Сети

10. Коммуникационные устройства

В каждой ЛВС наступает момент, когда требуется ее расширение. Однако сети не могут бесконечно расширяться за счет простого добавления новых компьютеров и прокладки дополнительного кабеля. Любая топология или архитектура имеет свои ограничения. Существуют устройства, назначение которых увеличить размер сети в действующей среде. Такие устройства способны:

• сегментировать ЛВС так, что каждый сегмент становится самостоятельной локальной сетью;

• объединять две локальные сети в одну;

• подключать сеть к другим сетям и компьютерным средам для объединения их в большую разнородную систему.

К устройствам, которые позволяют расширить сеть, относятся: концентраторы, повторители, мосты, маршрутизаторы, мосты-маршрутизаторы и шлюзы. Прежде, чем приступать к рассмотрению этих устройств, расскажем об одном из основных устройств связи – модеме.

Модемы

Основными проблемами передающих линий являются ослабление, искажения, связанные с задержкой (сдвиг фазы), и шум. Степень ослабления сигнала зависит от его частоты. В большинстве случаев характеристики ослабления передающей среды известны, и частотно-зависимое ослабление сигнала можно компенсировать с помощью промежуточных усилителей. Однако этот метод не может восстановить сигнал в его точном изначальном виде.

Искажение сигнала, вызванное его задержкой, связано с тем, что различные составляющие ряда Фурье (сигнал представляется в виде суммы гармоник ряда¹) распространяются в канале связи с различной скоростью. При передаче цифровых данных быстрые составляющие сигнала могу перемешаться с медленными составляющими соседнего сигнала, представляющего, например, соседний бит.

Третьей проблемой передачи сигналов по каналу связи является шум. Его энергетическими составляющими являются неизбежный термальный шум в самом проводе, вызванный хаотичным движением электронов, нежелательная энергия от других источников (соседние провода и другие источники) и импульсный шум, вызванный скачками напряжения питания и другими причинами.

Поскольку ослабление и скорость распространения сигнала зависят от частоты, желательно, чтобы сигнал обладал узким спектром частот. К сожалению, последовательность прямоугольных импульсов, соответствующая немодулированному двоичному сигналу, имеет широкий спектр частот. Поэтому такой сигнал подвержен сильным искажениям при передаче, что делает использование немодулированных сигналов затруднительным.

На телефонных линиях проблему, связанную с искажениями немодулированных сигналов, решают с помощью модуляции. Постоянный сигнал с частотой в диапазоне от 1000 до 2000 Гц, называемый несущей частотой, может модулироваться по амплитуде, частоте или фазе. При амплитудной модуляции используются две различные амплитуды сигнала, соответствующие значениям нуля и единицы. При частотной модуляции используется несколько близких частот. В фазовой модуляции применяется сдвиг фазы несущей частоты на некоторый постоянный угол, например на 45, 135, 225 и 315 градусов, через равные интервалы времени.

Устройство, принимающее поток бит и преобразующее его в модулированный сигнал на выходе (и наоборот), называется модемом (сокращение от слов модулятор-демодулятор). Модем устанавливается между цифровым компьютером и аналоговой телефонной линией.

Модемы имеют два стандартных физических интерфейса:

• последовательный интерфейс передачи данных,

• интерфейс с телефонной линией RJ-11.

Интерфейс между компьютером и модемом является примером протокола физического уровня, который должен детально описывать механический, электрический, функциональный и процедурный интерфейсы. Известны два стандарта физического уровня: RS-232-C и RS-449. RS-232-C является третьей версией оригинального стандарта RS-232, который был составлен Ассоциацией электронной промышленности. Международный вариант этого стандарта носит название V.24. Интерфейс RS-232-C применяется на протяжении многих лет. Он ограничивает скорость передачи данных 20 Кбит/с и длину кабеля 15 м. Поэтому был разработан новый стандарт RS-449, представляющий собой три стандарта в одном. Механический, функциональный и процедурный интерфейсы описываются стандартом RS-449, а электрический интерфейс описывается двумя другими стандартами – RS-422-A и RS-423-A, причем RS-422-A может использоваться на скоростях до 2 Мбит/с при длине кабелей до 60 м.

