Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электронные средства сбора и обработки информации. Учебное пособие
.pdf
полнительного увеличения скорости передачи используется технология
MIMO. Основной принцип этой технологии заключается в использовании
нескольких приёмопередатчиков, работающих на одной и той же частоте.
При этом каналы разделяются за счет пространственного разнесения антенн. Например при объединении двух каналов по 20 МГц можно получить скорость передачи до 150 Мбит/с.
В стандарте 802.11ac максимальная скорость передачи данных теоретически может достигать 6,93 Гбит/с, однако оборудование, поддерживающее такую скорость, еще находится в разработке. Увеличение скорости
было достигнуто за счёт увеличения полосы пропускания до 160 МГц,
увеличения глубины модуляции до 256 уровней на один символ (8 бит на
1 бод) и применения технологии MIMO 8x8. Однако эти изменения кроме
огромного плюса в виде большого увеличения скорости передачи и возможности одновременной передачи данных двум абонентам имеют и недостатки. Так, увеличение полосы пропускания сделало невозможным работу на частоте 2,4 ГГц. Большая глубина модуляции повысила требования к соотношению сигнал/шум, что сократило радиус уверенной связи.
2.12. ТЕХНОЛОГИЯ ETHERNET
Ethernet – это один из самых распространенных на сегодняшний день
стандарт обмена данными.
Протокол Ethernet основан на экспериментальной сети Ethernet
Network, которую фирма Xerox разработала и реализовала еще в 1975 г.
В 1980 г. фирмами DEC, Intel и Xerox был совместно разработан и опубликован стандарт Ethernet версии II, построенный на основе коаксиального кабеля. На основе этого стандарта был разработан стандарт IEEE 802.3.
В зависимости от типа физической среды передачи данных стандарт IEEE
802.3 имеет различные модификации, такие как l0Base-5, l0Base-2, l0Base-
T, l0Base-FL, l0Base-FB.
В 1995 г. был разработан стандарт Fast Ethernet, а в 1998 г. – стандарт
Gigabit Ethernet.
Все варианты физического уровня технологии Ethernet для передачи
двоичной информации используют манчестерский код и один и тот же метод разделения среды передачи данных – метод CSMA/CD (рис. 2.24).
51
Рис. 2.24. Метод случайного доступа CSMA/CD
Чаще всего этот метод применяется в сетях, имеющих топологию
«общая шина». В этой топологии все устройства одновременно имеют
непосредственный доступ к линии связи, поэтому она может быть использована для передачи данных между любыми двумя узлами сети. Соответственно различные устройства могут одновременно передавать данные по
линии связи, что приводит к искажению сигнала и соответственно к
ошибке передачи. Поэтому для получения возможности передачи информации устройство перед передачей должно убедиться, что линия связи
свободна. Для этого осуществляется прослушивание основной гармоники
сигнала (несущей частоты). Признаком незанятости линии связи является
отсутствие на ней несущей частоты, которая при манчестерском способе
кодирования равна 5–10 МГц, в зависимости от последовательности единиц и нулей, передаваемых в данный момент.
Если линия связи свободна, то устройство имеет право начать переда-
чу информации. В случае, когда два устройства одновременно начинают
передавать данные по общей линии связи, сигналы от этих устройств искажаются и происходит ошибка передачи данных, так называемая коллизия.
Коллизия является нормальной ситуацией в работе сетей Ethernet. Для
корректной обработки коллизии все устройства одновременно наблюдают
за возникающими на кабеле сигналами. Если устройство определяет отличия передаваемого и наблюдаемого в линии связи сигналов, то фиксируется обнаружение коллизии. Для уверенного обнаружения коллизии всеми
подключенными устройствами, устройство, обнаружившее коллизию,
52
прерывает передачу своих данных и усиливает коллизию посылкой в линию связи специальной последовательности из 32 бит, называемой jam-
последовательностью.
Устройство, которое обнаружило коллизию, прекращает передачу и
делает паузу в течение случайного интервала времени, определяемого по
формуле
Пауза = L *(интервал отсрочки),
где интервал отсрочки равен 512 битовым интервалам; L – целое число,
выбранное с равной вероятностью из диапазона [0, 2N ]; N – номер повторной попытки передачи данного кадра: 1,2,..., 10.
После чего устройство снова предпринимает попытку передачи дан-
ных.
