3.2 Устройства и принцип действия модемов

• аппаратные — все операции преобразования сигнала, поддержка физических протоколов обмена, производятся встроенным в модем вычислителем (например с использованием DSP, контроллера). Так же в аппаратном модеме присутствует ПЗУ, в котором записана микропрограмма, управляющая модемом.

• винмодемы — аппаратные модемы, лишённые ПЗУ с микропрограммой. Микропрограмма такого модема хранится в памяти компьютера, к которому подключён модем. Работоспособен только при наличии драйверов, которые обычно писались исключительно под операционные системы семейства MS Windows.

• полупрограммные (Controller based soft-modem) — модемы, в которых часть функций модема выполняет компьютер, к которому подключён модем.

• программные (Host based soft-modem) — все операции по кодированию сигнала, проверке на ошибки и управление протоколами реализованы программно и производятся центральным процессором компьютера. При этом в модеме находится аналоговая схема и преобразователи: АЦП, ЦАП, контроллер интерфейса (например USB).

Лабораторная работа №9. «Сетевое передающее оборудование»

1. Передающее оборудование локальных сетей

   1. Сетевые адаптеры

   2. Повторители

   3. Модули множественного доступа

   4. Концентраторы

   5. Мосты

   6. Коммутаторы

   7. Шлюзы

2. Передающее оборудование глобальных сетей

   1. Мультиплексоры

   2. Телефонные модемы

   3. Серверы доступа

   4. Маршрутизаторы

3. Обеспечение передачи информации в локальных и глобальных сетях

1. Передающее оборудование локальных сетей

1. Сетевые адаптеры

Сетевой адаптер (Network Interface Card, NIC) - это периферийное устройство компьютера, непосредственно взаимодействующее со средой передачи данных, которая прямо или через другое коммуникационное оборудование связывает его с другими компьютерами. Это устройство решает задачи надежного обмена двоичными данными, представленными соответствующими электромагнитными сигналами, по внешним линиям связи. Как и любой контроллер компьютера, сетевой адаптер работает под управлением драйвера операционной системы и распределение функций между сетевым адаптером и драйвером может изменяться от реализации к реализации.

Назначение сетевых адаптеров

Сетевые адаптеры предназначены для сопряжения сетевых устройств со средой передачи с соответствии с принятыми правилами обмена информацией. Сетевым устройством может быть компьютер пользователя, сетевой сервер, рабочая станция и т.д. Набор выполняемых адаптером функций зависит от конкретного сетевого протокола. Ввиду того, что сетевой адаптер и в физическом, и в логическом смысле находится между устройством и сетевой средой, его функции можно разделить на функции сопряжения с сетевым устройством и функции обмена с сетью. Количественный и качественный состав функций сопряжения с сетевым устройством определяется его назначением и функциональной схемой. Если в качестве сетевого устройства выступает компьютер, то связь с сетевой средой можно реализовать двумя способами: через системную магистраль (шину) или через внешние интерфейсы (последовательные или параллельные порты). Наиболее распространенным является способ сопряжения через шину (в основном ISA или PCI). При этом адаптер буферизует данные, поступающие с системной магистрали, и вырабатывает внутренние управляющие сигналы.

Аппаратура локальных сетей обеспечивает реальную связь между абонентами. Выбор аппаратуры имеет важнейшее значение на этапе проектирования сети, так как стоимость аппаратуры составляет наиболее существенную часть от стоимости сети в целом, а замена аппаратуры связана не только с дополнительными расходами, но зачастую и с трудоемкими работами. К аппаратуре локальных сетей относятся:

• кабели для передачи информации;

• разъемы для присоединения кабелей;

• согласующие терминаторы;

• сетевые адаптеры;

• репитеры;

• трансиверы;

• концентраторы;

• мосты;

• маршрутизаторы;

• шлюзы.

О первых трех компонентах сетевой аппаратуры уже говорилось в предыдущих главах. А сейчас следует остановиться на функциях остальных компонентов.

Сетевые адаптеры (они же контроллеры, карты, платы, интерфейсы, NIC – Network Interface Card) – это основная часть аппаратуры локальной сети. Назначение сетевого адаптера – сопряжение компьютера (или другого абонента) с сетью, то есть обеспечение обмена информацией между компьютером и каналом связи в соответствии с принятыми правилами обмена. Именно они реализуют функции двух нижних уровней модели OSI. Как правило, сетевые адаптеры выполняются в виде платы (рис. 5.5), вставляемой в слоты расширения системной магистрали (шины) компьютера (чаще всего PCI, ISA или PC-Card). Плата сетевого адаптера обычно имеет также один или несколько внешних разъемов для подключения к ней кабеля сети.

Рис. 5.5.  Плата сетевого адаптера

Например, сетевые адаптеры Ethernet могут выпускаться со следующими наборами разъемов:

• TPO – разъем RJ-45 (для кабеля на витых парах по стандарту 10BASE-T).

