Данных и каналообразующей аппаратуры

      Комментарии к записи Данных и каналообразующей аппаратуры отключены

Структурно информационно-вычислительная сеть содержит:

— компьютеры (хост-компьютеры, сетевые компьютеры, рабочие станции, серверы), размещенные в узлах сети;

— аппаратуру и каналы передачи данных, с сопутствующими им периферийными устройствами;

— интерфейсные платы и устройства (сетевые платы, модемы);

— маршрутизаторы и коммутационные устройства.

В сетях могут использоваться как однопользовательские мини- и микрокомпьютеры (в том числе и персональные), оснащенные терминальными устройствами для связи с пользователем или выполняющие функции коммутации и маршрутизации сообщений, так и мощные многопользовательские компьютеры (мини-компьютеры, большие компьютеры). Последние выполняют эффективную обработку данных и дистанционно обеспечивают пользователей сети всевозможными информационно-вычислительными ресурсами. В локальных сетях эти функции реализуют серверы и рабочие станции.

Рабочая станция (work station) — подключенный к сети компьютер, через который пользователь получает доступ к ее ресурсам. Часто рабочую станцию (равно как и пользователя сети, и даже прикладную задачу, выполняемую в сети) называют клиентом сети. В качестве рабочих станций могут использоваться как обычные и мощные компьютеры, так и специализированные, называемые «сетевыми компьютерами» (NET PC — Network Computer).

Рабочая станция сети на базе обычного компьютера функционирует как в сетевом, так и в локальном режимах. Она оснащена собственной операционной системой и обеспечивает пользователя всем необходимым для решения прикладных задач. Рабочие станции на базе сетевых компьютеров могут функционировать, как правило, только в сетевом режиме при наличии в сети сервера приложений. Отличиесетевого компьютера (Network Personal Computer —NET PC) от обычного в том, что он максимально упрощен: классический NET PC не содержит дисковой памяти (часто называют бездисковым ПК). Он имеет упрощенную материнскую плату, основную память, а из внешних устройств имеет только дисплей, клавиатуру, мышь и сетевую карту обязательно с чипом ПЗУ BootROM, обеспечивающим возможность загрузки операционной системы, расположенной на внешнем запоминающем устройстве сервера.

Сервер (server) — это выделенный для обработки запросов от всех рабочих станций сети многопользовательский компьютер, предоставляющий этим станциям доступ к общим системным ресурсам (вычислительным мощностям, базам данных, библиотекам программ, принтерам, факсам и т. д.) и распределяющий эти ресурсы. Сервер имеет свою сетевую операционную систему, под управлением которой и происходит совместная работа всех звеньев сети. Из наиболее важных требований, предъявляемых к серверу, следует выделить высокую производительность и надежность работы.

Сервер, кроме предоставления сетевых ресурсов рабочим станциям, может и сам выполнять содержательную обработку информации по запросам клиентов — такой сервер часто называют сервером приложений. Сервер приложений — это работающий в сети мощный компьютер, имеющий программное обеспечение (приложения), с которым могут работать клиенты сети.

Для подключения компьютера к локальной сети требуются устройства сопряжения, называемые сетевыми адаптерами, или сетевыми интерфейсными картами, вставляемыми в слот материнской платы компьютера. В настоящее время широкое распространение приобрели адаптеры, которые могут настраиваться на различную скорость передачи данных: 10 Мбит/с (Ethernet) и 100 Мбит/с (Fast Ethernet).

Большинство сетевых адаптеров Ethernet имеет разъемы для подключения различных видов кабелей: разъем RJ — 45 для подключения кабеля «витая пара» и разъем BNC для подключения тонкого коаксиального кабеля. Некоторые адаптеры имеют также разъемы AUI (15-контактные) для подключения толстого коаксиального кабеля. В настоящее время в основном используются сетевые адаптеры, рассчитанные на сопряжение PCI (сопряжение ISAсчитается устаревшим).

В топологии Ethernet, используемой в ЛВС, наиболее распространены три среды передачи данных:

— коаксиальные кабели с волновым сопротивлением 50 Ом;

— медный провод «витая пара»;

— оптоволоконный кабель.

