Основные технологии сетей передачи данных
Сети телекоммуникаций можно классифицировать [1] по нескольким параметрам [1; 2]:
- 1 ) по размеру:
- • локальные (LAN) — сети здания или организации;
- • региональные (Metropolitan Area Network, MAN) — сети уровняВ города или региона;
- • глобальные (WAN) — сети, охватывающие большие территорииВ и включающие в себя десятки и сотни тысяч компьютеров;
- • с коммутацией пакетов (TCP/IP, IPX/SPX, ATM, сети сотовой связи 3G);
- • с коммутацией каналов (ТфОП, сети сотовой связи 1G и 2G);
- • смешанные (сети сотовой связи 2,5G);
- • с установлением (сети Х.25, Frame Relay, ATM, ТфОП);
- • без установления (сети TCP/IP, IPX/SPX);
- • мопопротокольные;
- • мультипротокольные (IP over ATM, IP over SDH/SONET);
- • моносервисные (передача данных, передача голоса);
- • мультисервисные;
- • передачи данных;
- • передачи голоса;
- • передачи видео;
- • с выделенной сигнализацией (SS7);
- • без выделенной сигнализации (TCP/IP);
- • шина;
- • кольцо;
- • звезда;
- • со смешанной топологией;
- • проводные сети:
- — связь осуществляется по медному кабелю,
- — связь осуществляется по оптоволокну;
Сеть, размещенная на ограниченной территории, например, в отдельном здании, считается локальной вычислительной сетью (ЛВС, LAN). Локальные сети характеризуются высокой скоростью передачи данных на сравнительно небольшие расстояния. На данный момент локальные сети строятсяВ в основном на базе технологии Ethernet и ее модификаций (Fast Ethernet,В Gigabit Ethernet, 10 Gigabit Ethernet).
Глобальные сети передачи цифровых данных строят на основе различных сетевых технологий, в том числе сетей с коммутацией каналов и с коммутацией пакетов.
Технологии PDH, SDH характеризуются высокой скоростью передачи данных. По сетям PDH передача данных осуществляется со скоростью от 2В до 139 Мбит/с, а в сетях SDH — от 155 до 40 Гбит/с. В системах со спектральным уплотнением по длине волны (технологии CWDM, DWDM) на волоконно-оптических кабелях данные передаются с еще большей скоростью.В Основными аппаратными средствами высокоскоростных технологий с коммутируемыми цифровыми линиями связи являются мультиплексоры (MUX).
В сетях с коммутацией пакетов в зависимости от предъявляемых требований могут использоваться технологии виртуальных каналов, применяемые в сетях ATM, Frame Relay или технологии передачи дейтаграммных сообщений — сети IP-технологий. В сетях с виртуальными каналами предварительно прокладывается маршрут, по которому передаются данные.В После приема данных адресат подтверждает их получение. Это обеспечивает надежность передачи.
Технология Х.25 использует ненадежные аналоговые линии связи. Ее характерной чертой является низкая скорость передачи данныхВ (до 48 кбит/с). Тем не менее Х.25 используется, например, в сетях банкоматов, поскольку обеспечивает высокую надежность передачи данныхВ при ненадежных линиях.
Технология Frame Relay обеспечивает более высокую по сравнению с Х.25 скорость передачи данных до 2—4 Мбит/с. Но линии связи должныВ быть более надежными по сравнению с Х.25. Более высокую скорость передачи данных (155 Мбит/с или 620 Мбит/с, а также 2,4 Гбит/с) обеспечиваютВ сети ATM. Однако развитие этих сетей сдерживает их высокая стоимость.
Компромиссное решение по цене и скорости передачи данных предоставляют IP-сети, получившие в настоящее время наиболее широкое распространение. Поэтому на базе IP-сетей создается транспортный уровень мультисервисных сетей NGN с распределенной коммутацией пакетов.
Еще одна технология — технология виртуальных частных сетей ( Virtual Private Network, VPN) использует для передачи данных сеть общего пользо-вания Интернет, формируя защищенные каналы связи с гарантированнойВ полосой пропускания и требуемым уровнем безопасности передаваемойВ информации. Таким образом, сети VPN при экономичности и доступности обеспечивают безопасность и секретность передаваемых сообщений.В Использование VPN позволяет сотрудникам фирмы получить безопасныйВ дистанционный доступ к корпоративной сети компании через Интернет.
- [1] Заметим, что мы строим классификацию, а не таксономию.
Виды компьютерных сетей: классификация по различным параметрам
О чем речь? Существуют различные виды компьютерных сетей, причем разделение идет по вполне конкретным признакам: протяженность, скорость передачи информации, функциональное назначение, тип коммутации, технология передачи данных.
Зачем это нужно? Классификация компьютерных сетей по тем или иным параметрам помогает специалистам ориентироваться в определенных стандартах и сравнивать характеристики используемых технологий, а также учитывать их особенности.
- Устройство компьютерной сети
- Виды компьютерных сетей
- Технологии построения компьютерных сетей
Пройди тест и узнай, какая сфера тебе подходит:
айти, дизайн или маркетинг.
Бесплатно от GeekbrainsУстройство компьютерной сети
Компьютерная сеть представляет собой группу связанных друг с другом компьютеров и периферийных устройств, предоставляющих пользователям возможность обмениваться данными и осуществлять коллективную работу внутри сети.
Основное предназначение сети состоит в том, чтобы пользователи могли с легкостью получать доступ к содержащейся в ней информации и совместно ее использовать, в частности, ограничивать доступ посторонним лицам. Также необходимо, чтобы пользователи сети могли безопасно отправлять друг другу данные.
Компьютерная сеть включает в себя следующие элементы:
- Серверы – это компьютеры, на которых хранятся разнообразные сетевые ресурсы. Для компьютерных сетей применяются два вида серверов. Различают выделенный сервер, который представляет собой отдельный компьютер, используемый для связи между пользователями. В других сетях все компьютеры могут одновременно выступать и как серверы , и как клиентские машины.
- Локальные компьютеры пользователей, также называемые рабочими станциями – это компьютеры, подключенные к сети и необходимые для доступа к ее ресурсам.
- Каналы связи – это линии, с помощью которых серверы и рабочие станции связываются в единое целое.