После 10-й коллизии интервал, из которого выбирается пауза, не уве-
личивается. После 16-й подряд коллизии устройство прекращает передачу
данных и передает сигнал ошибки. Необходимо заметить, что метод доступа CSMA/CD не гарантирует устройству получение доступа к линии
связи. При небольшой загрузке линии связи вероятность такого события
невелика, но при большом количестве устройств, подсоединенных к линии связи, такое событие становится очень вероятным.
Протокол Ethernet является протоколом канального уровня по класси-
фикации OSI, поэтому все данные, передаваемые по этому протоколу ,
помещаются в кадры определенной структуры и снабжаются уникальным
адресом станции назначения.
В классической сети Ethernet на коаксиальном кабеле сигналы пере-
датчика узла распространяются в обе стороны, так что все узлы сети их
получают. Кадр данных всегда сопровождается преамбулой (preamble), со-
стоящей из 7 байт, имеющих значения 10101010, и 8-го байта, равного
10101011. Преамбула предназначена для побитовой и побайтовой синхронизации приемника с передатчиком.
Все подключенные устройства распознают факт передачи кадра, и ус-
тройство, которому предназначены данные, записывает их в свой внутренний буфер, обрабатывает и передает их вверх по своему стеку, а затем
посылает кадр-ответ. Адрес устройства-источника содержится в исходном
53
кадре, поэтому устройство-получатель знает, кому нужно послать ответ.
После окончания передачи кадра все устройства выдерживают технологическую паузу в 9,6 мкс, называемую межкадровым интервалом. Эта пауза
необходима для приведения сетевых адаптеров в исходное состояние,
а также для предотвращения монопольного захвата среды одним устройством. После окончания технологической паузы узлы имеют право начать
передачу своего кадра, так как среда свободна.
54
3. КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ
3.1. ЭВОЛЮЦИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
3.1.1. Системы пакетной обработки
Первые компьютеры 50-х годов были очень большими и дорогими.
Часто такие компьютеры занимали целые здания. Первые компьютеры не
были предназначены для интерактивной работы с пользователем, а использовались в режиме пакетной обработки.
Системы пакетной обработки чаще всего строились на базе мэйнфрейма – мощного и надежного (для тех лет) компьютера универсального
назначения. Пользователи подготавливали перфокарты или перфоленты,
содержащие данные и команды программ, и передавали их в вычислительный центр. Затем операторы вводили данные с перфокарт или перфолент в компьютер и запускали программу на выполнение. После выполнения программы результаты распечатывались и передавались пользователям. При возникновении ошибки или ввода некорректных данных процедура повторялась.
Для пользователей такой режим работы с компьютером был очень
неудобен, поскольку не было возможности оперативно руководить процессом обработки своих данных. Но интересами пользователей на первых
этапах развития вычислительных систем в значительной степени пренебрегали, так как пакетный режим является самым эффективным в плане
использования вычислительной мощности. Этот режим позволяет выполнить в единицу времени больше пользовательских задач, чем любые другие режимы. На заре становления вычислительных систем во главу угла
ставилась эффективность работы самого дорогого устройства вычислительной машины – процессора в ущерб эффективности работы использующих его специалистов. Примером компьютера с пакетной обработкой
информации является советский компьютер «Урал-1», выпускавшийся в
1957–1961 гг. [7].
3.1.2. Многотерминальные системы
В начале 60-х годов появились новые способы организации вычислительного процесса, которые позволили учесть интересы пользователей, –
интерактивные многотерминальные системы разделения времени. В таких
55
системах к компьютеру подключались несколько терминалов, с помощью
которых пользователи могли вести диалог с компьютером. Время реакции
такой вычислительной системы было достаточно мало для того, чтобы
пользователь не замечал параллельную работу с компьютером других
пользователей. Таким образом, несколько пользователей получили возможность пользоваться одним компьютером в интерактивном режиме.
В таких системах появилась возможность установки терминалов не
только в вычислительном центре, но и в других отделах, при этом вычислительная мощность оставалась полностью централизованной. Такие многотерминальные централизованные системы внешне уже были очень похожи на локальные вычислительные сети, поскольку пользователь работу
за терминалом мэйнфрейма воспринимал примерно так же, как сейчас
воспринимают работу за подключенным к сети персональным компьютером. Пользователь получал доступ к периферийным устройствам и общим
файлам, что давало иллюзию единоличного владения компьютером, особенно в режиме ввода информации. Кроме того, пользователь мог запускать программы в любой момент времени и почти сразу же получать результат. Однако скорость выполнения программ на таких системах была
невысокой, из-за того, что вычислительные ресурсы системы делились
между всеми пользователями. Но несмотря на этот недостаток, многотерминальные системы стали большим шагом вперед на пути создания локальных вычислительных сетей по сравнению с системами пакетной обработки.
