Адаптеры с внешними трансиверами

Адаптеры Fast Ethernet могут выпускаться с внешним, выносным модулем трансивера для подключения к среде передачи (PHY). В этом случае для присоединения внешнего модуля трансивера к адаптеру используется интерфейс MII (Media-Independent Interface), предусматривающий использование 40-контактного разъема, подобного разъему компьютерного интерфейса SCSI.

Сменный модуль трансивера может устанавливаться непосредственно на плате адаптера (в специальный вырез платы), а может связываться с платой адаптера внешним кабелем длиной до 0,5 метра (рис. 13.1 и 13.2). При вычислении полного времени задержки в сети необходимо учитывать и задержку в этом трансиверном MII кабеле.

На плате трансивера располагается микросхема приемопередатчика и разъем, зависящий от типа среды (MDI – Medium Dependent Interface), например, RJ-45 для витой пары. Таким образом, один и тот же адаптер может поддерживать обмен с любым типом среды за счет простой замены сравнительно дешевого трансивера. В целом подобные составные адаптеры оказываются дороже обычных адаптеров со встроенными приемопередатчиками, но иногда их применение оправдано, если предполагается постепенная замена среды передачи, например, на оптоволоконные кабели.

Рис. 13.1. Сетевой адаптер с внешним трансивером на MII-кабеле

Рис. 13.2. Сетевой адаптер с внешним трансивером, устанавливаемым на плату адаптера

Функции маршрутизаторов

Вытесняя мосты, коммутаторы сильно потеснили и маршрутизаторы. Но маршрутизаторы работают на более высоком, третьем уровне модели OSI (мосты и коммутаторы – на втором), они имеют дело с протоколами более высоких уровней. Поэтому им, скорее всего, не грозит полное исчезновение.

Маршрутизаторы, как и мосты или коммутаторы ретранслируют пакеты из одной части сети в другую (из одного сегмента в другой). Изначально маршрутизатор от моста отличался только тем, что на компьютере, соединяющем две или более части сети, было установлено другое программное обеспечение. Но между маршрутизатором и мостом существуют и принципиальные отличия:

Маршрутизаторы работают не с физическими адресами пакетов (MAC-адресами), а с логическими сетевыми адресами (IP-адресами или IPX-адресами).

Маршрутизаторы ретранслируют не всю приходящую информацию, а только ту, которая адресована им лично, и отбрасывают (не ретранслируют) широковещательные пакеты, разделяя тем самым широковещательную область сети (Broadcast Domain). Все абоненты обязательно должны знать о присутствии в сети маршрутизатора. Они не прозрачны для абонентов в отличие от мостов и коммутаторов.Самое главное – маршрутизаторы поддерживают сети с множеством возможных маршрутов, путей передачи информации, так называемые ячеистые сети (meshed networks). Пример такой сети показан на рис. 13.11. Мосты же требуют, чтобы в сети не было петель, чтобы путь распространения информации между двумя любыми абонентами был единственным.

Рис. 13.11. Ячеистая сеть с маршрутизаторами

Маршрутизаторы сложнее мостов и коммутаторов и, следовательно, дороже (например, стоимость коммутации в Ethernet примерно в 10 раз ниже стоимости маршрутизации). Маршрутизаторами сложнее управлять, они почти всегда значительно медленнее коммутаторов. Зато они обеспечивают самое глубокое разделение сети на части.

Если репитерные концентраторы всего лишь повторяют все поступившие на них пакеты (уровень 1 модели OSI), а коммутаторы и мосты ретранслируют только межсегментные и широковещательные пакеты (уровень 2 модели OSI), то маршрутизаторы соединяют практически самостоятельные, не влияющие друг на друга сети, сохраняя при этом возможность передачи информации между ними (уровень 3 модели OSI).

Размер сети с маршрутизаторами практически ничем не ограничен: ни допустимыми размерами зоны конфликтов, ни допустимым количеством широковещательных пакетов (которые могут просто не оставлять места для обычных, однопунктовых пакетов), ни возможными для коммутаторов и мостов разнообразными перегрузками. При этом легко обеспечиваются альтернативные, дублирующие пути распространения информации для увеличения надежности связи.

Для принятия решения о выборе маршрута каждый маршрутизатор формирует в своей памяти таблицы данных, которые содержат:

Номера всех сетей, подключенных к данному маршрутизатору;Список всех соседних маршрутизаторов;Список MAC-адресов и IP (IPX)-адресов всех абонентов сетей, подключенных к маршрутизатору. Этот список автоматически обновляется, как и в случае мостов и коммутаторов.

Кроме того, список всех доступных маршрутизаторов должен быть у каждого абонента сети.

Именно маршрутизаторы чаще всего используются для связи локальных сетей с глобальными, в частности, с Интернет, которая может рассматриваться как полностью маршрутизируемая сеть. Преобразовать протоколы локальных сетей в протоколы глобальных сетей для маршрутизатора вполне по силам.

Маршрутизаторы часто применяются для объединения опорной (стержневой) сетью типа FDDI множества локальных сетей (рис. 13.12) или для связи локальных сетей разных типов. Преобразование формата пакетов, требуемое в данной ситуации, для маршрутизатора не представляет никакой сложности. Например, большие пакеты сети FDDI могут разбиваться (фрагментироваться) на несколько меньших пакетов Ethernet.

Рис. 13.12. Маршрутизируемая сеть на основе FDDI

Маршрутизаторы также легко преобразуют скорости передачи, связывая, например, между собой сети Ethernet, Fast Ethernet и Gigabit Ethernet. Не пропуская широковещательных пакетов, они лучше справляются с этой задачей, чем мосты или коммутаторы, так как защищают медленные сегменты от перегрузок со стороны быстрых сегментов.

Маршрутизаторы иногда объединяют между собой. Множество сопряженных друг с другом маршрутизаторов могут образовывать так называемое облако (Cloud), представляющее собой, по сути, один гигантский маршрутизатор. Такое соединение обеспечивает исключительно гибкую и надежную связь между всеми подключенными к нему локальными сетями (рис. 13.13).

Рис. 13.13. Маршрутизируемое облако

Как уже отмечалось, можно считать, что репитерные концентраторы работают с пакетами, а мосты и коммутаторы – с кадрами. Маршрутизаторы обрабатывают адресную информацию, относящуюся к структуре дейтаграммы IP (IPX), которая вложена в область данных кадра, в свою очередь вложенного в пакет (рис. 13.14). Поэтому говорят, что они работают с дейтаграммами, или ретранслируют дейтаграммы. Маршрутизатор анализирует сетевой IP-адрес дейтаграммы (см. рис. 6.9) или сетевой IPX-адрес дейтаграммы (см. рис. 6.8). В оба эти адреса входят номер сети, и именно эти сети соединяет маршрутизатор. Сетями в данном случае называются широковещательные области (Broadcast Domain).

Рис. 13.14. Вложение дейтаграммы в кадр и пакет

Каждый абонент, прежде чем послать пакет, определяет, может ли он послать его непосредственно получателю или же ему надо воспользоваться услугами маршрутизатора. Если номер собственной сети передающего абонента совпадает с номером сети абонента, которому должен передаваться пакет, то пакет передается непосредственно, без маршрутизации. Если же адресат находится в другой сети, то передаваемая дейтаграмма должна быть отправлена маршрутизатору, который затем переправит ее в нужную сеть. При этом получается, что пакет в целом адресован маршрутизатору (как одному из абонентов собственной сети), а заключенная в нем дейтаграмма адресована абоненту из другой сети, которому она, собственно, и предназначена.

Маршрутизатор анализирует IP (или IPX) адреса в приходящей в составе пакета дейтаграмме и преобразует пакет, пришедший по одной из сетей, в пакет, предназначенный для другой сети.В поле адресов передаваемого пакета он ставит MAC-адрес получателя и свой MAC-адрес, как отправителя пакета. Ответный пакет точно так же должен пройти через посредника – маршрутизатора.

Хороший маршрутизатор очень дорог и сложен в настройке и эксплуатации. Поэтому использовать его следует только в тех случаях, когда это действительно необходимо, например, когда применение коммутаторов и мостов не позволяет преодолеть перегрузку сети.

Функции мостов

Мосты до недавнего времени были основными устройствами, применявшимися для разбиения сети на части (то есть для сегментирования сети). Их стоимость меньше, чем маршрутизаторов, а быстродействие выше, к тому же они, как и коммутаторы, прозрачны для протоколов второго уровня модели OSI. Абоненты сети могут не знать о наличии в сети мостов, и все их пакеты доходят до нужного адресата по сети без всяких проблем.

По функциям мост очень близок к коммутатору, но медленнее, чем коммутатор.

Мост обычно имеет от двух до четырех портов, причем каждый из них соединен с одним из сегментов сети. В случае, когда мост выполняется на базе универсального компьютера, в этот компьютер просто устанавливается нужное число сетевых адаптеров, и к каждому из адаптеров подключается сегмент сети. Коммутатор в этом смысле гораздо удобнее, он имеет значительно больше портов (не менее 8).

Как и в случае коммутаторов, конфигурация сети с мостами может быть довольно сложной (рис. 13.9), но в ней ни в коем случае не должно быть замкнутых маршрутов (петель), то есть альтернативных путей доставки пакетов (рис. 13.10). Это связано в первую очередь с тем, что мосты, как и коммутаторы прозрачны для широковещательных пакетов. Если в сети есть петли, то в результате многократного прохождения широковещательных пакетов по замкнутому маршруту возникают перегрузки сети (так называемые широковещательные штормы) и ряд других проблем.

Рис. 13.9. Сеть с мостами

Рис. 13.10. Петля в сети с мостами

Для того, чтобы этого не происходило, в мостах предусматривается так называемый алгоритм остовного дерева (spanning tree), который позволяет отключать порты, участвующие в создании петель (например, оба порта моста 2 на рис. 13.10) в результате диалога (обмена управляющими пакетами) между всеми мостами сети.

Благодаря этому, можно специально дублировать соединение сегментов посредством мостов (создавать петли) с тем, чтобы при отказе одной из линий связи автоматически восстанавливать целостность сети по альтернативному маршруту.

Коммутаторы обычно не поддерживают алгоритм остовного дерева за исключением самых сложных и дорогих. Так что в этом смысле мост более универсален, чем коммутатор.

Традиционно мосты подразделяются на внутренние и внешние.

Внутренние

мосты выполняются на основе компьютера-сервера, в который устанавливают сетевые адаптеры (обычно до четырех), подключенные к разным сегментам сети. Строго говоря, именно эти сетевые адаптеры и соответствующие программные средства и называются внутренним мостом.

Внешний

мост представляет собой рабочую станцию, в которую установлены два сетевых адаптера. В этом случае, в отличие от внутреннего моста, сегменты могут быть только однотипными (например, Ethernet—Ethernet).