Узнай, какие ИТ — профессии
входят в ТОП-30 с доходом
от 210 000 ₽/мес
Павел Симонов
Исполнительный директор GeekbrainsКоманда GeekBrains совместно с международными специалистами по развитию карьеры подготовили материалы, которые помогут вам начать путь к профессии мечты.
Подборка содержит только самые востребованные и высокооплачиваемые специальности и направления в IT-сфере. 86% наших учеников с помощью данных материалов определились с карьерной целью на ближайшее будущее!
Скачивайте и используйте уже сегодня:
Павел Симонов
Исполнительный директор GeekbrainsТоп-30 самых востребованных и высокооплачиваемых профессий 2023
Поможет разобраться в актуальной ситуации на рынке труда
Подборка 50+ бесплатных нейросетей для упрощения работы и увеличения заработка
Только проверенные нейросети с доступом из России и свободным использованием
ТОП-100 площадок для поиска работы от GeekBrains
Список проверенных ресурсов реальных вакансий с доходом от 210 000 ₽
Получить подборку бесплатно
Уже скачали 23655Составляющими компьютерных сетей могут быть принтеры, сканеры и другое оборудование. Каждый пользователь, войдя в сеть, получает к ним свободный доступ.
Чтобы компьютер, подключенный к сети, мог использоваться для передачи и приема данных, необходимо специальное приспособление – сетевой адаптер или сетевая плата, часто также называемое сетевой картой. Такое устройство может присутствовать на материнской плате компьютера изначально или же быть внешним, то есть поставляться отдельно от материнской платы и вставляться в предназначенный для него слот.
Есть два способа, как организовать компьютерную сеть. Проще всего соединить друг с другом два компьютера. Делается это с помощью единственного кабеля, который нужно подключить к сетевым адаптерам. Затем производятся соответствующие настройки операционных систем.
Более сложной задачей является создание сети из трех и более компьютеров. В таком случае обычный кабель не подходит – необходимо осуществлять подключение через особые устройства, к которым относятся сетевой коммутатор («свитч») и сетевой концентратор («хаб»).
Виды компьютерных сетей
Рассмотрим основные виды компьютерных сетей, различаемых по нескольким характеристикам, и приведем их краткое описание.
Протяженность
Наименьшее пространство по территориальному признаку занимают персональные компьютерные сети. Они могут быть организованы прямо на рабочем столе владельца. Подобную сеть можно реализовать с помощью механизма беспроводной связи Bluetooth.
Далее идут локальные компьютерные сети, расположенные в пределах здания или в нескольких близлежащих зданиях. Их протяженность варьируется от нескольких метров до километра.
Муниципальная сеть чаще всего функционирует в конкретном населенном пункте. Сейчас большое распространение получили муниципальные сети, при подключении к которым можно сразу начать пользоваться городским телефоном, ТВ и интернетом. Протяженность таких сетей зависит от площади населенного пункта и может достигать нескольких километров.
Глобальные компьютерные сети занимают территорию целой страны или части света. В частности, в России они принадлежат крупным телефонным операторам и служат для передачи данных и доступа в интернет. Их длина может быть любой, вплоть до нескольких тысяч километров.
Наконец, интернет или всемирная паутина объединяет множество отдельных компьютерных сетей.
Ведомственная принадлежность
В зависимости от владельца компьютерные сети бывают ведомственные и государственные.
Ведомственные сети создаются частными компаниями и входят в их состав.
Государственные сети функционируют в органах государственного управления.
Функциональное назначение
По выполняемым функциям компьютерные сети делятся на:
- сети для хранения информации (Storage area network, SAN);
- сети предприятий (Enterprise private network, EPN);
- виртуальные частные сети (Virtual private network, VPN).
Сети для хранения информации также известны как «облачные хранилища». В их состав входят многочисленные компьютеры, обладающие большим объемом долговременной памяти и механизмами для обеспечения быстрого доступа к хранящейся информации. К таким сетям относятся, например, Яндекс.Диск, Google Drive, Dropbox.
Сети предприятий могут одновременно использовать как возможности глобальной сети Интернет, так и основываться на внутренних механизмах обмена данными. В них большую роль отводится структурированию информации и предотвращению несанкционированного доступа.
Виртуальные приватные сети действуют как бы вне обычных сетей.
В них используются механизмы кодирования отправляемых данных, благодаря чему компьютер также становится подключенным к защищенной сети, предназначенной для узкого круга лиц, в которую можно осуществить вход только через пароль или ключ.
Скорость передачи информации
В зависимости от скорости передачи информации компьютерные сети могут быть:
- низкоскоростные (до 10 Мбит/с),
- среднескоростные (до 100 Мбит/с),
- высокоскоростные (свыше 100 Мбит/с);
Для вас подарок! В свободном доступе до 29.10 —>
Скачайте ТОП-10 нейросетей, которые помогут облегчить
вашу работу
Чтобы получить подарок, заполните информацию в открывшемся окнеСкорость передачи данных через сеть часто измеряется в бодах – это число последовательных переходов или событий в секунду. Если в качестве события принять один бит, боды становятся равны битам в секунду (в действительности это соблюдается не всегда).
Технология передачи информации
В зависимости от применяемых технологий компьютерные сети бывают:
- Кабельные: в них для передачи данных используются металлические провода. Существуют различные варианты, в том числе: модемная связь, ADSL (передача сигнала по обычным телефонным проводам), коаксиальный кабель с центральной жилой и наружной оплеткой (позволяет передавать высокочастотные сигналы, в частности, телевизионные), Ethernet, или «витая пара», состоящая из нескольких скрученных жил. Перечисленные методы отличаются расстоянием, на которое передается сигнал.
Читайте также
В настоящее время не является принципиальным, по какому каналу ведется передача сигнала через компьютерную сеть. На пути в точку назначения информация может проходить через сегменты, в которых сочетаются кабельные, оптические и беспроводные технологии.
Тип коммутации
В компьютерных сетях используется два типа коммутации: коммутация каналов и коммутация пакетов.
В первом случае перед тем, как начать отправку информации, нужно соединить источник сигнала с местом назначения. При налаживании связи информация передается по выделенному каналу. Данная технология используется при телефонном соединении. Если на каком-либо участке возникают неполадки, связь обрывается, и передача сигнала останавливается. В таких сетях повторная коммутация невозможна, и не нужно заниматься проблемой маршрутизации.
