Аппаратура передачи данных
Непосредственно связывает компьютеры или локальные сети пользователя с линией связи
Сетевые адаптеры
Сетевой адаптер – это периферийное устройство компьютера, непосредственно взаимодействующее со средой передачи данных, которая прямо или через другое коммуникационное оборудование связывает его с другими компьютерами.
Сетевой адаптер обычно выполняет следующие функции:
• Оформление передаваемой информации в виде кадра определенного формата. Кадр включает несколько служебных полей, среди которых имеется адрес компьютера назначения и контрольная сумма кадра, по которой сетевой адаптер станции назначения делает вывод о корректности доставленной по сети информации.
• Получение доступа к среде передачи данных. В локальных сетях в основном применяются разделяемые между группой компьютеров каналы связи, доступ к которым предоставляется по специальному алгоритму.
• Кодирование и декодирование сигнала. Осуществляется кодирование последовательности бит кадра последовательностью электрических сигналов при передаче данных и декодирование при их приеме. Кодирование должно обеспечить передачу исходной информацию по линиям связи с определенной полосой пропускания и определенным уровнем помех таким образом, чтобы принимающая сторона смогла распознать с высокой степенью вероятности посланную информацию.
• Последовательное / параллельное преобразование. Преобразование информации из параллельной формы в последовательную и обратно. Эта операция связана с тем, что для упрощения проблемы синхронизации сигналов и удешевления линий связи в вычислительных сетях информация передается в последовательной форме, бит за битом, а не побайтно, как внутри компьютера.
Буферизация данных. Сетевые адаптеры передают и получают данные по одному кадру. Поэтому адаптеру необходим буфер для временного хранения данных, прибывающих от компьютера или из сети в то время, когда адаптер занят формированием кадра и его подготовкой к обработке.
• Синхронизация битов, байтов и кадров. Для устойчивого приема передаваемой информации необходимо поддержание постоянного синхронизма приемника и передатчика информации. Сетевой адаптер использует для решения этой задачи специальные методы кодирования, не использующие дополнительной шины с тактовыми синхросигналами. Эти методы обеспечивают периодическое изменение состояния передаваемого сигнала, которое используется тактовым генератором приемника для подстройки синхронизма. Кроме синхронизации на уровне битов, сетевой адаптер решает задачу синхронизации и на уровне байтов, и на уровне кадров.
Сетевой адаптер изготавливается в виде платы расширения, подключаемой к шине ISA, PCI. На некоторых компьютерах он может быть встроен в материнскую плату.
Как и любой контроллер компьютера, сетевой адаптер работает под управлением драйвера операционной системы. Распределение обязанностей между сетевым адаптером и его драйвером стандартами не определяется, поэтому каждый производитель решает этот вопрос самостоятельно. Обычно сетевые адаптеры делятся на адаптеры для клиентских компьютеров и адаптеры для серверов.
В адаптерах для клиентских компьютеров значительная часть работы перекладывается на драйвер, тем самым адаптер оказывается проще и дешевле. Недостатком такого подхода является высокая степень загрузки центрального процессора компьютера рутинными работами по передаче кадров из оперативной памяти компьютера в сеть.
Адаптеры, предназначенные для серверов, обычно снабжаются собственными процессорами, которые самостоятельно выполняют большую часть работы по передаче кадров из оперативной памяти в сеть и в обратном направлении.
Сетевой адаптер перед установкой в компьютер необходимо конфигурировать. При конфигурировании адаптера обычно задаются номер прерывания IRQ, используемого адаптером, номер канала прямого доступа к памяти DMA (если адаптер поддерживает режим DMA) и базовый адрес портов ввода/вывода. Если сетевой адаптер, аппаратура компьютера и операционная система поддерживают стандарт Plug-and-Play, то конфигурирование адаптера и его драйвера осуществляется автоматически.
Классификация сетевых адаптеров по поколениям
Адаптеры первого поколения были выполнены на дискретных логических микросхемах, в результате чего обладали низкой надежностью. Они имели буферную память только на один кадр, что приводило к низкой производительности адаптера, так как все кадры передавались из компьютера в сеть или из сети в компьютер последовательно. Кроме этого, задание конфигурации адаптера первого поколения происходило вручную, с помощью перемычек.