• TPC – разъемы RJ-45 (для кабеля на витых парах 10BASE-T) и BNC (для коаксиального кабеля 10BASE2).

• TP – 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).

Адаптеры Ethernet представляют собой плату, которая вставляется в слот системной платы компьютера. Чаще всего адаптеры Ethernet имеют для связи с сетью два внешних разъема: для коаксиального кабеля (разъем BNC) и для кабеля на витой паре. Наличие двух внешних разъемов позволяет работать по выбору в сети с "тонким" Ethernet или с витой парой. Для выбора типа кабеля применяются перемычки или переключатели, которые устанавливаются перед подключением адаптера к сети. Для подключения витой пары может использоваться 15-контактный разъем AUI или 8-контактный RJ-45.

Адаптеры Fast Ethernet производятся изготовителями с учетом определенного типа среды передачи. Сетевой кабель при этом подключается непосредственно к адаптеру (без трансивера). Тем не менее, иногда используют специальный трансивер. Это делается для того, чтобы сделать адаптер независимым от типа среды передачи. Такой трансивер совместим только с определенным типом кабеля. Адаптер подключается к трансиверу трансиверным кабелем, который оснащен 40-контактным разъемом. Таким образом, для разных кабелей вам необходимо использовать разные трансиверы, но, выбрав подходящий трансивер, вы можете подключить один и тот же адаптер к разным сетям.

Оптические адаптеры стандарта 10BASE-FL могут устанавливаться в компьютеры с шинами ISA, PCI, MCA. Эти адаптеры позволяют отказаться от внешних преобразователей среды и от микротрансиверов. При установке этих адаптеров возможна реализация полнодуплексного режима обмана информацией. Для повышения универсальности в оптических адаптерах сохраняется возможность соединения по витой паре разъемом RJ-45.

Для спецификации 100 BASE-FX соединение концентратора и адаптера по оптоволокну осуществляется с использованием оптических соединителей типа SC или ST. Выбор типа оптического соединителя зависит от того, новая или старая это инсталляция. Если соединители типа ST уже установлены, то их можно продолжать использовать. Однако в новых инсталляциях допускается применение только соединителей типа SC.

Для этой спецификации выпускаются сетевые адаптеры, совместимые с шиной PCI. Адаптеры способны поддерживать как полудуплексный, так и полнодуплексный режим работы. Для облегчения настройки и эксплуатации на переднюю панель адаптера вынесено несколько индикаторов состояния. Кроме того существуют модели адаптеров, способные работать как по одномодовому, так и по многомодовому оптоволокну.

Сетевые адаптеры для технологии Gigabit Ethernet предназначены для установки в сервера и мощные рабочие станции. Для повышения эффективности работы они способны поддерживать полнодуплексный режим обмена информацией.

Адаптеры FDDI могут использоваться на разнообразных рабочих и в устройствах межсетевого взаимодействия – мостах и маршрутизаторах. Существуют адаптеры FDDI, предназначенные для работы со всеми распростаненными шинами. В сети FDDI такие устройства, как рабочие станции или мосты, подсоединяются к кольцу через адаптеры одного из двух типов: с двойным (DAS) или одиночным (SAS) подключением. Адаптеры DAS осуществляют физическое соединение устройств как с первичным, так и со вторичным кольцом, что повышает отказоустойчивость сети. Такой адаптер имеет два разъема (розетки) оптического интерфейса. Адаптеры SAS подключают рабочие станции к концентратору FDDI через одиночную оптоволоконную линию в звездообразной топологии. Эти адаптеры представляют собой плату, на которой наряду с электронными компонентами установлен оптический трансивер с разъемом (розеткой) оптического интерфейса.

Одно из преимуществ FDDI – поддержка протокола управления станцией Station Management (SMT), позволяющего адаптерам FDDI выполнять более широкий круг задач и быть “более самостоятельными”. В отличие от средств управления адаптерами других высокоскоростных ЛВС, протокол SMT включен в спецификации FDDI. Для обеспечения правильной работы каждого из колец адаптеры, поддерживающие SMT, обмениваются информацией о трех уровнях FDDI данного кольца – уровне управления доступом к среде передачи (MAC), физическом уровне и уровне физической среды. В SMT можно выделить три “сферы деятельности” при администрировании FDDI:

• Средства управления на основе кадров отвечают за сбор информации и текущем режиме работы сети;

• Контроль за соединениями охватывает физические соединения и сетевую топологию;

• Администрирование кольца включает слежение за характеристиками логического кольца и его функционированием, например за правильностью циркулирования маркера.

SMT позволяет адаптерам самостоятельно инициализировать свою работу, локализовывать ошибки, выполнять восстановление после сбоя, а также собирать данные о производительности. В других средах для выполнения подобных функций администраторы сетей вынуждены прибегать к услугам анализатора протоколов.