Дарим скидку от 60%
на курсы от GeekBrains до 29 октября
Уже через 9 месяцев сможете устроиться на работу с доходом от 150 000 рублей
Второй тип коммутации осуществляется при объединении компьютеров в сеть. Здесь информация разбивается на отдельные фрагменты или пакеты, отсюда такое название данного вида сетей. Каждый пакет передается по отдельности, его маршрут не является строго определенным. Благодаря этому обеспечивается высокая стабильность соединения. При наличии дефектов какого-либо элемента сети, есть возможность найти альтернативный путь передачи.
Короче говоря, снимается проблема маршрутизации для отдельных пакетов на каждом этапе. Однако при этом увеличивается время прохождения и возникает дополнительная нагрузка.
Тип передачи данных
По типу передачи данных выделяют следующие виды:
- широковещательные сети (передаваемые данные доступны для всех узлов);
- точка-точка (передача осуществляется напрямую между двумя компьютерами, либо посредством нескольких узлов).
Только до 2.11
Скачай подборку материалов, чтобы гарантированно найти работу в IT за 14 дней
Список документов:
ТОП-100 площадок для поиска работы от GeekBrains
20 профессий 2023 года, с доходом от 150 000 рублей
Чек-лист «Как успешно пройти собеседование»
Чтобы зарегистрироваться на бесплатный интенсив и получить в подарок подборку файлов от GeekBrains, заполните информацию в открывшемся окне
Организация взаимодействия компьютеров
По принципу организации взаимодействия компьютеров, сети могут быть одноранговые (Peer-to-Peer Network) и с выделенным сервером (Dedicated Server Network).
Внутри одноранговой сети все компьютеры обладают равным статусом. У любого пользователя есть возможность получить информацию с любого компьютера. Преимущество одноранговых сетей состоит в быстрой установке и небольших расходах. Но при таком устройстве сетей возникает сложность с обеспечением безопасности данных. Соответственно, такой вариант подходит для небольших сетей и там, где не требуется хранить ценную информацию.
В иерархической сети в процессе создания предварительно отводится компьютер, называемый сервером (их может быть несколько), с помощью которого осуществляется руководство передачей данных через сеть и контроль использования ресурсов.
В качестве сервера следует выбрать достаточно мощный компьютер, желательно с несколькими одновременно работающими процессорами, с жестким диском большого объема и с сетевой картой, обеспечивающей хорошую скорость (не менее 100 Мбит/с).
Иерархическая модель сети считается оптимальным вариантом, поскольку здесь обеспечивается защита от неисправностей и правильное распределение ресурсов. Кроме того, данные в иерархической сети защищены гораздо лучше.
Однако, в отличие от одноранговых сетей, установка иерархической сети связана с некоторыми сложностями: приходится создавать на отдельном компьютере сервер, устанавливать на него специальную операционную систему, возрастают расходы на установку и обслуживание.
Технологии построения компьютерных сетей
Данная классификация компьютерных сетей заслуживает особого внимания. Приведенные далее методы построения компьютерных сетей сейчас используются повсеместно. Характеристика системы во многом определяется тем, каким способом компьютеры подключены друг к другу.
Все компьютеры подключаются последовательно один за другим. Если один из них ломается или отключается, вся система прекращает работу. В наше время указанная схема встречается крайне редко из-за своей неэффективности.
Для подключения компьютеров к шине используются T-коннекторы. На концах шины имеются заглушки для улучшения сигнала, называемые терминаторами.
Принцип работы сети можно описать так. После отправки сигнала он сразу поступает на все компьютеры. Устройство, для которого предназначались данные, приступает к его обработке.
Подобная схема удачна потому, что каждый компьютер начинает передачу информации, предварительно убедившись в наличии сигнала в шине. Еще одной отличительной чертой является простота установки и настройки, в частности, затраты на проведение кабеля меньше, чем при использовании других систем. Сеть продолжает функционировать при возникновении неполадок в одном из узлов.
В то же время большое число участников снижает быстродействие системы, а неисправность шины приводит к одновременному разрыву связи у всех абонентов.
Этот способ аналогичен построению линии, только после соединения компьютеров образуется кольцо. Движение сигнала происходит лишь в одном направлении. Чтобы данные можно было отправлять назад, кольцо удваивается. Информация последовательно движется от одного компьютера к другому и анализируется. Если сигнал дошел до адресата, он обрабатывается, в противном случае переходит дальше.
Какие два основные типа технологии передачи используются в сетях
Физический уровень определяет способ физического соединения компьютеров в сети. Основными функциями средств, относящихся к данному уровню, является побитовое преобразование цифровых данных в сигналы среды передачи, а также собственно передача сигналов по физической среде.
Среда передачи
Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи. Среда передачи – это физическая среда, по которой возможно распространение информационных сигналов в виде электрических, световых и т.п. импульсов. В настоящее время выделяют два основных типа физических соединений: соединения с помощью кабеля и беспроводные соединения.
Технические характеристики среды передачи влияют на такие потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи данных и максимальная скорость передачи данных.
Кабельные системы
Кабель (cable), используемый для построения компьютерных сетей, представляет собой сложную конструкцию, состоящую, в общем случае, из проводников, изолирующих и экранирующих слоев. В современных сетях используются три типа кабеля:
- коаксиальный кабель (coaxial cable);
- «витая пара» (twisted pair);
- оптоволоконный кабель (fiber optic).
Каждый тип кабеля отличается от других внутренним устройством и обладает целым набором технических характеристик, влияющих на основные потребительские параметры сетей:
Тип кабеля
Характеристика
Коаксиальный кабель
Коаксиальный кабель был первым типом кабеля, использованным для соединения компьютеров в сеть. Кабель данного типа состоит из центрального медного проводника, покрытого пластиковым изолирующим материалом, который, в свою очередь, окружен медной сеткой и/или алюминиевой фольгой. Этот внешний проводник обеспечивает заземление и защиту центрального проводника от внешней электромагнитной интерференции. При прокладке сетей используются два типа кабеля — «Толстый коаксиальный кабель» (Thicknet) и «Тонкий коаксиальный кабель» (Thinnet). Сети на основе коаксиального кабеля обеспечивают передачу со скоростью до 10 Мбит/с. Максимальная длина сегмента лежит в диапазоне от 185 до 500 м в зависимости от типа кабеля.
