Характеристика физических сред передачи данных в ЛКС

Введение

 

Целью выполнения контрольной работы является закрепление устойчивых навыков работы с текстовым редактором Microsoft Word и знакомство с достоинствами и недостатками различных компьютерных технологий.

В настоящее время компьютерные технологии получи­ли широкое распространение практически во всех областях деятельности человека. Менеджеры различных направлений, бухгалтеры, экономисты, инженеры-проектировщики, составители и хранители всевозможных документов, журналисты и издатели, научные работники и многие другие повышают эффективность своей работы с помощью персональных ЭВМ. Для этого применяются различные компьютерные технологии. В пояснительной записке речь пойдет об «универсальных» технологиях, которые используются во многих сферах деятельности, предназначенные для коллективной работы пользователей в компьютерных информационно-вычислительных сетях.

 

Часть I.

Глобальные и локальные сети

       Информационные технологии с применением автономно работающей ПЭВМ значительно расширяют интел­лектуальные возможности пользователя. Однако более значительный эффект от использования ПЭВМ можно получить при объединении отдельных ПЭВМ организации, предприятия, фирмы и др. в локальную компьютерную сеть, которая обеспечивает функционирование фирмы как единой слаженной системы. Локальные сети объединяют все службы фирмы, ускоряют документооборот, хранят необходимую информацию и предоставляют ее работникам фирмы и др. Естественным продолжением тенденции развития информационных технологий являются компьютерные телекоммуникации и глобальные сети, обеспечивающие доступ пользователей к информационным ресурсам всей страны и выход в мировое информационное пространство. Глобальные сети объединяют правитель­ственные учреждения, промышленные корпорации, университеты и колледжи, исследовательские центры, коммерческие компании и общественные организации. Сейчас важнейшая роль в мировых телекоммуникациях принадлежит, конечно же, Internet, которая охватывает практически все страны, содержит информацию обо всех сторонах человеческой деятельности, не знает пограничных и цензурных ограничений. В настоящее время компьютерные технологии получи­ли широкое распространение практически во всех областях деятельности человека.

Локальные компьютерные сети

 

Локальная сеть представляет собой набор компьютеров, периферийных устройств (принтеров и т. п.) и коммутационных устройств, соединенных кабелями. Локальные сети делятся на учрежденческие (офис­ные сети фирм, сети организационного управления и другие сети, отличающиеся по терминологии, но прак­тически одинаковые по своей идеологической сути) и сети управления технологическими процессами на пред­приятиях.

Локальные сети характерны тем, что расстояния между компонентами сети сравнительно невелики, как правило, не превышают нескольких километров. Локаль­ные сети различаются по роли и значению ПЭВМ в сети, структуре, методам доступа пользователей к сети, спосо­бам передачи данных между компонентами сети и др. Каждой из предлагаемых на рынке сетей присущи свои достоинства и недостатки. Выбор сети определяется чис­лом подключаемых пользователей, их приоритетом, не­обходимой скоростью и дальностью передачи данных, тре­буемыми пропускной способностью, надежностью и стоимостью сети.

 

Международные требования к сетям

 

В настоящее время Международная организация стандартов разработала более 25 стандартов на локаль­ные сети. Рассмотрим основные требования стандартов к учрежденческим сетям:

- возможность подключения современных, ранее разработанных
и перспективных ПЭВМ и перифе­рийных устройств;

- скорость передачи данных должна быть не менее 1 Мбит/с;

- отключение и подключение компонентов сети не должно нарушать общую работу сети более чем на 1 с;

- средства обнаружения ошибок, имеющиеся в сети, должны выявлять все сообщения, содержащие 4 и более искаженных битов;

- надежность сети должна обеспечивать не более 20 мин простоя сети в год.

Международные стандарты предъявляют высокие требования к локальным сетям. Поэтому требования меж­дународных стандартов удовлетворяют лишь ряд сетей, выпускаемых ведущими электронными фирмами мира.

 

Классификация сетей

 

Локальные сети, широко используемые в научных, управленческих, организационных и коммерческих тех­нологиях, можно классифицировать по следующим при­знакам:       

  1. По роли ПЭВМ в сети:

- сети с сервером;

- одноранговые (равноправные) сети.

