторы RJ-11, но в отличие от них имеют восемь контактов вместо четырех и больше по размерам. Неэкранированная витая пара особенно страдает от перекрестных помех, вы­званных сигналами в смежных проводах.

Оптоволоконный кабель

В оптоволоконном кабеле цифровые данные распространяются по оптическим волокнам в виде модулированных световых импульсов. Это относительно защищенный способ передачи, т. к. при этом передаются не элек­трические сигналы. Следовательно, оптоволоконный кабель нельзя вскрыть и перехватить данные, от чего не застрахован любой электрический кабель.

Оптоволоконный кабель предназначен для перемещения больших объемов данных на очень вы­соких скоростях (до 200 000 Мбит/с), т. к. сигнал в нем практически не искажается.

Оптоволоконный кабель – чрезвычайно тонкий стеклянный цилиндр, называемый жилой или сердечником, покрытый слоем стекла, называемого оболочкой, с иным, чем у жилы, коэффициентом преломления, подобранным так, что на границе происходит полное внутреннее отражение света. Диаметр сердечника – 8-10 мкм. Внешний диаметр всегда равен 125 мкм. Затем идет прозрачная по­лимерная оболочка диаметром 250 мкм, следом за ней – окрашенная полимерная оболочка диаметром 900 мкм. Иногда оптоволокно производят из пластика. Жесткость волокон увеличивается покры­тием из пластика, а прочность – волокнами из кевлара. Кевлар – материал, применяемый для из­готовления бронежилетов. В данном случае он предохраняет стекловолокно от растяжения. Оно гибкое, но легко рвется. К тому же, при прокладке стекловолокна важно избегать стыков, на кото­рых рассеивается свет и искажается сигнал. Кевларовые волокна располагаются между двумя кабе­лями, заключенными в пластик. Существуют две разновидности кабеля: одномодовый и многомодовый. О различиях между ними говорится ниже.

Устройство волоконно-оптического кабеля

Коаксиальный и волоконно-оптический кабели устроены почти одинаково. Сердечник последнего состоит из сплетения тонких стеклянных волокон и заключен в пластиковую оболочку (плакирование – cladding), отражающую свет обратно к сердечнику. Плакирование покрыто концентрическим защитным слоем пластика. Несколько волоконно-оптических кабелей объединяются в жгут и покрываются еще одним защитным слоем пластика. На рисунке 2.4 показано устройство волоконно-оптического кабеля.

Рис. 2.4 Волоконно-оптический кабель

Принцип передачи данных волоконно-оптическим кабелем

Как известно, все данные в компьютере представляются в виде нулей и единиц. Все стандартные кабели передают бинарные данные с помощью электрических импульсов. И только волоконно-оптический кабель, используя тот же принцип, передает данные с помощью световых импульсов. Источник света посылает данные по волоконно-оптическому «каналу», а принимающая сторона должна преобразовать полученные данные в необходимый формат (рис. 2.5).

Одномодовый и многомодовый кабель

В относительно тонком волоконно-оптическом канале свет будет распространяться вдоль продольной оси канала. В учебниках физики этот эффект упоминается в следующей формулировке – «импульсы света распространяются в осевом (аксиальном) направлении». Именно это и происходит в одномодовом кабеле (рис. 2.6). Однако преимущества этого типа передачи ограничены. С целью устранения подобных ограничений стали выпускать толстый кабель. Но тут возникла другая проблема – лучи света имеют свойство входить в канал под различными углами и проходить кабель, отражаясь от стенок сердечника. В результате вошедшие в канал под различными углами волны проходят различное расстояние и прибывают к получателю в разное время. Этот эффект, проиллюстрированный на рисунке 6, получил название модальной дисперсии (modal dispersion).

Рис. 2.5 Принцип работы волоконно-оптического кабеля

Рис. 2.6 В тонком кабеле свет распространяется по одномодовому пути

Рис. 2.7 В толстом кабеле неаксиальные лучи подвержены модальной дисперсии

Чем больше количество мод света в канале, тем уже полоса пропускания. В дополнение к тому, что различные импульсы достигают получателя практически одновременно, усиление дисперсии приводит к наложению импульсов и введению получателя в «заблуждение». В результате снижается общая пропускная способность. Одномодовый кабель передает только одну моду световых импульсов. Скорость передачи данных при этом достигает десятков гигабит в секунду. Одномодовый кабель в состоянии поддерживать несколько гигабитных каналов одновременно, используя для этого световые волны разной длины. Следовательно, пропускная способность многомодового волоконно-оптического кабеля ниже, чем у одномодового.

Простейший способ уменьшения дисперсии – нивелирование (grading) волоконно‑оптического кабеля. В результате лучи света синхронизируются таким образом, что дисперсия на стороне приемника уменьшается. Дисперсия также может быть уменьшена путем ограничения количества длин световых волн. Оба метода позволяют в некоторой степени уменьшить дисперсию, но не в состоянии привести скорость передачи данных в соответствие с одномодовым волоконно-оптическим кабелем.