При выборе типа кабеля учитываются следующие показатели:

— стоимость монтажа и обслуживания;

— ограничение на длину коммуникаций без дополнительных усилителей-повторителей;

— безопасность передачи данных.

Коаксиальные кабели бывают нескольких типов:

— обычный кабель имеет среднюю цену, обеспечивает скорость передачи данных до 10 Мбит/с на расстояние до 1,5 км;

— широкополосный коаксиальный кабель более дорогой, легко наращиваем. Обеспечивает скорость обмена до 500 Мбит/с, но не более чем на 1,5 км без дополнительного усиления сигнала;

— толстый Ethernet-кабель (желтый кабель с 15-контактным включением), дорог, хорошо помехозащищен. Обеспечивает скорость до 500 Мбит/с на расстояние 500 м;

— тонкий Ethernet-кабель более дешев, обеспечивает скорость передачи данных 10 Мбит/с на 300 м. Однако монтажная длина этого кабеля ограничивается 185 метрами из-за проблем с заземлением и помехоустойчивостью.

Неэкранированная витая пара (UTP) — самая популярная среда передачи данных для сетей Ethernet в настоящее время. В ней используется недорогой недефицитный медный телефонный провод. Она имеет ряд преимуществ по сравнению с другими средами. К этим преимуществам можно отнести простоту монтажа и проверки, а также использование для соединений дешевых и надежных разъемов RJ — 45. В отличие от соединения коаксиальным кабелем соединение с одной машиной не зависит от соединения с другими машинами, поэтому неисправность аппаратуры или дефект кабельной системы в одном соединении не влияет на остальную сеть.

Типы кабеля UTP подразделяются на 5 категорий, которые обозначаются как Level-I — Level-V. Кабели категорий I и II годятся только для работы в звуковом диапазоне. Кабель Level-III — стандартный для сетей, работающих на скорости до 10 Мбит/с. Кабель категории IV конкретно ни для какого приложения не предназначен. Иногда его используют в сетях Token Ring. Кабель категории V позволяет обеспечить работу в сетях со скоростью до 100 Мбит/с. Этот кабель служит основой для многих разрабатываемых в настоящее время стандартов на основе витой пары.

Оптоволоконный кабель наиболее дорогой, обеспечивает скорость передачи данных до нескольких Гбайт/с на расстояние до 50 км без повторителя. В локальных сетях оптоволокно используется, когда расстояние между узлами превышает возможности других передающих сред.

Монтаж оптоволокна достаточно сложен. Качество соединения сильно зависит от чистоты наконечников оптических соединителей. Кроме того, глядя на концы висящего или обрезанного оптоволокна, можно обжечь сетчатку глаза, если световод сопряжен с лазером. Поэтому монтаж оптоволоконного кабеля лучше заказывать специализированным фирмам.

Сравнительные характеристики передающих сред локальных сетей приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Основные характеристики различных типов кабелей

Показатели Средапередачи данных
Коаксиал Витаяпара Оптоволокно
Цена Наращение Защитаот прослушивания НевысокаяПроблематично Хорошая,но легко ответвляется НевысокаяОчень простое Незначительная ВысокаяПростое Высокая
Скоростьобмена Проблемыс заземлением До300 Мбит/с Возможны 10-100Мбит/с Нет Гбиты Нет
Восприимчивостьк помехам Существует Существует Отсутствует

В компьютерных сетях наиболее распространенным коммуникационным оборудованием являются концентраторы, коммутаторы и маршрутизаторы. При этом для сегментации с целью избежания перегрузок могут служить только коммутаторыи маршрутизаторы.

Концентратор (по-английски Hub) позволяет присоединить к нему несколько рабочих станций, логически (по адресам) входящих в одну и ту же сеть. Концентраторы могут подключаться каскадом (для увеличения количества подключаемых рабочих станций). Концентратор обеспечивает возможность использования в ЛВС кабеля «витая пара».

Точка подключения компьютера или другого сетевого оборудования к концентратору называется портом. Обычно выпускаются модели с 5, 8, 12, 16, 24, 32 портами, кроме того, многие модели снабжаются разъемом BNCдля подключения коаксиала.