2. По структуре (топологии) сети:

- одноузловые («звезда»);

- кольцевые («кольцо»);

- магистральные («шина»);

- комбинированные.

3. По способу доступа пользователей к ресурсам и абонентам сети:

-сети с подключением пользователя по указан­ным адресам абонентов по принципу коммутации каналов («звезда»);

- сети с централизованным (программным) управ­лением подключения пользователей к сети («кольцо» и «шина»);

- сети со случайной дисциплиной обслуживания пользователей («шина»).

4. По виду коммуникационной среды передачи ин­формации:

- сети с использованием существующих учрежден­ческих телефонных сетей;

- сети на специально проложенных кабельных ли­ниях связи;

- комбинированные сети, совмещающие кабельные линии и радиоканалы.

5. По дисциплине обслуживания пользователей (способу доступа пользователей к сети):   

- приоритетные, задающиеся ЦУС, когда пользова­тели получают доступ к сети в соответствии с присвоенными им приоритетами (постоянными или изменяющимися);

- неприоритетные, когда все пользователи сети име­ют равные права доступа к сети.

6. По размещению данных в компонентах сети:

- с центральным банком данных;

- с распределенным банком данных;

- с комбинированной системой размещения данных.

Роль ПЭВМ в сети

Сети с сервером

Компонентами сети являются рабочие ПЭВМ (рабо­чие станции) и серверы.

Сервер - это специально выделенная в сети ПЭВМ, в задачу которой входит управление всей сетью или час­тью сети (например, в комбинированных сетях), прием, хранение, обновление и выдача пользователям общей информации, управление высококачественными принте­рами и графопостроителями. Поэтому к серверу предъяв­ляются более высокие требования по производительнос­ти, объему памяти и надежности.

Рабочие станции (клиенты, абоненты) - это ме­нее мощные ПЭВМ, которые могут использовать ресурсы (например, дисковое пространство) сервера.

Достоинства сети:

- более эффективное централизованное управление сетью;

- рабочие станции могут быть достаточно просты­ми и дешевыми;

- операционная система, поддерживающая работу сети (например, Windows 95/98), может устанав­ливаться только на сервере.

Недостатки:

- более высокая стоимость установки;

- сложная настройка системы.

   Одноранговые сети

    Все ПЭВМ в сети равноправны. Каждый пользователь предоставляет в сеть какие-то ресурсы: жесткий диск, вы­сококачественный принтер, графопостроитель и др.

 

Достоинства:

- меньшие затраты на установку сети;

- возможность использования каждым пользовате­лем ресурсов других ПЭВМ;              

- удобство и простота работы пользователей в сети.

Недостатки:

- число ПЭВМ в сети не превышает 25-30;

- операционная система, поддерживающая работу сети (например, Windows 95/98), устанавливает­ся на каждой ПЭВМ.

Структуры сетей

 

Одноузловые сети

 

В локальных сетях применяются в основном одноузловые (звездообразные) сети. В качестве средств ком­муникаций могут использоваться телефонные линии свя­зи и АТС организаций, предприятий, фирм и др., специально проложенные кабельные линии и каналы пе­редачи сигналов по радио.

1. Сети с проводными линиями связи

Структура (топология) сети показана на рис.2.4.1.1. Одна из ПЭВМ может выполнять функции центра управ­ления сетью (ЦУС).

Метод доступа к сети - вызов абонента по его сетевому имени с коммутацией каналов в УК. Способ коммутации каналов обеспечивает соединение абонентов через УК на время передачи сообщения. При этом в УК возможна организация приоритетного доступа к сети абонентов.

                                                                       

                                                            ЦУС

 

Рис.2.4.1.1. Структура одноузловой проводной ЛКС

Условные обозначения: ЦУС – центр управления сетью (сервер), ПЭВМ – персональный компьютер, УК – узел коммуникации

 

 Достоинства сети:

- простота и низкая стоимость подключения пользователей к сети;

- простота управления сетью;

- возможность подключения и отключения абонен­тов без остановки работы сети.

Недостатки:

- скорость передачи сообщений зависит от количе­ства абонентов, интенсивности приема и переда­чи сообщений и технических возможностей УК;

- надежность сети определяется надежностью УК;

- большая суммарная длина и низкая эффектив­ность использования физической среды передачи сигналов.