Существуют внутренние и внешние модемы. Внутренние модемы устанавливаются в слоты расширения подобно любой другой плате. Внешний модем представляет собой небольшой аппарат, подключаемый к компьютеру с помощью кабеля, который соединяет последовательный порт компьютера с разъемом модема, предназначенным для связи с компьютером. ПО для работы с модемом встроено в современные ОС.

Стандартный аппаратный модем состоит из 5 функциональных блоков: DSP, контроллера, кодека, ОЗУ и ПЗУ.

• DSP (Digital Signal Processor) осуществляет кодирование поступающего потока данных, опираясь на протоколы передачи данных. В его обязанности также входит модуляция входного сигнала.

• Контроллер – реализует протоколы сжатия данных и коррекции ошибок. Кроме того, он является связующим звеном между модемом и ПО компьютера (реализует программный интерфейс).

• Кодек (кодер-декодер) – осуществляет двустороннее преобразование аналогового сигнала, поступающего из линии, в поток цифровых данных.

• ОЗУ – микросхема оперативной памяти, хранящая данные до первого выключения питания. Предназначена для хранения и последующей обработки потока данных. Иногда в ней хранятся текущие настройки для работы модема.

• ПЗУ – память, хранящая программу работы модема, называемую прошивкой. Последние модели модемов допускают обновление и перезапись прошивки модема с помощью специального ПО.

Существует еще один класс модемов, называемый программными модемами. Программные модемы выполнены по той же схеме, что и аппаратные. Основное отличие заключается в том, что в программном модеме часть функций реализуется за счет ЦП и ПО. Зачастую от модема остается лишь кодек, а все остальные функции выполняет драйвер, использующий ресурсы компьютера. Некоторые производители реализуют программно лишь контроллер, оставляя DSP. Такие модемы потребляют меньше процессорного времени и обладают лучшими характеристиками. К недостаткам программных модемов следует отнести использование ресурсов ЦП и зависимость от ОС.

Промышленные и международные стандарты обеспечивают взаимодействие модемов разных производителей.

В начале 1980-х годов компания Hayes Microcomputer Products, Inc. разработала модем, получивший название Hayes Smartmodem. Со временем его параметры стали считаться стандартными, с их учетом разрабатывались модемы других производителей, и вскоре возник термин Hayes-совместимый (по аналогии с IBM-совместимостью). Поскольку большинство производителей приняли этот стандарт, все модемы могли общаться друг с другом.

С конца 1980-х годов International Telecommunications Union (ITU) занимается разработкой стандартов для модемов, известных как V-серия. Эти стандарты отличаются номером. Иногда пересмотренный вариант ранней версии включает слово bis. Если в названии стандарта содержится слово terbo или ter (французское ter – третий), это значит, что второй (bis) стандарт также был модифицирован. Например, модем V.32 работает со скоростью 9 600 бит/с, модем V.32bis – со скоростью 14 400 бит/с, модем V.32terbo – со скоростью 19 200 бит/с, модем V.34 – со скоростью 33 600 бит/с, модем V.90 – со скоростью 56 000 бит/с.

Изначально скорость модемов измерялась в бит/с и в бодах. Многие путали их, считая, что они обозначают одно и то же. Бод относится к частоте модуляции звуковой волны, переносящей биты данных по телефонной линии. В начала 1980-х годов скорость в бодах равнялась скорости передачи в битах. В то время 300 бод было эквивалентно 300 бит/с. Затем, когда были разработаны методы сжатия и кодирования данных, каждая модуляция звука могла переносить больше одного бита информации. Следовательно, скорость в бит/с стала выше скорости в бодах. Например, модем со скоростью модуляции 28 800бод в действительности способен передавать 115 200 бит/с. Поэтому, сначала обращают внимание на скорость в бит/с. Современные модемы применяют промышленные стандарты сжатия данных и способны передавать данные со скоростью 57 600 бит/с, а некоторые до 76 800 бит/с.

Модемы различают также по типу среды передачи. Среды условно можно поделить на два типа, опираясь на критерий синхронизации связи, – асинхронную и синхронную. Тип модема, используемого в сети, зависит от среды передачи и от назначения сети.