Внешний мост может быть выделенным (dedicated) или невыделенным (non-dedicated) в зависимости от того, выполняет ли компьютер рабочей станции еще какие-нибудь функции, кроме сетевых. Термин "внешний" употребляется в этом случае по отношению к серверу, как основному компьютеру сети. В любой сети может присутствовать одновременно как внешний, так и внутренний мост или несколько мостов.

Мосты, как и коммутаторы, разделяют зону конфликта (область коллизии, Collision Domain), но не разделяют широковещательную область (Broadcast Domain), то есть ту часть сети, в которой свободно проходят широковещательные пакеты.

В результате разделения зоны конфликта нагрузка на каждый сегмент уменьшается, а ограничения на размер сети преодолевается.

Одновременно мост может обрабатывать (ретранслировать) только один пакет, а не несколько, как коммутатор. Дело в том, что все функции моста выполняются последовательно одним центральным процессором. Именно поэтому мост работает значительно медленнее, чем коммутатор.

Как и в коммутаторе, любой пакет, приходящий на один из портов моста, обрабатывается следующим образом:

Мост выделяет MAC-адрес источника (отправителя) пакета и ищет его в таблице адресов абонентов, относящейся к данному порту. Если этого адреса в таблице нет, то он туда добавляется. Таким образом, автоматически формируется таблица адресов всех абонентов каждого сегмента из подключенных к портам моста.

Мост выделяет адрес приемника (получателя) пакета и ищет его в таблицах адресов, относящихся ко всем портам. Если пакет адресован в тот же сегмент, из которого он пришел, то он не ретранслируется (отфильтровывается). Если пакет широковещательный или многопунктовый (групповой), то он ретранслируется во все порты кроме принявшего. Если пакет однопунктовый (адресован одному абоненту), то он ретранслируется только в тот порт, к которому присоединен сегмент с этим абонентом. Наконец, если адрес приемника не обнаружен ни в одной из таблиц адресов, то пакет посылается во все порты, кроме принявшего (как широковещательный).

Таблицы адресов абонентов имеют ограниченный размер, поэтому они формируются так, чтобы иметь возможность автоматического обновления их содержимого.

Адреса тех абонентов, которые долго не присылают пакетов, через заданное время (по стандарту IEEE 802.1D оно равно 5 минут) стираются из таблицы. Это гарантирует, что адрес абонента, отключенного от сети или перенесенного в другой сегмент, не будет занимать лишнего места в таблице.

Поскольку мост, подобно коммутатору, анализирует информацию внутри кадра (физические адреса, MAC-адреса), часто говорят, что он ретранслирует кадры, а не пакеты (в отличие от репитера или репитерного концентратора).

Как и в случае коммутаторов, для эффективной работы моста необходимо выполнять упоминавшееся "правило 80/20", то есть большинство передач (не менее 80%) должно быть внутрисегментными, а не межсегментными.

Подобно коммутаторам Store-and-Forward, мосты могут поддерживать обмен между сегментами с разной скоростью передачи (Ethernet и Fast Ethernet), а также обеспечивать сопряжение полудуплексных и полнодуплексных сегментов. Полный прием пакетов в буферную память моста и их последующая передача легко решают такие проблемы.

То есть мосты и коммутаторы очень близки по своим характеристикам.

Однако у моста есть большое преимущество. Мосты могут не только соединять одноименные сегменты, но также сопрягать сети Ethernet и Fast Ethernet с сетями любых других типов, например, FDDI или Token-Ring, что не по силам большинству коммутаторов. Поэтому мосты, хоть и вытесняются коммутаторами, все-таки не исчезнут в ближайшее время.

Функции репитеров и концентраторов

Репитеры (повторители), как уже отмечалось, ретранслируют приходящие на них (на их порты) сигналы, восстанавливают их амплитуду и форму, что позволяет увеличивать длину сети. То же самое делают и простейшие репитерные концентраторы. Но помимо этой основной функции концентраторы Ethernet и Fast Ethernet обычно выполняют еще ряд функций по обнаружению и исправлению некоторых простейших ошибок сети. К этим ошибкам относятся следующие:

ложная несущая (FCE – False Carrier Event);

множественные коллизии (ECE – Excessive Collision Error);

затянувшаяся передача (Jabber).

Все эти ошибки могут вызываться неисправностями оборудования абонентов, высоким уровнем шумов и помех в кабеле, плохими контактами в разъемах и т.д.

Под ложной несущей понимается ситуация, когда концентратор получает от одного из своих портов (от единичного абонента или из сегмента) данные, не содержащие ограничителя начала потока данных, то есть преамбула пакета началась, но в ней нет признака начала кадра.

Если после старта передачи кадр не начался в течение заданного временного интервала (5 мкс для Fast Ethernet, 50 мкс для Ethernet), то концентратор посылает сигнал "Пробка" всем остальным портам, чтобы они обнаружили коллизию. Длительность этого сигнала также составляет 5 или 50 мкс. Затем выявленный порт переводится в состояние "Связь неустойчива" (Link Unstable) и отключается. Обратное включение порта концентратором может произойти только при поступлении от него правильного пакета, без ложной несущей.

Ситуация множественных коллизий фиксируется при выявлении в данном порту более 60 коллизий подряд. Концентратор считает количество коллизий в каждом порту и сбрасывает счетчик, если получает пакет без коллизии. Порт, в котором возникают множественные коллизии, отключается. Если в течение заданного времени (5 мкс для Fast Ethernet, 50 мкс для Ethernet) в этом порту не будет зафиксировано коллизий, то он снова включается.

Ситуация затянувшейся передачи фиксируется в случае, когда время передачи превышает более чем в три раза максимально возможную длительность пакета, то есть 400 мкс для Fast Ethernet или 4000 мкс для Ethernet.При обнаружении такой затянувшейся передачи соответствующий порт отключается. После окончания затянувшейся передачи данный порт снова включается.

Кроме перечисленных функций концентратор также активно способствует обнаружению любых коллизий в сети. При одновременном поступлении на его порты двух и более пакетов он, как и любой абонент, усиливает столкновение путем передачи во все порты сигнала "Пробка" в течение 32 битовых интервалов. В результате все передающие абоненты всех сегментов обязательно обнаруживают факт коллизии и прекращают свою передачу.

Таким образом, даже самый простой концентратор представляет собой довольно сложное устройство, позволяющее автоматически устранять некоторые неисправности и временные сбои. Таким образом, концентратор не только объединяет точки включения кабелей сети, но и активно улучшает условия обмена, повышает производительность сети, отключая время от времени неисправные или неустойчиво работающие сегменты.

Впрочем, главный признак концентратора остается – он не производит никакой обработки информации, воспринимает пакеты как единое целое, не анализируя их содержимое.

Как и сетевые адаптеры, концентраторы могут быть односкоростными и двухскоростными. Для большей свободы в проектировании сети лучше выбирать именно двухскоростные (10/100 Мбит/с) концентраторы.

Чаще всего репитеры и концентраторы выполняются в виде отдельных автономных блоков, имеющих внутренний или внешний источник питания.

Некоторые концентраторы рассчитаны на подключение жестко заданного количества сегментов определенного типа (например, на четыре сегмента 10BASE2 или же на восемь сегментов 10BASE-T). Для этого на них устанавливаются соответствующие типу сегмента разъемы: BNC, RJ-45, AUI или оптоволоконные разъемы.

Другие, более дорогие концентраторы, называемые наращиваемыми, стековыми (Stackable), имеют модульную структуру и позволяют гибко приспосабливать их к заданной конфигурации сети. В этом случае в каркас (стек) концентратора может быть установлено различное число (обычно до 8) сменных модулей, каждый из которых ориентирован на один или несколько сегментов какого-нибудь типа и имеет соответствующие разъемы для подключения кабеля сети (например, BNC, AUI, RJ-45, ST-разъемы). Как правило, количество подключаемых сегментов (портов концентратора) выбирается кратным четырем: 4, 8, 12, 16, 24. Наращиваемый концентратор может поддерживать, к примеру, 192 порта (восемь модулей, каждый из которых рассчитан на 24 сегмента).

Структура такого наращиваемого концентратора показана на рис. 13.3.

Рис. 13.3. Структура наращиваемого концентратора

Самые сложные концентраторы на базе единого шасси (рис. 13.4) позволяют путем перекоммутации связей на контактной задней панели строить сложные конфигурации сетей. Например, они могут одновременно поддерживать несколько типов сетей (Token-Ring, Ethernet и FDDI), допускают включение не только модулей репитерных концентраторов, но и модулей маршрутизаторов и коммутаторов. На основе такого концентратора можно также организовывать одновременно несколько независимых однотипных сетей (например, Ethernet) для разделения информационных потоков между ними, снижения нагрузки на сеть.

Рис. 13.4. Концентратор на основе шасси

Как правило, концентраторы на базе шасси предусматривают возможность довольно сложного управления обменом. Количество портов таких концентраторов может доходить до 288. Правда, этот тип концентратора оказывается обычно самым дорогим в расчете на один порт. Считается, что их применение становится экономически оправданным только в случае необходимости поддержки большого количества портов (около 100).

Встречаются также совсем простые и самые дешевые репитеры и концентраторы, выполненные в виде платы, вставляемой в разъем системной шины компьютера (из компьютера они берут при этом только питание). Недостаток такого решения состоит в том, что для работы сети необходимо, чтобы компьютер, в который включена плата репитера (концентратора), был постоянно включен (в идеале – круглосуточно).При выключении питания этого компьютера связь по сети становится невозможной.

Характеристики адаптеров

Сетевые адаптеры(NIC, Network Interface Card)Ethernet и Fast Ethernet могут сопрягаться с компьютером через один из стандартных интерфейсов:

шина ISA (Industry Standard Architecture);шина PCI (Peripheral Component Interconnect);шина PC Card (она же PCMCIA);

Адаптеры, рассчитанные на системную шину (магистраль) ISA, еще не так давно были основным типом адаптеров. Количество компаний, выпускавших такие адаптеры, было велико, именно поэтому устройства данного типа были самыми дешевыми. Адаптеры для ISA выпускаются 8- и 16-разрядными. 8-разрядные адаптеры дешевле, а 16-разрядные – быстрее. Правда, обмен информацией по шине ISA не может быть слишком быстрым (в пределе – 16 Мбайт/с, реально – не более 8 Мбайт/с, а для 8-разрядных адаптеров – до 2 Мбайт). Поэтому адаптеры Fast Ethernet, требующие для эффективной работы больших скоростей обмена, для этой системной шины практически не выпускаются. Шина ISA уходит в прошлое.

