Устройства коммуникации и специальные устройства.

Это устройства, обеспечивающие связь с другими ЭВМ или управляемыми объектами, включая удаленные объекты.

К устройствам коммуникации относятся:

- модемы;

- сетевая карта;

- маршрутизаторы (роуторы);

- коммутаторы (хабы, свичи);

- беспроводные точки доступа.

Модемы

Модем – устройство (см. рис.2.37), применяющееся в системах связи для физического сопряжения информационного сигнала со средой его распространения, где он не может существовать без адаптации (то есть переносе его на несущую с модуляцией), и выполняющее функцию модуляции и демодуляции этого сигнала (чаще всего в речевом диапазоне).

Модулятор в модеме осуществляет модуляцию несущего сигнала, то есть изменяет его характеристики в соответствии с изменениями входного информационного сигнала, демодулятор – осуществляет обратный процесс. Модем выполняет функцию оконечного оборудования линии связи. Само формирование данных для передачи и обработку принимаемых данных осуществляет терминальное оборудование (в его роли может выступать и персональный компьютер).

Рис. 2.37. Модем: слева – внешний, справа - внутренний.

 

Модемы широко применяются для связи компьютеров, позволяющее одному из них связываться с другим (также оборудованным модемом) через телефонную сеть (телефонный модем) или кабельную сеть (кабельный модем). Также модемы ранее применялись в сотовых телефонах (пока не были вытеснены цифровыми способами передачи данных).

Типы компьютерных модемов

По исполнению:

-   внешние – подключаются через COM или LPT, USB порт или стандартный разъем в сетевой карте RJ-45, обычно имеют отдельный блок питания (существуют и USB-модемы с питанием от шины USB).

-   внутренние – дополнительно устанавливаются внутрь аппарата (в слот ISA, PCI, PCI-E, PCMCIA, AMR, CNR)

-   встроенные – являются частью аппарата, куда встроены (например ноутбука или док-станции).

По принципу работы:

-   аппаратные – все операции преобразования сигнала, поддержка физических протоколов обмена, производятся встроенным в модем вычислителем (например с использованием DSP, контроллера). Так же в аппаратном модеме присутствует ПЗУ, в котором записана микропрограмма, управляющая модемом.

-   программные (софт-модемы, Host based soft-modem) – все операции по кодированию сигнала, проверке на ошибки и управление протоколами реализованы программно и производятся центральным процессором компьютера. В модеме находится только входные аналоговые цепи и преобразователи (ЦАП и АЦП), также контроллер интерфейса (например: USB).

-   полупрограммные (Controller based soft-modem) – модемы, в которых часть функций модема выполняет компьютер, к которому подключён модем.

По виду соединения:

-   Модемы для коммутируемых телефонных линий – наиболее распространённый тип модемов.

-   ISDN – модемы для цифровых коммутируемых телефонных линий.

-   DSL – используются для организации выделенных (некоммутируемых) линий используя обычную телефонную сеть. Отличаются от коммутируемых модемов тем, что используют другой частотный диапазон, а также тем, что по телефонным линиям сигнал передается только до АТС. Обычно позволяют одновременно с обменом данными осуществлять использование телефонной линии в обычном порядке.

-   Кабельные – используются для обмена данными по специализированным кабелям – к примеру, через кабель коллективного телевидения по протоколу DOCSIS.

-   Радио – работают в радиодиапазоне, используют собственные наборы частот и протоколы.

-   Сотовые – работают по протоколам сотовой связи – GPRS, EDGE, и т.п. Часто имеют исполнения в виде USB-брелка. В качестве таких модемов также часто используют терминалы мобильной связи.

-   Спутниковые.

-   PLC – используют технологию передачи данных по проводам бытовой электрической сети.

Дополнительные функции:

Факс-модем – позволяет компьютеру, к которому он присоединён, передавать и принимать факсимильные изображения на другой факс-модем или обычную факс-машину.

Голосовой модем – с функцией оцифровки сигнала с телефонной линии и воспроизведения произвольного звука в линию. Часть голосовых модемов имеет встроенный микрофон. Такой модем позволяет осуществить:

-   передачу голосовых сообщений в режиме реального времени на другой удалённый голосовой модем, приём сообщений от него и воспроизведение их через внутренний динамик;

-   использование в режиме автоответчика и для организации голосовой почты.

ADSL – модем. ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line – асимметричная цифровая абонентская линия) – модемная технология, превращающая аналоговые сигналы, передаваемые посредством стандартной телефонной линии, в цифровые сигналы (пакеты данных), позволяя во время работы совершать звонки (см. рис. 2.38).

  Рис. 2.38. Принцип действия ADSL-модема.

Передача данных по технологии ADSL реализуется через обычную аналоговую телефонную линию при помощи абонентского устройства – модема ADSL и мультиплексора доступа (DSL Access Multiplexer, DSLAM), находящегося на той АТС, к которой подключается телефонная линия пользователя, причём включается DSLAM до оборудования самой АТС. В результате между ними оказывается канал без каких-либо присущих телефонной сети ограничений. DSLAM мультиплексирует множество абонентских линий DSL в одну высокоскоростную магистральную сеть.

Стоит заметить, что два ADSL-модема не смогут соединиться друг с другом, в отличие от обычных dial-up-модемов.

ADSL-сплиттер разделяет частоты голосового сигнала (0,3 – 3,4 КГц) от частот, используемых ADSL-модемом (26 КГц – 1,4 МГц). Таким образом исключается взаимное влияние модема и телефонного аппарата. Внешне представляет собой небольшую коробочку с тремя разъёмами типа RJ-11: 1) «Line» (входящий); 2) «Phone» (выходящий); 3) «ADSL» (выходящий). Позволяет ADSL-модему и телефонному/факс аппарату работать на одной телефонной линии независимо друг от друга и одновременно.

Технология ADSL представляет собой вариант DSL, в котором доступная полоса пропускания канала распределена между исходящим и входящим трафиком несимметрично – для большинства пользователей входящий трафик значительно более существенен, чем исходящий, поэтому предоставление для него большей части полосы пропускания вполне оправдано. Обычная телефонная линия использует для передачи голоса полосу частот 0,3…3,4 кГц. Чтобы не мешать использованию телефонной сети по её прямому назначению, в ADSL нижняя граница диапазона частот находится на уровне 26 кГц. Верхняя же граница, исходя из требований к скорости передачи данных и возможностей телефонного кабеля, составляет 1,1 МГц. Эта полоса пропускания делится на две части – частоты от 26 кГц до 138 кГц отведены исходящему потоку данных, а частоты от 138 кГц до 1,1 МГц – входящему. Полоса частот от 26 кГц до 1,1 МГц была выбрана не случайно. Начиная с частоты 20кГц и выше, затухание имеет линейную зависимость от частоты.

Такое частотное разделение позволяет разговаривать по телефону не прерывая обмен данными по той же линии. Разумеется, возможны ситуации, когда либо высокочастотный сигнал ADSL-модема негативно влияет на электронику современного телефона, либо телефон из-за каких-либо особенностей своей схемотехники вносит в линию посторонний высокочастотный шум или же сильно изменяет её АЧХ в области высоких частот; для борьбы с этим в телефонную сеть непосредственно в квартире абонента устанавливается фильтр низких частот (частотный разделитель, Splitter, представляет собой небольшую коробочку с тремя разъёмами типа RJ-11: 1) «Line» - входящий сигнал; 2) «Phone» - выходящий; 3) «ADSL» - выходящий), пропускающий к обычным телефонам только низкочастотную составляющую сигнала и устраняющий возможное влияние телефонов на линию. Такие фильтры не требуют дополнительного питания, поэтому речевой канал остаётся в строю при отключённой электрической сети и в случае неисправности оборудования ADSL.

Передача к абоненту ведётся на скоростях до 24 Мбит/с. В системах ADSL под служебную информацию отведено 25 % общей скорости. Максимальная скорость линии зависит от ряда факторов, таких как длина линии, сечение и удельное сопротивление кабеля. Также существенный вклад в повышение скорости вносит тот факт, что для ADSL линии рекомендуется витая пара (а не ТРП) причём экранированная, а если это многопарный кабель, то и с соблюдением направления и шага повива.

Сетевое оборудование

Сетевая плата, также известная как сетевая карта, сетевой адаптер, Ethernet-адаптер, NIC (network interface card) – периферийное устройство, позволяющее компьютеру взаимодействовать с другими устройствами сети (см. рис 2.39).

Рис. 2.39. Сетевая карта.

 

По конструктивной реализации сетевые платы делятся на:

-   внутренние – отдельные платы, вставляющиеся в ISA, PCI или PCI-E слот;

-   внешние, подключающиеся через USB или PCMCIA интерфейс, преимущественно использующиеся в ноутбуках;

-   встроенные в материнскую плату.

В зависимости от мощности и сложности сетевой карты она может реализовывать вычислительные функции (преимущественно подсчёт и генерацию контрольных сумм кадров) аппаратно либо программно (драйвером сетевой карты с использованием центрального процессора).

Серверные сетевые карты могут поставляться с двумя (и более) сетевыми разъёмами. Некоторые сетевые карты (встроенные в материнскую плату) также обеспечивают функции межсетевого экрана.

Сетевой коммутатор или свитч (switch – переключатель) – устройство, предназначенное для соединения нескольких узлов компьютерной сети в пределах одного сегмента сети (см. рис. 2.40). В отличие от концентратора, который распространяет трафик от одного подключенного устройства ко всем остальным, коммутатор передаёт данные только непосредственно получателю, исключение составляет широковещательный трафик всем узлам сети. Это повышает производительность и безопасность сети, избавляя остальные сегменты сети от необходимости (и возможности) обрабатывать данные, которые им не предназначались.

Рис. 2.40. Сетевой коммутатор.

 

Коммутатор работает на канальном уровне модели OSI, и потому в общем случае может только объединять узлы одной сети по их MAC-адресам. Коммутаторы были разработаны с использованием мостовых технологий и часто рассматриваются как многопортовые мосты.

Принцип работы коммутатора. Коммутатор хранит в памяти таблицу коммутации (хранящуюся в ассоциативной памяти), в которой указывается соответствие MAC-адреса (Media Access Control – управление доступом к среде) узла порту коммутатора. При включении коммутатора эта таблица пуста, и он работает в режиме обучения. В этом режиме поступающие на какой-либо порт данные передаются на все остальные порты коммутатора. При этом коммутатор анализирует кадры (фреймы) и, определив MAC-адрес хоста-отправителя, заносит его в таблицу. Впоследствии, если на один из портов коммутатора поступит кадр, предназначенный для хоста, MAC-адрес которого уже есть в таблице, то этот кадр будет передан только через порт, указанный в таблице. Если MAC-адрес хоста-получателя не ассоциирован с каким-либо портом коммутатора, то кадр будет отправлен на все порты. Со временем коммутатор строит полную таблицу для всех своих портов, и в результате трафик локализуется. Стоит отметить малую латентность (задержку) и высокую скорость пересылки на каждом порту интерфейса.

Маршрутизатор или роутер (router) – сетевое устройство, на основании информации о топологии сети и определённых правил принимающее решения о пересылке пакетов сетевого уровня (уровень 3 модели OSI) между различными сегментами сети (см. рис. 2.41).

Работает на более высоком уровне (3 уровень), нежели коммутатор и сетевой мост.

Рис. 2.41. Маршрутизатор.

 

Принцип работы. Обычно маршрутизатор использует адрес получателя, указанный в пакетах данных, и определяет по таблице маршрутизации путь, по которому следует передать данные. Если в таблице маршрутизации для адреса нет описанного маршрута, пакет отбрасывается.

Существуют и другие способы определения маршрута пересылки пакетов, когда, например, используется адрес отправителя, используемые протоколы верхних уровней и другая информация, содержащаяся в заголовках пакетов сетевого уровня. Нередко маршрутизаторы могут осуществлять трансляцию адресов отправителя и получателя, фильтрацию транзитного потока данных на основе определённых правил с целью ограничения доступа, шифрование/дешифрование передаваемых данных и т.д.