Асинхронная связь – самая распространенная форма передачи данных, так как этот метод связи использует стандартные телефонные линии. При асинхронном методе данные передаются последовательным потоком. Каждый символ – байт – раскладывается в последовательность битов. Каждая из этих последовательностей отделяется от других стартовым и стоповым битами. Передающее и принимающее устройства должны согласовывать комбинацию стартовых и стоповых битов. Принимающий компьютер для управления синхронизацией использует стартовые и стоповые биты, готовясь тем самым к приему следующего байта данных. Синхронизирующее устройство или метод для координации действий между передатчиком и приемником отсутствует. Передающий компьютер просто посылает данные, а принимающий получает их и проверяет, приняты ли они без ошибок. При асинхронной связи от 20 до 27% трафика данных состоит из управляющей информации. Скорость асинхронной передачи по телефонным линиям составляет 57 699 бит/с и выше. Новейшие методы сжатия данных обеспечивают скорость до 115 200 бит/с в системах, которые связаны напрямую.

Для проверки и коррекции ошибок используется специальный бит – бит четности, а схема, которая его применяет, называется контролем четности. Проверка заключается в том, что количество посланных и принятых единичных бит должно совпадать.

Компания Microcom создала собственный стандарт асинхронного контроля ошибок данных, который был назван Microcom Network Protocol (MNP). Версии этого протокола называются классами. Другие производители также используют этот протокол. В настоящее время производители используют MNP классов 2–5.

В 1989 г. была опубликована схема асинхронного контроля ошибок, названная V.42. Этот стандарт аппаратной коррекции ошибок включает два протокола. Основная схема – Link Access Procedure for Modems, LAMP (процедура доступа к каналу связи для модемов). V.42 поддерживает MNP Class 4. Протокол LAMP используется при соединении двух модемов, удовлетворяющих стандарту V.42.

Синхронная связь основана на схеме синхронизации, согласованной между двумя устройствами. Эта схема позволяет отделять биты друг от друга при передаче их блоками, называемыми кадрами. Для синхронизации используются специальные символы. Поскольку биты передаются в синхронном режиме, стартовые и стоповые биты не нужны. Передача завершается в конце одного кадра и вновь начинается на следующем кадре. Этот метод более эффективен, чем асинхронная передача, особенно при пересылке больших блоков данных. В случае ошибки синхронная схема распознавания и коррекции ошибок просто повторяет передачу кадра.

Синхронные протоколы выполняют следующие действия:

• разбивают данные на блоки,

• добавляют управляющую информацию,

• проверяют данные на наличие ошибок.

К основным протоколам синхронной связи относятся:

• SDLC (Synchronous Data Link Control) – протокол синхронного управления каналом;

• HDLC (High-level Data Link Control) – высокоуровневый протокол управления каналом;

• BISYNC (Binary SYNchronous Communications Protocol) – протокол двоичной синхронной связи.

Синхронная связь используется практически во всех цифровых системах связи и сетях. Так, для соединения удаленных компьютеров используются цифровые линии. Для подключения компьютера к цифровой линии применяется синхронный модем, а не асинхронный. Однако в домашних условиях из-за высокой стоимости и сложности синхронные модемы не используются.

Ассиметричная цифровая абонентская линия (Asymmetric Digital Subscriber Line, ADSL) – передовая модемная технология, позволяющая передавать данные по обычной телефонной линии на высоких скоростях: более 8 Мбит/с в направлении к абоненту и до 1 Мбит/с – от абонента. ADSL – протокол физического уровня для передачи данных по неэкранированной витой паре. Но и у ADSL есть свои недостатки. Необходимо специализированное оборудование – ADSL-модемы на каждом конце линии и специальный кабель. Также существует и ограничение на дальность связи.

Концентраторы

С помощью концентратора можно не только построить сеть с топологией звезда или кольцо, но и расширить существующую сеть – подключить к ЛВС больше компьютеров (рис. 1, 2). Это один из самых популярных способов расширения ЛВС, но он имеет ограничения.