Шина PCI сейчас практически вытеснила шину ISA и становится основной шиной расширения для компьютеров. Она обеспечивает обмен 32- и 64-разрядными данными и отличается высокой пропускной способностью (теоретически до 264 Мбайт/с), что вполне удовлетворяет требованиям не только Fast Ethernet, но и более быстрой Gigabit Ethernet. Важно еще и то, что шина PCI применяется не только в компьютерах IBM PC, но и в компьютерах PowerMac. Кроме того, она поддерживает режим автоматического конфигурирования оборудования Plug-and-Play. Видимо, в ближайшем будущем на шину PCI будет ориентировано большинство сетевых адаптеров.

Недостаток PCI по сравнению с шиной ISA в том, что количество ее слотов расширения в компьютере, как правило, невелико (обычно 3 слота). Но именно сетевые адаптеры подключаются к PCI в первую очередь.

Шина PC Card (старое название PCMCIA) применяется пока только в портативных компьютерах класса Notebook. В этих компьютерах внутренняя шина PCI обычно не выводится наружу. Интерфейс PC Card предусматривает простое подключение к компьютеру миниатюрных плат расширения, причем скорость обмена с этими платами достаточно высока. Однако все больше портативных компьютеров оснащается встроенными сетевыми адаптерами, так как возможность доступа к сети становится неотъемлемой частью стандартного набора функций. Эти встроенные адаптеры опять же подключены к внутренней шине PCI компьютера.

При выборе сетевого адаптера, ориентированного на ту или иную шину, необходимо, прежде всего, убедиться, что свободные слоты расширения данной шины есть в компьютере, включаемом в сеть. Следует также оценить трудоемкость установки приобретаемого адаптера и перспективы выпуска плат данного типа. Последнее может понадобиться в случае выхода адаптера из строя.

Наконец, встречаются еще сетевые адаптеры, подключающиеся к компьютеру через параллельный (принтерный) порт LPT. Главное достоинство такого подхода состоит в том, что для подключения адаптеров не нужно вскрывать корпус компьютера. Кроме того, в данном случае адаптеры не занимают системных ресурсов компьютера, таких как каналы прерываний и ПДП, а также адреса памяти и устройств ввода/вывода.

Однако скорость обмена информацией между ними и компьютером в этом случае значительно ниже, чем при использовании системной шины. К тому же они требуют больше процессорного времени на обмен с сетью, замедляя тем самым работу компьютера.

В последнее время все больше встречается компьютеров, в которых сетевые адаптеры встроены в системную плату. Достоинства такого подхода очевидны: пользователь не должен покупать сетевой адаптер и устанавливать его в компьютер. Достаточно только подключить сетевой кабель к внешнему разъему компьютера. Однако недостаток состоит в том, что пользователь не может выбрать адаптер с лучшими характеристиками.

К другим важнейшим характеристикам сетевых адаптеров можно отнести:

способ конфигурирования адаптера;размер установленной на плате буферной памяти и режимы обмена с ней;возможность установки на плату микросхемы постоянной памяти для удаленной загрузки (BootROM).возможность подключения адаптера к разным типам среды передачи (витая пара, тонкий и толстый коаксиальный кабель, оптоволоконный кабель);используемая адаптером скорость передачи по сети и наличие функции ее переключения;возможность применения адаптером полнодуплексного режима обмена;совместимость адаптера (точнее, драйвера адаптера) с используемыми сетевыми программными средствами.

Конфигурирование адаптера пользователем применялось в основном для адаптеров, рассчитанных на шину ISA. Конфигурирование подразумевает настройку на использование системных ресурсов компьютера (адресов ввода/вывода, каналов прерываний и прямого доступа к памяти, адресов буферной памяти и памяти удаленной загрузки).

Конфигурирование может осуществляться путем установки в нужное положение переключателей (джамперов) или с помощью прилагаемой к адаптеру DOS-программы конфигурирования (Jumperless, Software configuration). При запуске такой программы пользователю предлагается установить конфигурацию аппаратуры при помощи простого меню: выбрать параметры адаптера. Эта же программа позволяет произвести самотестирование адаптера. Выбранные параметры хранятся в энергонезависимой памяти адаптера. В любом случае при выборе параметров необходимо избегать конфликтов с системными устройствами компьютера и с другими платами расширения.

Конфигурирование адаптера может выполняться и автоматически в режиме Plug-and-Play при включении питания компьютера. Современные адаптеры обычно поддерживают именно этот режим, поэтому их легко может установить пользователь.

В простейших адаптерах обмен с внутренней буферной памятью адаптера (Adapter RAM) осуществляется через адресное пространство устройств ввода/вывода. В этом случае никакого дополнительного конфигурирования адресов памяти не требуется. Базовый адрес буферной памяти, работающей в режиме разделяемой памяти, необходимо задавать. Он приписывается к области верхней памяти компьютера (UMA, Upper Memory Address) в диапазоне адресов A0000h—FFFFFh. В эту же зону адресов помещается и ПЗУ удаленной загрузки (Boot ROM), если предполагается его использование для создания бездисковой рабочей станции. Если используется конфигурирование вручную, то надо следить, чтобы не было конфликтов адресов адаптера с другими устройствами компьютера.

Все операции по конфигурированию сетевого адаптера необходимо проводить в строгом соответствии с документацией, поставляемой вместе с ним, так как каждый из многочисленных производителей адаптеров обычно вносит в них что-то свое, оригинальное. Поэтому никакие более подробные универсальные рекомендации попросту невозможны. Впрочем, это относится к любым электронным устройствам.

От размера буферной памяти адаптера зависит как скорость работы адаптера, так и его способность держать высокие информационные нагрузки. Размер памяти обычно составляет от 8 Кбайт до нескольких мегабайт. Чем больше память, тем больше передаваемых и принимаемых пакетов может в ней храниться. Для адаптеров, работающих на выделенном сервере, большой объем буферной памяти просто необходим, ведь через него пойдут все информационные потоки сети. Впрочем, самая большая буферная память не поможет, если компьютер работает медленно, не успевает перекачивать приходящую по сети информацию.

Для скорости работы адаптера важен режим обмена компьютера с буферной памятью адаптера. Если адаптер поддерживает режим прямого доступа к памяти (DMA – Direct Memory Access), режим прямого управления шиной (Bus Mastering) или режим разделения памяти, то он обычно работает более производительно, чем адаптеры, не поддерживающие этих режимов. Более того, адаптеры, рассчитанные на быструю шину PCI и работающие в режимах прямого доступа к памяти или прямого управления шиной, могут и не нуждаться в большом объеме буферной памяти, так как информация может передаваться адаптером напрямую в память компьютера и обратно.

Некоторые адаптеры поддерживают функцию удаленной загрузки по сети. Для этого на плате адаптера устанавливается микросхема постоянной памяти (Boot ROM), в которой находится программа начальной загрузки. Такое решение позволяет использовать бездисковые рабочие станции. Но сейчас данная возможность применяется не слишком часто, так как практически все компьютеры оснащены дисководами.

Все функции по обслуживанию обмена по сети в сетевом адаптере, как правило, выполняет одна специализированная микросхема или небольшой комплект микросхем (2—3 штуки). Этим и объясняется достаточно низкая цена адаптеров. Поставщиков подобных комплектов микросхем не так много, поэтому очень многие адаптеры выполнены по сходным схемам. Однако организация обмена шины компьютера с адаптером может быть различной, поэтому показатели производительности адаптеров от разных изготовителей и показатели надежности их работы, особенно в экстремальных условиях, сильно различаются.

Адаптер может быть рассчитан только на один тип среды передачи, к примеру, на витую пару, но может также поддерживать возможность подключения нескольких разных сред передачи, например, тонкий и толстый коаксиальные кабели. Для этого на плате устанавливаются соответствующие разъемы (см. Лекцию 5, раздел "Аппаратура локальных сетей"). Наиболее универсальны так называемые адаптеры "Combo", которые имеют полный набор разъемов (BNC, RJ-45 и AUI для Ethernet). Для выбора конкретного типа среды иногда используются переключатели (джамперы), как правило, их несколько и переключать их надо обязательно все вместе.

Иногда выбор среды передачи осуществляется программно.

АдаптерыFast Ethernet выпускаются как односкоростными (100 Мбит/с), так и двухскоростными (10 Мбит/с и 100 Мбит/с). Двухскоростные платы (их обычно помечают "10/100") несколько дороже односкоростных, но зато они могут работать в любой сети Ethernet/Fast Ethernet без всяких проблем.

Поддержка адаптером полнодуплексного режима обмена по сети пока что встречается нечасто. Это связано с тем, что полнодуплексный режим требует и применения полнодуплексных коммутаторов. Это оказывается очень дорого. Однако для мощных серверов больших сетей поддержка полнодуплексного режима очень желательна.

Все сетевые адаптеры должны быть сертифицированы. Сертификат FCC класса А позволяет использовать адаптер в бизнесе, сертификат FCC класса В – в домашних условиях. Стандарт предусматривает безопасный уровень электромагнитного излучения сетевого адаптера.

При выборе адаптера очень важно обращать внимание на совместимость его драйвера с сетевым программным обеспечением. Все поставщики сетевых программных средств (Novell, Microsoft и др.) проводят работу по сертификации драйверов. Если такой сертификат имеется, то можно быть уверенным, что проблем по совместимости не будет. С другой стороны, все сетевые программные продукты поставляются с набором протестированных драйверов, совместимых с ними. Если драйвер приобретенной платы входит в этот набор, то проблем тоже, скорее всего, не будет. Солидные производители сетевых адаптеров регулярно распространяют обновленные, более быстрые и универсальные версии драйверов для своих плат.

Низкая цена некоторых адаптеров может объясняться как раз отсутствием сертификата, плохой совместимостью с программными средствами. Вообще же цены на адаптеры разных фирм и разных типов могут различаться в десятки раз.

Несколько слов о производительности адаптера.

Реальная скорость обмена информацией по сети представляет собой интегральный параметр, зависящий не только от адаптера, но и от компьютера (быстродействия процессора и дисковода, объема системной памяти), среды передачи (уровня помех), программных средств, величины загрузки сети и т.д. Поэтому выбор самого быстрого (и дорогого) адаптера далеко не всегда гарантирует заметный выигрыш в скорости обмена. Например, переход с 8-разрядного адаптера ISA на 16-разрядный или с ISA адаптера на 32-разрядный PCI адаптер может практически не сказаться на скорости. Тем не менее, нередки ситуации, когда именно адаптер становится самым узким местом в системе и его замена может резко увеличить производительность сети.

Косвенные показатели производительности адаптера уже были перечислены: производительнее всего работают те, которые рассчитаны на PCI, поддерживают режим разделения буферной памяти, у которых буферная память большего объема. Быстрее будут те адаптеры, которые максимальное количество функций выполняют без участия процессора, опираясь на встроенный интеллект.

