Основы проектирования приборов и систем. Лекции

Рисунок 73 Разъем BNC байонетного типа

Для присоединения тонкого кабеля через BNC разъемы к сетевым платам и другим устройствам используются Т-коннекторы (см. рис. 74).

Рисунок 74 Т-коннектор

Как и в случае витых пар, важным параметром коаксиального кабеля является тип его внешней оболочки. Точно так же в данном случае применяются как non-plenum (PVC), так и plenum кабели.

Типичные величины задержки распространения сигнала в коаксиальном кабеле составляют для тонкого кабеля около 5 нс/м, а для толстого около 4,5 нс/м.

Существуют варианты коаксиального кабеля с двойным экраном (один экран расположен внутри другого и отделен от него дополнительным слоем изоляции). Такие кабели имеют лучшую помехозащищенность.

В настоящее время считается, что коаксиальный кабель устарел, в большинстве случаев его вполне может заменить витая пара или оптоволоконный кабель.

Еще одним активно развивающимся типом среды передачи является оптоволоконный или волоконно -оптический кабель. При этой технологии передача информации происходит посредством световых импульсов. Для обеспечения максимальной дальности при разумной мощности сигнала свет излучается внутрь световода, который направляет его точке доставки. Световод изготовляется из оптически прозрачного материала (пластик, стекло, кварц) и представляет собой тонкое волокно (диаметром 1 100 мкм), коэффициент преломления которого изменяется по диаметру таким образом, чтобы отклонившийся к краю луч возвращался обратно к центру. Внутренняя изоляция стеклянная или пластиковая оболочка, не позволяет свету выходить за пределы волокна (см. рис. 75).

Рисунок 75 Структура оптоволоконного кабеля

В данном случае речь идет о режиме полного внутреннего отражения света от границы двух веществ с разными коэффициентами преломления (у стеклянной оболочки коэффициент преломления значительно ниже, чем у центрального волокна). Металлическая оплетка кабеля обычно отсутствует, так как экранирование от внешних электромагнитных помех не требуется. Иногда для механической защиты от

окружающей среды применяют металлическую оплетку, такой кабель называют броневым, он может объединять под одной оболочкой несколько оптоволоконных кабелей.

Оптоволоконный кабель обладает исключительными характеристиками по помехозащищенности и защиты (секретности) передаваемой информации. Никакие внешние электромагнитные помехи в принципе не способны исказить световой сигнал, а сам сигнал не порождает внешних электромагнитных излучений. Подключиться к этому типу кабеля для несанкционированного снятия информации практически невозможно, так как при этом нарушается целостность кабеля. Теоретически возможная полоса пропускания такого кабеля достигает величины 1012 Гц, то есть 1000 ГГц, что несравнимо выше, чем у электрических кабелей. Стоимость оптоволоконного кабеля постоянно снижается и сейчас сравнима со стоимостью

коаксиального кабеля.

Типичная величина затухания сигнала в оптоволоконных кабелях на частотах, используемых в локальных сетях, составляет от 5 до 20 дБ/км, что примерно соответствует показателям электрических кабелей на низких частотах. Но в случае при росте частоты передаваемого сигнала затухание увеличивается очень незначительно, и на больших частотах (особенно свыше 200 МГц) его преимущества перед электрическим кабелем неоспоримы.

Таким образом, основные достоинства оптоволоконного кабеля - большая дальность (до 40 км) и

устойчивость к электромагнитным помехам.

Однако оптоволоконный кабель имеет и некоторые недостатки. Самый главный из них сложность монтажа (от точности стыковки коннектора (разъема) и волокна сильно зависит затухание в коннектора). Для установки коннектора применяют сварку или склеивание с помощью специального геля, имеющего такой же коэффициент преломления света, что и стекловолокно. В любом случае требуется высокая квалификация персонала и специальные инструменты. Поэтому оптоволоконный кабель продается в виде соединительных оптических шнуров (патч-кордов) разной длины, предназначенных для соединения активного сетевого оборудования и оптических кроссов/розеток, на обоих концах которых уже установлены коннекторы нужного типа, а также в виде монтажных шнуров (пигтейлов) для оконцовки оптического кабеля методом сварки (пигтейл представляет оптический миникабель с установленным коннектором с одной стороны).