В сетевых адаптерах второго поколения для повышения производительности стали применять метод многокадровой буферизации. При этом следующий кадр загружается из компьютера в буфер адаптера одновременно с передачей предыдущего кадра в сеть. В режиме приема, после того как адаптер полностью принял один кадр, он может загружаться в компьютер одновременно с приемом другого кадра из сети.
В сетевых адаптерах второго поколения широко используются микросхемы с высокой степенью интеграции, что повышает надежность адаптеров. Кроме того, драйверы этих адаптеров основаны на стандартных спецификациях.
В сетевых адаптерах третьего поколения осуществляется конвейерная схема обработки кадров. Она заключается в том, что процессы приема кадра из оперативной памяти компьютера и передачи его в сеть совмещаются во времени. Таким образом, после приема нескольких первых байт кадра начинается их передача. Это существенно (на 25-55 %) повышает производительность цепочки оперативная память – адаптер – физический канал – адаптер – оперативная память.
Адаптеры третьего поколения базируются на специализированных интегральных схемах (ASIC), что повышает производительность и надежность адаптера при одновременном снижении его стоимости.
Выпускаемые сегодня сетевые адаптеры можно отнести к четвертому поколению. В эти адаптеры обязательно входит специализированная интегральная схема, выполняющая большое количество высокоуровневых функций.
Сетевые адаптеры различаются по типу принятой в сети сетевой технологии - Ethernet, Token Ring и др. Как правило, конкретная модель сетевого адаптера работает по определенной сетевой технологии (например, Ethernet). В связи с тем, что для каждой технологии сейчас имеется возможность использования различных сред передачи данных (тот же Ethernet поддерживает коаксиальный кабель, неэкранированную витую пару и оптоволоконный кабель), сетевой адаптер может поддерживать как одну, так и одновременно несколько сред. В случае, когда сетевой адаптер поддерживает только одну среду передачи данных, а необходимо использовать другую, применяются такие устройства, как трансиверы и конверторы.
Трансивер (приемопередатчик, transmitter + receiver) – это часть сетевого адаптера, его оконечное устройство, выходящее на кабель.
Вместо подбора подходящего трансивера можно использовать конвертор, который может согласовать выход приемопередатчика, предназначенного для одной среды, с другой средой передачи данных (например, выход на витую пару преобразуется в выход на коаксиальный кабель).
Модемы
Само название этого прибора происходит от имеющихся в нем модулятора и демодулятора. Разнообразие модемов огромно. Они различаются по конструкции, по используемым протоколам, по характеру интерфейсов и т.д. Основное назначение модема оптимальное преобразование цифрового сигнала в аналоговый для передачи его по высокочастотному каналу связи и, соответственно, обратное преобразование на принимающей стороне.
В качестве канала передачи данных может быть использована городская телефонная сеть, выделенная линия или радио-канал.
Все модемы содержат в себе управляющий микропроцессор, постоянную память (ROM), куда записано фирменное программное обеспечение и интерпретатор команд, энергонезависимую память (NVRAM – non-volatile (энергонезависимую) RAM), которая хранит информацию о конфигурациях модема, телефонные номера и т.д., буфер ввода/вывода (128-256 байт), сигнальный процессор (DSP), включающий в себя модулятор и демодулятор, интерфейс для связи с ЭВМ (RS-232) и оперативную память.
Первоначально модемы использовались для связи через традиционные коммутируемые телефонные линии. Так как такие линии содержат только два провода, а информационный обмен должен происходить в обоих направлениях одновременно, возникает проблема отделения передаваемого сигнала от приходящего извне. Для выделенных четырехпроходных линий эта проблема значительно упрощается, здесь прием и передача осуществляется по разным скрученным парам и эхо возникает лишь из-за перекрестных наводок. Модемы подключаются к последовательным интерфейсам ЭВМ (COM-порт, RS-232).
Модемы бывают синхронными и асинхронными.