Но получить реальные количественные показатели производительности можно только в результате тестирования сети в целом. Для этого существует целый ряд тестовых программ, наиболее известные Perform3 компании Novell и Netbench 3.0 фирмы Ziff-Davis.Любые тестовые программы слабо отражают реальную ситуацию в сети, но позволяют сравнивать между собой различные сетевые адаптеры в условиях, близких к реальным и в реальной конфигурации аппаратных средств.

Коммутаторы Cut-Through

Коммутаторы Cut-Through– самые простые и быстрые, они не производят никакого буферирования пакетов и никакой их селекции. Про них часто говорят, что они производят коммутацию "на лету" (on-the-fly).

Эти коммутаторы буферируют только головную часть пакета, чтобы прочитать 6-байтовый адрес приемника пакета и принять решение о коммутации, на которое у некоторых коммутаторов уходит около 10 битовых интервалов. В результате время ожидания ретрансляции (задержка на коммутаторе), включающее как время буферирования, так и время коммутации, может составлять около 150 битовых интервалов. Конечно, это больше задержки репитерного концентратора, но гораздо меньше задержки ретрансляции любого моста.

Недостаток данного типа коммутатора состоит в том, что он ретранслирует любые пакеты с нормальной головной частью, в том числе и заведомо ошибочные пакеты (например, с неправильной контрольной суммой) и карликовые пакеты (длиной менее 512 битовых интервалов). Ошибки одного сегмента ретранслируются в другой сегмент, что приводит к снижению пропускной способности сети в целом.

Еще одна проблема состоит в том, что коммутаторы данного типа часто перегружаются и плохо обрабатывают ситуацию перегрузки. Например, из двух или более сегментов одновременно поступают пакеты, адресованные одному и тому же сегменту. Но коммутатор не может одновременно передать несколько пакетов в один сегмент, поэтому часть пакетов пропадает. Вместе с тем коммутатор не может ретранслировать и пакеты, приходящие из того же порта, в который коммутатор передает в данный момент.

Одно из усовершенствований коммутаторов Cut-Through получило название Interim Cut-Through Switching (ICS). Оно направлено на то, чтобы избежать ретрансляции карликовых кадров. Для этого на принимающей стороне коммутатора все порты имеют буферную память типа FIFO на 512 бит. Если пакет заканчивается раньше, чем буфер заполнится, то содержимое буфера автоматически отбрасывается. Однако все остальные недостатки метода Cut-Through в данном случае сохраняются. Задержка ретрансляции коммутаторов данного типа (ICS) увеличивается примерно на 400 битовых интервалов по сравнению с обычным Cut-Through.

Коммутаторы Ethernet и Fast Ethernet

Коммутирующие концентраторы (Switched Hubs) или, как их еще называют, коммутаторы (Switches), переключатели и свичи, могут рассматриваться, как простейший и очень быстрый мост. Они позволяют разделить единую сеть на несколько сегментов для увеличения допустимого размера сети или с целью снижения нагрузки (трафика) в отдельных частях сети.

Как уже отмечалось, в отличие от мостов, коммутирующие концентраторы не принимают приходящие пакеты, а только переправляют из одной части сети в другую те пакеты, которые в этом нуждаются. Они в реальном темпе поступления битов пакета распознают адрес приемника пакета и принимают решение о том, надо ли этот пакет переправлять, и, если надо, то кому. Никакой обработки пакетов не производится, хотя и контролируется их заголовок. Коммутаторы практически не замедляют обмена по сети. Но они не могут преобразовывать формат пакетов и протоколов обмена по сети. Поскольку коммутаторы работают с информацией, находящейся внутри кадра, часто говорят, что они ретранслируют кадры, а не пакеты, как репитерные концентраторы.

Коллизии коммутатором не ретранслируются, что выгодно отличает его от более простого репитерного концентратора. Можно сказать, что коммутаторы производят более глубокое разделение сети, чем концентраторы. Они разделяют на части зону коллизий (Collision Domain) сети, то есть область сети, на которую распространяются коллизии.

Логическая структура коммутатора довольно проста (рис. 13.6).

Рис. 13.6. Логическая схема коммутатора

Она включает в себя так называемую перекрестную (коммутационную) матрицу (Crossbar Matrix), во всех точках пересечения которой могут устанавливаться связи на время передачи пакета. В результате пакет, поступающий из любого сегмента, может быть передан в любой другой сегмент (рис. 13.6). В случае широковещательного пакета, адресованного всем абонентам, он передается во все сегменты одновременно, кроме того сегмента, по которому он пришел (рис. 13.7).

Рис. 13.7. Ретрансляция широковещательного пакета

Помимо перекрестной матрицы коммутатор включает в себя память, в которой он формирует таблицу MAC-адресов всех компьютеров, подключенных к каждому из его портов. Эта таблица создается на этапе инициализации сети и затем периодически обновляется для учета изменений конфигурации сети. Именно на основании анализа этой таблицы делается вывод о том, какие связи надо замыкать, куда отправлять пришедший пакет. Коммутатор читает MAC-адреса отправителя и получателя в пришедшем пакете и передает пакет в тот сегмент, в который он адресован. Если пакет адресован абоненту из того же сегмента, к которому принадлежит отправитель, то он не ретранслируется вообще. Широковещательный пакет не передается в тот сегмент, к которому присоединен абонент отправитель пакета. Адрес отправителя пакета заносится в таблицу адресов (если его там еще нет).

Коммутаторы выпускаются на различное число портов. Чаще всего встречаются коммутаторы с 6, 8, 12, 16 и 24 портами. Следует отметить, что мосты, как правило, редко поддерживают более 4 портов.

Различаются коммутаторы с допустимым количеством адресов на один порт. Этот показатель определяет предельную сложность подключаемых к порту сегментов (количество компьютеров в каждом сегменте). Некоторые коммутаторы позволяют разбивать порты на группы, работающие независимо друг от друга, то есть один коммутатор может работать как два или три.

Так же, как и концентраторы, коммутаторы выпускаются трех видов в зависимости от сложности, возможности наращивания количества портов и стоимости:

коммутаторы с фиксированным числом портов (обычно до 30);модульные коммутаторы (с числом портов до 100);стековые коммутаторы.

Коммутаторы характеризуются двумя показателями производительности:

Максимальная скорость ретрансляции пакетов измеряется при передаче пакетов из одного порта в другой, когда все остальные порты отключены.Совокупная скорость ретрансляции пакетов измеряется при активной работе всех имеющихся портов. Совокупная скорость больше максимальной, но максимальная скорость, как правило, не может быть обеспечена на всех портах одновременно, хотя коммутаторы и способны одновременно обрабатывать несколько пакетов (в отличие от моста).

Главное правило, которого надо придерживаться при разбиении сети на части (сегменты) с помощью коммутатора, называется "правило 80/20". Только при его выполнении коммутатор работает эффективно. Согласно этому правилу, необходимо, чтобы не менее 80 процентов всех передач происходило в пределах одной части (одного сегмента) сети. И только 20 процентов всех передач должно происходить между разными частями (сегментами) сети, проходить через коммутатор.На практике это обычно сводится к тому, чтобы сервер и активно работающие с ним рабочие станции (клиенты) располагались на одном сегменте. Это же правило 80/20 применимо и к мостам.

Существует два класса коммутаторов, отличающихся уровнем интеллекта и способами коммутации:

коммутаторы со сквозным вырезанием (Cut-Through);

коммутаторы с накоплением и ретрансляцией (Store-and-Forward, SAF).

Коммутаторы Store-and-Forward

Коммутаторы Store-and-Forward (SAF) представляют собой наиболее дорогие, сложные и совершенные устройства данного типа. Они уже гораздо ближе к мостам и лишены перечисленных недостатков коммутаторов Cut-Through. Главное их отличие состоит в полном буферировании во внутренней буферной памяти FIFO всех ретранслируемых пакетов. Размер каждого буфера при этом должен быть не меньше максимальной длины пакета. Соответственно значительно возрастает и задержка коммутации, она составляет не менее 12000 битовых интервалов. Карликовые пакеты (меньше 512 бит) и ошибочные пакеты (с неправильной контрольной суммой) таким коммутатором отфильтровываются, не пересылаются. Перегрузки возникают гораздо реже, так как есть возможность отложить на время передачу пакета.

Буферная память (с организацией FIFO) может размещаться на принимающей стороне всех портов (накопление перед коммутацией – рис. 13.8), на передающей стороне портов (накопление перед ретрансляцией), а также может быть общей для всех портов, причем эти методы часто комбинируются для достижения наибольшей гибкости и увеличения производительности. Чем больше объем памяти, тем лучше коммутатор справляется с перегрузкой. Но с ростом объема памяти повышается и стоимость оборудования. Растет и требование к быстродействию коммутатора. Иногда в состав коммутатора включается и универсальный процессор, но чаще коммутаторы выполняются на специализированных быстродействующих микросхемах, жестко специализированных именно на задачах коммутации пакетов.

Рис. 13.8. Буферная память в коммутаторе

Коммутаторы SAF в отличие от других типов коммутаторов могут поддерживать одновременно разные скорости передачи (10 Мбит/с и 100 Мбит/с). Полное буферирование пакета вполне позволяет передавать его не с той скоростью, с которой он поступил. В результате часть портов коммутатора может работать с сетью Ethernet, другая – с Fast Ethernet, причем некоторые коммутаторы автоматически настраивают свои порты на скорость передачи подключенного к порту сегмента. Коммутаторы SAF облегчают переход с Ethernet на Fast Ethernet. Существуют уже и коммутаторы, поддерживающие обмен с Gigabit Ethernet на скорости 1000 Мбит/с. Но в отличие от мостов коммутаторы, как правило, не меняют формат пакетов, поэтому сети с разными форматами пакетов нельзя объединять с их помощью.

Выпускаются также так называемые гибридные (или адаптивные) коммутаторы, которые могут автоматически переключаться из режима Cut-Through в режим SAF и наоборот. При малой нагрузке и низком уровне ошибок они работают как более быстрые Cut-Through коммутаторы, а при большой нагрузке и значительном количестве ошибок переходят в более медленный, но более качественный режим SAF.

Наконец, еще одно важное достоинство коммутаторов по сравнению с репитерными концентраторами состоит в том, что они могут поддерживать режим полнодуплексной связи. Как уже отмечалось, при этом режиме упрощается обмен в сети, а скорость передачи в идеале удваивается (20 Мбит/с для Ethernet, 200 Мбит/с для Fast Ethernet).

Достоинства и недостатки полнодуплексного режима следующие.

Сегменты на витой паре и на оптоволоконном кабеле в любом случае используют две линии связи, которые передают информацию в разные стороны. (Это не относится к сегментам 100BASE-T4, содержащим двунаправленные витые пары, передающие в обе стороны по очереди). Но в стандартном полудуплексном режиме информация не передается по этим линиям связи одновременно (это означает коллизию, в результате чего передача прекращается).