Витая пара
Кабель типа «витая пара» (twisted pair), является одним из наиболее распространенных типов кабеля в настоящее время. Он состоит из нескольких пар медных проводов, покрытых пластиковой оболочкой. Провода, составляющие каждую пару, закручены вокруг друг друга, что обеспечивает защиту от взаимных наводок. Кабели данного типа делятся на два класса — «экранированная витая пара» («Shielded twisted pair») и «неэкранированная витая пара» («Unshielded twisted pair»). Отличие этих классов состоит в том, что экранированная витая пара является более защищенной от внешней электромагнитной интерференции, благодаря наличию дополнительного экрана из медной сетки и/или алюминиевой фольги, окружающего провода кабеля. Сети на основе «витой пары» в зависимости от категории кабеля обеспечивают передачу со скоростью от 10 Мбит/с – 1 Гбит/с. Длина сегмента кабеля не может превышать 100 м.
Оптоволоконный кабель
Оптоволоконные кабели представляют собой наиболее современную кабельную технологию, обеспечивающую высокую скорость передачи данных на большие расстояния, устойчивую к интерференции и прослушиванию. Оптоволоконный кабель состоит из центрального стеклянного или пластикового проводника, окруженного слоем стеклянного или пластикового покрытия и внешней защитной оболочкой. Передача данных осуществляется с помощью лазерного или светодиодного передатчика, посылающего однонаправленные световые импульсы через центральный проводник. Сигнал на другом конце принимается фотодиодным приемником, осуществляющим преобразование световых импульсов в электрические сигналы, которые могут обрабатываться компьютером. Скорость передачи для оптоволоконных сетей находится в диапазоне от 100 Мбит/c до 10 Гбит/с. Ограничение по длине сегмента зависят от используемого Стандарта Gigabit.
Топология сети
топологии сетей мы уже рассматривали в статье Топологии сетей.
Если сеть состоит всего из двух компьютеров, то они соединяются «напрямую». Такой способ соединения получил название «точка-точка» («point-to-point»).
Топология «Шина»
Эта топология использует один передающий канал на базе коаксиального кабеля, называемый «шиной». Все сетевые компьютеры присоединяются напрямую к шине. На концах кабеля-шины устанавливаются специальные заглушки — «терминаторы» (terminator). Они необходимы для того, чтобы погасить сигнал после прохождения по шине. К недостаткам топологии «Шина» следует отнести следующее:
- данные, предаваемые по кабелю, доступны всем подключенным компьютерам;
- в случае повреждения «шины» вся сеть перестает функционировать.
Топология «Кольцо»
Для топологии кольцо характерно отсутствие конечных точек соединения; сеть замкнута, образуя неразрывное кольцо, по которому передаются данные. Эта топология подразумевает следующий механизм передачи: данные передаются последовательно от одного компьютера к другому, пока не достигнут компьютера-получателя. Недостатки топологии «кольцо» те же, то и у топологии «шина»:
- общедоступность данных;
- неустойчивость к повреждениям кабельной системы.
Топология «Звезда»
В сети с топологией «звезда» все компьютеры соединены со специальным устройством, называемым сетевым концентратором или «хабом» (hub), который выполняет функции распределения данных. Прямые соединения двух компьютеров в сети отсутствуют. Благодаря этому, имеется возможность решения проблемы общедоступности данных, а также повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы. Однако функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора.
Следует отметить, что термин топология может употребляться для обозначения двух понятий – физической топологии и логической топологии. Физическая топология – способ физического соединения компьютеров с помощью среды передачи, например, участками кабеля. Логическая топология определяет маршруты передачи данных в сети. Во многих случаях, физическая топология однозначно определяет логическую топологию. Однако существуют такие конфигурации, в которых логическая топология отличается от физической. Например, сеть с физической топологией «звезда» может иметь логическую топологию «шина» – все зависит от того, каким образом устроен сетевой концентратор.
Передача данных
Передача данных по физическим каналам подразумевает решение трех задач:
-
Кодирование/декодирование данных. Как известно, данные, обрабатываемые компьютером, представляются в двоичном виде — как последовательность нулей и единиц. Однако понятия «нуль» и «единица» являются логическими понятиями, обозначающими электрические сигналы, отличающиеся друг от друга физическими параметрами и использующиеся для представления информации в различных устройствах, например, оперативной памяти или центральном процессоре. В силу различных технических причин эти сигналы не всегда могут передаваться по физическим каналам связи. Поэтому они должны быть преобразованы. Процесс преобразования сигналов, «удобных для компьютера», в сигналы, которые могут быть переданы по сети, называется физическим кодированием, а обратное преобразование — декодированием.
Способ физического кодирования определяется техническими характеристиками среды передачи. Наиболее известным и часто используемым способом является модуляция. Суть модуляции состоит в том, что по физическому каналу передается непрерывный синусоидальный сигнал (называемый несущим или опорным), физические параметры которого изменяются в соответствии со значениями информационного сигнала, представляющего данные. Модуляция используется, как правило, при передаче данных по каналам, специально не предназначенным для построения компьютерных сетей (например, телефонным).
Наряду с модуляцией для передачи данных могут использоваться различные виды цифрового кодирования, основанные на изменении уровня напряжения или полярности электрического сигнала. Поскольку сигналы, используемые для такого кодирования данных, достаточно легко искажаются под воздействием помех, то этот метод используется в каналах, специально предназначенных для построения именно компьютерных сетей и обладающих должными техническими характеристиками.
Для подключения компьютеров к среде передачи используются специализированные устройства. Основными функциями этих устройств является физическое кодирование и декодирование данных, а также синхронизация приема и передачи. Наряду с этим современные устройства могут решать задачи логической организации передачи, относящиеся к канальному уровню модели OSI. Наиболее известными в настоящее время устройствами являются модемы и сетевые адаптеры.
Модем (МОдулятор/ДЕМодулятор, Modem) представляет собой устройство, осуществляющее физическое кодирование данных методом модуляции. Существуют различные типы модемов для подключения к сетям по разным физическим каналам, как правило, не предназначенным для построения компьютерных сетей. Так, для подключения по телефонным линиям используются телефонные модемы (или — просто модемы, поскольку исторически под этим термином понималось устройство для подключения по телефонным линиям), для подключения по кабельным каналам — кабельные модемы, для подключения по радиоканалам — радиомодемы. Технические характеристики используемого канала накладывают ограничения на правила формирования сигналов (модуляции).