Адаптеры для настольных систем, поддерживающие технологию АТМ, не получили широкого распространения. Основной причиной такого положения дел является широкое распространение коммутируемого Ethernet и его практически повсемесное господство в сетях рабочих групп. Простота реализации сетей Ethernet и их значительно меньшая стоимость давно поставили вопрос о целесообразности разработки и производства адаптеров АТМ для настольных систем. Среди других проблем, возникающих при подключении настольных систем к сетям АТМ, следует упомянуть отсутствие драйверов, ограниченность спектра поддерживаемых шин и небольшой выбор фирм производителей. Но главная причина, тормозящая развитие адаптеров АТМ для настольных систем (точнее не способствующая этому), пожалуй, заключается в том, что до сих пор не было разработано актуального, нужного пользователям приложения, которое бы работало только с технологией АТМ и оправдывало бы все достаточно существенные затраты на ее внедрение в настольные системы.

Характерной чертой адаптеров АТМ является поддержка шинной структуры устройств, подсоединяемых с ее помощью к сети. Большинство адаптеров использует высокоскоростные каналы ввода-вывода, благодаря чему данные проходят через адаптер практически мгновенно. Компания Fore Systems предлагает наиболее широкий ассортимент изделий, которые, однако, поддерживают только оптоволоконные линии. Эти адаптеры могут функционировать на мощных рабочих станциях различных фирм – Digital Equipment, IBM, Hewlett-Packard, Sun и Silicon Graphics. Кроме того, данные продукты доступны в системах с шинами типа EISA или VMEbus. В моделях от Fore Systems используются 16-килобайтный буфер для данных, получаемых из сети, и 4-килобайтный буфер для данных передаваемых в сеть. Другие фирмы предлагают АТМ-адаптеры для конкретных рабочих станций.

Функции сетевого адаптера делятся на магистральные и сетевые. К магистральным относятся те функции, которые осуществляют взаимодействие адаптера с магистралью (системной шиной) компьютера (то есть опознание своего магистрального адреса, пересылка данных в компьютер и из компьютера, выработка сигнала прерывания процессора и т.д.). Сетевые функции обеспечивают общение адаптера с сетью.

К основным сетевым функциям адаптеров относятся:

• гальваническая развязка компьютера и кабеля локальной сети (для этого обычно используется передача сигналов через импульсные трансформаторы);

• преобразование логических сигналов в сетевые (электрические или световые) и обратно;

• кодирование и декодирование сетевых сигналов, то есть прямое и обратное преобразование сетевых кодов передачи информации (например, манчестерский код);

• опознание принимаемых пакетов (выбор из всех приходящих пакетов тех, которые адресованы данному абоненту или всем абонентам сети одновременно);

• преобразование параллельного кода в последовательный при передаче и обратное преобразование при приеме;

• буферизация передаваемой и принимаемой информации в буферной памяти адаптера;

• организация доступа к сети в соответствии с принятым методом управления обменом;

• подсчет контрольной суммы пакетов при передаче и приеме.

Сетевой адаптер обычно выполняет еще и 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 (общая шина, кольцо), доступ к которым предоставляется по специальному алгоритму (наиболее часто применяются метод случайного доступа или метод с передачей маркера доступа по кольцу). В последних стандартах и технологиях локальных сетей наметился переход от использования разделяемой среды передачи данных к использованию индивидуальных каналов связей компьютера с коммуникационными устройствами сети, как это всегда делалось в телефонных сетях, где телефонный аппарат связан с коммутатором АТС индивидуальной линией связи. Технологиями, использующими индивидуальные линии связи, являются 100VG-AnyLAN, ATM и коммутирующие модификации традиционных технологий - switching Ethernet, switching Token Ring и switching FDDI. При использовании индивидуальных линий связи в функции сетевого адаптера часто входит установление соединения с коммутатором сети.

• 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. Так как в локальных сетях используются широкополосные кабели, то сетевые адаптеры не используют модуляцию сигнала, необходимую для передачи дискретной информации по узкополосным линиям связи (например, телефонным каналам тональной частоты), а передают данные с помощью импульсных сигналов. Представление же двоичных 1 и 0 может быть различным.

• 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.

• 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.

Преобразование информации в сетевых адаптерах

Если компьютер хочет передать пакет, то он сначала формирует этот 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 сети). 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. Адрес сетевого адаптера, как правило, устанавливается производителем адаптера. 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 читать. 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.

Чаще всего сетевые функции выполняются специальными микросхемами высокой степени интеграции, что дает возможность снизить стоимость адаптера и уменьшить площадь его платы.

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.

Сетевой адаптер выполняет функции первого и второго уровней модели OSI (рис. 5.6).

Рис. 5.6.  Функции сетевого адаптера в модели OSI