Рис.1. Последовательное подключение концентраторов Ethernet

Рис. 2. Концентраторы Token Ring, объединенные в единое кольцо

Повторители

Для уменьшения искажений сигнала, связанного с его затуханием при передаче по кабелю большой длины, устанавливают повторители. Повторитель работает на Физическом уровне модели OSI, восстанавливая сигнал и передавая его из одного сегмента сети в следующий. При этом каждый сегмент должен использовать одинаковые пакеты и протоколы Logical Link Control (LLC). Это означает, например, что повторитель не позволяет обмениваться данными между сетями 802.3 Ethernet и 802.5 Token Ring.

Повторители не наделены функциями преобразования и фильтрования. Чтобы повторитель работал, оба соединяемые им сегмента должны иметь одинаковый метод доступа. Так, повторитель не сумеет соединить сегмент, где применяется CSMA/CD, с сегментом, в котором используется передача маркера. То есть, повторители не могут транслировать пакеты Ethernet в пакеты Token Ring. Однако они могут передавать пакеты из одного типа физического носителя в другой. Если повторитель имеет соответствующие разъемы, он примет пакет, приходящий из сегмента на тонком коаксиальном кабеле, и передаст его в сегмент на оптоволокне.

Повторители – самый дешевый способ расширить сеть. Их использование – наиболее логичное начальное действие. Но они остаются низкоуровневыми компонентами расширения сети. Применение их оправдано, когда необходимо преодолеть ограничения на длину сегмента или на количество узлов с учетом правила 5-4-3, причем ни один из сегментов не генерирует повышенный трафик, а материальные затраты должны быть минимальны.

Коммуникационные модели

Для того чтобы объяснить работу моста или маршру­тизатора, нужно сначала вспомнить, как сообщение от источника проходит по сети до места назначения, используя сетевые протоколы.

OSI-модель

Как известно, с целью упрощения взаимодействия устройств в се­тях ISO пред­ложила семиуровневую коммуникационную OSI-модель, которая в свое время стала новой движу­щей силой разработок в области коммуникаций.

Каждый уровень OSI-модели отвечает за отдельные специфические функции в коммуникациях. Нам потребуется вспомнить о пер­вых четырех уровнях: Физическом, Канальном, Сетевом и Транспортном.

• Физический уровень – самый низкий уровень OSI-модели. Он описывает процесс прохождения сигналов через среду передачи между сетевыми устрой­ствами. Средой передачи может быть провод (коак­сиальный, витая пара или любой другой), оптоволокно, СВЧ, волна спутниковой связи и тому подобное. По­вторитель, который усиливает и повторяет сигнал, — это пример устройства, работающего на физи­ческом уровне.

• Канальный уровень. Этот уровень модели OSI отвечает за передачу данных в одном физическом сегменте сети. В дополнение к описанию характера доступа сетевых устройств к среде переда­чи он обеспечивает некоторую защиту от ошибок. ЛВС-технологии, такие как Ethernet, Token Ring или FDDI, работают на этом уровне. На канальном уровне по­является такое свойство, как адресуемость (МАС-адрес). МАС-адрес именуется еще машинным или фи­зическим адресом и является уникальным идентифи­катором сетевого устройства. На этом уровне рабо­тают мосты.

• Сетевой уровень, в отличие от двух предыдущих, отвечает за передачу данных меж­ду устройствами в разных сетях. Например, сетевой уровень управляет передачей данных из сети инже­нерного отдела в сеть производственного отдела через про­межуточную сеть административного отдела. На се­тевом уровне появляется еще один способ сетевой ад­ресации — сетевой адрес. Это специфический иден­тификатор для каждой промежуточной сети между ис­точником и приемником информации. На сетевом уровне работают маршрутизаторы.

• Транспортный и более высокие уровни – сеансовый, представительский и прикладной описывают высшие уровни OSI-модели. В от­личие от низших уровней они отвечают за коммуни­кации типа "end-end" (то есть коммуникации между источником и приемником сообщения). Транспорт­ный уровень наиболее интересен из высших уровней для администраторов и разработчиков сетей, так как он управляет потоком данных из одной программы в другую. Способ коммуникаций "end-end" облегчается еще одним способом адресации — адресом процесса, который описывает номер определенной программы, работающей на компьютере. На высших уровнях OSI-модели работают шлюзы.

