9.2 Основные способы передачи данных

Существует два способа передачи информации в физической передающей среде: цифровой и аналоговый.

При цифровом способе данные по проводнику передаются импульсно, путем смены текущего напряжения: нет напряжения — "0", есть напряжение — "1".

При аналоговом способе цифровые данные передаются посредством управления параметрами сигнала несущей частоты. Сигнал несущей частоты представляет собой гармоническое колебание, описываемое уравнением:

x = x_max sin(ωt + φ₀),

где x - амплитуда колебаний,

ω - частота колебаний,

t - время колебаний,

φ₀- начальная фаза колебаний.

Передать цифровые данные по аналоговому каналу можно, управляя одним из параметров сигнала несущей частоты: амплитудой, частотой или фазой. Поскольку необходимо передавать данные в двоичном виде (последовательность единиц и нулей), то можно предложить следующие способы управления (модуляции): амплитудный, частотный, фазовый.

Проще всего понять принцип амплитудной модуляции: "0" — отсутствие сигнала, т.е. отсутствие колебаний несущей частоты; "1" — наличие сигнала, т.е. наличие колебаний несущей частоты. Есть колебания — единица, нет колебаний — нуль.

Частотная модуляция предусматривает передачу сигналов 0 и 1 на разной частоте. При переходе от 0 к 1 и от 1 к 0 происходил изменение сигнала несущей частоты.

Наиболее сложной для понимания является фазовая модуляция. Суть ее в том, что при переходе от 0 к 1 и от 1 к 0 меняется фаза колебаний, т.е. их направление.

В сетях высокого уровня иерархии — глобальных и региональных используется также и широкополосная передача, которая предусматривает работу для каждого абонента на своей частоте в пределах одного канала. Это обеспечивает взаимодействие большого количества абонентов при высокой скорости передачи данных.

Широкополосная передача позволяет совмещать в одном канале передачу цифровых данных, изображения и звука, что является необходимым требованием современных систем мультимедиа.

9.3 Аппаратная реализация способов передачи данных

Сетевые технические средства определяются как блоки или устройства взаимодействия – функциональные блоки или устройства, обеспечивающие взаимодействие нескольких информационных сетей или подсетей. К ним относятся:

серверы доступа;

сетевые адаптеры, повторители, коммутаторы, концентраторы, мультиплексоры, мосты, маршрутизаторы, шлюзы и модемы, согласующие работу компьютеров с каналами передачи данных.

Кроме того, технические средства передачи информации включают каналы передачи данных.

Для высокоскоростной передачи информации предпочтительно создавать и использовать специальные каналы передачи данных. Это весьма дорогое мероприятие и обычно с такой целью используют существующие каналы передачи информации, которые, как правило, не обладают необходимыми характеристиками. Проблема решается на аппаратно-программном уровне с помощью высокоскоростного и высоконадёжного оборудования, подключаемого к этим каналам, и специального программного обеспечения.

Сетевой адаптер. Стандартные сетевые адаптеры работают со скоростью 10 Мб/с. В больших сетях с интенсивным обменом файлами, в том числе графическими и аудиовизуальными, печатью на сетевом принтере и другое, такой скорости недостаточно. В этом случае используют оборудование, позволяющее поддерживать скорость обмена данными до 100 Мб/с. Такие сетевые адаптеры и концентраторы дороже, но они позволяют легко модернизировать и наращивать сеть, что, несомненно, окупается. Известно, что просто замена оборудования всегда дороже его модернизации.

Повторитель (англ. «Repeater») служит для регенерации электрических сигналов, передаваемых между двумя сегментами ЛВС, если она не может работать на одном сегменте кабеля или ограничений на расстояние, число узлов.

Концентратор (англ. «Hub») – устройство, позволяющее соединить компьютеры (РС или Клиенты) с сервером или несколько ЛВС в интерсеть для организации иерархических структур и разветвления сети. Бывают пассивными и активными. К одному концентратору можно подключить от двух, четырёх до нескольких десятков компьютеров.

Мост (англ. «Bridge») служит для соединения разных подсетей, имеющих, в том числе, неодинаковые канальные протоколы.

Шлюз (англ. «Gateway») – межсетевой преобразователь, служит для соединения информационных сетей различной архитектуры с неодинаковыми сетевыми протоколами.

Как правило, в сетях приём и передача информации между несколькими абонентами организуются с помощью специальных устройств разделения и уплотнения канала. Абоненты обычно не знают об этом, так как качество связи не ухудшается, а сигналы в таком канале одних абонентов не влияют и не мешают другим. Такое разделение канала называется мультиплексированием, а устройства разделения и уплотнения канала – мультиплексорами. Мультиплексирование бывает временное, при этом передача информации различных абонентов в одном канале происходит по очереди в отдельные отрезки времени, и частотное, то есть каждая линия, образуемая в данном канале, занимает свой частотный диапазон в рамках общего диапазона канала.

Очевидно, что оперативность передачи данных зависит и от возможности выбирать оптимальные маршруты доставки данных. Прокладка маршрутов в сети связи при передаче данных вызывает значительные трудности. Выбор оптимального маршрута является сложной научной и практической задачей и осуществляется специальными устройствами – маршрутизаторами (англ. «Router»). Основная их характеристика – обеспечивать минимальное время передачи данных (пакетов) при минимальной стоимости передачи. Кроме того, они выполняют следующие функции: «моста» между ЛВС и Интернетом: соединения (объединения) локальных сетей (маршрутизации): защиты ЛВС от несанкционированного доступа (Firewall). Маршрутизатор может представлять программное, техническое и программно-техническое средство. Он является полноценным ресурсом Интернета, имеет свой IP-адрес и, как правило, предназначен для работы в корпоративных и территориальных сетях.