Для оконцовки волоконно-оптических кабелей используются оптические коннекторы (разъемы) типа SC, ST, FC, LC, MTF, FDDI (см. рис. 76). Коннектор обеспечивает качественное механическое соединение оптических волокон при разводке волокон в кроссе или подсоединения кабеля к активному оборудованию или рабочему месту.

Рисунок 76 Оптические коннекторы

Для соединения двух кабелей, оконцованных коннекторами того же типа, используются оптические адаптеры (розетки), которые предназначены для установки в оптических кроссах (см. рис. 77). Выпускаются адаптеры под разъемы SC, ST, FC, LC, MTF, FDDI как в одномодовом, так и в многомодовом исполнении. Адаптеры отличаются друг от друга материалом центрирующей втулки (металл, полимер, керамика). В зависимости от количества соединяемых коннекторов адаптеры могут быть симплексными (для соединения одной пары коннекторов) и дуплексными (для соединения двух пар коннекторов).

Размеры световодов (центрального волокна) выбраны не случайно. Они непосредственно связаны с используемой частотой световой волны. В современных оптоволоконных технологиях используются три основных длины волны: 850 нм, 1300 нм и 1500 нм. Наиболее качественной и высокоскоростной связью обладают каналы на основе волн длиной 1500 нм. Однако оконечное оборудование, способное работать на данной длине волны значительно дороже и предполагает применение только лазерных источников света.

Рабочая длина волны 850 нм наиболее характерна для многомодовых волокон, тогда как одномодовые волокна применяются для волн длиной на 1500 нм. При этом в многомодовом кабеле наблюдается разброс длин волн около 30 50 нм.

Диаметр внешней оболочки кабеля составляет: 125 мкм и 140 мкм ± 3 мкм. Согласно размерам центрального волокна и внешней оболочки обозначение одномодового и многомодового кабеля следующее: 1,3/125; 9/125; 50/125; 62,5/125; 100/140 и т.д.

Оптоволоконные кабели, как и электрические, выпускаются в исполнении plenum и non-plenum.

Кроме кабельных каналов в компьютерных сетях также широко используются бескабельные каналы. Их главное преимущество в том, что не требуется прокладки кабелей. К тому же сетевые компьютеры можно легко перемещать в пределах здания, так как они ни к чему не привязаны.

Радиоканал использует передачу информации по радиоволнам, поэтому он может обеспечить связь на многие десятки, сотни и даже тысячи километров. Скорость передачи достигает десятков мегабит в секунду (многое зависит от выбранной длины волны и способа кодирования).

В радиоканале используется передача в узком диапазоне частот и модуляция информационным сигналом сигнала несущей частоты.

Главные недостатки радиоканала являются отсутствие защиты от прослушивания и слабая помехозащищенность.

Для локальных беспроводных сетей (WLAN Wireless LAN ) в настоящее время применяются подключения по радиоканалу на небольших расстояниях (обычно до 100 метров) и в пределах прямой видимости. Чаще всего используются два частотных диапазона 2,4 ГГц и 5 ГГц. Скорость передачи до 54 Мбит/с. Распространен вариант со скоростью 11 Мбит/с.

Популярная технология Wi-Fi (Wireless Fidelity) позволяет организовать связь между компьютерами числом от 2 до 15 с помощью концентратора, называемого точкой доступа - AP (Access Point), или нескольких концентраторов, если компьютеров от 10 до 50. Кроме того, эта технология дает возможность связать две локальные сети на расстоянии до 25 километров с помощью мощных беспроводных мостов. На рисунке 80 показано объединение компьютеров с помощью одной точки доступа. Многие мобильные компьютеры (ноутбуки) уже имеют встроенный контроллер Wi-Fi, что существенно упрощает их подключение к беспроводной сети.

Рисунок 80 Объединение компьютеров с помощью технологии Wi-Fi

Радиоканал широко применяется в глобальных сетях как для наземной, так и для спутниковой связи.