Асинхронные модемы поддерживают определенный набор команд, который был впервые применен фирмой Hayes в модеме Smartmodem 1200. Модемы, придерживающиеся этого стандарта, называются Hayes-совместимыми. Совместимость предполагает идентичность функций первых 28 управляющих регистров модема (всего модем может иметь более сотни регистров). Почти все внутренние команды начинаются с символов AT (attention) и имеют по три символа. По этой причине их иногда называют AT-командами. Hayes-совместимость гарантирует, что данный модем будет работать со стандартными программами. Реально набор команд для модемов разных производителей варьируется в широких пределах.
Для синхронных модемов набор команд регламентируется стандартом V.25bis.
Основные стандарты модемов для коммутируемых каналов – это стандарты V.34+, V.90, V.42.
Стандарт V.34+ является общим стандартом для работы по выделенным и коммутируемым каналам при 2-проводном окончании. Он обеспечивает передачу данных со скоростью 32 Кбит/с на расстоянии да 12 км.
Важным свойством модемов является возможность коррекции ошибок и сжатия информации. Ошибки корректируются путем повторной пересылки ошибочных блоков. В асинхронных модемах этим целям отвечает стандарт V.42, принятый в 1988 году, он включает в себя протокол LAPM (Link access procedure for modems) и один из протоколов MNP (Microcom networking protocol). При установлении связи между модемами определяется, какой из протоколов коррекции и сжатия они оба поддерживают. Если это V.42, то они сначала пытаются работать с использованием протокола LAPM. При неудаче (один из модемов не поддерживает V.42) используется протокол MNP. Протоколы MNP имеют обозначения от MNP-1 до MNP-10. Чем больше номер, тем выше степень сжатия информации.
Стандарт V.90 полезен в том случае, когда между модемом пользователя и сервером удаленного доступа поставщика услуг все АТС обеспечивают цифровые методы коммутации, а сервер подключен по цифровому абонентскому окончанию. В этом случае скорость передачи данных от сервера к пользователю повышается до 56 Кбит/с за счет отсутствия аналогово-цифрового преобразования на этом направлении.
Модемы бывают внутренними и внешними. Внутренний модем вставляется в слот расширения материнской платы и непосредственно подключается к шине компьютера (ISA или PCI). Внешний модем может подключаться к ЭВМ через последовательный интерфейс RS-232c, USB или Ethernet.
При использовании большого числа модемов они для удобства обслуживания объединяются в группы (пулы). Модемный пул представляет в себя стандартный каркас, где размещается какое-то количество бескорпусных модемов. На передней панели находится, как правило, только индикация, выходы в телефонную сеть и разъемы последовательного интерфейса подключаются через заднюю панель.
В настоящее время технология модемов продолжает развиваться.
ISDN (Integrated Services Digital Network – цифровые сети с интегральными услугами) относятся к сетям, в которых голос и данные обрабатываются и передается в цифровой форме.
Технология ISDN появилась в 1981 г. Предоставляет возможность передачи информации по каналам трех типов:
A – Аналоговая телефонная линия, 4кГц.
В – передача данных со скоростью 64 Кбит/с или 1телефонная линия (оцифрованный звук);
С – передача данных со скоростями 8 или 16 Кбит/с;
D – управление другими каналами, передача данных со скоростью 16 или 64 Кбит/с;
E – 64 Кбит/с, внутренняя сигнализация ISDN;
Н0 – передача данных со скоростью 384 Кбит/с;
H10 – передача данных со скоростью 1472 Кбит/с;
H11 – передача данных со скоростью 1536 Кбит/с;
H12 – передача данных со скоростью 1920 Кбит/с.
Для передачи данных используется витая пара.
Технологии хDSL появились как альтернатива цифровому абонентскому окончанию ISDN. Пионером в области семейства технологий xDSL является компания Bellcore. В 1987 году она представила спецификацию первой технологии из семейства xDSL и запустила её в телефонных сетях США. Однако вскоре компания распалась, а технология залегла на дно.
В середине 1990-х годов семейство xDSL пополнилось асимметричной модификацией цифровой абонентской линии – ADSL. Последующие годы создавались и совершенствовались наборы микросхем для осуществления передачи данных посредством ADSL. Темпы развития были замедленными, поскольку DSL изначально разрабатывалась для систем передачи "видео по требованию". Сами системы не получили распространения, а технология ADSL получила второе дыхание благодаря развитию сетей Интернет.