В США широко используется многомодовый волоконно-оптический кабель 62.5/125. Обозначение «62.5» соответствует диаметру сердечника, а обозначение «125» – диаметру плакирования (все величины приведены в микронах). Из одномодовых распространены кабели с маркировкой 5-10/125. Ширина полосы пропускания обычно приводится в МГц/км. Хорошей моделью взаимоотношений полосы пропускания и дальности передачи служит резиновый жгут – с увеличением расстояния полоса пропускания сужается (и наоборот). В случае передачи данных на расстояние 100 метров полоса частот многомодового кабеля составляет 1600 МГц при длине волны 850 нм. Аналогичная характеристика одномодового кабеля составляет приблизительно 888 ГГц.

Диод или лазер

В качестве источника света волоконно-оптического кабеля может использоваться светоизлучающий диод (light emitting diode — LED) или лазер (injection laser diode — ILD). Одномодовый волоконно-оптический использует в качестве источника света лазер, в то время как многомодовый кабель — диод.

 Светоизлучающий диод — это устройство, излучающее свет в том случае, если приложить к нему прямое напряжение. С помощью сгенерированных диодом световых импульсов на расстоянии от 0.5 км до 1 км можно добиться скорости передачи данных от соответственно 12.5 Мбит/с до 25 Мбит/с. По сравнению с лазером этот источник света считается слабым.

 Лазер — устройство, генерирующее очень интенсивный поток цвета чрезвычайно узкого диапазона. В результате увеличивается как скорость передачи данных, так и расстояние. Для расстояний до 2 км скорость передачи составляет от 25 до 100 Мбит/с.

Принцип работы системы передачи данных по волоконно- оптическому кабелю

Канал передачи

Канал оптической передачи состоит из передатчика, световедущего оптического волокна и приёмника. Источник питания

Источник питания

Передатчик- цифровая система для оптической передачи данных, состоящая из преобразователя сигнала, который конвертирует цифровые сигналы, поступающие от электронных устройств, в импульсный сигнал, пригодный для электро-оптического преобразователя, и самого электро­оптического преобразователя (эл./опт. преобразователь), который конвертирует электрические импульсы в оптические сигналы. В сетях SIMATIC NET PROFIBUS в качестве эл./опт. преобразователей используются светодиоды. Светодиоды выпускаются в различных исполнениях для работы с разными средами передачи.

Приёмник - цифровая система оптической передачи данных, состоящая из оптоэлектронного преобразователя (фотодиода), который конвертирует оптические сигналы в электрические, и преобразователя сигналов, который конвертирует электрические импульсы, принятые от фотодиода, в электрические сигналы, с которыми могут работать подключенные электронные устройства.

Ослабление (затухание)

Затухание в канале передачи определяется следующими факторами:

• Выбранный тип оптоволокна

• Длина волны передающих светодиодов

• Тип соединителя

• Для стеклянного оптоволокна - количество стыков (в том числе, после ремонта)

• Длина оптоволокна (длина кабеля)

Запас по мощности канала (например, на старение и температурную зависимость свето- и фотодиодов).

Передатчик

В зависимости от используемого волокна, указывается минимальная или максимальная мощность оптического сигнала, которая может излучаться передатчиком в волокно. Эта мощность ослабляется вследствие затухания в подключенном канале передачи, вызываемого самим кабелем (длина, поглощение, рассеивание, длина волны), а также используемыми соединителями (штекерами).

Приёмник

Приёмник характеризуется светочувствительностью (чувствительностью к оптическому сигналу) и своим динамическим диапазоном. При конфигурировании оптического канала, необходимо убедиться в том, что мощность, достигающая приёмника, не выходит за пределы его динамического диапазона. Если мощность находится ниже этого диапазона, это приводит к увеличению частоты появления ошибок в двоичном разряде (BER) из-за роста отношения сигнал/шум на входе приёмника. Если динамический диапазон превышается сверху, насыщение и перегрузка приводят к увеличению искажения импульсов и, следовательно, также увеличивает частоту появления ошибок в двоичном разряде

Способы ввода оптического излучения в оптоволокно

Ввод оптического излучения в оптоволокно может осуществляться различными способами. Ввод излучения для одномодового оптоволокна осуществляется узким лучом точно вдоль оси сердеч­ника оптоволокна. В качестве оптического источника излучения здесь применим только лазерный диод.

Для многомодовых волокон может использоваться и более дешевый светодиодный излучатель, имеющий более широкую диаграмму направленности излучения.

Рис. 2.8 Лазерный диод и светодиод

Основные характеристики волоконно-оптического кабеля:

    Абсолютный иммунитет к электромагнитным излучениям.

    Возможна передача данных на расстояние до 10 км.

    В лабораторных условиях реально достичь скорости передачи до 4 Гбит/с.

    В качестве источника света может использоваться светоизлучающий диод или лазер.

Изготавливают оптоволокно следующим образом. Берут заготовку длиной около двух метров из разных сортов стекла, в сечении имеющую те же пропорции, что будут у волокна. Устанавливают ее на башне высотой около 15 м, конец греют. Пока стекло долетает до земли, оно утончается и твердеет. А дальше его «подхватывают», одевают оболочки и сматывают.

Если абонент, подключенный в середине коаксиального кабеля, передает сигнал в обе стороны, то по оптоволокну строго в одну сторону. Поэтому магистраль представляет собой кольцо с односто­ронним движением.

Обычно кабель состоит из двух волокон с двумя коннекторами. Один служит для передачи, другой для приема. ( см. рис.). Часто прокладывают двойной кабель .Также используется многоволокон­ный кабель (до 8 и более световодов). Это оставляет резерв на перспективу