Тема 20. Аппаратные средства компьютерных сетей
В настоящее время процесс обработки информации в любой отрасли просто немыслим без постоянного обмена ею между компьютерами. Наиболее эффективно и быстро этот обмен осуществляется посредством так называемых компьютерных сетей. Разновидности сетей будут рассмотрены позже, а пока остановимся подробнее на том, как осуществляется связь между отдельными вычислительными машинами. Суть связи состоит в непрерывном обмене информацией. Обобщённая структура автоматизированной системы передачи информации (не только между компьютерами) представлена на рис. 20.1.
| СП | ||
| канал | ||
| источник | потребитель | |
| передатчик | приёмник | |
| информации | связи | информации |
помехи Рис. 20.1. Структура автоматизированной системы передачи информации В систему передачи (СП) не входят источник и потребитель информации. Они являются абонентами системы. Как видно из рис. 20.1, система передачи информации включает в себя канал связи , передатчик и приёмник . Передатчик преобразует информацию в сигнал, используемый в данном канале связи, а приёмник осуществляет обратное преобразование. Поскольку в общем случае канал связи подвержен влиянию помех, в задачу приёмника входит ещё и коррекция ошибок. Канал связи (КС) организуется в линии связи (ЛС). Линия связи представляет собой физическую среду для распространения сигнала. В одной линии связи может быть организовано несколько каналов связи. Основной характеристикой канала связи является его пропускная способность , которая представляет собой максимальный объём информации, который может быть передан по каналу связи в единицу времени. Измеряется пропускная способность в битах в секунду (бит/с). Следует отметить, что пропускная способность зависти как от качества самой линии связи (полоса пропускаемых частот, наличие помех), так и от способа передачи данных по каналу. Каналы связи можно проклассифицировать по нескольким признакам. Основными являются следующие. 1. По физической природе каналы связи подразделяются на: механические – для передачи материальных носителей; акустические – для передачи информации с помощью звуковых волн; оптические – для передачи информации посредством световых лучей; электрические – для передачи информации с помощью электрических сигналов. В современных системах передачи информации используют оптические и электрические каналы связи, которые, в свою очередь, бывают двух видов: проводные (электрические кабели и световоды); беспроводные (радио- и инфракрасные каналы). 2. По форме представления информации каналы связи бывают: аналоговые (узкополосные) – в них информация передаётся в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины; цифровые (широкополосные) – здесь информация представлена в виде дискретных импульсных сигналов той или иной природы. 3. В зависимости от пропускной способности принимают следующее подразделение каналов связи: низкоскоростные – скорость передачи данных до 200 бит/с. Это телеграфные каналы связи; среднескоростные – скорость передачи данных от 300 бит/с до 56 000 бит/с. Это аналоговые телефонные каналы связи; высокоскоростные – скорость передачи данных в них превышает 56 000 бит/с. 4. В зависимости от направления передачи информации : симплексные – передающие информацию только в одном направлении; полудуплексные – передающие информацию в обоих направлениях , но попеременно;
дуплексные – передающие информацию одновременно в обоих направлениях. Вернёмся к структуре, представленной на рис. 20.1. Функции передатчика и приёмника в случае обеспечения связи между компьютерами выполняют два вида устройств: модем – при передаче информации через какую-либо существующую телекоммуникационную сеть (например, телефонную, телевизионную); сетевой адаптер – при передаче информации через локальную компьютерную сеть. Модемы Модем (МОдулятор – ДЕМодулятор) – это устройство прямого и обратного преобразования сигналов к виду, принятому для использования в определённом канале связи. Модемы бывают аналоговые и цифровые . Предназначены они для одноимённых разновидностей каналов передачи информации. 1. Аналоговые модемы Основной задачей аналоговых модемов является: при передаче – преобразование цифрового кода (широкополосный сигнал) в аналоговый (узкополосный) сигнал; при приёме – обратное преобразование сигнала и фильтрация помех. Преобразование цифрового кода в аналоговый сигнал обычно связано с модуляцией . Модуляция – это изменение какого-либо параметра сигнала (модулируемый сигнал) в соответствии с текущим значением передаваемых данных (модулирующий сигнал). Соответственно, демодуляция – обратное преобразование. В современной технологии связи чаще всего применяют три вида модуляции: Частотная ( FSK – Frequency Shift Keying ) – в функции модулирующего сигнала изменяется частота модулируемого (обычно синусоидального) сигнала при постоянной его амплитуде (рис. 20.2, а); Фазовая ( PSK – Phase Shift Keying ) – при неизменной частоте и амплитуде в функции модулирующего воздействия меняется фаза сигнала (рис. 20.2, б); Квадратурно-амплитудная ( QAM – Quadrature Amplitude Modulation ) – в соответствии с модулирующим сигналом изменяются одновременно амплитуда и фаза модулируемой синусоиды (рис. 20.2, в). Данный вид модуляции заменил амплитудную , которая сильно подвержена влиянию помех.