Внутри OSI-модели данные, посланные пользова­телем на самый высший уровень, проходят вниз че­рез все остальные, где на каждом уровне к ним добавляется информация об адресах и/или контрольная информация. Когда эти данные достигнут низшего (физического) уровня, они будут посланы на другое устройство.

На приемном конце все происходит наоборот. Дан­ные проходят наверх через все уровни, где от них от­секается контрольная информация и информация об адресах. OSI-модель, особенно ее многоуровневая структура коммуникационного процесса, явилась луч­шим архитектурным инструментом разработчиков се­тей.

IEEE-модель

IEEE предложил другой широко используемый вариант OSI-модели. Этот подход стал основным бази­сом для разработки и проектирования сетей. IEEE-модель отличается тем, что разбивает канальный уро­вень OSI-модели на два подуровня: Управление логической связью (LLC) и Управление доступом к среде передачи (MAC).

Уровень Управления доступом к среде передачи (Me­dia Access Control, MAC) описывает способ досту­па сетевого устройства к среде передачи данных. Стан­дарты МАС-уровня существуют для Ethernet, Token Ring и FDDI.

Уровень Управления логической связью (Logical Link Control — LLC) описывает способ установления и завершения соединения и передачи данных. LLC обес­печивает сервис трех типов:

• без установ­ления соединения и подтверждения доставки — сервис с минимальными наклад­ными расходами и сложностью. Он не гарантирует доставку сообщений. Такой сервис аналогичен поч­товой службе, у которой перед передачей сообщений не устанавливается связь с местом назначения. Этот тип сервиса обычно называют дейтаграммным (Data­gram Service). Он чаще используется в приложениях, где протоколы более высокого уровня сами обеспе­чивают защиту от ошибок и функции цепочечной передачи данных.

• с установлением соединения — обеспе­чивает самый надежный обмен данными, но из-за коррекции ошибок и других накруток он наиболее сложен и медлителен. Такой сервис аналогичен те­лефонному, где перед передачей сообщений проис­ходит установление соединения. Этот вид сервиса лучше всего использовать для приложений, которые посылают много больших сообщений.

• без установления соединения с подтверж­дением доставки — чаще всего используется на авто­матизированном производстве, где один центральный процессор работает с большим числом программиру­емых устройств с ограниченной вычислительной мощ­ностью. Сервис такого рода разгружает эти устрой­ства от бремени установления соединения.

OSI-модель создала концептуальный остов для разработчиков сетей, но ее использование на рынке в виде конечных продуктов до недавнего времени было минимальным, хотя широко распространились другие коммуникационные продукты и протоколы, исполь­зующие многоуровневые структуры OSI и IEEE.

Мосты

Мост, как и повторитель, соединяет сегменты ЛВС или рабочие группы. Однако, в отличие от повторителя, мост позволяет разбить сеть на несколько сегментов, изолировав за счет этого часть трафика. Например, если трафик какой-то рабочей группы забивает сеть пакетами, уменьшая ее производительность, то с помощью моста можно выделить эти компьютеры в отдельный сегмент и изолировать его от остальной сети.

Мосты позволяют решать следующие задачи:

1. Увеличивать размеры сети.

2. Увеличивать максимальное количество компьютеров в сети.

3. Устранять узкие места, появляющиеся при возрастании трафика в результате подключения избыточного числа компьютеров.

4. Разбивать перегруженную сеть на отдельные сегменты с уменьшенным трафиком, при этом каждый сегмент начинает работать более эффективно.

5. Соединять разнородные физические носители, такие, как витая пара и коаксиальный кабель.

6. Соединять разнородные сегменты сети, такие, как Ethernet и Token Ring, и переносить между ними пакеты.

В соответствии с этими задачами существуют мосты четырех основных типов, но не­зависимо от типа все они функционируют на каналь­ном уровне OSI-модели, как показано на рис. 3. Следует добавить, что сети, объединенные мостами, ста­новятся одной сетью в терминах OSI, то есть имеют один сетевой адрес, и называют их сегмента­ми сети.

