Принципы построения информационно-вычислительных сетей

Информационно- вычислительные сети в зависимости от территории, ими охватываемой, подразделяются на локальные, региональные, федеральные и глобальные.

Локальной называется сеть, абоненты которой находятся на небольшом (до 10 – 25 км) расстоянии друг от друга. Локальная вычислительная сеть объединяет абонентов, расположенных в пределах небольшой территории. В настоящее время не существует четких ограничений на территориальный разброс абонентов локальной вычислительной сети. Обычно такая сеть привязана к конкретному объекту. К классу локальной вычислительной сети относятся сети отдельных предприятий, фирм, банков, офисов и т.д.

Региональные сети связывают абонентов города, района, области, края или республики. Обычно расстояния между абонентами региональной информационно- вычислительной сети составляют десятки-сотни и даже тысячи километров.

Федеральные сети связывают абонентов в рамках страны, частности в пределах Российской Федерации.

Глобальные сети объединяют абонентов удаленных друг от друга на значительное расстояние, часто расположенных в различных странах или на разных континентах. Взаимодействие между абонентами такой сети может осуществляться на базе телефонных линий связи, выделенной линии связи, радиосвязи и спутниковой связи.

Объединение глобальных, региональных и локальных вычислительных сетей позволяет создавать много сетевые иерархии. Они обеспечивают мощные, экономически целесообразные средства обработки огромных информационных массивов и доступ к неограниченным информационным ресурсам. Локальные вычислительные сети могут входить как компоненты в состав региональной сети, региональные сети – объединяться в составе глобальной сети и, наконец, глобальные сети могут также образовывать сложные структуры. Именно такая структура принята в наиболее известной и популярной сейчас всемирной суперглобальной информационной сети Internet.

По геометрии построения (топологии) информационно- вычислительные сети могут быть: шинные (линейные), петлевые (кольцевые), радиальные (звездообразные), распределено-радиальные, иерархические (древовидные), полносвязны, смешанные.

Сети с шинной топологией используют линейный канал передачи данных, к которому все узлы подсоединены через интерфейсную плату посредством относительно коротких соединительных линий (Схема 1.). Данные от передающего узла сети распространяются по шине в обе стороны. Промежуточные узлы не транслируют поступающих сообщений. Информация поступает на все узлы, но принимает сообщение только тот, которому оно адресовано.

Шинная топология – одна из наиболее простых топологий. Такую сеть легко наращивать и конфигурировать, а также адаптировать к различным системам; она устойчива к возможным неисправностям отдельных узлов.

Схема 1. Сеть с шинной топологией

В сети с петлевой топологией все узлы соединены в единую замкнутую петлю (кольцо) каналами связи (Схема 2.). Выход одного узла сети соединяются с входом другого. Информация по кольцу передается от узла к узлу, и каждый узел ретранслирует посланное сообщение. В каждом узле для этого имеется своя интерфейсная и приемо-передающая аппаратура, позволяющая управлять прохождением данных в сети. Передача данных по кольцу с целью упрощения приемо-передающей аппаратуры часто выполняется только в одном направлении. Принимающий узел распознает и получает только адресованные ему сообщения.

Схема 2. Сеть с петлевой (кольцевой) топологией

Основу сети с радиальной топологией составляет сервер, к которому подсоединяются, каждая по своей линии связи, рабочие станции (Схема 3.). Вся информация передается через центральный узел, который ретранслирует, переключает и маршрутизирует информационные потоки в сети.

В качестве недостатков такой сети можно отметить:

· большую загруженность центральной аппаратуры;

· полную потерю работоспособности сети при отказе центральной аппаратуры;

· большую протяженность лини связи;

· отсутствие гибкости в выборе пути передачи информации.

Радиальные сети используют в офисах с явно выраженным централизованным управлением.

Схема 3. Сеть с радиальной топологией

С

 

Организация сетей с другой топологией образуется с помощью комбинации вышеизложенных.

 

Среда передачи

В каждой компьютерной сети среда передачи (канал) передает данные в виде электрического или электромагнитного сигнала. Каждая среда имеет свои преимущества и недостатки, такие, как затухание, определяемое физическими характеристиками и природой сигнала. Затухание есть потеря силы сигнала во время передачи.

Среда передачи в общем случае может быть разделена на ограниченную и неограниченную.

Ограниченная среда – это провод или кабель, который проводит электричество или свет. Наиболее общие типы ограниченной среды:

· экранированные с витыми парами проводов;

· неэкранированные с витыми парами проводов;

· коаксиальные;

· оптоволоконные.

Витая пара – это изолированные проводники, попарно свитые между собой для уменьшения перекрестных наводок между проводниками. Такой кабель, состоящий обычно из небольшого количества витых пар, характеризуется меньшим затуханием сигнала при передаче на высоких частотах и меньшей чувствительностью к электромагнитным наводкам.

Коаксиальный кабель представляет собой медный проводник, покрытый диэлектриком и окруженный свитой из тонких медных проводников экранирующей защитной оболочкой. Скорость передачи данных по коаксиальному кабелю достаточно высокая (до 300 Мбит/с).