Для повышения надежности УК строятся по мо­дульному принципу, который предусматривает рабочие и резервные модули. Система диагностики оцени­вает функционирование рабочего модуля и в случае необходимости переключает сеть на работу с резервным модулем.

Примером одноузловой сети может служить Arcnet (США). Хотя сеть не имеет статуса международного стандарта, она широко применяется для построения не­больших учрежденческих сетей. В состав сети входит 8-канальный канальный УК. Количество абонентов мо­жет быть увеличено путем подключения новых УК.

2. Радиоканальные сети

Структура сети (рис.2.4.1.2.) похожа на одноузловую сеть, только сообщения в сети передаются не по провод­ным линиям связи, а по радиолиниям. Для этого каж­дая ЭВМ снабжена абонентской радиостанцией (АРС). Абонентские радиостанции связаны между собой через центральную радиостанцию (ЦРС).

 

 

 

       

 

 

Рис.2.4.1.2. Структура радиоканальной ЛКС

Условные обозначения: ПЭВМ – персональный компьютер, ЦРС - центральная радиостанция

Методы доступак сети случайные. Наиболее про­стым является метод ALOHA - захват абонентом канала и выдача сообщения независимо от того, есть ли в сети другие сообщения или нет. Это может привести к столк­новению сообщений в сети и взаимному их искажению (рис.2.4.1.3.). Искаженные сообщения повторно передаются

через случайные промежутки времени. При столкнове­ниях сообщений теряется активное время работы сети, равное сумме времени передачи обоих сообщений.

1 абонент                                                                       Наложение

2 абонент

                                       

Потерянное время

Рис.4.1.3. Иллюстрация случайного метода доступа к сети

Для уменьшения вероятности появления столкно­вений применяются модификации этого метода: доступ с контролем несущей (CSMA) и доступ с контролем несу­щей и обнаружением столкновений (CSMA/CD). Доступ с контролем несущей заключается в том, что абонент «слушает» сеть и передает сообщение только в свобод­ную сеть. Столкновения возможны, когда два или более абонентов начинают передачу одновременно. Искажен­ные сообщения передаются повторно.

При доступе с контролем несущей и обнаружением столкновений абонент «слушает» сеть, передает сообще­ние в освободившуюся сеть и контролирует возможность столкновения сообщений. Если абоненты начинают пере­дачу одновременно, то столкнувшиеся сообщения сразу уничтожаются, не занимая времени передачей искажен­ных сообщений. Методы CSMA и GSMA/CD применяются при более высоких нагрузках на сеть, чем метод ALOHA.

Случайные методы доступа реализуются средствами ЭМВОС каждой ПЭВМ, поэтому они более надежны, чем централизованные методы доступа, реализуемые про­граммными средствами ЦУС.

Достоинства сети:

- возможность связи с движущимися абонентами;

- возможность подключения и отключения абонен­тов без остановки сети.

Недостатки:

- возможность прослушивания всех абонентов;    воздействие промышленных и атмосферных помех;

- наличие «мертвых зон», обусловленных конст­рукциями зданий и помещений.

Радиоканальные сети сейчас начинают все шире ис­пользоваться там, где необходимы связи с движущими­ся абонентами.

Кольцевые сети

 

Рис.2.4.2.1. Структура кольцевой ЛКС

Структура сети показана на рис.2.4.2.1. Средства ком­муникаций сети включают физическую среду передачи сигналов в форме кольца, соединяющего ПЭВМ, блоки доступа и повторители.

Условные обозначения: ЦУС – центр управления сетью, ПЭВМ – персональный компьютер, БлД – блок доступа, П - повторитель

Блок доступа(БлД) — это техническое устройство для подключения ПЭВМ к физической среде. БлД делят­ся на две группы: доступ без разрыва целостности физи­ческой среды передачи сигналов и доступ с разрывом физической среды и восстановлением ее с помощью БлД. Например, без разрыва физической среды можно осуще­ствить доступ к проводным линиям связи, но доступ к оптоволоконным линиям возможен только с разрывом среды передачи сигналов. Сообщение, переданное або­нентом, поступает через БлД в физическую среду и дви­жется по кольцу. Повторитель(П)задерживает сооб­щение на время, необходимое для определения адреса абонента и приема его абонентом, восстанавливает ос­лабленные и искаженные электрические сигналы сооб­щения. Участок физической среды между двумя соседни­ми повторителями называется сегментом.