Однако, если адаптер и коммутатор, связанные этими же двумя линиями, поддерживают полнодуплексный режим, то одновременная передача информации возможна. Несомненно, аппаратура адаптера и коммутатора должна при этом обеспечивать прием приходящего из сети пакета и передачу своего пакета одновременно.

Полнодуплексный режим в принципе исключает любую возможность коллизии и делает ненужным сложный алгоритм управления обменом CSMA/CD. Каждый из абонентов (адаптер и коммутатор) может передавать в данном случае в любой момент без ожидания освобождения сети. В результате сеть нормально функционирует даже при нагрузке, приближающейся к 100% (в полудуплексном режиме – не более 30—40%). Этот режим удобен для высокоскоростных серверов и высокопроизводительных рабочих станций.

Кроме того, отказ от метода CSMA/CD автоматически снимает ограничения на размер сети, связанные с ограничениями на двойное время распространения сигнала. Особенно это важно для Fast Ethernet и Gigabit Ethernet. При полнодуплексном режиме обмена размер любой сети ограничен только затуханием сигнала в среде передачи.

Поэтому, например, сети Fast Ethernet и Gigabit Ethernet могут использовать оптоволоконные сегменты длиной 2 километра или даже больше. При стандартном полудуплексном режиме и методе CSMA/CD это было бы в принципе невозможно, так как двойное время распространения сигнала для Fast Ethernet не должно превышать 5,12 мкс, а для Gigabit Ethernet – 0,512 мкс (а при переходе на минимальную длину пакета в 512 байт – 4,096 мкс).

Таким образом, полнодуплексный режим можно рассматривать как приближение к топологии классической (активной) звезды. Как и в активной звезде, здесь не может быть конфликтов, но требования к центру (как по надежности, так и по быстродействию) чрезвычайно велики. Как и при активной звезде, строить сети с большим количеством абонентов затруднительно, необходимо использовать много центров (в данном случае – коммутаторов). Как и при активной звезде, стоимость оборудования оказывается довольно высокой, так как кроме сетевых адаптеров и соединительных кабелей нужны сложные, быстрые и дорогие коммутаторы. Но, видимо, все это неизбежная плата за повышение скорости обмена. Строго говоря, полнодуплексные сети уже трудно назвать классическими Ethernet и Fast Ethernet, так как в них уже ничего не остается ни от топологии шина, ни от метода CSMA/CD. Сохраняется только формат пакета и (не всегда) метод кодирования.

В настоящее время коммутирующие концентраторы (коммутаторы) выполняют все больше функций, традиционно относившихся к мостам. В пределах одной сети или однотипных сетей с одинаковыми форматами пакетов (Ethernet и Fast Ethernet) коммутаторы все больше вытесняют мосты, так как они более быстрые и дешевые.На долю мостов остается только соединение разнотипных сетей, что встречается не так уж и часто. Эта тенденция прослеживается и в других областях электроники: узко специализированные быстрые устройства вытесняют универсальные, более медленные.

Концентраторы класса I и класса II

Стандарт IEEE 802.3 определяет два класса репитерных концентраторов Ethernet/Fast Ethernet, отличающихся друг от друга своими функциональными возможностями и областями применения. Каждый концентратор должен иметь маркировку своего класса в виде римской цифры I или II, заключенной в кружок.

Концентраторы класса II —классические концентраторы, использовавшиеся с самого начала в сетях Ethernet. Именно поэтому их применение было разрешено и в сетях Fast Ethernet. Эти концентраторы отличаются тем, что они непосредственно повторяют приходящие на них из сегмента сигналы и передают их в другие сегменты без какого бы то ни было преобразования. Они не способны преобразовывать методы кодирования сетевых сигналов. Поэтому к ним можно подключать только сегменты, использующие одну систему сигналов. Например, к концентратору могут подключаться только одинаковые сегменты 10BASE-T или только одинаковые сегменты 100BASE-TX. Допустимо, правда, подключение и разных сегментов, но они должны использовать один код передачи, например, 10BASE-T и 10BASE-FL или 100BASE-TX и 100BASE-FX. Данные концентраторы принципиально не могут объединять сегменты с разными системами кодирования, в частности, 100BASE-TX и 100BASE-T4.

Задержка сигналов в концентраторах класса II меньше, чем в концентраторах класса I. Согласно стандарту, она должна составлять от 46 битовых интервалов (для 100BASE-TX/FX) до 67 битовых интервалов (для 100BASE-T4). Отсюда следуют ограничения на наращиваемость таких концентраторов и на количество их портов (как правило, оно не превышает 24).

Зато меньшая задержка концентратора позволяет использовать кабели большей длины, так как на работоспособность сети влияет суммарная задержка сигнала в сети, включающая в себя задержки, как концентраторов, так и в кабелях.

Для соединения концентраторов класса II между собой используется специальный порт расширения (UpLink port). Каждый концентратор подключается этим портом к одному из обычных портов другого концентратора (рис. 13.5).

Рис. 13.5. Соединение двух концентраторов класса II

Концентраторы класса II сложнее в производстве, чем концентраторы класса I, так как временные требования, предъявляемые к ним, жестче. Но при этом возможности их меньше, поэтому в настоящее время их вытесняют концентраторы класса I.

Концентраторы класса I характеризуются тем, что они преобразуют приходящие по сегментам сигналы в цифровую форму, прежде чем передавать их во все другие сегменты. Они содержат декодирующие и кодирующие узлы.

В отличие от концентраторов класса II они способны преобразовывать коды, применяемые в разных сегментах. Поэтому к ним можно одновременно подсоединять сегменты разных типов, например, 100BASE-TX, 100BASE-T4 и 100BASE-FX. Но этот процесс двойного преобразования кодов требует времени, поэтому данные концентраторы оказываются медленнее (по стандарту, их задержка составляет не более 140 битовых интервалов).

Концентраторы класса I более гибкие, они имеют расширенные возможности по наращиваемости. Именно из них строятся сложные концентраторы на базе шасси.

К тому же благодаря внутренним цифровым шинам сигналов они допускают управление с удаленных рабочих станций, позволяющих контролировать нагрузку сети, состояние портов, интенсивность ошибок в сети, а также автоматически отключать неисправные сегменты.

При этом для обмена с управляющей станцией применяется специально разработанный протокол обмена SNMP (Simple Network Management Protocol – простой протокол управления сетью). Такой концентратор, допускающий удаленное управление, называется интеллектуальным (Intelligent Hub).

Протокол SNMP был предложен в 1988 году комиссией IAB (Internet Activities Board). Он описывается документами RFC 1067, RFC 1098, RFC 1157. Комиссия IAB определила также и метод описания данных для этого протокола под названием ASN.1 (Abstract Syntax Notation). Протокол SNMP относится к прикладному уровню, он работает с протоколами IP и IPX, а также позволяет не только собирать информацию о сети, но и управлять устройствами сети.

Протокол SNMP подразумевает хранение информации об устройствах сети в формате ASN.1 в виде текстовых файлов, так называемых MIB (Management Information Base – база управляющей информации). Например, в случае интеллектуального концентратора с него можно считать информацию о количестве пакетов, переданных и полученных каждым из портов, можно также включить и выключить каждый порт.

Для управления устройством сети, контроллер этого устройства должен выполнять программу агента SNMP. Программа агента собирает данные о системе, в которой он запущен и управляет объектами данных системы.

Рабочая станция, управляющая сетью (NMS – Network Management Station) – это один из компьютеров, подключенных к сети, на котором запущен специальный пакет прикладных программ, в удобном графическом виде отображающий состояние сетевых устройств и позволяющий управлять ими.

Протокол SNMP поддерживает три типа команд:

Команда GET читает значения объектов данных устройства (из MIB) в произвольном порядке.Команда GET NEXT читает следующее по порядку значение объекта данных устройства.Команда SET применяется для изменений (записи) значений объектов данных устройства.

Команды и реакции протокола SNMP передаются посредством модулей данных в составе дейтаграмм (PDU – Protocol Data Unit). Протокол предусматривает также передачу информации о типе кодирования MIB, поэтому в разных устройствах MIB может иметь различный формат. Существует ряд фирменных и стандартных форматов MIB для сетевых адаптеров (MIB-II), концентраторов, мостов и сети в целом (RMON MIB), поддерживаемых SNMP.

Мосты и маршрутизаторы Ethernet и Fast Ethernet

Мосты и маршрутизаторы, строго говоря, не совсем правильно относить к специфическому сетевому оборудованию. Изначально они представляли собой универсальные компьютеры, работающие в сети и выполняющие специфическую функцию соединения двух или более частей сети. Правда, сейчас уже существуют мосты и маршрутизаторы, жестко специализированные на работе в сети. В частности, маршрутизаторы выпускаются рядом фирм в виде модулей, устанавливаемых в концентраторы на базе шасси. Их стоимость ниже, чем маршрутизаторов на базе компьютеров, а быстродействие выше, так как они узко специализированы.

Репитеры и концентраторы Ethernet и Fast Ethernet

Использование репитеров и концентраторов (хабов) в сети Ethernet не является обязательным. Небольшие сети на основе сегментов 10BASE2 или 10BASE5 вполне могут обойтись без них. Для сетей из нескольких таких сегментов необходимы простейшие репитеры. А при выборе в качестве среды передачи витой пары (10BASE-T) или оптоволоконного кабеля (10BASE-FL) уже необходимы концентраторы (если, конечно, в сеть объединяются не два компьютера, а хотя бы три). В сети Fast Ethernet применение концентраторов обязательно.

Первая модель формулирует набор правил,

Первая модель формулирует набор правил, которые необходимо соблюдать проектировщику сети при соединении отдельных компьютеров и сегментов:

Репитер или концентратор, подключенный к сегменту, снижает на единицу максимально допустимое число абонентов, подключаемых к сегменту.Полный путь между двумя любыми абонентами должен включать в себя не более пяти сегментов, четырех концентраторов (репитеров) и двух трансиверов (MAU).Если путь между абонентами состоит из пяти сегментов и четырех концентраторов (репитеров), то количество сегментов, к которым подключены абоненты, не должно превышать трех, а остальные сегменты должны просто связывать между собой концентраторы (репитеры). Это уже упоминавшееся "правило 5-4-3".Если путь между абонентами состоит из четырех сегментов и трех концентраторов (репитеров), то должны выполняться следующие условия:максимальная длина оптоволоконного кабеля сегмента 10BASE-FL, соединяющего между собой концентраторы (репитеры), не должна превышать 1000 метров;максимальная длина оптоволоконного кабеля сегмента 10BASE-FL, соединяющего концентраторы (репитеры) с компьютерами, не должна превышать 400 метров;ко всем сегментам могут подключаться компьютеры.