Обычно модемы используются для взаимодействия в сетях типа «точка-точка». В таких сетях не требуется сложной логической организации передачи, поскольку нет необходимости упорядочивать взаимодействие нескольких пар абонентов. К числу дополнительных функций, связанных с организацией передачи, можно отнести сжатие передаваемых данных и обнаружение и исправление ошибок с целью повышения эффективности и надежности передачи по низкокачественным каналам, например, телефонных (подробнее см. раздел «Канальный уровень»).
Сетевой адаптер (сетевая плата, плата сетевого интерфейса, Network Interface Card) — это устройство, которое предназначено для подключения компьютера к высококачественным физическим каналам компьютерных сетей. Поэтому для физического кодирования передаваемых данных используются различные типы цифрового кодирования.
Поскольку компьютерные сети могут иметь сложные топологии? и в них одновременно могут осуществлять взаимодействие несколько пар абонентов, то требуется решать достаточно сложные задачи по упорядочиванию этого взаимодействия. Поэтому сетевые адаптеры реализуют также определенное число логических функций организации взаимодействия, например, адресации абонентов и упорядочивания одновременного доступа нескольких к общей физической линии и т.д. (подробнее см. раздел «Канальный уровень»).
- Основными понятиями физического уровня являются: среда передачи, топология сети, устройства передачи данных;
- для передачи сигналов в качестве физической среды могут выступать кабельные системы, а также электромагнитные волны;
- существуют различные типы кабеля, отличающиеся друг от друга структурой и техническими характеристиками, определяющими потребительские свойства сети: максимальное расстояние передачи данных и скорость передачи;
- способ соединения компьютеров определяется топологией сети;
- простейший способ соединения всего двух компьютеров называется «точка-точка»;
- для построения сетей сложных конфигураций используются комбинации трех базовых топологий: «шина», «звезда», «кольцо»;
- для подключения компьютеров к среде передачи используются специальные устройства передачи данных, наиболее распространенными из которых являются сетевые адаптеры и модемы;
- одними из главных функций устройств передачи данных являются физическое кодирование и декодирование данных, а также синхронизация приема и передачи;
- основными видами физического кодирования являются модуляция и цифровое кодирование;
- модуляция обычно применяется при передаче данных по физическим каналам, специально не предназначенным для взаимодействия компьютеров;
- цифровое кодирование используется в высококачественных каналах компьютерных сетей.
Среды передачи данных
Под средой передачи данных понимают физическую субстанцию, по которой происходит передача электрических сигналов, использующихся для переноса той или иной информации, представленной в цифровой форме.
Среда передачи данных может быть естественной и искусственной. Естественная среда — это существующая в природе среда; чаще всего естественной средой для передачи сигналов является атмосфера Земли, но возможно также использование других сред — безвоздушного пространства, воды, грунта, корабельного корпуса и т.д. Соответственно под искусственными понимают среды, которые были специально изготовлены для использования в качестве среды передачи данных. Представителями искусственной среды являются, например, электрические и оптоволоконные (оптические) кабели.
Будем рассматривать среды передачи данных согласно их распространенности, поэтому начнем со сред передачи данных, которые мы решили называть искусственными.
Искусственные среды. Классификация и применение
Типичными и наиболее распространенными представителями искусственной среды передачи данных являются кабели. При создании сети передачи данных выбор осуществляется из следующих основных видов кабелей: волоконно-оптический (fiber), коаксиал (coaxial) и витая пара (twisted pair). При этом и коаксиал (коаксиальный кабель), и витая пара для передачи сигналов используют металлический проводник, а волоконно-оптический кабель — световод, сделанный из стекла или пластмассы.
Справедливости ради следует отметить, что помимо оптических волокон, для передачи слаботочных сигналов в электронике применяют углеродные волокна (carbon fibers). Такая «экзотическая» среда применяется, в частности, для соединения усилителей мощности с акустическими колонками класса high-end (считается, что электрический сигнал, передаваемый по такому «акустическому» кабелю, испытывает меньшее рассеяние, чем в металлическом кабеле). В такой аппаратуре применяют также кабели из серебра, что обеспечивает получение так называемого «серебряного» звучания.
Но не будем отвлекаться. Прежде чем в 1992 году были одобрены стандарты на сеть Ethernet в части установки неэкранированной витой пары, в большинстве локальных сетей использовался коаксиальный кабель. Но в последующих инсталляциях, в основном, использовали более гибкую и менее дорогостоящую среду — неэкранированную витую пару. Кроме того, все большее распространение получает волоконно-оптический кабель за счет своих лучших характеристик по сравнению с электрическими кабелями. Однако волоконно-оптический кабель обладает существенным недостатком — высокой стоимостью, поэтому он чаще всего используется в магистральной сети, а до рабочих мест протягивается пока еще относительно редко. (Кстати, волоконно-оптические кабели также широко используются для соединения проигрывателей с усилителями в аудиоаппаратуре класса high-end.)
При выборе кабеля, особенно электрического, возникает противоречие между достижением высокой скорости передачи и покрытием большого расстояния. Дело в том, что можно увеличить скорость передачи данных, но это уменьшает расстояние, на которое данные могут перемещаться без восстановления (регенерации). В таких ситуациях могут помогать устройства, осуществляющие регенерацию сигналов, в частности, повторители и усилители. Однако при этом некоторые ограничения накладывают физические свойства кабеля. Так, электрические кабели обладают характеристикой, считающейся косвенной, — импендансом (чем выше импенданс — тем выше сопротивление), которая может стать источником осложнений при попытке соединить два кабеля с различным импендансом.
Коаксиальный кабель
Коаксиальный кабель(coaxial), или коаксиал имеет длинную историю. Если в вашем доме есть кабельное телевидение, то вы имеете коаксиальный кабель. Кабельное телевидение использует те же самые принципы, что и широкополосная передача, применяемая в сетях передачи данных. Широкополосная сеть и кабельное телевидение используют важное достоинство коаксиального кабеля — его способность передавать в один и тот же момент множество сигналов. Каждый такой сигнал называется каналом. Все каналы организуются на разных частотах, поэтому они не мешают друг другу.