Инфракрасный канал также не требует соединительных проводов, так как использует для связи инфракрасное излучение (как пульт дистанционного управления домашнего телевизора). Главное его преимущество по сравнению с радиоканалом нечувствительность к электромагнитным помехам, что позволяет применять его, например, в производственных условиях, где всегда много помех от силового оборудования. Плохо работает инфракрасная связь при наличии источников теплового (инфракрасного) излучения и в условиях сильной запыленности воздуха.

Скорости передачи информации по инфракрасному каналу обычно не превышают 5 - 10 Мбит/с, но при использовании инфракрасных лазеров может быть достигнута скорость более 100 Мбит/с.

В основном инфракрасные каналы используются для связи компьютеров с периферией (интерфейс

IrDA).

Инфракрасные каналы делятся на две группы:

каналы прямой видимости, в которых связь осуществляется на лучах, идущих непосредственно от передатчика к приемнику. При этом связь возможна только при отсутствии препятствий между компьютерами сети. Протяженность канала прямой видимости может достигать нескольких километров;

каналы на рассеянном излучении, которые работают на сигналах, отраженных от стен, потолка, пола и других препятствий. Связь может осуществляться только в пределах одного помещения.

Беспроводные каналы связи подходят для топологии типа шина, в которой информация передается одновременно всем абонентам. Но при использовании узконаправленной передачи и/или частотного разделения по каналам можно реализовать любые топологии (кольцо, звезда, комбинированные топологии) как на радиоканале, так и на инфракрасном канале.

Лекция 14

1) Сетевые топологии.

Под топологией (компоновкой, конфигурацией, структурой) компьютерной сети обычно понимается физическое расположение компьютеров сети друг относительно друга и способ соединения их линиями связи. Важно отметить, что понятие топологии относится, прежде всего, к локальным сетям, в которых структуру связей можно легко проследить. В глобальных сетях структура связей обычно скрыта от пользователей и не слишком важна, так как каждый сеанс связи может производиться по собственному пути.

Топология определяет требования к оборудованию, тип используемого кабеля, допустимые и наиболее удобные методы управления обменом, надежность работы, возможности расширения сети.

Топология сети указывает не только на физическое расположение компьютеров, но и на характер связей между ними, особенности распространения информации, сигналов по сети. Именно характер связей определяет степень отказоустойчивости сети, требуемую сложность сетевой аппаратуры, наиболее подходящий метод управления обменом, возможные типы сред передачи (каналов связи), допустимый размер сети (длина линий связи и количество абонентов), необходимость электрического согласования и многое другое.

Существует три базовые топологии сети:

Шина (bus) все компьютеры параллельно подключаются к одной линии связи и пользуются ею поочередно. В этом случае возникает вопрос арбитража доступа к среде передачи или методов доступа (см.

рис. 81);

Рисунок 81 Сетевая топология шина

Кольцо (ring) компьютеры последовательно объединены в кольцо. Передача информации в кольце всегда производится только в одном направлении. Каждый из компьютеров передает информацию только одному компьютеру, следующему в цепочке за ним, а получает информацию только от предыдущего в цепочке компьютера (см. рис. 82). Такая схема соединения позволяет легко решить все проблемы, связанные с доступом к среде передачи, так что ни о каком арбитраже при доступе к среде передачи речь идти не может. В наиболее распространенном стандарте, использующем кольцевую архитектуру, - Token Ring компьютеры присоединяются к кольцу не непосредственно, а при помощи специальных устройств,

называемых MAU (Multiple Access Unit устройство множественного доступа ) или MSAU (Multi-Station Access Unit устройство группового доступа ). Сигнал в кольце проходит последовательно через все компьютеры сети, поэтому выход из строя хотя бы одного из них (или же его сетевого оборудования) нарушает работу сети в целом. Это существенный недостаток кольца;

Рисунок 82 Сетевая топология кольцо

Звезда (star) к одному центральному устройству (центральный узел), которое может быть активным или пассивным, присоединяются периферийные компьютеры, причем каждый из них использует отдельную линию связи (см. рис. 83). Пассивный центральный узел просто соединяет между собой все лучи звезды, как это имеет место в сетях Ethernet на витой паре. Результатом является полная идентичность топологии звезда с пассивным центральным узлом и шинной топологии. Таким образом, несмотря на то, что компьютеры в сетях Ethernet подключены к концентратору, топология фактически является шиной, а не звездой, что и приводит к необходимости использования соответствующих способов арбитража среды передачи. Большое достоинство звезды (как активной, так и пассивной) состоит в том, что все точки подключения собраны в одном месте. Это позволяет легко контролировать работу сети, локализовать неисправности путем простого отключения от центра тех или иных абонентов (что невозможно, например, в случае шинной топологии).

Рисунок 83 Сетевая топология звезда

Кроме трех рассмотренных базовых топологий нередко применяется также сетевая топология дерево (tree), которую можно рассматривать как комбинацию нескольких звезд (см. рис. 84).

Рисунок 84 Сетевая топология дерево

2) Сетевые устройства физического уровня.

Кфизическому уровню относятся следующие устройства:

сетевые адаптеры (NIC - Network Interface Card);

повторители (Repeater); концентраторы (Hub);

конверторы или трансиверы (TRANsmitter + reCEIVER).

Сетевые адаптеры обеспечивают сопряжение компьютеров с сетью, то есть осуществляют обмена информацией между компьютером и каналом связи в соответствии с принятыми правилами обмена. Они выполняют функции первого и второго уровней модели OSI (см. рис. 85).

Рисунок 85 Функции сетевого адаптера в модели OSI

Сетевые адаптеры выполняются в виде платы (см. рис. 86), вставляемой в слоты расширения системной магистрали (шины) компьютера (чаще всего PCI, ISA или PC-Card). Плата сетевого адаптера обычно имеет один или несколько внешних разъемов для подключения к ней кабеля сети.

Сетевые адаптеры Ethernet могут выпускаться со следующими наборами разъемов: разъем RJ-45 (для кабеля на витых парах по стандарту 10BASE-T);

разъемы RJ-45 (для кабеля на витых парах 10BASE-T) и BNC (для коаксиального кабеля

разъем RJ-45 (10BASE-T) и трансиверный разъем AUI; Combo разъемы RJ-45 (10BASE-T), BNC (10BASE2), AUI;

Coax разъемы BNC, AUI;

FL разъем ST (для оптоволоконного кабеля 10BASE-FL).

Рисунок 86 Плата сетевого адаптера

Функции сетевого адаптера следующие:

магистральные; сетевые.

К магистральным относятся те функции, которые осуществляют взаимодействие адаптера с магистралью (системной шиной) компьютера, то есть опознание магистрального адреса, пересылка данных в компьютер и из компьютера, выработка сигнала прерывания процессора и т.д.

Сетевые функции обеспечивают общение адаптера с сетью.

Совместно с программными средствами, предназначенными для его поддержки, сетевой адаптер в процессе приема и передачи кадра выполняет семь основных сетевых функций. При передаче данных эти функции выполняются в определенной последовательности. В процессе приема данных их выполнение осуществляется в обратном порядке:

Передача данных. Данные передаются из памяти компьютера в сетевой адаптер или обратно при помощи режима ПДП (DMA) или программируемого ввода-вывода;

Буферизация. До тех пор, пока данные не будут обработаны сетевым адаптером, они содержатся в буфере. Буфер позволяет адаптеру получить доступ ко всему кадру целиком, а также согласовать скорость, с которой данные передаются по сети, и скорость обработки данных компьютером;

Формирование кадра. Сетевой адаптер должен разбить данные на удобные фрагменты (если на приемной стороне, то собрать их вместе). В сети Ethernet эти фрагменты имеют длину 4 кбайта. В начало кадра данных добавляется заголовок, а в конец кадра данных концевик кадра.