При выполнении перечисленных правил можно быть уверенным, что сеть будет работоспособной. Никаких дополнительных расчетов в данном случае не требуется. Считается, что соблюдение данных правил гарантирует допустимую величину задержки сигнала в сети.

На рис. 14.1 показан пример максимальной конфигурации, удовлетворяющей этим правилам. Здесь максимально возможный путь (диаметр сети) проходит между двумя нижними по рисунку абонентами: он включает в себя пять сегментов (10BASE2, 10BASE5, 10BASE-FL, 10BASE-FL и 10BASE-T) четыре концентратора (репитера) и два трансивера MAU.

Рис. 14.1. Пример максимальной конфигурации в соответствии с первой моделью

В соответствии с первой моделью, при выборе конфигурации надо руководствоваться следующими принципами:

Сегменты, выполненные на электрических кабелях (витых парах) не должны быть длиннее 100 метров. Это относится к кабелям всех категорий – 3, 4 и 5, к сегментам 100BASE-T4 и 100BASE-TX.Сегменты, выполненные на оптоволоконных кабелях, не должны быть длиннее 412 метров.Если используются адаптеры с внешними (выносными) трансиверами, то трансиверные кабели (MII) не должны быть длиннее 50 сантиметров.

Модель 1 выделяет три возможные конфигурации сети Fast Ethernet:

Соединение двух абонентов (узлов) сети напрямую, без репитера или концентратора (рис. 14.4). Абонентами при этом могут выступать не только компьютеры, но и сетевой принтер, порт коммутатора, моста или маршрутизатора. Такое сопряжение называется соединением DTE—DTE или двухточечным.

Рис. 14.4. Двухточечное соединение компьютеров без концентратора

Соединение двух абонентов сети с помощью одного репитерного концентратора класса I или класса II (рис. 14.5).

Рис. 14.5. Соединение с одним концентратором

Соединение двух абонентов сети с помощью двух репитерных концентраторов класса II (рис. 14.6). При этом предполагается, что для связи концентраторов всегда используется электрический кабель длиной не более 5 метров. Концентраторы класса II имеют меньшую задержку, поэтому их может быть два. Использование трех концентраторов в соответствии с моделью 1 не допускается.

Рис. 14.6. Соединение с двумя концентраторами

Первая модель формулирует набор правил, которые необходимо соблюдать проектировщику сети при соединении отдельных компьютеров и сегментов:

Репитер или концентратор, подключенный к сегменту, снижает на единицу максимально допустимое число абонентов, подключаемых к сегменту.Полный путь между двумя любыми абонентами должен включать в себя не более пяти сегментов, четырех концентраторов (репитеров) и двух трансиверов (MAU).Если путь между абонентами состоит из пяти сегментов и четырех концентраторов (репитеров), то количество сегментов, к которым подключены абоненты, не должно превышать трех, а остальные сегменты должны просто связывать между собой концентраторы (репитеры). Это уже упоминавшееся "правило 5-4-3".Если путь между абонентами состоит из четырех сегментов и трех концентраторов (репитеров), то должны выполняться следующие условия:максимальная длина оптоволоконного кабеля сегмента 10BASE-FL, соединяющего между собой концентраторы (репитеры), не должна превышать 1000 метров;максимальная длина оптоволоконного кабеля сегмента 10BASE-FL, соединяющего концентраторы (репитеры) с компьютерами, не должна превышать 400 метров;ко всем сегментам могут подключаться компьютеры.

При выполнении перечисленных правил можно быть уверенным, что сеть будет работоспособной. Никаких дополнительных расчетов в данном случае не требуется. Считается, что соблюдение данных правил гарантирует допустимую величину задержки сигнала в сети.

На рис. 14.1 показан пример максимальной конфигурации, удовлетворяющей этим правилам. Здесь максимально возможный путь (диаметр сети) проходит между двумя нижними по рисунку абонентами: он включает в себя пять сегментов (10BASE2, 10BASE5, 10BASE-FL, 10BASE-FL и 10BASE-T) четыре концентратора (репитера) и два трансивера MAU.

Рис. 14.6. Соединение с двумя концентраторами

Вторая модель, применяемая для оценки

Вторая модель, применяемая для оценки конфигурации Ethernet, основана на точном расчете временных характеристик выбранной конфигурации сети. Эта модель иногда позволяет выйти за пределы жестких ограничений модели 1. Применение модели 2 необходимо в том случае, когда размер проектируемой сети близок к максимально допустимому.

В модели 2 используются две системы расчетов:

первая система предполагает вычисление двойного (кругового) времени прохождения сигнала по сети и сравнение его с максимально допустимой величиной;вторая система проверяет допустимость величины получаемого межпакетного временного интервала, межпакетной щели (IPG – InterPacket Gap) в сети.

При этом вычисления в обеих системах расчетов ведутся для наихудшего случая, для пути максимальной длины, то есть для такого пути передаваемого по сети пакета, который требует для своего прохождения максимального времени.

При первой системе расчетов выделяются три типа сегментов:

начальный сегмент, соответствует началу пути максимальной длины;

конечный сегмент расположен в конце пути максимальной длины;

промежуточный сегмент входит в путь максимальной длины, но не является ни начальным, ни конечным.

Промежуточных сегментов в выбранном пути может быть несколько, а начальный и конечный сегменты при разных расчетах могут меняться местами друг с другом. Выделение этих трех типов сегментов позволяет автоматически учитывать задержки сигнала на всех концентраторах, входящих в путь максимальной длины, а также в приемопередающих узлах адаптеров.

Вторая модель для сети Fast Ethernet, как и в случае Ethernet, основана на вычислении суммарного двойного времени прохождения сигнала по сети. В отличие от второй модели, используемой для оценки конфигурации Ethernet, здесь не проводится расчетов величины сокращения межпакетного интервала (межпакетной щели, IPG). Это связано с тем, что даже максимальное количество репитеров и концентраторов, допустимых в Fast Ethernet (два), в принципе не может вызвать недопустимого сокращения межпакетного интервала.

Для расчетов в соответствии со второй моделью сначала надо выделить в сети путь с максимальным двойным временем прохождения и максимальным числом репитеров (концентраторов) между компьютерами, то есть путь максимальной длины. Если таких путей несколько, то расчет должен производиться для каждого из них.

Расчет в данном случае ведется на основании таблицы 14.5.

Таблица 14.5. Двойные задержки компонентов сети Fast Ethernet (величины задержек даны в битовых интервалах)Тип сегментаЗадержка на метрМакс. задержка

Два абонента TX/FX	-	100
Два абонента T4	-	138
Один абонент T4 и один TX/FX	-	127
Сегмент на кабеле категории 3	1,14	114 (100 м)
Сегмент на кабеле категории 4	1,14	114 (100 м)
Сегмент на кабеле категории 5	1,112	111,2 (100 м)
Экранированная витая пара	1,112	111,2 (100 м)
Оптоволоконный кабель	1,0	412 (412 м)
Репитер (концентратор) класса I	-	140
Репитер (концентратор) класса II с портами TX/FX	-	92
Репитер (концентратор) класса II с портами T4	-	67

Для вычисления полного двойного (кругового) времени прохождения для сегмента сети необходимо умножить длину сегмента на величину задержки на метр, взятую из второго столбца таблицы.

Вторая модель, применяемая для оценки конфигурации Ethernet, основана на точном расчете временных характеристик выбранной конфигурации сети. Эта модель иногда позволяет выйти за пределы жестких ограничений модели 1. Применение модели 2 необходимо в том случае, когда размер проектируемой сети близок к максимально допустимому.

В модели 2 используются две системы расчетов:

первая система предполагает вычисление двойного (кругового) времени прохождения сигнала по сети и сравнение его с максимально допустимой величиной;вторая система проверяет допустимость величины получаемого межпакетного временного интервала, межпакетной щели (IPG – InterPacket Gap) в сети.

При этом вычисления в обеих системах расчетов ведутся для наихудшего случая, для пути максимальной длины, то есть для такого пути передаваемого по сети пакета, который требует для своего прохождения максимального времени.

При первой системе расчетов выделяются три типа сегментов:

начальный сегмент, соответствует началу пути максимальной длины;

конечный сегмент расположен в конце пути максимальной длины;

промежуточный сегмент входит в путь максимальной длины, но не является ни начальным, ни конечным.

Промежуточных сегментов в выбранном пути может быть несколько, а начальный и конечный сегменты при разных расчетах могут меняться местами друг с другом. Выделение этих трех типов сегментов позволяет автоматически учитывать задержки сигнала на всех концентраторах, входящих в путь максимальной длины, а также в приемопередающих узлах адаптеров.

Вторая модель для сети Fast Ethernet, как и в случае Ethernet, основана на вычислении суммарного двойного времени прохождения сигнала по сети. В отличие от второй модели, используемой для оценки конфигурации Ethernet, здесь не проводится расчетов величины сокращения межпакетного интервала (межпакетной щели, IPG). Это связано с тем, что даже максимальное количество репитеров и концентраторов, допустимых в Fast Ethernet (два), в принципе не может вызвать недопустимого сокращения межпакетного интервала.

Для расчетов в соответствии со второй моделью сначала надо выделить в сети путь с максимальным двойным временем прохождения и максимальным числом репитеров (концентраторов) между компьютерами, то есть путь максимальной длины. Если таких путей несколько, то расчет должен производиться для каждого из них.

Расчет в данном случае ведется на основании таблицы 14.5.

Таблица 14.5. Двойные задержки компонентов сети Fast Ethernet (величины задержек даны в битовых интервалах)Тип сегментаЗадержка на метрМакс. задержка

Два абонента TX/FX	-	100
Два абонента T4	-	138
Один абонент T4 и один TX/FX	-	127
Сегмент на кабеле категории 3	1,14	114 (100 м)
Сегмент на кабеле категории 4	1,14	114 (100 м)
Сегмент на кабеле категории 5	1,112	111,2 (100 м)
Экранированная витая пара	1,112	111,2 (100 м)
Оптоволоконный кабель	1,0	412 (412 м)
Репитер (концентратор) класса I	-	140
Репитер (концентратор) класса II с портами TX/FX	-	92
Репитер (концентратор) класса II с портами T4	-	67

Для вычисления полного двойного (кругового) времени прохождения для сегмента сети необходимо умножить длину сегмента на величину задержки на метр, взятую из второго столбца таблицы. Если сегмент имеет максимальную длину, то можно сразу взять величину максимальной задержки для данного сегмента из третьего столбца таблицы.

Затем задержки сегментов, входящих в путь максимальной длины, надо просуммировать и прибавить к этой сумме величину задержки для приемопередающих узлов двух абонентов (это три верхние строчки таблицы) и величины задержек для всех репитеров (концентраторов), входящих в данный путь (это три нижние строки таблицы).