Коаксиальный кабель обладает широкой полосой пропускания; это означает, что в ней можно организовать передачу трафика на высоких скоростях. Он также устойчив к электромагнитным помехам (по сравнению с витой парой) и способен передавать сигналы на большое расстояние. Кроме того, с технологией передачи сигналов по коаксиальному кабелю хорошо освоились многие поставщики и инсталляторы как кабельных систем, так и различных сетей передачи данных.
Коаксиальный кабель состоит из четырех частей (см. рис. 1). Внутри кабеля размещена центральная жила (проводник, сигнальный провод, линия, носитель сигнала, внутренний проводник), окруженная изоляционным материалом (диэлектриком). Указанный слой изоляции охвачен тонким металлическим экраном. Ось металлического экрана совпадает с осью внутреннего проводника — отсюда и следует название «коаксиал». И, наконец, внешней частью кабеля является пластиковая оболочка.
Центральная жила может состоять из одного сплошного проводника (одножильный) или нескольких, являющихся одним проводником (многожильный). Она обычно выполнена из меди, медного сплава с оловом или серебром; алюминия или стали с медным покрытием. Диэлектрик — полиэтилен или тефлон с воздушной прослойкой или без нее. Экран может быть выполнен в виде фольги или оплетки. Внешняя оболочка изготавливается из поливинилхлорида или полиэтилена (noplenun), тефлона или кинара (plenun).
Внешний экран может быть выполнен из фольги, оплетки или из их комбинаций. Возможна также многослойная (например, четырехслойная) защита.
Существует несколько размеров коаксиального кабеля. Различают толстый (диаметром 0.5 дюйма) и тонкий (диаметром 0.25 дюйма) коаксиальные кабели. Толстый коаксиальный кабель более крепкий, стойкий к повреждению и может передавать данные на более длинные расстояния, но недостатком такого кабеля является сложность его подсоединения.
Заметим также, что существуют такие разновидности коаксиального кабеля, как твинаксиал, тринаксиал, quad-кабель и т.д.
Витая пара
Витая пара (TP — twisted pair) — кабель, в котором изолированная пара проводников скручена с небольшим числом витков на единицу длины. Скручивание осуществляется для уменьшения внешних наводок (наводок от внешних источников) и перекрестных наводок (наводок от одного проводника другому проводнику из одной и той же пары). Часто кабель на витой паре (точнее, на нескольких, как правило, 4 витых парах) называют просто «витая пара», хотя, конечно, это -профессиональный жаргон. Заметим попутно, что витая пара была изобретена Александром Беллом в 1981 году.
В последние несколько лет производители витой пары научились передавать данные по своим кабелям с высокими скоростями и на большие расстояния. Некоторые из первых локальных сетей на персональных компьютерах, например, Omninet или 10Net, использовали витую пару, но могли передавать данные только со скоростью 1 Мбит/с. В 1984 году, когда была представлена сеть Token Ring, она обладала способностью пересылать данные со скоростью 4 Мбит/с по экранированной витой паре. А в 1987 году отдельные производители заявили, что сеть Ethernet может пересылать данные по неэкранированной витой паре, но компьютеры должны быть размещены на расстоянии, равном приблизительно 300 футов, а не 2000 футов, как было разрешено для соединения с помощью толстого коаксиального кабеля. Современные достижения сделали возможной передачу данных по кабелю на витой паре со скоростью 1 Гбит/с (по 250 Мбит/с в каждой из 4 пар).
По сравнению с волоконно-оптическими и коаксиальными кабелями, использование витой пары обладает рядом существенных преимуществ. Такой кабель более тонкий, более гибкий и его проще устанавливать. Он также недорог. И вследствие этого, витая пара является идеальным средством передачи данных для офисов или рабочих групп, где нет электромагнитных помех.
Однако, витая пара обладает следующими недостатками: сильное воздействие внешних электромагнитных наводок, возможность утечки информации и сильное затухание сигналов. Кроме того, проводники витой пары подвержены поверхностному эффекту — при высокой частоте тока, электрический ток вытесняется из центра проводника, что приводит к уменьшению полезной площади проводника и дополнительному ослаблению сигнала.
Несмотря на то, что существует несколько типов витой пары, экранированная (STP — shielded twisted pair) и неэкранированная (UTP — unshielded twisted pair) являются самыми важными (см. рис. 2). При этом кабель UTP не содержит никаких экранов, а кабель STP может иметь экран вокруг каждой витой пары и, в дополнение к этому, еще один экран, охватывающий все витые пары (кабель S-STP). Применение экрана позволяет повысить помехоустойчивость.
Материалы, используемые при изготовлении витой пары, аналогичны материалам, используемым при изготовлении коаксиального кабеля.
Стандарты TIA/EIA-568, 568А определяют категории для витой пары. Существуют 7 таких категорий. Самая младшая (Категория 1) соответствует аналоговому телефонному каналу, а старшая (Категория 1) характеризуется максимальной частотой сигнала в 600 МГц, при этом Категории 1…3 выполняются на UTP, а 4…7 — UTP и STP.
Многие специалисты высказывают сомнения по поводу целесообразности введения 7 категории, так как стоимость кабеля, соответствующего данной категории, приравнивается к стоимости волоконно-оптических кабелей, в то время как ведутся работы по созданию более дешевых волоконно-оптических кабелей.
Волоконно-оптический кабель
Волоконно-оптический кабель (fiber-optic cable) был разрекламирован как решение всех проблем, порождаемых медным кабелем. Такой кабель имеет огромную ширину полосы пропускания и может пересылать голосовые сигналы, видеосигналы и сигналы данных на очень большие расстояния. В связи с тем, что волоконно-оптический кабель для передачи данных использует световые импульсы, а не электричество, он оказывается невосприимчивым к электромагнитным помехам. Отличительной особенностью волоконно-оптического кабеля является также то, что он обеспечивает более высокую безопасность информации, чем медный кабель. Это связано с тем, что нарушитель не может подслушивать сигналы, а должен физически подключиться к линии связи. Для того чтобы добраться до информации, передаваемой по такому кабелю, должно быть подсоединено соответствующее устройство, а это, в свою очередь, приведет к уменьшению интенсивности светового излучения. К недостаткам волоконно-оптического кабеля следует отнести высокую стоимость и меньшее число возможных перекоммутаций по сравнению с электрическими кабелями, так как во время перекоммутаций появляются микротрещины в месте коммутации, что ведет к ухудшению качества оптоволокна.