Коммутатор (Switch) позволяет увеличить полосу пропускания и уменьшить время задержки обработки информации. С его помощью можно сегментировать локальную сеть на канальном уровне иерархической модели протокола TCP/IP, т.е. без использования IP-адресации.

Маршрутизатор (router), строго говоря, разбивает логически единую по адресации сеть на подсети. Вообще, маршрутизатор служит либо для соединения сетей с различными протоколами, либо для соединения сетей TCP/IP с различным пространством адресов. В последнем случае его часто называют шлюзом (Gateway). Аппаратные маршрутизаторы обычно бывают многопротокольными и очень дороги. В локальных сетях в качестве маршрутизатора можно использовать не очень мощный компьютер с двумя или более сетевыми картами, что является самым дешевым решением для расширения сети. Кроме того, в случае не очень большой загрузки сегмента компьютер-маршрутизатор можно использовать для выполнения рабочих функций.

Обычно маршрутизаторы, как аппаратные, так и на основе компьютера, предоставляют дополнительные средства защиты данных и контроля трафика. Тем самым они играют большую роль в управлении сетью и выявлении нештатных ситуаций.

Устройства коммутации занимают важное место в системах передачи информации в вычислительных сетях. С помощью устройств коммутации значительно сокращается протяженность каналов связи в сетях с несколькими взаимодействующими абонентами: вместо того чтобы прокладывать несколько каналов связи от данного абонента ко всем остальным, можно проложить лишь по одному каналу от каждого абонента к общему коммутационному узлу. В связи с этим, если не предъявляются чрезвычайно жесткие требования к оперативности и достоверности передачи данных в вычислительных сетях, используются коммутируемые каналы связи.

Узлы коммутации осуществляют один из трех возможных видов коммутации при передаче данных:

— коммутацию каналов;

— коммутацию сообщений;

— коммутацию пакетов.

Одним из важных элементов информационно-вычислительной сети является повторитель – устройство, обеспечивающее сохранение формы и амплитуды сигнала при передаче его на большее, чем предусмотрено данным типом физической передающей среды, расстояние.

Существуют локальные и дистанционные повторители. Локальные повторители позволяют соединять фрагменты сетей, расположенные на расстоянии до 50 м, а дистанционные – до 2000 м.

Подключение отдельного компьютера или локальной сети в глобальную информационную сеть возможно только с помощью устройства, называемого модем.

Модем – это устройство прямого (модулятор) и обратного (демодулятор) преобразования сигнала к виду, принятому для использования в определенном канале связи.

Модемы можно разделить на аналоговые и цифровые.

Аналоговые модемы –это самые распространенные на сегодняшний день модемы. Первые модемы предназначались для выполнения следующих функций:

— при передаче – для преобразования широкополосных импульсов (цифрового кода) в узкополосные аналоговые сигналы;

— при приеме – для фильтрации принятого сигнала от помех и детектирования, то есть обратного преобразования узкополосного аналогового сигнала в цифровой код.

В современных модемах используются чаще всего три вида модуляции:

-частотная – FSK (Frequence Shift Keying);

-фазовая – PSK (Phase Shift Keying);

-квадратурная амплитудная — QAM (Quadrature Amplitude Modulation).

При частотной модуляции в соответствии с текущими значениями модулирующего сигнала (передаваемых данных) изменяется частота физического сигнала (обычно синусоидального) при неизменной его амплитуде. В простейшем случае значениям 1 и 0 бит данных соответствуют два значения частот, например 980 и 1180 Гц, как было принято в одном из первых протоколов V.21 передачи данных. Частотная модуляция весьма помехоустойчива, ибо при передаче искажается обычно лишь амплитуда сигнала.

При фазовой модуляции модулируемым параметром является фаза сигнала при неизменных частоте и амплитуде; помехоустойчивость фазомодулированного сигнала также высокая.

При чистой амплитудной модуляции сигнала его защищенность от помех крайне низкая, поэтому применяют более помехоустойчивую, но и более сложную квадратурную амплитудную модуляцию, при которой в такт передаваемым данным изменяются одновременно и фаза, и амплитуда сигнала.