Беспроводная точка доступа (Wireless Access Point, WAP) – устройство для объединения компьютеров в единую беспроводную сеть (см. рис. 2.42).

Рис. 2.42. Беспроводная точка доступа.

 

Объединение компьютеров в проводную сеть обычно требует прокладки множества кабелей через стены и потолки. Также проводные сети накладывают определённые ограничения на расположение устройств в пространстве. Этих недостатков лишены беспроводные сети: можно добавлять компьютеры и прочие беспроводные устройства с минимальными физическими, временными и материальными затратами. Для передачи информации беспроводные точки доступа используют радиоволны из спектра частот, определённых стандартом IEEE 802.11.

Чаще всего беспроводные точки доступа используются для предоставления доступа мобильным устройствам (ноутбуки, принтеры и т.д.) к стационар-ной локальной сети.

Также беспроводные точки доступа часто используются для создания так называемых «горячих точек» – областей, в пределах которых клиенту предоставляется, как правило, бесплатный доступ к сети Интернет. Обычно такие точки находятся в библиотеках, аэропортах, уличных кафе крупных городов.

В последнее время наблюдается повышение интереса к беспроводным точкам доступа при создании домашних сетей. Для создания такой сети в пределах одной квартиры достаточно одной точки доступа. Возможно, этого будет достаточно для включения в сеть и соседей прилегающих квартир. Для включения в сеть квартиры через одну, определенно, потребуется ещё одна точка доступа, которая будет служить ретранслятором сигнала, ослабевшего вследствие прохождения через несущую стену.

Это устройство во многом аналогично клиентскому адаптеру. Как и последний, оно состоит из приёмопередатчика и интегрированного интерфейсного чипа, но наделено большим количеством интеллектуальных функций и более сложной электроникой.

Конструктивно точки доступа могут быть выполнены как для наружного использования (защищённый от воздействий внешней среды вариант), так и для использования внутри деловых и жилых помещений. Также существуют устройства, предназначенные для промышленного использования, учитывающие специфику производства.

Что касается функциональности, у различных точек доступа она может существенно разниться, иногда предоставляя средства диагностики и контроля сети, удалённой настройки и устранения неисправностей. Кроме того, в последнее время появились точки доступа, позволяющие производить многопользовательский обмен файлами (их трансляцию), минуя сервер.

Точки доступа призваны выполнять самые разнообразные функции, как для подключения группы компьютеров (каждый с беспроводным сетевым адаптером) в самостоятельные сети (режим Ad-hoc), так и для выполнения функции моста между беспроводными и кабельными участками сети (режим Infrastructure).

Для режима Ad-hoc максимально возможное количество станций – 256. В Infrastructure-режиме допустимо до 2048 беспроводных узлов. На практике, одна точка доступа может обслуживать не более 15 клиентов одновременно.

Следует учитывать, что точка доступа – это обычный концентратор. При нескольких подключениях к одной точке полоса пропускания делится на количество подключённых пользователей. Теоретически ограничений на количество подключений нет, но на практике стоит ограничиться, исходя из минимально необходимой скорости передачи данных для каждого пользователя.

С помощью точки доступа можно легко организовать роуминг при перемещении мобильного компьютера пользователя в зоне охвата большей, чем зона охвата одной точки доступа, организовав «соты» из нескольких точек доступа и обеспечив перекрытие их зон действия. В этом случае необходимо обеспечить, чтобы в предполагаемой зоне перемещения мобильного пользователя все точки доступа и мобильные компьютеры имели одинаковые настройки (номера каналов, идентификаторы и др.).

Самыми популярными стандартами для точек доступа являются Wi-Fi (802.11a/b/g/n) и Bluetooth.

Registered jack RJ-45 (RJ, читается «ар-джей») – это стандартизированный физический интерфейс, используемый для соединения телекоммуникационного оборудования (см. рис. 2.43).

Рис. 2.43. Вилка RJ-45.

 

Коммутационный шнур, коммутационный кабель или патч-корд (от patching cord – соединительный шнур) – одна из составных частей структурированной кабельной системы (см. рис. 2.44). Представляет собой электрический кабель для подключения одного электрического устройства к другому. Может быть любых типов и размеров, на одном или обоих концах кабеля обязательно присутствуют соответствующие соединяемым устройствам коннекторы.

Рис. 2.44. Патч-корд.

 

Кроссовер – разновидность патч-корда витой пары, используемого в компьютерных сетях. Особенностью является перекрёстное (кроссовое) соединение концов кабеля с коннекторами. Применяется для соединения однотипных сетевых устройств: ПК-ПК, свитч-свитч и т.п. Следует заметить, что многие современные устройства автоматически определяют тип патч-корда (прямой или кроссовый) и могут совместно работать на любом из типов кабеля.

Витая пара (twisted pair) – вид кабеля связи, представляет собой одну или несколько пар изолированных проводников, скрученных между собой (с небольшим числом витков на единицу длины), покрытых пластиковой оболочкой (см. рис. 2.45). Свивание проводников производится с целью повышения степени связи между собой проводников одной пары (электромагнитная помеха одинаково влияет на оба провода пары) и последующего уменьшения электромагнитных помех от внешних источников, а также взаимных наводок при передаче дифференциальных сигналов.

Рис. 2.45. Кабель «Витая пара».

 

Защита от помех питания

Сетевой фильтр – устройство, содержащее варисторный фильтр для подавления импульсных помех и LC-фильтр (индуктивно-емкостной) для подавления высокочастотных помех (см. рис. 2.46).

Рис. 2.46. Слева – сетевой фильтр,

справа – источник бесперебойного питания.

Источник бесперебойного питания, (ИБП) (Uninterruptible Power Supply, UPS) – источник вторичного электропитания, автоматическое устройство, назначение которого обеспечить подключенное к нему электрооборудование бесперебойным снабжением электрической энергией в пределах нормы (см. рис. 2.46).

Неполадками в питающей сети считаются:

-   авария сетевого напряжения (напряжение в питающей сети полностью пропадет);

-   высоковольтные импульсные помехи (резкое увеличение напряжения до 6 кВА продолжительностью от 10 до 100 мс);

-   долговременные и кратковременные подсадки и всплески напряжения;

-   высокочастотный шум (высокочастотные помехи, передаваемые по электросети);

-   выбег частоты (отклонение частоты более чем на 3 Гц).

Массовое использование ИБП связано с обеспечением бесперебойной работы компьютеров, позволяющее подключенному к ИБП оборудованию при пропадании электрического тока или при выходе его параметров за допустимые нормы, некоторое непродолжительное (как правило – до одного часа) время продолжить работу. ИБП способен корректировать параметры (напряжение, частоту) выходной сети. Может совмещаться с различными видами генераторов электроэнергии (например, дизель-генератором).

Важными показателями, обуславливающими выбор схемы построения ИБП являются время переключения нагрузки на питание от аккумуляторных батарей и время работы от аккумуляторной батареи.

Реализация основной функции достигается работой устройства от аккумуляторов, установленных в корпусе ИБП, под управлением электрической схемы, поэтому в состав любого ИБП, кроме схемы управления, входит зарядное устройство, которое обеспечивает зарядку аккумуляторных батарей при наличии напряжения в сети, обеспечивая тем самым постоянную готовность к работе ИБП в автономном режиме. Для увеличения автономного режима работы, можно оснастить ИБП дополнительной (внешней) батареей.

 

Вопросы для самопроверки:

1.Что относится к устройствам коммуникации.

2. Что такое модем, его функции, принцип действия.

3. Принцип действия ADSL -модема.

4. Что такое сетевая карта, ее функции.

5. Что такое коммутатор (свитч), его функции.

6. Что такое маршрутизатор (роутер), его функции.

7. Что такое беспроводная точка доступа, ее функции.

8. Что такое патч-корд, вилка RG -45, кабель «витая пара».

9. Что такое сетевой фильтр, его функции.

10. Что такое источник бесперебойного питания, его функции.