Методы доступа к сети.

В кольцевой структуре применяются централизован­ные методы доступа.

Разделение времени(временное сегментирование). ЦУС через определенные промежутки времени по очере­ди разрешает абонентам передачу сообщений. Время пе­редачи также определено.

Передача полномочия(маркерный доступ). ЦУС формирует служебный пакет-полномочие (маркер), кото­рый циркулирует по кольцу. Приход полномочия к або­ненту означает разрешение на передачу сообщения этим абонентом. Время передачи определено. Все остальные абоненты работают только на прием. После выдачи со­общения в сеть абонент-отправитель посылает полно­мочие следующему абоненту. Абонент-получатель при­нимает сообщение, проверяет его правильность и посылает дальше по кольцу с добавлением, что сообще­ние принято без искажения или с искажением. Отправителъ принимает свое сообщение, которое прошло по всему кольцу, в качестве подтверждения о приеме сообщения по­лучателем. Если сообщение получателем принято с иска­жением, то отправитель повторяет передачу сообщения.

В централизованных методах доступа может быть реализовано приоритетное обслуживание абонентов. По­скольку централизованные методы доступа организуют­ся единственным в сети ЦУС, то их надежность меньше, чем у случайных методов.

Достоинства сети:

- простота реализации двухточечной линии связи (в каждый момент соединены только две точки -два абонента), что снижает требования к физи­ческой среде;

- простота организации подтверждения о приеме сообщения;        

- небольшая общая длина физической среды.

Недостатки:

- низкая надежность, так как выход из строя учас­тка физической среды или повторителя приводит к остановке работы всей сети;

- невозможность подключения и отключения або­нентов без остановки сети;

- максимальная задержка передачи сообщения за­висит от количества абонентов.

Для повышения надежности и пропускной способ­ности сети применяется двойное кольцо. Сообщения в кольцах курсируют в разных направлениях. При нару­шениях одного кольца уменьшается только пропускная способность сети. При нарушениях обоих колец ближай­шие к нарушению автоматически восстанавливают циркуляцию информации в одном кольце.

Пример кольцевой сети: Token Ring Network (фи­лиал фирмы IBM в Цюрихе). Сеть обладает статусом мирового стандарта, ее длина достигает 2 км и обслужи­вает до 256 абонентов. В сети реализован маркерный метод доступа.

 

Магистральные сети

 

1. Магистральные моноканалы

 Структура сети показана на рис.2.4.3.1. Все абоненты подключены к одной физической среде, представляющей собой магистраль (шину). Сообщение, переданное пользо­вателем, поступает через БлД ко всем абонентам сети.

Рис.2.4.3.1. Структура моноканальной ЛКС

Условные обозначения: ЦУС – центр управления сетью, ПЭВМ – персональный компьютер, БлД – блок доступа

1.Методы доступа к сети:

   1. Централизованные методы доступа, аналогичные методам кольцевых

структур: разделение времени и передача полномочия.

2. Случайные методы доступа, аналогичные мето­дам, характерным для радиоканальных ЛКС.

Достоинства сети:

- более высокая надежность, чем у кольцевых сетей, так как отказ абонента не влияет на работу сети;

- возможность подключения и отключения абонен­тов без остановки работы сети в случае неразруша­ющего физическую среду подключения абонентов;

- наименьшая длина физической среды.

Для повышения надежности и пропускной способ­ности применяются двойные моноканалы.

Примером магистральной моноканальной структу­ры является сеть Ethernet, представляющая собой от­раслевой стандарт фирм Intel, DEC и Xerox. Сеть поло­жена в основу международного стандарта, обслуживает до 1000 абонентов при длине сети до 10 км, доступ к сети осуществляется по протоколам CSMA/CD.

2. Магистральные поликаналы

Поликаналомназывают группу средств коммуникаций, работающих на одной физической среде и предназ­наченных для организации нескольких сетей различного
назначения. Для этого применяется широкополосная фи­зическая, среда, например широкополосный коаксиаль­ный или оптоволоконный кабель. Пример поликаналь­
ной структуры для двух ЛКС на одной физической среде показан на рис.2.4.3.2.