По своей структуре волоконно-оптический кабель подобен коаксиальному кабелю (см. рис. 1). Однако вместо центральной жилы в его центре располагается стержень, или сердцевина, которая окружена не диэлектриком, а оптической оболочкой, которая, в свою очередь, окружена буферным слоем (слоем лака), элементов усиления и внешнего покрытия. Стержень и оболочка изготавливается как одно целое. Диаметр стержня составляет от 2 до нескольких сотен микрометров. Толщина оболочки — от сотен микрометров до единиц миллиметров. Буферный слой может быть свободным (жесткая пластиковая трубка) или плотноприлегающим. Свободный защищает от механических повреждений и температуры, прилегающий — только от механических повреждений. Элементы усиления выполняются из стали, кевлара и т.д., однако, могут иметь отрицательный эффект, например, элементы из стали могут притягивать разряды молний. Волоконно-оптический кабель с элементами усиления называется кабелем с усиленной конфигураций. В кабеле облегченной конфигурации пространство между внешней оболочкой и буферным слоем заполнено жидким гелием. Внешнее покрытие изготавливается аналогично покрытию электрических кабелей.
Волоконно-оптический кабель бывает одномодовым и многомодовым. Одномодовый кабель имеет меньший диаметр световода (5-10 мкм) и допускает только прямолинейное распространение светового излучения (по центральной моде). В стержне многомодового кабеля свет может распространяться не только прямолинейно (по нескольким модам). Чем больше мод, тем уже пропускная способность кабеля. Так, на 100 м максимальная частота сигнала на длине волны 850 нм для многомодового составляет 1600 МГц, для одномодового — 888 ГГц. Стержень и оболочка многомодового кабеля могут быть изготовлены из стекла или пластика, в то время как у одномодового — только из стекла. Для одномодового кабеля источником света является лазер, для многомодового — светодиод.
Для многомодового кабеля характерны следующие помехи: модальная дисперсия и хроматическая дисперсия. Модальная дисперсия заключается в том, что на большом расстоянии начинает сказываться многомодовость кабеля — световой импульс, идущий по самой длинной моде (неаксиальный луч) начинает «отставать» от импульса, идущего по центральной моде (аксиальный луч). В результате этого промежуток между импульсами должен быть больше, чем разница между аксиальным и неаксиальным лучами. Хроматическую дисперсию по другому можно назвать «эффектом радуги» — когда световой сигнал разделяется на световые компоненты., а так как волны света различной длины пропускаются световодом по-разному, то на больших расстояниях хроматическая дисперсия может привести к потере передаваемых данных — световые компоненты одного сигнала будут накладываться на световые компоненты другого.
Многомодовый волоконно-оптический кабель может быть со ступенчатым или плавным отражением сигнала. Кабель с плавным отражением сигнала имеет многослойную оболочку с разными коэффициентами отражения у каждого слоя, и лучшие характеристики по сравнению с кабелем со ступенчатым отражением сигнала.
Одномодовый кабель обладает наилучшими характеристиками, но и является самым дорогим. Многомодовый кабель из пластика является самым дешевым, но обладает самыми худшими характеристиками.
Радиоволновод (немного экзотики)
К искусственным средам передачи можно отнести радиоволноводы. Радиоволновод представляет собой полую металлическую трубку, внутри которой распространяется радиосигнал. Нужно отметить, что диаметр трубки должен соответствовать длине волны передаваемого сигнала. Обычно применяются короткие волноводы для передачи сигнала на передающую антенну. Однако есть сведения, что радиоволноводы применялись в военной отрасли для передачи сигналов на большие расстояния, причем коэффициент затухания сигнала был ниже, чем при использовании электрических кабелей. Но по мере развития технологий изготовления кабелей (в частности, волоконно-оптических) радиоволноводы перестали использоваться для передачи сигналов на большие расстояния.
Естественные среды
Рассматривая естественные среды передачи данных, сделаем следующие допущения: 1) так как наиболее используемой естественной средой является атмосфера (в основном, нижний слой — тропосфера), а различные сигналы распространяются в атмосфере по разному, то при рассмотрении данной среды различные виды сигналов будем рассматривать отдельно; 2) поскольку при спутниковой связи безвоздушная среда не накладывает каких-либо ограничений на проходящий через нее сигнал, а основные трудности сигнал спутниковой связи испытывает при прохождении атмосферы, — отдельно рассматривать безвоздушную среду не будем.
Атмосфера
Наибольшее распространение в качестве носителей данных в атмосфере получили электромагнитные волны. Здесь следует заметить, что от длины волны зависит характер распространения электромагнитных волн в атмосфере. Спектр электромагнитного излучения делится на радиоизлучение, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение, гамма-излучение. В настоящее время в связи с техническими трудностями ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение не используются. Используемые радиоволны, в свою очередь, зависят от длины волны. Они делятся на (приведем отечественную классификацию): сверхдлинные (декакилометровые), длинные (километровые), средние (гектаметровые), короткие (декаметровые), метровые, дециметровые, сантиметровые, миллиметровые, субмиллиметровые. Последние пять диапазонов принято также называть ультракороткими волнами. Кроме того, в последние три диапазона входит СВЧ-излучение (а по некоторым источникам — и часть дециметрового диапазона 0.3…0.1 м).
Радиоволны
Волны, имеющую длину больше, чем у ультракоротковолновых, не представляют большого интереса для сети передачи данных из-за низкой потенциальной скорости передачи данных. Поэтому рассматривать их не будем.
В сетях передачи данных нашли применения радиоволны УКВ диапазона, которые распространяются прямолинейно и не отражаются ионосферой (как КВ) и не огибая встречающиеся препятствия (как ДВ или СВ). Поэтому связь в сетях передачи данных, построенных на УКВ радиосредствах, ограничена по расстоянию (до 40 км). Для преодоления этого ограничения обычно используют ретрансляторы.