В аббревиатуре xDSL символ "х" используется для обозначения первого символа в названии конкретной технологии, а DSL обозначает цифровую абонентскую линию DSL (Digital Subscriber Line – цифровая абонентская линия; также есть другой вариант названия – Digital Subscriber Loop – цифровой абонентский шлейф).
ADSL (asymmetric) – ассиметричная цифровая абонентская линия;
IDSL – DSL технология, основанная на ISDN;
SDSL (symmetric) – симметричная цифровая абонентская линия;
HDSL (high data rate) – высокоскоростная цифровая абонентская линия;
VDSL (very high data rate) – сверх высокоскоростная цифровая абонентская линия;
SHDSL (Single-pair High-speed) – высокоскоростная цифровая абонентская линия по одной паре проводов;
UADSL (Universal ADSL) – универсальная ассиметричная цифровая абонентская линия.
Сравнительный анализ технологий xDSL
Технология DSL |
Максимальная скорость (прием – передача) |
Максимальное расстояние |
Количество телефонных пар |
ADSL |
24 Мбит/с – 3,5 Мбит/с |
5,5 км |
1 |
IDSL |
144 кбит/с |
5,5 км |
1 |
HDSL |
2 Мбит/с |
4,5 км |
2 |
SDSL |
2 Мбит/с |
3 км |
1 |
VDSL |
65 Мбит/с – 35 Мбит/с |
1,5 км на максим. скорости |
1 |
SHDSL |
2,32 Мбит/с |
7,5 км |
1 |
UADSL |
1,5 Мбит/с – 384 кбит/с |
3,5 км на максим. скорости |
1 |
Достижения технологий xDSL во многом определяются достижениями техники кодирования, которая за счет применения процессоров DSP (Цифровой сигнальный процессор) смогла повысить скорость передачи данных при одновременном увеличении расстояния между модемом и оборудованием.
ADSL
Стандарт ADSL появился в 1999 году. Имеет обозначение ITU G.992.1 и G.992.2 (ITU, International Telecommunication Union – Международный союз электросвязи).
Технология ADSL представляет собой вариант DSL, в котором доступная полоса пропускания канала распределена между исходящим и входящим трафиком несимметрично – для большинства пользователей входящий трафик значительно более существенен, чем исходящий, поэтому предоставление для него большей части полосы пропускания вполне оправдано. Обычная телефонная линия использует для передачи голоса полосу частот 0,3…4 кГц. Чтобы не мешать использованию телефонной сети по её прямому назначению, в ADSL нижняя граница диапазона частот находится на уровне 26 кГц. Верхняя же граница, исходя из требований к скорости передачи данных и возможностей телефонного кабеля, составляет 1,1 МГц. Эта полоса пропускания делится на две части — частоты от 26 кГц до 138 кГц отведены исходящему потоку данных, а частоты от 138 кГц до 1,1 МГц – входящему. Полоса частот от 26 кГц до 1,1 МГц была выбрана не случайно. Начиная с частоты 20кГц и выше, затухание имеет линейную зависимость от частоты.
Такое частотное разделение позволяет разговаривать по телефону, не прерывая обмен данными по той же линии. Передача к абоненту ведётся на скоростях до 8 Мбит/с. В системах ADSL под служебную информацию отведено 25 % общей скорости, в отличие от ADSL2, где количество служебных битов в кадре может меняться от 5,12 % до 25 %. Максимальная скорость линии зависит от ряда факторов, таких как длина линии, сечение и удельное сопротивление кабеля.
ADSL:
по направлению к абоненту (Downstream – нисходящий трафик) – до 8 Мбит/с;
по направлению от абонента (Upstream – восходящий траффик) – до 640 Кбит/с.
ADSL2 (ITU G.992.3 и G.992.4):
по направлению к абоненту – до 12 Мбит/с;
по направлению от абонента – до 3,5 Мбит/с.
ADSL2+ (ITU G.992.5):
по направлению к абоненту — до 24 Мбит/с
по направлению от абонента — до 1,4 Мбит/с
В ADSL2+ удваивается диапазон частот по отношению к ADSL2 от 1.1 МГц до 2.2 МГц что влечет за собой увеличение скорости передачи данных входящего потока предыдущего стандарта ADSL2 c 12 Мбит/с до 24 Мбит/с.