Суммарная задержка должна быть меньше, чем 512 битовых интервалов. При этом надо помнить, что стандарт IEEE 802.3u рекомендует оставлять запас в пределах 1 – 4 битовых интервалов для учета кабелей внутри соединительных шкафов и погрешностей измерения. Лучше сравнивать суммарную задержку с величиной 508 битовых интервалов, а не 512 битовых интервалов.

Все задержки, приведенные в таблице, даны для наихудшего случая. Если известны временные характеристики конкретных кабелей, концентраторов и адаптеров, то практически всегда предпочтительнее использовать именно их. В ряде случаев это может дать заметную прибавку к допустимому размеру сети.

Пример расчета по второй модели для сети, показанной на рис. 14.7. Здесь существуют два максимальных пути: между компьютерами (сегменты А, В и С) и между верхним (по рисунку) компьютером и коммутатором (сегменты А, В и D). Оба эти пути включают в себя два 100-метровых сегмента и один 5-метровый. Предположим, что все сегменты представляют собой 100BASE-TX и выполнены на кабеле категории 5. Для двух 100-метровых сегментов (максимальной длины) из таблицы следует взять величину задержки 111,2 битовых интервалов.

Для 5-метрового сегмента при расчете задержки, умножается 1,112 (задержка на метр) на длину кабеля (5 метров): 1,112 * 5 = 5,56 битовых интервалов.

Величина задержки для двух абонентов ТХ из таблицы – 100 битовых интервалов.

Из таблицы величины задержек для двух репитеров класса II – по 92 битовых интервала.

Суммируются все перечисленные задержки:

111,2 + 111,2 + 5,56 + 100 + 92 + 92 = 511,96

это меньше 512, следовательно, данная сеть будет работоспособна, хотя и на пределе, что не рекомендуется.

Для гарантии лучше несколько уменьшить длину кабелей или взять кабели, имеющие меньшую задержку (см. табл. 2.3). Например, при использовании кабеля AT&T 1061 (NVP = 0,7, tз = 0,477) получаются следующие величины задержек для 100-метровых сегментов: (0,477 * 2) * 100 = 95,4 битовых интервалов (умножение на два необходимо, чтобы получить двойное время прохождения), а для 5-метрового сегмента – 4,77 битовых интервалов. Суммарная задержка при этом составит:

95,4 + 95,4 + 4,77 + 100 + 92 + 92 = 483,57,

то есть гораздо меньше 512 и даже 508, что означает полностью работоспособную сеть.

Пользуясь моделью 2, можно обойти некоторые ограничения модели 1, так как модель 1 строится из расчета на наихудший случай. Например, в сети может присутствовать больше двух концентраторов класса II или больше одного концентратора класса I, а кабель, соединяющий концентраторы, может быть длиннее 5 метров.

На рис. 14.8 показана сеть, содержащая три концентратора класса II, соединенных между собой отрезками кабеля длиной по 10 метров. Компьютеры соединены с концентраторами сегментами 100BASE-TX длиной по 50 метров. Расчет двойного времени прохождения для этого случая.

Каждый из трех концентраторов класса II с портами ТХ даст задержку 92 битовых интервала. Суммарная задержка концентраторов составит 276 битовым интервалам.Для двух соединительных кабелей между концентраторами задержка равна 2 * 1,112 * 10 = 22,24 битовых интервала.Для двух сегментов ТХ по 50 метров задержка составит 2 * 1,112 * 50 = 111,2 битовых интервала.Для двух абонентов TX задержка будет равна 100 битовым интервалам.Итого суммарная задержка: 276 + 22,24 + 111,2 + 100 = 509,44 битовых интервала.

Рис. 14.8. Пример работоспособной конфигурации сети, нарушающей правила модели 1

Данная сеть работоспособна. Но при этом надо учитывать, что каждый дополнительный концентратор класса II уменьшает общую допустимую длину кабеля на 92/1,112 = 82,7 метра. Сеть с четырьмя концентраторами не будет иметь смысла, так как на задержку в кабеле уже не остается почти никакого запаса (четыре концентратора дадут суммарную задержку в 92 * 4 = 368 битовых интервалов).

А теперь стоит посмотреть, какова будет максимальная величина сети Fast Ethernet. Для этого надо взять сеть с одним концентратором класса II и два сегмента 100BASE-FX. Элементарный расчет показывает, что при одинаковых сегментах длина каждого из них может достигать 160 метров (рис. 14.9), а общая длина сети составит 320 метров. Расчет двойного времени прохождения для этого случая будет выглядеть так:

92 + 100 + 2 * 1,0 * 160 = 512

Получается, что сеть работоспособна, хотя и на пределе. В данном случае важна только суммарная длина обоих кабелей. При уменьшении длины какого-нибудь из сегментов можно без потери работоспособности увеличить на точно такую же величину длину другого сегмента.

Если в приведенной на рис. 14.9 конфигурации используется концентратор класса I, а не концентратор класса II, то допустимая суммарная длина сегментов сокращается с 320 метров до 272 метров (расчет для этого случая очевиден). А согласно стандарту запаса лучше уменьшить суммарную длину кабеля на 1 – 4 метра, что даст снижение круговой задержки на 1 – 4 битовых интервала.

Рис. 14.9. Сеть Fast Ethernet максимальной длины

В заключение следует отметить, что модель 2 целесообразно применять в основном при наличии в сети оптоволоконных сегментов. На электрическом кабеле даже при большом желании довольно трудно создать сеть значительного размера.

Методы преодоления ограничений на размер сети в случае Fast Ethernet те же самые, что и в случае Ethernet: сокращение длины кабелей, уменьшение количества концентраторов, выбор марки кабеля с меньшей задержкой, использование коммутаторов, переход на полнодуплексный режим обмена, а также переход на другую сеть (например, FDDI).

Выбор конфигурации Ethernet

При выборе конфигурации сети Ethernet, состоящей из сегментов различных типов, возникает много вопросов, связанных прежде всего с максимально допустимым размером (диаметром) сети и максимально возможным числом различных элементов. Сеть будет работоспособной только в том случае, если задержка распространения сигнала в ней не превысит предельной величины. Это определяется выбранным методом управления обменом CSMA/CD, основанном на обнаружении и разрешении коллизий.

Прежде всего, следует отметить, что для получения сложных конфигураций Ethernet из отдельных сегментов применяются промежуточные устройства двух основных типов:

Репитерные концентраторы (хабы) представляют собой набор репитеров и никак логически не разделяют сегменты, подключенные к ним;Коммутаторы передают информацию между сегментами, но не передают конфликты с сегмента на сегмент.

При использовании более сложных коммутаторов конфликты в отдельных сегментах решаются на месте, в самих сегментах, но не распространяются по сети, как в случае применения более простых репитерных концентраторов. Это имеет принципиальное значение для выбора топологии сети Ethernet, так как используемый в ней метод доступа CSMA/CD предполагает наличие конфликтов и их разрешение, причем общая длина сети как раз и определяется размером зоны конфликта, области коллизии (collision domain). Таким образом, применение репитерного концентратора не разделяет зону конфликта, в то время как каждый коммутирующий концентратор делит зону конфликта на части. В случае применения коммутатора оценивать работоспособность надо для каждого сегмента сети отдельно, а при использовании репитерных концентраторов – для сети в целом.

На практике репитерные концентраторы применяются гораздо чаще, так как они и проще и дешевле. Поэтому в дальнейшем речь пойдет именно о них.

При выборе и оценке конфигурации Ethernet используются две основные модели.

Выбор конфигурации Fast Ethernet

Точно так же, как и в случае Ethernet, для определения работоспособности сети Fast Ethernet стандарт IEEE 802.3 предлагает две модели, называемые Transmission System Model 1 и Transmission System Model 2. Первая модель основана на нескольких несложных правилах. Она исходит из того, что все компоненты сети (в частности, кабели) имеют наихудшие из возможных временные характеристики, поэтому всегда дает результат со значительным запасом. Вторая модель использует систему точных расчетов с реальными временными характеристиками кабелей. В связи с этим ее применение позволяет иногда преодолеть жесткие ограничения модели 1.

Исходные данные

Важность этого этапа связана как с необходимостью упорядочивания требований к создаваемой ЛС и ее отдельным составляющим для обеспечения возможности принятия в будущем взвешенных конкретных решений, так и с ее обоснованием.

При создании новой сети для какого-нибудь предприятия желательно учитывать следующие факторы:

Требуемый размер сети (в настоящее время, в ближайшем будущем и по прогнозу на перспективу).

Структура, иерархия и основные части сети (по подразделениям предприятия, а также по комнатам, этажам и зданиям предприятия).Основные направления и интенсивность информационных потоков в сети (в настоящее время, в ближайшем будущем и в дальней перспективе). Характер передаваемой по сети информации (данные, оцифрованная речь, изображения), который непосредственно сказывается на требуемой скорости передачи (до нескольких сотен Мбит/с для телевизионных изображений высокой четкости).Технические характеристики оборудования (компьютеров, адаптеров, кабелей, репитеров, концентраторов, коммутаторов) и его стоимость.Возможности прокладки кабельной системы в помещениях и между ними, а также меры обеспечения целостности кабеля.Обслуживание сети и контроль ее безотказности и безопасности.Требования к программным средствам по допустимому размеру сети, скорости, гибкости, разграничению прав доступа, стоимости, по возможностям контроля обмена информацией и т.д.Необходимость подключения к глобальным или к другим локальным сетям.

Вполне возможно, что после изучения всех факторов выяснится, что можно обойтись без сети, избежав тем самым довольно больших затрат на аппаратуру и программное обеспечение, установку, эксплуатацию, поддержку и ремонт сети, зарплату обслуживающему персоналу, и т.д.

Сеть по сравнению с автономными компьютерами порождает множество дополнительных проблем: от простейших механических (компьютеры, подключенные к сети, труднее перемещать с места на место) до сложных информационных (необходимость контролировать совместно используемые ресурсы, предотвращать заражение сети вирусами). К тому же пользователи сети уже не так независимы, как пользователи автономных компьютеров, им надо придерживаться определенных правил, подчиняться установленным требованиям, которым их необходимо научить.

Наконец, сеть остро ставит вопрос о безопасности информации, защиты от несанкционированного доступа, ведь с любого компьютера сети можно считать данные с общих сетевых дисков. Защитить один компьютер или даже несколько одиночных гораздо проще, чем целую сеть. Поэтому приступать к установке сети целесообразно только тогда, когда без сети работа становится невозможной, непроизводительной, когда отсутствие межкомпьютерной связи сдерживает развитие дела.

Требования и варианты решений при выборе размера и структуры сети, сетевого оборудования и программного обеспечения будут рассмотрены в последующих разделах. В начале проектирования сети необходимо провести полную "инвентаризацию" имеющихся компьютеров и их программного обеспечения, а также периферийных устройств (принтеров, сканеров и т.д.). Это позволит при организации сети исключить ненужное дублирование (оборудование и программное обеспечение теперь могут быть разделяемыми ресурсами), а также поставить задачи модернизации (апгрейда) как аппаратных, так и программных средств.