С другой стороны, в это время не было потребности предприятий
в создании локальных сетей, поскольку из-за высокой стоимости вычислительной техники предприятия обычно не приобретали несколько компьютеров. В этот период был справедлив закон Гроша, который гласил,
что производительность компьютера пропорциональна квадрату его стоимости. Отсюда следовало, что за одну и ту же сумму было выгоднее купить одну мощную машину, чем две менее мощные, потому что их суммарная мощность оказывалась намного ниже мощности дорогой машины.
3.1.3. Глобальные сети
К 1970-м годам появилась потребность в обмене информацией между
компьютерами, находящимися на большом расстоянии друг от друга. Ре-
56
шение этой задачи началось с более простой, а именно с обеспечения доступа к компьютеру с терминалов, удаленных от него на многие сотни,
а то и тысячи километров. Терминалы соединялись с майнфреймом при
помощи модемов через телефонные сети, что позволило многочисленным
пользователям получать удаленный доступ к разделяемым ресурсам нескольких мощных компьютеров. Затем были разработаны системы обмена
данными не только между компьютером и удаленным терминалом, но и
между удаленными компьютерами. Это позволило производить обмен
данными между компьютерами в автоматическом режиме. В этих системах были впервые опробованы и реализованы службы, без которых в сегодняшнее время не обходится ни одна компьютерная сеть, например
службы обмена файлами, синхронизации баз данных, электронной почты
и многие другие.
Поэтому хронологически глобальные вычислительные сети появи-
лись первыми. Именно при разработке и построении глобальных сетей
впервые были предложены и отработаны многие основные идеи и концепции современных вычислительных сетей.
3.1.4. Первые локальные сети
В начале 1970-х годов двадцатого века появились большие интегральные схемы. Со временем их цена уменьшалась, а функциональные
возможности увеличивались. Это привело к созданию относительно дешевых мини-компьютеров, которые стали конкурировать, а со временем и
вытеснили мэйнфреймы. К середине 70-х годов были разработаны и стали
широко использоваться мини-компьютеры PDP-11, Nova, HP. Появление
мини-компьютеров сделало закон Гроша не актуальным, так как производительность нескольких мини-компьютеров была выше, чем одного
мэйнфрейма, а стоимость такой системы была меньше. Такие миникомпью-теры применялись для управления технологическим оборудованием и процессами, логистикой и т. д. Таким образом, в 70-х годах компьютеры на предприятиях устанавливались не только в вычислительном
центре, а также были распределены по всем службам и цехам. Такое распределение компьютеров выявило проблему обмена данными между различными компьютерами, причем эти компьютеры могли располагаться
как в одном отделе, так и в различных. Для решения этой задачи предпри-
57
ятия и организации стали разрабатывать аппаратные и программные средства для соединения своих мини-компьютеров в сеть и разрабатывать программное обеспечение, необходимое для их взаимодействия. В результате
этой работы появились первые локальные вычислительные сети. Такие сети во многом отличались от современных локальных сетей в первую очередь своими устройствами сопряжения, которые были оригинальной конструкции на каждом предприятии и разрабатывались для конкретных задач. Однако с увеличением числа компьютеров на предприятиях стала
очевидной необходимость стандартизации сетевых устройств.
В начале 80-х годов международные организации по стандартизации
ISO, ITU-T и некоторые другие разработали модель взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection – OSI), которая сыграла значительную роль в развитии сетей.
3.2. МОДЕЛЬ OSI
Модель OSI (Open System Interconnection, OSI) – это модель взаимо-
действия открытых систем.
Модель OSI описывает различные уровни взаимодействия между системами, функционал каждого уровня, а также стандартизирует имена.
В модели OSI выделяют семь уровней: прикладной, представительный,
сеансовый, транспортный, сетевой, канальный и физический, и каждый
уровень имеет дело с одним определенным аспектом взаимодействия сетевых устройств. Модель не включает средства взаимодействия приложений конечных пользователей, а описывает только системные средства взаимодействия, которые реализуются операционной системой, системными
утилитами и системными аппаратными средствами.