Передача данных и их преобразования в модемах выполняются в соответствии с принятыми протоколами. Протокол передачи данных –это совокупность правил, регламентирующих формат данных и процедуры их передачи в канале связи. В протоколе, в частности, может подробно указываться, как представить данные, какой способ модуляции данных избрать с целью ускорения и защищенности их передачи, как выполнить соединение с каналом, преодолеть действующие в канале шумы и обеспечить достоверность передачи данных.

Официальным законодателем в области протоколов передачи данных для модемов является МККТТ — Международный консультативный комитет по телеграфии и телефонии (часто встречается в литературе его французская аббревиатура CCITT). Этот Комитет недавно переименован в Международный институт телекоммуникаций (ITU — International Telecommunication Union).

Практически все модемные стандарты передачи данных установлены этой организацией; некоторые характеристики важнейших из них приведены в таблице 2.

Многие модемы кроме обеспечения процедур передачи информации выполняют и ряд других весьма полезных в системах телекоммуникаций функций, таких как:

— «оцифровка» голоса и обратная операция восстановления оцифрованного голоса (voice-модемы);

— прием и передача факсимильных сообщений (факс-модемы);

— автоматическое определение номера вызывающего абонента (АОН);

— функции автоответчика и электронного секретаря и т. д.

Таблица 2 – Протоколы передачи данных по телефонным каналам связи

Год появления
Кодпротокола МККТТ (ITU) V.21 V.22 V.22 bis V.32 V.32 bis V.34 V.34 bis V.90
Максимальнаяскорость передачи, бит/с, симв/с 300 47 1200 141 2400 282 9600 1129 14400 1694 28800 3388 33600 3952 56000 6437
Видмодуляции FSK PSK QAM QAM QAM QAM QAM QAM

Поэтому современный модем кроме устройств модуляции и демодуляции (а иногда и вместо них) содержит специализированный микропроцессор, управляющий работой модема, оперативную и постоянную память, элементы звуковой и световой сигнализации о режимах работы модема и характеристиках используемого канала связи.

Современные модемы бывают двух классов.

Class 1 предполагает выполнение основной работы по приему и передаче сообщений компьютером с программой поддержки факсимильной связи. Модемы этого класса часто называются программными (software) модемами. Программные модемы бывают на шине PCI, а поскольку они работают только под управлением Windows, их называют также Win-модемами. В программных модемах часть их функций реализована не в виде микросхем, а заменена программой, которая выполняется центральным процессором ПК. По некоторым (непроверенным) сведениям Win-модемы хуже работают на плохих телефонных линиях: возможностей настройки у них меньше, чем у аппаратных модемов, и чаще происходит обрыв связи.

Class 2 реализует все процедуры передачи и приема факсов средствами самого модема. Модемы этого класса часто называются аппаратными (hardware) модемами. Аппаратные модемы бывают на шине ISA и на шине PCI. PCI-модемы ввиду отсутствия логического СОМ-порта работают хорошо только под Windows, а для работы в DOS, Linix и т. д. требуют специальных драйверов. ISA-модемы, еще недавно доминировавшие на рынке, сдают свои позиции ввиду отсутствия шины ISA на последних моделях материнских плат. Достоинство Hard-модемов в том, что они просты в настройке, не занимают внутренних ресурсов ПК и хорошо держат плохие телефонные линии.

Существует еще два типа модемов — AMR- и CNR-модемы. Ультрасовременные AMR (Audio and Modem Riser Card) и CNR (Communication and Networking Riser Card) могут работать только с новейшими Intel-чипсетами и с тональными номеронабирателями.

Модемы различаются также:

— конструкцией – автономные и встраиваемые в аппаратуру;

— интерфейсом с каналом связи – контактные и бесконтактные;

— назначением – модемы, факсмодемы;

— скоростью передачи данных, бит/с (300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 12000, 14400, 16800, 19200, 28800, 33600, 56000).

Цифровые модемы еще называют сетевыми адаптерами. Входной и выходной сигналы в таких модемах импульсные.

Цифровые модемы выпускают для работы в конкретных цифровых технологиях: ISDN, HDSL, ADSL, SDSL и т.д.

Статьи к прочтению:

Introduction to Instrumentation, Data Acquisition and Bitdepth


Похожие статьи: