1.2.2 Повторители, концентраторы, трансиверы, адаптеры, порты

Повторителем (по-английски: repeater) назывется сетевое коммуникационное функциональное средство для физического соединения двух сегментов кабеля локальной сети с целью геометрического увеличения общей длины сети. Повторитель принимает сигналы из одного сегмента кабеля и побитно синхронно повторяет их в другом сегменте, при этом улучшает форму, фронты и мощность элементарного сигнала, физически несущего бит передаваемой информации, а также восстанавливает синхронность сигналов–импульсов.

Детальное рассмотрение свойств и функций таких компонентов базового сетевого оборудования как повторители осуществим как в общей постановке, так и в составе локальных сетей (LAN) конкретных технологий. В качестве такой технологии для начала примем наиболее популярную в настоящий момент сетевую технологию Ethernet (по–русски: «эфирная сеть») в версии Ethernet 10Base–* (символ * принимает смысл *=2; 5; Т). Технология Ethernet 10Base–5 обладает характеристиками:

– скорость передачи ,

– кабель типа «толстый» коаксиал RG–8, RG–11(внешний диаметр , диаметр внутреннего медного одножильного проводника, волновое сопротивление, затухание на частоте сигналане более 18дб/км),

– максимальная длина сегмента кабеля (как следствие затухания на частоте сигнала18дб/км) без повторителя составляет величину,

– локальная сеть строится по схеме «5 – 4 – 3», где 5– число сегментов длины , 4 – число повторителей в сети, 3 – число нагруженных сегментов (НС), включаемых вместе с ненагруженными сегментами (ННС) по схеме «НС – ННС – НС – ННС – НС»,

– максимальная длина сети в стандартеEthernet 10Base–5 составляент величину =5()= 2500м.

Каждый повторитель подключается к каждому сегменту с помощью одного трансивера (по-русски: «передатчик–приемник») так, что к нагруженному сегменту можно подключить до 99 узлов (персональных компъютеров (ПК)). В результате максимальное число конечных узлов в сети составляет величину =399=297 узлов.

Схема подключения сетевых компонентов в стандарте Ethernet 10Base–5 на примере трех сегментов « НС–ННС–НС» приведена на рисунке 1.2.5.

Рисунок 1.2.5

На рисунке 1.2.5:

Т – терминатор, представляющий собой «электротехническую заглушку» концов кабеля сопротивлением ;TC – трансивер (от английского слова «Transmitter–Receiver»–по–русски: «передатчик–приемник»); АП–аппаратура повторения; функциональная структура «ТС–АП–ТС» представляет собой повторитель; ПК–персональный компъютер; К– кабель типа AUI (Attachment Unit Interface), состоящий из 4–х витых пар; Р–разъем типа DB–15; СА–сетевой адаптер ПК.

Таким образом повторитель содержит в своем составе два трансивера, которые присоединяются с соединяемыми сегментами кабеля, а также блок АП повторения импульсов со своим тактовым генератором. Для качественной синхронизации импульсов повторитель задерживает передачу кадра информации на несколько битов (в технологии Ethernet эта задержка составляет 12 бит) при передаче с сегмента на сегмент. Дополнительной функцией повторителей является обнаружение в канале связи коллизий.

Многопортовые повторители, которые осуществляют физическое соединение более, чем 2 сегмента, называются коцентраторами ( или хабами). Концентраторы, как и повторители, выполняют функцию обнаружения коллизий. На рисунке 1.2.6 приведен пример трехпортового концентратора в составе локальной сети.

Рисунок 1.2.6

На рисунке 1.2.6: ПК, СА, Р,К – соответственно персональные компъютеры, сетевые адаптеры, разъемы и кабель из 4-х витыъх пар; R, T– соответственно приемники и передатчики физических сигналов передачи.

Рисунок 1.2.7 иллюстрирует процесс возникновения и разрешения коллизий (конфликтов) в сети

Рисунок 1.2.7

Продолжим рассмотрение сетевых функциональных компонентов на примере рисунка 1.2.5, вынесенных в заголовок параграфа: трансивер, сетевой адаптер, порт.

Трансивер (от английского слова «Transmitter–Receiver»–по–русски: «передатчик–приемник»):

– выполняет функции:

– прием и передачу данных с кабеля на кабель,

– фиксации коллихзий на кабеле,

– электрической развязки между кабелем и адаптером

– защиты кабеля от некорректной работы адаптера;

– устанавливается непосредственно на сетевом кабеле, но питается от сетевого адаптера компъютера, одним концом он присоединяется к сетевому кабелю методом его прокалывания, что обеспечивает непосредственный электрический контакт с «толстым коаксиалом» или бесконтактно с помощью микротрансформаторов, другим концом он соединяется с сетевым адаптером компъютера кабелем AUI из четырех витых пар длиной, не превышающей 50 метров;

– число трансиверов, присоединяемых к одному сегменту длиной 500 метров не должно превышать 100 с расстоянием между трансиверами не менее 2.5 метра, для чего на «толстом коаксиале» имеются специальные метки с шагом 2.5 метра, указывающие точки подключения трансиверов, такой шаг подключения сводит влияние стоячих волн в кабеле на сетевые адаптеры компъютеров до минимума.

На рисунке 1.2.8 приведена упрощенная схема трансивера.

Рисунок 1.2.8

На рисунке 1.2.8 :

МТ, R, T, РЭ – соответственно микротрансформатор для съема сигнала с кабеля, приемник ( по–английски: «receiver»), передатчик (по–английски: «transmitter»), развязывающие элементы, обеспечивающие гальваническую (электрическую) развязку трансивера от сетевого адаптера, с тем чтобы защитить сетевой адаптер и сам компъютер от значительных перепадов напряжения на кабеле, возникающих при его повреждении.

Теперь рассмотрим стандарт Ethernet 10 Base–2, обладающий характеристиками:

– скорость передачи ,

– передающая среда использует коаксиальный кабель типа RG–58U, RG–58A/U («тонкий коаксиал») с внутренним проводником ,

– затухание больше, чем у RG–8 и RG–11, как следствие которого длина сегмента кабеля сети без повторителей не более

– волновое сопротивление .

Станции к кабелю RG–58/* подключаются с помощью –коннектора, который представляет собойтройник, один отвод которого (центральный) соединяется с сетевым адаптером ПК, а другие два – с двумя концами разрыва кабеля. Максимальное число станции на один сегмент без повторителя – 30 штук с минимальным по кабелю расстоянием в 1 метр, для чего на «тонком» коаксиале имеется разметка с шагом в 1 метр для подключения станций.

В этом стандарте трансиверы объединены с сетевым адаптером ПК, за счет того, что более гибкий «тонкий коаксиал» может быть непосредственно подведен к выходному разъему платы сетевого адаптера, установленного на

шасси ПК, в итоге кабель «висит» на сетевом адаптере, что затрудняет перемещение ПК. Локальная сеть (LAN) в рамках данного стандарта, построенная на 4–х повторителях (П1–П4) с максимальной длиной метров и числом станций (ПК)приведена на рисунке 1.2.9.

Рисунок 1.2.9

Сетевые адаптеры (по-английски: «Network Interface Card (NIC)») совместно со своим драйвером реализуют канальный уровень в конечном узле сети – компъютере. Основная функция сетевого адаптера (СА):

– передача кадра (пакета) в канал связи (сетевой кабель),

– прием кадра (пакета) из канала связи (сетевого кабеля).

Передача кадра из компъютера в сетевой кабель через трансивер состоит из следующих этапов:

– извлечения кадра данных из дисковой памяти или из файлового кэша (сверхбыстрой памяти) с помощью подсистемы ввода–вывода операционной системы;

– оформление кадра передачи путем заполнения адресов назначения и источника, формирование контрольной суммы;

– формирование символов (элементов) кодов передачипри использовании избыточных кодов, скремблирование кодов для получения равномерного спектра сигнала кода;

– выдача сигналов (кадров) передачи в кабель в соответствии с принятым кодом передачи: NRZI, Манчестер–2 и т.д. через трансивер.

Прием сигнала (кадра) из сетевого кабеля включает:

– прием из сетевого кабеля сигналов кадров и его сглаживающая фильтрация;

– выделение полезного сигнала на фоне шумов (оптимальный прием), осуществляемое с помощью сигнальных процессоров или специализированных ИМС *интегральных микросхем), в результате чего формируется битовая последовательность близкая к посланной в сетевой кабель передатчиком;

– дескремблирование восстановленной кодовой последовательности кадра;

– проверка контрольной суммы (КС) с последующим использования результата по схеме: КС – верна кадр извлечь и разместить в буфере оперативной памяти компъютера, КС – неверна кадр отбросить.

Сетевые адаптеры разделяются на:

– адаптеры для клиентских компъютеров

– адаптеры для серверов.

Адаптеры клиентских компъютеров характеризуются тем, чтьо значительная часть функций перекладывается на драйвер, что делает адаптер аппаратно проще. Недостатком такого распределения функций на паре «драйвер – адаптер» является дополнительная загрузка центрального процессора компъютера алгоритмами по пересылкекадров из оперативной памяти ПК в сеть (на кабель).

Адаптеры серверов обычно снабжаются собственными процессорами, которые самостоятельно выполняют большую часть функций по пересылке кадров из оперативной памяти ПК в сеть и наоборот.

Адаптеры ориентированы на конкретную сетевую технологию, поэтому они разделяются на:

– Ethernet–адаптеры,

– Token Ring–адаптеры,

– FDDI–адаптеры.

Порты. Связь компъютера с внешними устройствами осуществляется через порты – специализированные разъемы, располагаемые в основном на тыльной стороне системного блока ПК. В настоящее время ПК может быть оборудованным следующими портами:

– LPT (Line Print Terminal) – параллельный порт для подключения принтеров,

– PS (Personal System) – параллельный порт для подключения мыши и клавиатуры,

– COM (Communication) – последовательный порт для подключения периферийных устройств типа внешний модем, мобильный телефон и др.,

– USB (Universal Serial Bus) – последовательный порт универсального применения,

– RJ (Registered Jack – по–русски: «зафиксированное гнездо») – последовательный порт для подключения ПК с помощью кабеля из двух витых пар к локальной сети Интернет,

– Game/Midi (Musical Instrument Digital Interface) – последовательный порт для подключения джойстиков, игровых манипуляторов, музыкальных синтезаторов и т.п.,

– WiFi (Wireless Fidelity) – последовательный порт для беспроводного подключения к локальной сети и Интернет,

– FireWire – высокоскоростной последовательный порт для подключения видеокамер и т.п.,

– BlueTooth – последовательный порт для беспроводного подключения в радиодиапазоне (2.4 – 2.48)Ггц на расстояния (10 – 100)метров

– ИК – порт передачи данных с использованием инфракрасного диапазона световых волн в качестве среды передачи, является разновидностью оптической линии связи ближнего радиуса действия, которая была особенно популярна в конце 1990-х начале 2000-х годов, в данное время практически вытеснена более современными способами связи, такими как WiFi и Bluetooth.

1.2.3 Мосты, коммутаторы, маршрутизаторы ( шлюзы)

Мосты, коммутаторы, маршрутизаторы и шлюзы в отличие от повторителей и концентраторов решают задачу не физической структуризации сети, а ее логической структуризации.

Определение 1.2.2. Логическая структуризация сети – это процесс разбиения сети на сегменты с локализованным трафиком (потоком).

Определение 1.2.3.Распространение информационного трафика, предназначенного для станций (узлов, ПК) некоторого сегмента сети только в пределах этого сегмента называется локализацией информационного трафика.

Мост (Bridge) разделенную среду передачи локальной сети на части, именуемые логическими сегментами сети, передавая информацию из одного сегмента в другой только в том случае, если такая передача действительно необходима, то есть, если адрес станции назначения принадлежит другой подсети (другому сегменту). Таким образом мост изолирует трафик одной сети от трафика другой сети, повышая тем самым производительность передачи данных в сети.

На рисунке 1.2.10 приведена сеть, которая построена на логических сегментах, при этом логическая структуризация осуществлена с помощью коммутационных возможностей моста, реализуемой на основе анализа адреса станции назначения.

Рисунок 1.2.10

На рисунке К1, К2, К3, К4, М, ПК – соответственно концентраторы, физически образующие локальные сети отделов №1, №2, №3. №4 ; мост и персональные компъютеры. Мост структурировал сеть на четыре подсети, физически образованные с помощью концентраторов. При помощи моста М трафик, возникший в результате формирования информационного пакета в компъютере (узле) ПК 1.2 с целью его передачи компъютеру (узлу) ПК 1.3 на основе анализа адреса назначения локализовался в среде сети отде5ла №1.

Коммутатор (по–английски: «Swith») функционально не отличается от моста.Он является мостом нового поколения, так как обрабатывает информационные массивы (пакеты, кадры) не последовательно, как это делает мост, а параллельно, являясь тем самым коммуникационным мультипроцессором.

Маршрутизатор – новый тип межсетевого коммуникационного оборудования, решающего задачи:

– формирования логических сегментов сети из узлов (компъютеров), принадлежащих одному сегменту, чем обеспечивается локализация трафика в этом сегменте;

– формирования единой сети из локальных сетей, использующих различные сетевые технологии;

– формирования составных сетей из сетей различного уровня глобализации LAN, MAN и WAN –типов.

На рисунке 1.2.11 приведен пример архитектуры составной сети из компонентов различного уровня глобализации и различных сетевых технологий, построенной с помощью маршрутизаторов. На рисунке 1.2.11 М1, М2, М3, М4, М5, М6, М7 – маршрутизаторы, Ethernet, Fast Ethernet, Token Ring, FDDI – наиболее популярные на настоящий момент типовые локальные сетевые технологии.

Рисунок 1.2.11