Доступ к среде передачи. В сетях Ethernet сетевой адаптер должен убедиться в том, что линия свободна, прежде чем выполнить передачу кадра. В сетях с передачей маркера (ARCnet, Token Ring) адаптер ждет получения маркера, после чего захватывает маркер;

Параллельно-последовательное преобразование. Находящиеся в буфере байты передаются по кабелю в последовательной форме, бит за битом. Сетевой адаптер выполняет эти преобразования;

Кодирование и декодирование. Формируются электрические сигналы, представляющие передаваемые данные. Большинство сетевых адаптеров используют Манчестерское кодирование (код Манчестер-II). Преимущество этой техники кодирования заключается в том, что служебные данные для синхронизации интегрируются с передаваемыми данными при помощи битовых последовательностей. Поэтому этот код относится к самосинхронизирующимся.

Вместо того, чтобы представлять 0 отсутствием электрического сигнала, а 1 его наличием, 0 и 1 представляются изменениями полярности, происходящими за очень короткие интервалы времени. Логическому 0 соответствует положительный переход в центре битового интервала (то есть первая половина битового интервала низкий уровень, вторая половина высокий), а логической 1 соответствует отрицательный переход в центре битового интервала (или наоборот). Обязательное наличие перехода в центре бита позволяет приемнику манчестерского кода легко выделить из пришедшего сигнала синхросигнал. Для скорости передачи 10 Мбит/с требуется полоса пропускания 10 МГц (см. рис. 87);

Прием и передача импульсов. Электрические импульсы, кодирующие данные (кадры), усиливаются по кабелю.

Рисунок 87 Скорость передачи и пропускная способность при манчестерском коде

Типичный алгоритм взаимодействия компьютера с сетевым адаптером выглядит следующим образом:

если компьютер готовится передать пакет, то он формирует пакет в своей памяти, затем пересылает его в буферную память сетевого адаптера и дает команду адаптеру на передачу;

адаптер анализирует текущее состояние сети и при первой же возможности выдает пакет в сеть (выполняет управление доступом к среде передачи). При этом он производит преобразование информации из буферной памяти в последовательный вид для побитной передачи по сети, подсчитывает контрольную сумму, кодирует биты пакета в сетевой код и через узел гальванической развязки выдает пакет в кабель сети. Буферная память в данном случае позволяет освободить компьютер от контроля состояния сети, а также обеспечить требуемый для сети темп выдачи информации;

если по сети приходит пакет, то сетевой адаптер через узел гальванической развязки принимает биты пакета, производит их декодирование из сетевого кода и сравнивает сетевой адрес приемника из пакета со своим собственным адресом. Если адрес совпадает, то сетевой адаптер записывает пришедший пакет в свою буферную память и сообщает компьютеру (обычно сигналом аппаратного прерывания) о том, что пришел пакет и его надо считать. Одновременно с записью пакета производится подсчет контрольной суммы, что позволяет к концу приема сделать вывод, имеются ли ошибки в этом пакете. Буферная память в данном случае опять же позволяет освободить компьютер от контроля сети, а также обеспечить высокую степень готовности сетевого адаптера к приему пакетов.

Некоторые адаптеры позволяют реализовать функцию удаленной загрузки, то есть поддерживать работу в сети бездисковых компьютеров, загружающих свою операционную систему прямо из сети. Для этого в состав таких адаптеров включается постоянная память с соответствующей программой загрузки. Правда, не все сетевые программные средства поддерживают данный режим работы.

При выборе сетевых адаптеров обращают внимание на следующие параметры: метод доступа и протокол обмена; скорость передачи данных;

размер памяти, размещенной на адаптере и используемой для буферизации кадров; конструкция системной шины, для которой предназначен адаптер (8 бит, 16 бит, PC-104); максимальная скорость шины;

совместимость с различными комплектами микросхем, реализующих функции центрального процессора;

использование режима ПДП (DMA);

используемые линии прерывания и адреса ввода/вывода; встроенный интеллект;

конструкция разъемов подключения к локальной сети (BNC, RJ-45, ST).

Повторители применяются в сетях на коаксиальном кабеле и служат для компенсации потерь, которые испытывает сигнал при прохождении по кабелю, то есть восстанавливают ослабленные сигналы (их амплитуду и форму), приводя их к исходному виду (см. рис. 88). Цель такой ретрансляции сигналов состоит исключительно в увеличении длины сети. Повторители работают на физическом уровне.