Оптоволоконный кабель состоит из стеклянных или пластиковых волокон диаметром несколько микрон, окруженных твердым заполнителем и помещенных в защитную оболочку. Источником распространяемого по оптоволоконному кабелю светового луча является преобразователь электрических сигналов в оптические, например светодиод. Кодирование информации осуществляется изменением интенсивности светового луча. Физической основой передачи светового луча по волокну является принцип полного внутреннего отражения луча от стенок волокна, обеспечивающий минимальное затухание сигнала, наивысшую защиту от внешних электромагнитных полей и высокую скорость передачи. По оптоволоконному кабелю, имеющему большое количество волокон, можно передавать огромное количество сообщений. На другом конце кабеля принимающий прибор преобразует световые сигналы в электрические. Скорость передачи данных по оптоволоконному кабелю очень высокая и достигает величины 1000 Мбит/с, но он очень дорогой и используется обычно лишь для прокладки ответственных магистральных каналов связи. Такой кабель связывает столицы и крупные города большинства стран мира, в том числе проложенный по дну Атлантического океана кабель связывает Европу с Америкой. Оптоволоконный кабель соединяет г. Санкт-Петербург с Москвой, прибалтийскими и скандинавскими странами, кроме того, он проложен в тоннелях метро и связывает все районы города. В вычислительных сетях оптоволоконный кабель используется на наиболее ответственных их участках, в частности в сети Internet.

Неограниченная среда (часто называемая «беспроводной») обеспечивает передачу и прием электромагнитных сигналов без присутствия устройства, которое содержало бы этот сигнал внутри себя. Эфир является наилучшим примером неограниченной среды. Микроволновая, лазерная, инфракрасная и радиосвязь являются примерами передающих систем использующих неограниченную среду.

Микроволновая передача данных существует в двух видах: наземная и спутниковая. Функционально они сходны, но по реализуемым возможностям отличаются друг от друга.

Наземная микроволновая передача осуществляется между антеннами. Микроволновые связи поддерживают более высокие скорости передачи данных, но более подвержены внешним влияниям. Высокочастотные передачи иногда нарушаются дождем, туманом, облачностью на больших расстояниях, но на малых они существенных препятствий не оказывают, кроме того, микроволновые коммуникации требуют специальной лицензии.

Спутниковые микроволновые коммуникации используют микроволновые лучи, направленные к и от спутника, находящегося на геостационарной орбите. Такие спутники совершают виток вокруг Земли за то же время, за которое совершает оборот сама Земля. Следовательно с фиксированной точки на поверхности Земли этот спутник представляется стационарным.

Домашние спутниковые антенны могут быть направлены один раз. Передачи по телефонным каналам или каналам данных на большие расстояния через континенты и океаны позволяют использовать такие системы как альтернативу наземным.

Спутниковые микроволновые коммуникации обладают многими из тех преимуществ и недостатков, что и наземные системы коммуникаций, так как используется одинаковая технология. Как и наземные микроволновые системы, спутниковые восприимчивы к внешней интерференции и искажениям сигнала. Скорость передачи очень высокая.

В отличие от наземных, спутниковые микроволновые системы коммуникации зависимы от современной космической технологии. Кроме того они приносят задержки, связанные с передачей сигнала на очень большие расстояния. Однако они могут предоставить коммуникационную линию к наиболее удаленным и неразвитым районам на Земле.

Коммуникационные лазеры излучают прямой луч света (обычно инфракрасного), который модулируются импульсами для передачи данных. Принимаемый луч в свою очередь трансформируется обратно в последовательность бит. Излучение лазера обычно представлено двумя параллельными лучами, что позволяет выполнять передачу по обоим направлениям. Передачи, использующие лазерное излучение, более направлены и позволяют достичь больших скоростей передачи, чем микроволновые системы коммуникации.

Передачи с использованием лазера ограничены расстояниями, находящиеся в поле зрения, и в некоторой степени чувствительны к ослаблениям сигнала в атмосфере. Среда передачи также потенциально опасна для людей из-за излучения, если они попадают под направление луча лазера. По этой причине лазерная аппаратура должна быть правильно экранирована. Правила ее использования могут регулироваться правительственными структурами.

Системы инфракрасной коммуникации используют недорогие инфракрасные приемники и передатчики. Передаваемый сигнал перехватывается на прямой линии после отражения от стен, потолка и т.п.

Инфракрасные системы допускают широкую полосу пропускания, но при этом они весьма эффективны по стоимости. Однако радиус их действия представлен небольшими расстояниями и на их работу влияют атмосферные условия.

Системы радиокоммуникации используют электромагнитные волны в частотном диапазоне от 3 до 300 МГц, которые рассматриваются как радиоволны и распространяются всенаправлено от передающей антенны. Этот диапазон радиочастот включает частотные интервалы, называемые коротковолновое радио, высокочастотное телевидение и частотно-модулируемое радио, а так же ультракоротковолновое радио и телевидение.

Приемные и передающие станции систем радиокоммуникации используют диапазон частот подходящий для их системных нужд (диапазон частот регулируются национальными и интернациональными правилами). Глобальные системы используют коротковолновое радио (способное распространяться за пределы горизонта и даже вокруг Земли), а локальные системы используют высокочастотные и ультракоротковолновые волны, способные распространяться примерно в диапазоне прямой видимости.