Промежуточные сетевые устройства

Промежуточные устройства служат для соединения конечных устройств. Эти устройства обеспечивают соединение, работая «за кулисами» и осуществляя передачу данных по сети. Промежуточные устройства соединяют отдельные узлы с сетью и могут соединять несколько отдельных сетей для создания объединенной сети.

Примеры промежуточных сетевых устройств (см. рисунок 6):

– коммутаторы и точки беспроводного доступа (сетевой доступ);

– маршрутизаторы (межсетевое взаимодействие);

– межсетевые экраны (безопасность).

Рисунок 6 – Пример промежуточного устройства.

К функциям промежуточных устройств относится управление данными по мере их прохождения через сеть. Эти устройства используют адрес узла назначения и информацию о межсетевых соединениях, чтобы определить пути для отправки сообщений по сети.

Процессы, запущенные на промежуточных сетевых устройствах, выполняют следующие функции:

– регенерация и ретрансляция сигналов передачи данных;

– поддержание информации о существующих путях в сети и между сетями;

– уведомление других устройств об ошибках и сбоях связи;

– направление данных через альтернативный маршрут при выходе канала из строя;

– классификация и передача сообщений в соответствии с приоритетами качества обслуживания (QoS);

– разрешение или запрет потока данных на основании настроек безопасности.

Сетевая топология

Сетевая топология — это схема, в которой изложены различные элементы компьютерной сети. Сеть может быть представлена двумя типами топологии: физической и логической.

Физическая топология отображает расположение и местонахождение всех устройств в сети. Физическая топология описывает фактические соединения между устройствами посредством проводов и кабелей.

При определении физической топологии необходимо учесть следующие аспекты.

– Местоположение компьютеров пользователей.

– Расположение сетевого оборудования, в том числе коммутаторов, маршрутизаторов и точек беспроводного доступа.

– Расположение контроллеров и серверов.

– Расположение датчиков и исполнительных механизмов.

– Возможность расширения сети в будущем.

Логическая топология основана на принципах работы протоколов связи и представляет сеть иначе, чем физические топологии. Логическая топология отображает пути, по которым данные передаются по сети. Она описывает, как устройства обмениваются данными с пользователями сети. Неотъемлемой частью логической топологии является схема адресации.

Все сети строятся на основе трех базовых топологий:

− шина (bus);

− звезда (star);

− кольцо (ring).

Шинная топология

При помощи кабеля каждая рабочая станция соединяется с другими рабочими станциями и с файловым сервером. Кабель проходит от узла к узлу, последовательно соединяя все рабочие станции и все файловые серверы. На каждом конце кабеля подключается согласующая нагрузка (терминатор) для исключения эхоотражений (см. рисунок7).

Рисунок 7 – Шинная топология.

Шинная топология использует состязательный метод доступа. Это означает, что информацию принимает только тот компьютер, адрес которого соответствует адресу получателя, зашифрованному в передаваемых сигналах. Остальные компьютеры отбрасывают сообщение. Перед передачей данных компьютер должен ожидать освобождения шины. В каждый момент времени отправлять сообщение может только один компьютер, поэтому число подключенных к сети машин значительно влияет на ее быстродействие.

Преимущества шинной топологии:

– надежно работает в небольших сетях, проста в использовании;

– требует меньше кабеля для соединения компьютеров и потому дешевле, чем другие схемы соединении;

– легко расширяется за счет состыковки кабельных сегментов с помощью цилиндрического соединителя и использования повторителей.

Недостатки шинной топологии:

– интенсивный сетевой трафик снижает производительность сети. При большом числе компьютеров в сети станции часто прерывают друг друга, и немалая часть полосы пропускания теряется понапрасну. При добавлении компьютеров к сети резко падает производительность;

– цилиндрические соединители ослабляют электрический сигнал, и большое их число вызывает нарушения в передаче информации по шине;

– разрыв кабеля или неправильное функционирование одной из станций может привести к нарушению работоспособности всей сети. Сеть трудно диагностировать.

Кольцевая топология

В сети с кольцевой топологией каждый компьютер соединяется со следующим компьютером, ретранслирующим ту информацию, \ он получает от первой машины. Благодаря такой ретрансляции сеть является активной, и в ней не возникают проблемы потери сигнала, как в сетях с шинной топологией. Кроме того, поскольку «конца» в кольцевой сети нет, никаких оконечных нагрузок не нужно (см. рисунок 8).

Рисунок 8 – Кольцевая топология.

Некоторые сети с кольцевой топологией используют метод доступа к среде на основе маркера (метод эстафетной передачи). Специальное короткое сообщение-маркер циркулирует по кольцу пока компьютер не пожелает передать информацию другому узлу. Он модифицирует маркер, добавляет электронный адрес и данные, а затем отправляет его по кольцу. Каждый из компьютеров последовательно получает данный маркер с добавленной информацией и передает его соседней машине, пока электронный адрес не совпадет с адресом компьютера-получателя, или маркер не вернется к отправителю. Получивший сообщение компьютер возвращает отправителю ответ, подтверждающий, что послание принято. Тогда отправитель создает еще один маркер и отправляет его в сеть, что позволяет другой станции перехватить маркер и начать передачу. Маркер циркулирует по кольцу, пока какая-либо из станций не будет готова к передаче и не захватит его.

Такая структура способствует восстановлению сети в случае возникновения отказов.

Преимущества сети с кольцевой топологией:

– поскольку всем компьютерам предоставляется равный доступ к маркеру, никто из них не сможет монополизировать сеть;

– справедливое совместное использование сети обеспечивает постепенное снижение ее производительности в случае увеличения числа пользователей и перегрузки (лучше, если сеть будет продолжать функционировать, хотя и медленно, чем сразу откажет при превышении пропускной способности).

Недостатки сети с кольцевой топологией:

– отказ одного компьютера в сети может повлиять на работоспособность всей сети;

– кольцевую сеть трудно диагностировать;

– добавление или удаление компьютера вынуждает разрывать сеть.

Звездообразная топология

Звездообразная топология — базовая топология компьютерной сети, в которой все компьютеры сети присоединены к центральному узлу (обычно коммутатор), образуя физический сегмент сети. Весь обмен информацией идет исключительно через центральный компьютер, на который таким способом возлагается очень большая нагрузка, поэтому ничем другим, кроме сети, он заниматься не может. Как правило, именно центральный компьютер является самым мощным, и именно на него возлагаются все функции по управлению сетью (см. рисунок 9).

Рисунок 9 – Звездообразная топология.

Активный концентратор регенерирует электрический сигнал и посылает его всем подключенным компьютерам. Такой тип концентратора часто называют многопортовым повторителем (multiport repeater). Для работы активных концентраторов и коммутаторов требуется питание от сети.

Преимущества звездообразной топологии:

– центральный концентратор звездообразной сети удобно использовать для диагностики;

– отказ одного компьютера не обязательно приводит к останову всей сети;

– добавления новых узлов не уменьшает скорость передачи данных в сети;

– в одной сети допускается применение нескольких типов кабелей (если их позволяет использовать концентратор).

Недостатки сети со звездообразной топологией:

– при отказе центрального концентратора вся сеть становится неработоспособной;

– все компьютеры должны соединяться с центральной точкой, это увеличивает расход кабеля, следовательно, такие сети обходятся дороже, чем сети с иной топологией.

Среды передачи данных

Передача данных в сети осуществляется через определенную среду, например, кабель или воздух. Такая среда упрощает передачу данных от источника к получателю.

В современных сетях в основном используются три типа сред, связывающих устройства и предоставляющих путь, по которому передаются данные:

– металлические провода внутри кабелей;

– стеклянные или пластиковые волокна (волоконно-оптический кабель);

– беспроводная среда передачи данных.

Кодирование сигналов, которое необходимо для передачи, осуществляется по-разному в зависимости от типа среды. В металлических проводах данные кодируются в виде электрических импульсов, соответствующих определенным шаблонам. Передача в оптоволоконных сетях происходит в виде импульсов света, в диапазоне инфракрасного излучения или видимого света. При беспроводной передаче для описания разных значений битов используются шаблоны электромагнитного излучения.

Разные типы сред передачи данных отличаются характерными функциями и преимуществами. Критерии выбора среды передачи данных:

– расстояние передачи сигнала в рамках среды;

– условия реализации среды передачи данных;

– объем данных и требуемая скорость их передачи;

– стоимость носителей и их развертывания.

Кабельные линии связи

Кабельные линии связи имеют довольно сложную структуру. Кабель состоит из проводников, заключенных в несколько слоев изоляции. В компьютерных сетях используются три типа кабелей:

– коаксиальный кабель;

– витая пара;

– волоконно-оптический кабель.

Коаксиальный кабель

Коаксиальный кабель — электрический кабель, состоящий из центрального проводника и экрана, расположенных соосно и разделённых изоляционным материалом или воздушным промежутком. Используется для передачи радиочастотных электрических сигналов.

Коаксиальный кабель (см. рисунок 10) состоит из следующих компонент:

– оболочка — служит для изоляции и защиты от внешних воздействий, изготавливается из светостабилизированного изоляционного материала;

– внешний проводник в виде оплетки, фольги из меди, медного или алюминиевого сплава;

– изоляция, выполненная в виде диэлектрического заполнения, обеспечивающая постоянство взаимного расположения (соосность) внутреннего и внешнего проводников;

– внутренний проводник в виде одиночного прямолинейного или многожильного скрученного провода.

Рисунок 10 – Устройство коаксиального кабеля.

На сегодняшний день сети, построенные на основе коаксиального кабеля, встречаются крайне редко, так как они обладают весьма низкой пропускной способностью. Используется в основном для передачи видео и аудио сигналов.

Кабель витая пара

Витая пара (twisted pair) — разновидность электрического кабеля, используемого при создании телекоммуникационных сетей. Используется в телекоммуникациях и в компьютерных сетях в качестве физической среды передачи сигнала во многих технологиях, таких как Ethernet, Arcnet, Token ring, USB. Кабель представляет из себя некоторое количество изолированных проводников, скрученных между собой попарно для повышения помехоустойчивости. Все пары заключены в общую пластиковую оболочку (см. рисунок 11).

Свивание проводников производится с целью повышения степени связи между собой проводников одной пары (электромагнитные помехи одинаково влияют на оба провода пары) и последующего уменьшения электромагнитных помех от внешних источников, а также взаимных наводок при передаче сигналов. Для снижения связи отдельных пар кабеля провода пары свиваются с различным шагом.

На сегодняшний день витая пара является самым распространенным решением для построения локальных проводных сетей, так как имеет невысокую стоимость и легка в монтаже.

Рисунок 11 – Кабель витая пара.

Витая пара бывает неэкранированная (UTP) и экранированная (STP). Последняя покрыта дополнительным защитным алюминиевым или полиэстеровым экраном.

Существуют различные категории витой пары, различающиеся эффективным пропускаемым частотным диапазоном и нумеруемые от 1 до 7 (CAT1-7). Эти категории подробно описываются в стандарте EIA/TIA 568.

Пропускная способность сети на основе неэкранированной витой пары — от 1 Мбит/с до 1 Гбит/с, на основе экранированной витой пары — до 500 Мбит/с. Максимальная длина сегмента в обоих случаях не должна превышать 100 м.

Волоконно-оптический кабель

Волоконно-оптический кабель — кабель на основе оптоволоконных нитей, предназначенный для передачи оптических сигналов в линиях связи.

Структура волоконно-оптического кабеля (см. рисунок 12) похожа на структуру коаксиального электрического кабеля, только вместо центрального медного провода здесь используется тонкое (диаметром 1-10 мкм) стекловолокно, а вместо внутренней изоляции — стеклянная или пластиковая оболочка, не позволяющая световому лучу выходить за пределы стекловолокна. Принцип действия основан на эффекте полного внутреннего отражения света от границы двух веществ с разными коэффициентами преломления (у стеклянной оболочки коэффициент преломления значительно ниже, чем у центрального волокна). Металлическая оплетка кабеля обычно отсутствует, так как экранирование от внешних электромагнитных помех здесь не требуется. Иногда ее применяют для механической защиты от внешних воздействий (такой кабель иногда называют броневым, он может объединять под одной оболочкой несколько оптоволоконных кабелей).

Рисунок 12 – Волоконно-оптический кабель.

Существуют два различных типа оптоволоконных кабелей:

– многомодовый;

– одномодовый.

Основные различия между этими типами связаны с разными режимами прохождения световых лучей в кабеле.

В одномодовом кабеле практически все лучи проходят один и тот же путь, в результате чего все они достигают приемника одновременно, и форма сигнала практически не искажается. Одномодовый кабель имеет диаметр центрального волокна около 1,3 мкм и передает свет только с такой же длиной волны. Дисперсия и потери сигнала при этом очень незначительны, что позволяет передавать сигналы на значительно большее расстояние, чем в случае применения многомодового кабеля. Для одномодового кабеля применяются лазерные приемопередатчики, использующие свет исключительно с требуемой длиной волны.

В многомодовом кабеле траектории световых лучей имеют заметный разброс, в результате чего форма сигнала на приемном конце кабеля искажается. Центральное волокно имеет диаметр 62,5 мкм, а диаметр внешней оболочки - 125 мкм (это иногда обозначается как 62,5/125). Для передачи используется обычный (не лазерный) светодиод, что снижает стоимость и увеличивает срок службы приемопередатчиков по сравнению с одномодовым кабелем[9].

Волоконно-оптические кабели широко используются в телекоммуникациях, так как позволяют передавать данные на большие расстояния и с очень высокой скоростью (до нескольких Гбит/c и более). Оптоволоконные кабели не подвержены действию электромагнитных помех, сигнал, передаваемый по ним, невозможно перехватить.

Беспроводные линии связи

Беспроводная среда передачи данных характеризуется отсутствием необходимости в применении каких-либо кабелей. Для передачи информации могут использоваться радиоволны, а также инфракрасное, оптическое или лазерное излучение.

Инфракрасная связь

Инфракрасная связь — группа стандартов, описывающая протоколы физического и логического уровня передачи данных с использованием инфракрасного диапазона световых волн в качестве среды передачи данных. В компьютерной технике обычно используется для связи компьютеров с периферийными устройствами (например, инфракрасный порт IrDA).

Инфракрасный порт (IrDA) содержит в себе передатчик (специальный светодиод) и приемник (фотодиод), которые работают в инфракрасном диапазоне. Инфракрасное излучение не способно проникать сквозь преграды, поэтому для установления связи между устройствами их необходимо располагать в условиях прямой видимости относительно друг друга. См. рисунок 13. Основные характеристики представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Основные характеристики технологии инфракрасный порт.

Название	Стандарт	Назначение	Скорость передачи данных	Радиус действия
Инфракрасный порт	IrDa	Персональная локальная сеть	до 16 Мбит/с	от 5 до 50 см, односторонняя связь — до 10 метров

Рисунок 13 – Инфракрасный порт.

Этот тип связи получил распространение в современных фотовспышках и синхронизаторах. Он используется для дистанционного запуска дополнительных вспышек и обмена данными между TTL-экспонометром фотоаппарата и микропроцессорами, управляющими мощностью импульсного освещения.