Разработчику радиосети приходится, в первую очередь, заниматься юридическими проблемами. Это объясняется тем, что любая передающая радиостанция, превышающая ограничение на выходную мощность, подлежит лицензированию. Национальными комитетами по лицензированию (или государственными органами, занимающимися лицензированием), как правило, выделяются частоты, не подлежащие лицензированию (в США комитетом FCC определены три таких диапазона: 902…928 МГц, 2.4…2.5 ГГц и 5.8…5.,9 ГГц, в Европейском сообществе ETSI определен диапазон, утвержденный директивой ЕС 1.88…1.90 ГГц). Однако в этом случае на передающее устройство накладывается ограничение по мощности (для США — 1 Вт).
Сети передачи данных бывают узкополосными (как правило, одночастотные) и широкополосными (широкополосные, как правило, организуются на нелицензируемых частотах). Широкополосные сети могут использовать либо метод множественного доступа с кодовым уплотнением каналов и модуляцией несущей прямой последовательностью (DS-CDMA, DFM), либо метод множественного доступа с кодовым уплотнением каналов за счет скачкообразного изменения частоты (FH-CDMA, FHM).
Стоит добавить, что при использовании радиоволн с миллиметровыми длинами волны и менее, придется столкнуться с тем, что качество радиосвязи будет зависеть от состояния атмосферы (туман, дым и т.д.).
Разновидностью радиосвязи можно считать спутниковую связь, отличием от наземной радиосвязи будет являться только то, что вместо наземного ретранслятора используется спутник-ретранслятор, находящийся на геостационарной орбите. При использовании спутника-ретранслятора снимается ограничение по расстоянию, но возникают задержки между приемом и передачей сигнала — задержки распространения, которые могут составить 0.5…5 с.
Инфракрасное излучение и видимый свет
Источником инфракрасного излучения могут служить лазер или фотодиод. В отличие от радиоизлучения, инфракрасное излучение не может проникать сквозь стены, и сильный источник света будет являться для них помехой. Кроме того, при организации связи вне помещения на качество канала будет влиять состояние атмосферы. Инфракрасные сети передачи данных могут использовать прямое или рассеянное инфракрасное излучение. Сети, использующие прямое излучение, могут быть организованы по схеме «точка-точка» или через отражатель, закрепляющийся, как правило, на потолке. Организация сетей, использующих прямое излучение, требует очень точного наведения, особенно если в качестве источников наведения используются лазеры. Используемые частоты излучения 100…1000 ГГц, пропускная способность от 100 Кбит/с до 16 Мбит/с. Сети, использующие рассеянное излучение, не предъявляют требования к точной настройке, более того, позволяют абоненту перемещаться, но обладают меньшей пропускной способностью — не более 1 Мбит/с.
Использование в сетях передачи данных источника видимого света более проблематично, так как использующийся источник видимого света ( лазер) может нанести травму человеку (ожог глаз). Поэтому при организации сетей, использующих видимый свет, следует также решать проблемы исключения случайной травмы пользователя сети, обслуживающего персонала или случайных людей.
Основные понятия
Среда передачи данных — физическая среда, по которой происходит передача сигналов, использующихся для представления информации
Радиоволны — электромагнитные волны с частотой меньше 6000 ГГц (с длиной волны больше 100 мкм).
Коаксиальный (coaxial) кабель (от co — совместно и axis — ось) представляет собой два соосных гибких металлических проводника, разделенных диэлектриком.
Витая пара — (twisted pair, TP) — кабель, в котором изолированная пара проводников скручена с небольшим числом витков на единицу длины. Существуют: экранированная (shielded twisted pair, STP) и неэкранированная (unshielded twisted pair, UTP) витые пары.
Двужильный или твинаксиальный (twinaxial) кабель — коаксиальный кабель с двумя проводящими жилами, каждая из которых помещена в свой собственный слой диэлектрика.
Триаксиальный (triaxial) кабель отличается от коаксиального тем, что содержит дополнительный медный экранирующий слой, который располагается между обычным экранирующим слоем и внешним покрытием.
Квадраксильный (quadrax) кабель — кабель, содержащий две жилы подобно твиаксиальному и окруженный подобно триаксиальному дополнительным экранирующим проводящим слоем.
Кабели с четырехслойной защитой (quadshield) — кабели такого типа содержат четыре чередующихся защитных слоя из фольги и металлической оплетки.
Волоконно-оптический кабель (fiber-optic cable) предназначен для организации физической сред передачи световых сигналов.
Мода (mode) — возможный путь распространения световых лучей по оптоволокну.
Одномодовый (single-mode) кабель- волоконно-оптический кабель, имеющий диаметр сечения стержня менее 10 мкм, в результате чего световые лучи внутри него могут распространяться только по одному маршруту.
Многомодовый (multimode) кабель — волоконно-оптический кабель, внутри стержня которого световые лучи могут распространяться по нескольким маршрутам.
Кабель со ступенчатым изменением коэффициента преломления (single-step fiber) — многомодовый волоконно-оптический кабель со скачкообразным коэффициентом преломления между сердечниками и оболочкой.
Кабель с плавным изменением коэффициента (graded-index fiber) — многомодовый волоконно-оптический кабель с плавным изменением коэффициента преломления между сердечниками и оболочкой.
Организации, занимающиеся стандартизацией сред передачи данных
Компания IBM — спецификации ICS (IBM cable system)
Национальный электротехнический кодекс (National Electric Code, NEC). Документы NEC публикуются национальным противопожарным комитетом. В них описываются стандарты надежности общецелевых кабелей. Стандарты второго класса (CL2x) описывают общецелевые кабели, а коммуникационные стандарты (CMx) кабели, предназначенные для передачи информации. Наиболее строгими из стандартов являются CL2P, CM2P (Plenum), менее строгие стандарты CL2R, CM2R.
Underwriters laboratories (UL)
Специалисты организации UL выполняют тестирование, предназначенное для проверки условий, при которых кабели и устройства могут работать с надежностью, соответствующей их спецификации. Продукция успешно прошедшая эти тесты помещается в списки UL. Для классификации кабелей различного типа UL используют систему отметок, которая содержит пять уровней.
Объединенный комитет Ассоциация электронной промышленности/Ассоциация телекоммуникационной промышленности (TIA/EIA) разботал классификационные системы для витой пары: TIA/EIA-568/568А.
Международная организация по стандартизации/Международная электротехническая комиссия (ISO/IEC) разработали стандарт ISO/IEC 11801, определяющий спецификации на кабели и соединители.
Институт инженеров по радиотехнике и электронике (IEEE) разработал стандарт 802.11 на беспроводные сети