| а | б | в |
— исходный сигнал — модулированный сигнал Рис. 20.2. Виды модуляции сигналов Важным понятием при обмене информацией между компьютерами является протокол передачи данных . Он представляет собой совокупность правил, регламентирующих формат данных и процедуры их передачи в канале связи, в частности, протоколом определяется используемый вид модуляции. Стандарты протоколов для аналоговых каналов связи устанавливаются организацией МККТТ – Международный консультативный комитет по телеграфии и телефонии
(недавно он был переименован в Международный союз телекоммуникаций). Наиболее известные стандарты протоколов, установленные МККТТ, приведены в табл. 20.1. Таблица 20.1 Наиболее известные стандарты протоколов, установленные МККТТ
| Код | V.21 | V.22 | V.32 | V.34 | V.90 | V.92 |
| протокола | ||||||
| Год | 1964 | 1982 | 1987 | 1994 | 1998 | 2001 |
| появления | ||||||
| Максимальная | 300 | 1 200 | 9 600 | 28 800 | 56 000 | 56 000 |
| скорость | ||||||
| передачи, | ||||||
| бит/с | ||||||
| Вид | FSK | PSK | QAM | QAM | QAM | QAM |
| модуляции |
Принцип работы аналогового модема удобнее всего рассмотреть с помощью его структурной схемы (рис. 20.3).
| ПК | ЦСП | контроллер | КоДек | аналоговый |
| канал связи | ||||
| Рис. 20.3. Структура аналогового модема | ||||
Основными элементами аналогового модема являются: ЦСП – цифровой сигнальный процессор. Он руководит процессом подготовки информации, производит её разбивку на пакеты в соответствии с протоколом передачи данных; Контроллер – устройство, осуществляющее сжатие информации и коррекцию ошибок (когда информация приходит по каналу связи); КоДек – кодер/декодер. Он выполняет очень важную функцию – перевод информации из цифровой формы в аналоговую или наоборот. По виду исполнения различают модемы: внутренние – подключаются к системной шине ПК; внешние – выполняются в виде отдельного устройства, подключаемого к ПК через порт COM или USB . Внешние модемы зачастую кроме основной выполняют ещё и функции факса или автоматического определителя номера. 2. Цифровые модемы Сразу следует отметить, что название модем для этих устройств является не совсем корректным, так как собственно модуляции они не осуществляют, а являются лишь передатчиками и приёмниками цифровой информации. Входным и выходным сигналом в них является последовательность импульсов. Каких-либо стандартов протоколов и скоростей передачи для цифровых модемов пока не разработано. Цифровые модемы различаются в зависимости от конкретной технологии цифровой связи. Выделяют две основные разновидности модемов для цифровых каналов связи: ISDN ( Integrated Services Digital Network – цифровая сеть с интеграцией услуг). Эти модемы бывают внутренними и внешними. Внутренние подключаются к шине PCI , внешние – к порту USB . Скорость передачи информации по базовому каналу составляет 64 Кбит/с (отправляется по 8 бит каждые 125 мкс), но при мультиплексировании каналов удаётся эту скорость в разы увеличивать.
xDSL ( Digital Subscriber Line – цифровая абонентская линия). Эти модемы обеспечивают высокоскоростную передачу данных на пути от абонента до АТС. Основные разновидности: HDSL , SDSL , ADSL . Наилучшими скоростными показателями отличается технология ADSL ( Asynchronous DSL ). Суть этой технологии заключается в разделении всего частотного диапазона сигнала на три части: à низкочастотный диапазон (до 4 кГц) – для передачи голоса; à среднечастотный диапазон (4 4 200 кГц) – для передачи информации от компьютера в сеть; à высокочастотный диапазон (200 кГц 4 1000 МГц) – для передачи информации от сети к компьютеру. Скорость передачи данных в таких каналах связи будет различаться в зависимости от направления передачи информации: до 384 Кбит/с при передаче и до 7 Мбит/с при приёме. Следует отметить, что с ростом расстояния от абонента до АТС скорости будут существенно снижаться. В зависимости от того, какая линия используется для передачи информации, различают следующие виды цифровых модемов: модемы для работы с сетями через коммуникации кабельного телевидения; модемы для работы через сеть сотовой связи; модемы для работы через оптоволоконные каналы; радиомодемы для приёма информации через спутник; модемы для обмена информацией через сеть электропитания (эта технология уже внедряется в США). Сетевые адаптеры Сетевая адаптер (сетевая карта) – это устройство, предназначенное для обмена информации между вычислительными машинами в локальной компьютерной сети. Основная функция сетевого адаптера – преобразование параллельного интерфейса, используемого внутри вычислительной машины в последовательный интерфейс передачи данных по каналу связи. Сетевые адаптеры обычно располагаются внутри системного блока компьютера и подключаются к системной шине ( PCI ). Дешёвые сетевые адаптеры основную часть своей работы перекладывают на центральный процессор ПК, что замедляет его работу, поэтому в мощных серверах обычно используются более дорогие адаптеры, имеющие свой собственный процессор. Основными характеристика сетевых адаптеров являются: установленная микросхема контроллера; разрядность (8-, 16-, 32или 64-битовые); скорость передачи данных (от 10 Мбит/с до 10 Гбит/с); тип подключаемого кабеля (коаксиальный кабель, витая пара, волоконно-оптический кабель); поддерживаемые технологии компьютерных сетей ( Ethernet , FDDI , Token Ring ). Устройства межсетевого интерфейса Создать компьютерную сеть, в которой компьютеры бы соединялись между собой напрямую (через сетевые адаптеры) сегодня достаточно сложно, а существующие подобные сети являются, пожалуй, исключением. Основными устройствами, которые обеспечивают взаимодействие компьютеров в сетях сегодня являются: повторители; концентраторы; мосты;