При этом приложение может выполнять функции некоторых верхних
уровней модели OSI. Например, СУБД, которые имеют встроенные средства удаленного доступа к файлам, могут выполнять доступ к удаленным
ресурсам, не используя системную файловую службу. То есть оно обходит
верхние уровни модели OSI и обращается непосредственно к системным
средствам, ответственным за транспортировку сообщений по сети, расположенным на нижних уровнях модели OSI.
В модели OSI рассматриваются два типа протоколов: протоколы с
установлением соединения и протоколы без предварительного установле-
58
ния соединения. Основное различие этих протоколов заключается в том,
что в протоколах с установлением соединения перед обменом данными
отправитель и получатель сначала устанавливают соединение и после завершения диалога они разрывают это соединение, а в протоколах без
предварительного установления соединения отправитель просто передает
сообщение. При взаимодействии компьютеров используются протоколы
обоих типов.
3.3. УРОВНИ МОДЕЛИ OSI
3.3.1. Физический уровень
На физическом уровне определяются среда передачи данных, спосо-
бы передачи данных (с цифровым или аналоговым кодированием сигналов), физические топологии подключения устройств, характеристики физической среды передачи данных и электрических сигналов, передающих
информацию, и т. д. [8].
Функции физического уровня реализуются во всех устройствах, под-
ключенных к сети. Со стороны компьютера функции физического уровня
выполняются сетевым адаптером или последовательным портом.
Протоколами физического уровня являются: спецификация l0-Base-T
технологии Ethernet, RS-232, RS-485, 802.11 Wi-Fi и др.
3.3.2. Канальный уровень
Канальный уровень определяет логическую структуру сети, решает
вопросы, связанные с адресацией физических устройств в рамках логической сети и управлением передачей информации (синхронизация передачи
и сервис соединений) между сетевыми устройствами, устанавливает правила получения доступа к среде передачи данных.
Протоколы канального уровня решают следующие задачи:
− организацию битов физического уровня (двоичные единицы и ну-
ли) в логические группы информации, называемые фреймами (frame) или
кадрам;
− обнаружение и исправление ошибок, возникающих при передаче
информации;
− управление потоками данных;
− идентификацию компьютеров в сети по их физическим адресам.
59
На канальном уровне происходит группировка данных в наборы,
называемые кадрами (frames), путем добавления собственной управляющей информации в начало пакета данных. Эта информация включает адрес источника и адрес назначения, информацию о длине фрейма и индикацию активных протоколов верхнего уровня.
Одной из важнейших задач протоколов канального уровня является
обеспечение различных устройств к среде передачи данных. Существуют
три стандартных метода доступа к среде передачи данных, при помощи
которых осуществляется управление передачей информации для различных сетевых устройств: состязание, передача маркера и опрос [8].
Системы, основанные на состязании, реализуются на основе принципа «первый пришел – первым обслужен», т. е. каждое сетевое устройство
передает данные только тогда, когда среда передачи данных не занята.
Системы, использующие такой метод, передают данные лишь по мере
необходимости. Это может привести к частичной или полной потере передаваемых данных, потому что в случае одновременной передачи данных
несколькими устройствами происходит искажение сигнала в линии связи.
Такое искажение называется коллизией. При добавлении к сети каждого
нового устройства число коллизий резко возрастает. Увеличение числа
коллизий приводит к снижению производительности сети, а в некоторых
случаях может полностью приостановить работу сети.
Для снижения числа коллизий были разработаны специальные протоколы, в которых реализована функция прослушивания среды передачи
данных до начала передачи. Если передающее устройство обнаруживает
сигнал от другой станции, то оно воздерживается от передачи данных до
освобождения линии связи. Такие протоколы называются протоколами
коллективного доступа с обнаружением несущей (Carrier Sense Multiple
Access – CSMA). Протоколы CSMA позволяют значительно уменьшить
число коллизий, но не устраняют их полностью. По способу обработки
коллизий состязательные протоколы можно разделить на протоколы коллективного доступа с обнаружением несущей/детектированием коллизий
(Carrier Sense Multiple Acces s / Collision Detect i on – CSMA/CD) и протоколы
коллективного доступа с обнаружением несущей/предотвращением коллизий (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance – CSMA/CA).
Протоколы CSMA/CD не только прослушивают линию связи перед
передачей, но также обнаруживают коллизии и инициализируют повтор-
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]