Под маршрутизатор выделяется специальный ПК. Между собой маршрутизаторы разных сетей обычно соединяют оптоволоконными линиями связи. Каждый маршрутизатор постоянно сообщает своему окружению о «подведомственной» ему территории, остальные отслеживают эти данные, в т. ч. возникающие изменения.

В небольших сетях на одном из ПК устанавливают программу для маршрутизации. В качестве универсального маршрутизатора можно привести пример устройства U.S.Robotics USR8000, представляющего четырёхпортовый концентратор сетей 10/100 Ethernet, принт-сервер, сервер настройки DHCP, маршрутизатор и брандмауэр. DHCP-сервер при установленном протоколе TCP/IP и включенной опции «Получить IP-адрес автоматически», позволяет при следующем включении присвоить уникальный IP-адрес новому узлу. Благодаря встроенному брандмауэру маршрутизатор за одним IP-адресом скрывает от внешней среды всю внутреннюю сеть.

ЛВС можно создавать с любым из типов кабеля. Самым дешевым является кабель «витая пара» со скрученной парой проводов, который используется в телефонии. Он может быть «экранированным» и «неэкранированным». Экранированный более устойчив к электромагнитным помехам. Однако на практике чаще используется неэкранированный кабель, т.к. такой тип кабеля используется для разводки телефонных линий и, он дешевле экранированного. Наилучшим образом подходит для малых учреждений. Недостатками данного кабеля является высокий коэффициент затухания сигнала и высокая чувствительность к электромагнитным помехам, поэтому максимальное расстояние между активными устройствами в ЛВС при использовании витой пары до 100 метров.

Коаксиальный кабель. Этот кабель может использоваться в двух различных системах передачи данных: без модуляции сигнала и с модуляцией. В первом случае цифровой сигнал используется в таком виде, в каком он поступает из ПК и сразу же передается по кабелю на приемную станцию. Он имеет один канал передачи со скоростью до 10 Мбит/сек и максимальный радиус действия 4000 м. Во втором случае цифровой сигнал превращают в аналоговый и направляют его на приемную станцию, где он снова превращается в цифровой. Операция превращения сигнала выполняется модемом (модулятор/демодулятор); каждая станция должна иметь свой модем. Этот способ передачи является многоканальным (обеспечивает передачу по десяткам каналов, используя для этого всего лишь один кабель). Таким способом можно передавать звуки, видео сигналы, данные. Длина кабеля может достигать до 50 км. Передача сигнала с модуляцией более дорогостоящая, чем без модуляции. Поэтому, наиболее эффективное его использование при передаче данных между крупными предприятиями.

Оптоволоконный кабель является новейшей технологией, используемой в ЛВС. Носителем информации является световой луч, который моделируется сетью и принимает форму сигнала. Такая система устойчива к внешним электрическим помехам и таким образом возможна очень быстрая и безошибочная передача данных (до 2 Gbps), и обеспечивает секретность передаваемой информации. Количество каналов в таких кабелях огромно. Передача данных выполняется только в симплексном режиме, поэтому для организации обмена данными устройства необходимо соединять двумя оптическими волокнами (на практике оптоволоконный кабель всегда имеет четное, парное количество волокон). К недостаткам можно отнести большую стоимость, а также сложность подсоединения.

Радиоволны в микроволновом диапазоне используются в качестве передающей среды в Беспроводных Локальных Сетях, либо между мостами или шлюзами для связи между ЛВС. В первом случае максимальное расстояние между станциями составляет от 200 до 300 м, во втором – это расстояние прямой видимости. Скорость передачи данных – до 2 Мбит/с. Беспроводные ЛС считаются перспективным направлением развития ЛС. Их преимущество – простота и мобильность. Исчезают проблемы, связанные с прокладкой и монтажом кабельных соединений. Достаточно установить интерфейсные платы на рабочие станции, и сеть готова к работе. Сдерживающим фактором широкого развития БЛС является отсутствие стандарта для таких сетей. Существующие БЛС, выполненные различными фирмами, как правило, полностью несовместимы между собой. В настоящее время приняты международные стандарты на этот протокол IEEE 802.11.

Коммутационная сеть включает в себя множество серверов и ЭВМ, соединенных физическими (магистральными) каналами связи, использующие телефонные, коаксиальные кабели, спутниковые каналы связи. Вычислительные сети по способу передачи информации подразделяются на сети коммутации каналов, сети коммутации сообщений, сети коммутации пакетов и интегральные сети. Каждый из этих методов имеет свои плюсы и минусы. Достоинством сетей коммутации каналов является простота реализации (прямое соединение), а недостатком – низкий коэффициент использования каналов, высокая стоимость передачи данных, повышенное время ожидания других пользователей. При коммутации сообщений передача данных (сообщения) осуществляется после освобождения канала, пока оно не дойдет до адресата. Каждый сервер производит прием, проверку, сборку, маршрутизацию и передачу сообщения. Недостатком данного способа является низкая скорость передачи информации, невозможность ведения диалога между пользователями. К достоинствам можно отнести – уменьшение стоимости передачи, ускорение передачи. Пакетная коммутация подразумевает обмен небольшими пакетами (часть сообщения) фиксированной структуры, которые не дают возможности образования очередей в узлах коммутации. Достоинства: быстрое соединение, надежность, эффективность использования сети. При данном методе проблема передачи пакета решается способом фиксированной маршрутизации. Она предполагает наличие таблицы маршрутов, где закреплен маршрут от одного пользователя к другому. Сети, осуществляющие коммутацию каналов, сообщений и пакетов, называются интегрированными.