Сегмент A Сегмент B

Прикладной	МОСТ		Прикладной
Представительный			Представительный
Сессионный			Сессионный
Транспортный			Транспортный
Сетевой			Сетевой
Канальный	Канальный	Канальный	Канальный
Физический	Физический	Физический	Физический

Рис. 3. Соединение на канальном уровне с помощью моста

Прозрачные мосты (transparent bridges)

Первый тип моста, прозрачный, нужен для объеди­нения сетей с идентичными протоколами на каналь­ном и физическом уровнях (Ethernet-Ethernet, Token Ring-Token Ring, и т.д.). Эти мосты не нагружают работой остальные сетевые устрой­ства — им не надо участвовать в выборе маршрута и в фильтрации пакетов. С точки зрения сетевых уст­ройств они находятся в одной большой сети с еди­ным сетевым адресом и разными МАС-адресами. Опишем работу прозрачного моста (рис. 3):

1. Мост, используя протоколы канального и фи­зического уровней сегмента А, считывает из заголов­ков пакетов, переданных из этого сегмента, МАС-адрес назначения.

2. Игнорирует пакеты, адресованные в сегмент А.

3. Используя протоколы канального и физического уровней — общие в обоих сегментах, мост передает па­кеты из сегмента А в сегмент В.

4. Мост производит такие же операции и в обрат­ном направлении.

Естественно, мост должен "обладать" некоторы­ми знаниями о местоположении сетевых устройств. Конечно, эту информацию можно ввести вручную, но обычно мосты сами находят местоположение ад­ресов.

Мосты изучают адреса устройств, прочитывая ад­реса всех проходящих через него пакетов. Как толь­ко мост получает пакет, он обновляет свою базу дан­ных, называемую таблицей передачи. Эта база содержит список всех МАС-адресов устройств, пакеты к которым проходили через мост, направление, на котором устройство подключено, и некоторое значение, описывающее возраст по­следнего обновления этой записи.

Мост передает пакеты в соответствии со своей базой данных. Когда мост получает пакет, то он сравни­вает адрес назначения с адресами в базе данных. Если такого адреса в базе нет, то в первый раз он передает пакет по всем направлениям (кроме того, откуда пакет получен). Такой процесс передачи пакета называется затоп­лением.

Если мост находит в базе данных адрес назначе­ния, то он сравнивает значения направления из базы и от пришедшего пакета. Их совпадение означает, что адреса отправителя и получателя расположены в одном сегменте сети. В этом случае пакет транслировать не надо, и мост его игнорирует. Когда же оказывается, что адреса отправителя и получателя расположены по разным направлениям, мост отправляет пакет в нужный сегмент сети.

Транслирующие мосты (translating bridges)

Транслирующий мост — это специальная форма про­зрачного моста. Он используется для объединения сетей с разными протоколами на канальном и физическом уровнях. На рис. 4 изображен транслирую­щий мост, который объединяет две сети — Ethernet и Token Ring.

B

A

Транслирующий

мост

Рис. 4. Транслирующий мост соединяет сети Ethernet и Token Ring

Транслирующие мосты объединяют сети путем ма­нипуляции конвертами, ассоциированными с ка­ждой из сетей. Механизм функционирования транс­лирующих мостов на самом деле довольно прост, так как конверты Ethernet, Token Ring и FDDI практически идентичны. Но трудность заключает­ся в том, что в разные сети поступают пакеты разной длины. И поскольку транслирующий мост не мо­жет разбивать пакеты на части, каждое сетевое уст­ройство должно быть сконфигурировано для передачи пакетов одинаковой длины, поддерживаю­щейся всеми сетями, объединенными с помощью этого моста.

Основываясь на рис. 4, работу транслирующего мос­та можно описать следующими действиями:

1. Мост, используя протоколы канального и фи­зического уровней, считывает из заголовков пакетов, переданных из сети A (Token Ring), МАС-адрес на­значения.

2. Игнорирует пакеты, адресованные в сеть А.

3. Используя протоколы канального и физического уровней сети В (Ethernet), мост передает пакеты в сеть В.

4. Мост производит идентичные операции и в об­ратном направлении.