Рис. 2.4.3.2. Структура.поликанальной ЛКС

Условные обозначения: ЦУС – центр управления сетью, ПЭВМ – персональный компьютер, БлД – блок доступа

Здесь одна сеть передает информацию на частоте f1, а другая - на частоте f2.

Методы доступа к сети: централизованные и слу­чайные, аналогичные магистральному моноканалу.

 

 

Достоинства сети:

- высокая пропускная способность, позволяющая передавать большие потоки разнообразной инфор­мации;

- возможность организации на одной физической среде нескольких сетей различного назначения (например, в крупных финансовых организаци­ях, информационных и многопрофильных фир­мах).

Недостатки:

- сложность эксплуатации;

- высокая стоимость оборудования.

Магистральные поликаналы разрабатываются и производятся по конкретным заказам.

 

Комбинированные сети

 

Каждая из приведенных структур сетей обладает определенными достоинствами и недостатками. Пре­одолеть некоторые недостатки и повысить эффектив­ность сетей можно путем комбинирования (структу­рирования) различных топологий. Например, на рис.2.4.4.1. изображена сеть с одним УК и двумя магистраль­ными моноканальными подсетями. Сеть может вклю­чать несколько УК, каждый из которых имеет не­сколько портов.

 

Рис.2.4.4.1. Комбинированная ЛКС (вариант 1)

Условные обозначения: ЦУС – центр управления сетью, ПЭВМ – персональный компьютер, УК – узел коммуникации 

На рис.2.4.4.2. показана сеть из двух УК, ПЭВМ к ко­торым подключены разными способами.

Достоинства сетей:

- возможность легкого наращивания абонентов и ресурсов сети;

- изменение конфигурации сетевой структуры;

- повышение надежности сети;

- продление жизненного цикла.

 

Рис.2.4.4.2. Комбинированная ЛКС (вариант 2)

Условные обозначения: ЦУС – центр управления сетью, ПЭВМ – персональный компьютер, УК – узел коммуникации 

Недостаткомтаких систем является более высо­кая их стоимость за счет дополнительного технического и программного сетевого оборудования.

К комбинированной структуре можно отнести и пол­носвязную сеть (рис.2.4.4.3).

Рис.2.4.4.3. Структура полносвязной сети

Условные обозначения: ПЭВМ – персональный компьютер

Достоинства сети:

- наименьшая задержка передачи сообщения меж­ду компонентами сети;

- наибольшая надежность сети.

К недостаткамсети относятся: неэффективность, сложность и наибольшая длина физической среды.

В зависимости от конструктивных особенностей по­мещений фирмы, расположения сотрудников в помеще­ниях, приоритета абонентов сети, допустимой задержки передачи сообщений и других факторов могут использо­ваться и другие структуры сетей.

 

Характеристика физических сред передачи данных в ЛКС

 

В качестве физической среды передачи сигналов в ЛКС применяются витые (скрученные) пары проводов (ВП), коаксиальные (КК), оптоволоконные (ОВК) кабе­ли и радиоканалы (РК).

Учитывая эксплуатационные характеристики и сто­имость различных сред передачи сигналов, наибольшее применение в ЛКС средней протяженности (офисы, не­большие фирмы, предприятия и организации) нашли ви­тые пары и коаксиальные кабели. Витая пара - это телефонный провод европейского стандарта, включающий два изолированных проводника. Коаксиальный ка­бельсостоит из центрального проводника, окруженного слоем изолирующего материала, проводящего электрический ток эк­рана, и внешней оболочки.

В ЛКС большой протяженности применяются оп­товолоконные кабели. По ОВК передаются не электри­ческие сигналы, а световая энергия. Внутреннюю часть ОВК составляют тонкие нити кварцевого волокна с низ­ким коэффициентом затухания и высоким коэффициен­том отражения. Внутреннюю часть ОВК окружает стек­лянная пленка, имеющая меньший коэффициент отражения, чем кварц. В связи с этими физическими свойствами кварца и стекла ОВК могут передавать ин­формацию на значительные расстояния.

В радиоканальныхЛКС применяются в основном радиочастотные, инфракрасные и микроволновые радио­станции на дальности прямой видимости.