Для корректного определения характеристик компьютеров целесообразно использовать специальные диагностические программы или встроенные программы ОС (например, в ОС Windows Millennium это программа "Сведения о системе" из раздела служебных программ и программа "Система" из панели управления). Следует выбирать такие варианты программ, которые обеспечивают получение правильных данных ("старые" диагностические программы могут неверно указать тип процессора и версию ОС), а также сохранение данных в файле (это особенно ценно при большом числе компьютеров). Кроме того, следует уделить внимание наличию встроенной сетевой карты или сетевого контроллера на системной плате, а также типу поддерживаемых ими сетевых стандартов (как правило, поддерживается сеть Ethernet на витой паре, но принципиально знать ее разновидность – 10/100/1000 Мбит/c). Не все характеристики компьютеров, которые важны при их объединении в сеть, могут быть определены описанными выше способами. Из сопроводительной документации к компьютеру или после вскрытия системного блока можно и нужно определить число и тип свободных слотов (разъемов) расширения, а также максимальную мощность блока питания. Это необходимо для оценки возможности установки в компьютер новых плат.

Выбор оборудования

При выборе сетевого оборудования надо учитывать множество факторов, в частности:

уровень стандартизации оборудования и его совместимость с наиболее распространенными программными средствами;скорость передачи информации и возможность ее дальнейшего увеличения;возможные топологии сети и их комбинации (шина, пассивная звезда, пассивное дерево);метод управления обменом в сети (CSMA/CD, полный дуплекс или маркерный метод);разрешенные типы кабеля сети, максимальную его длину, защищенность от помех;стоимость и технические характеристики конкретных аппаратных средств (сетевых адаптеров, трансиверов, репитеров, концентраторов, коммутаторов).

Всем этим часто пренебрегают, а напрасно: заменить программное обеспечение сравнительно просто, а вот замена аппаратуры, особенно прокладка кабеля, обходится порой очень дорого, а иногда бывает просто невозможна. В первую очередь следует проанализировать применимость для рассматриваемого случая сети Ethernet, как наиболее популярной, недорогой и допускающей развитие (Fast Ethernet и Gigabit Ethernet).

Проблема выбора типа кабеля достаточно подробно рассматривалась ранее. В предположении, что возможность выбора в данном случае существует, стоит повторить основные аргументы в пользу того или иного выбора (см. табл. 15.1).

Таблица 15.1. Аргументы при выборе типа кабеля

Тип кабеляАргументы при выборезапротив

неэкранированная витая пара UTP (категория 3 или выше)	доступность по цене;доступность инструментов для установки разъемов (RJ45);удобство прокладки кабеля (гибкий);относительная простота ремонта при повреждении;поддержка перспективных высокоскоростных сетей (Fast и Gigabit Ethernet) при использовании кабеля категории 5 или выше.		относительно низкая устойчивость к электромагнитным помехам;сравнительно малые допустимые расстояния кабельных соединений, особенно для высокоскоростных сетей;невозможность использования во внешних участках соединений (между зданиями).
экранированная витая пара STP (оплеточный экран)1)		повышенная устойчивость к электромагнитным помехам.		несколько более высокая цена по сравнению с кабелем типа UTP.
экранированная витая пара FTP (экран из фольги)2)		подобно предыдущему типу кабеля
многомодовый оптоволоконный кабель	практическая нечувствительность к внешним электромагнитным помехам и отсутствие собственного излучения;поддержка перспективных высокоскоростных сетей, в том числе на расстояниях, недоступных при использовании витой пары.		относительно высокая цена кабеля и сетевого оборудования;сложность установки (требуется специальный инструмент и высокая квалификация персонала);низкая ремонтопригодность;чувствительность к воздействиям факторов окружающей среды (могут вызвать помутнение оптоволокна).
одномодовый оптоволоконный кабель	улучшенные технические характеристики по сравнению с многомодовым кабелем (возможность увеличения скорости передачи или длины соединений).		более высокая цена;сложная установка и ремонт.
беспроводные соединения (радио и инфракрасные каналы)	устранение необходимости организации кабельной системы;мобильность рабочих станций (простота их перемещения внутри зданий или вблизи от центрального компьютера с излучающей антенной);возможность организации глобальных сетей (с использованием радиоканалов и спутниковой связи).		относительно дорогое оборудование;сильная зависимость надежности соединения от наличия препятствий (для радиоволн) и пыли в помещении (для инфракрасных каналов);довольно низкая скорость передачи (максимум до нескольких Мбит/с) и невозможность ее существенного увеличения.

/p>

В настоящее время для организации локальных сетей в подавляющем большинстве случаев используется неэкранированная витая пара UTP. Более дорогие варианты на основе экранированной витой пары, оптоволоконного кабеля или беспроводных соединений применяются на предприятиях, где в этом существует действительно острая необходимость. Например, оптоволокно может использоваться для связи между удаленными сегментами сети без потери скорости. Рекомендации по организации кабельной системы, в том числе, содержащиеся в стандартах на структурированные кабельные системы (СКС), рассмотрены в отдельном разделе "Проектирование кабельной системы" Лекции 16.

Еще одна важная задача – это выбор компьютеров. Если для рабочих станций или невыделенных серверов обычно используют те компьютеры, которые уже имеются на предприятии, то выделенный сервер желательно приобретать специально для сети. Лучше, если это будет быстродействующий специализированный компьютер-сервер, спроектированный с учетом специфических нужд сети (такие серверы выпускаются всеми крупнейшими производителями компьютеров).

Требования к серверу:

Максимально быстрый процессор (компания Microsoft рекомендует для своей операционной системы Windows Server 2003 процессор с тактовой частотой не менее 500 МГц). Типичная величина тактовой частоты процессора для сервера сейчас составляет 2—3 ГГц. Для больших сетей применяют и многопроцессорные серверы (иногда до 32 процессоров).Большой объем оперативной памяти (фирма Microsoft рекомендует для своей операционной системы Windows Server 2003 объем памяти не менее 256 мегабайт, такие же требования фирмы Novell для NetWare 6).

Типичный объем оперативной памяти сервера сейчас составляет 512 Мбайт—20 Гбайт. Большой объем памяти сервера даже важнее быстродействия процессора, так как позволяет эффективно использовать кэширование дисковой информации, храня в памяти копии тех областей диска, с которыми производится наиболее интенсивный обмен.Быстрые жесткие диски большого объема. Типичная величина объема диска сервера сейчас составляет 150—500 Гбайт. Дисководы должны быть совместимы с сетевой операционной системой (то есть их драйверы обязательно должны входить в набор драйверов, поставляемый с ОС). Широко применяют SCSI-дисководы, которые быстрее традиционных IDE-дисководов. В серверах часто предусматривают возможность "горячей" замены дисков (без выключения питания сервера), что очень удобно.Специализированные серверы уже содержат в своем составе сетевые адаптеры с оптимальными характеристиками. Если в качестве сервера используется обычный персональный компьютер, то сетевой адаптер для него надо выбирать наиболее быстродействующий.Видеомониторы, клавиатуры и мыши не являются обязательными принадлежностями сервера, так как сервер, как правило, никогда не работает в режиме обычного компьютера.

Если есть возможность выбора компьютеров для рабочих станций, то стоит проанализировать целесообразность применения бездисковых рабочих станций (с загрузкой операционной системы через сеть). Это сразу снизит стоимость сети в целом или позволит при тех же затратах купить более качественные компьютеры: с быстрыми процессорами, с хорошими мониторами, с большой оперативной памятью.

Правда, в настоящее время использование бездисковых компьютеров считается не самым лучшим решением. Ведь в этом случае всю информацию компьютер получает через сеть и передает в сеть, что может вызвать чрезмерную загрузку сети. Бездисковые рабочие станции допустимы только при малых сетях (не более 10—20 компьютеров). В идеале значительная часть всех информационных потоков (не менее 80%) должна оставаться внутри компьютера, а к сетевым ресурсам обращения должны быть только в случае действительной необходимости. Таким образом, упоминавшееся "правило 80/20" работает и в этом случае.

При отказе от использования гибких дисков на каждом компьютере сети можно существенно повысить ее устойчивость к вирусам и несанкционированному доступу к данным. Дисковод гибкого диска вполне может быть только на одной рабочей станции сегмента или даже всей сети. Причем эта рабочая станция должна контролироваться администратором сети. Она может быть расположена в отдельной комнате вместе с концентраторами, коммутаторами, маршрутизаторами.

Для любой сети крайне критична ситуация перебоев в системе электропитания. Несмотря на то, что многие сетевые программные средства применяют специальные меры против этого, как и против других отказов аппаратуры (например, дублирование дисков), проблема очень серьезная. Иногда отключение питания может полностью и надолго вывести сеть из строя.

В идеале защищенными от отключения питания должны быть все серверы сети (желательно и рабочие станции). Проще всего этого добиться, если сервер в сети всего один.

Источник бесперебойного питания при сбое питания переходит на питание подключенного компьютера от аккумулятора и подает специальный сигнал компьютеру, который за короткое время завершает все текущие операции и сохраняет данные на диске. При выборе источника бесперебойного питания надо, прежде всего, обращать внимание на максимальную мощность, которую он обеспечивает, и на время поддержания им номинального уровня напряжения (это время составляет от нескольких минут до нескольких часов). Стоимость устройства довольно высока (до нескольких тысяч долларов). Поэтому целесообразно один источник бесперебойного питания применять для двух-трех серверов.

Наиболее устойчивы к отказам питания портативные компьютеры (ноутбуки). Встроенный аккумулятор и низкое потребление энергии обеспечивают их нормальную работу без внешнего питания в течение одного-двух часов и даже более. Если еще учесть низкий уровень излучений и высокое качество изображения мониторов этих компьютеров, то стоит всерьез рассмотреть возможность использования ноутбуков в качестве рабочих станций, а вероятно, и не слишком мощного, невыделенного сервера. Тем более что многие ноутбуки имеют встроенные сетевые адаптеры довольно неплохого качества. Особенно удобно применение ноутбуков в одноранговых сетях с множеством серверов. Применение внешних источников бесперебойного питания в подобных случаях становится чересчур дорогим удовольствием.

Кроме перечисленных проблем проектировщику сети приходится решать задачи, связанные с выбором сетевых адаптеров, репитеров, концентраторов, коммутаторов и маршрутизаторов, но об этом уже достаточно сказано в предыдущих главах.Стоит только отметить, что производительность сети и ее надежность определяются самым низкокачественным ее компонентом. При покупке дорогих концентраторов или коммутаторов, не стоит экономить, например, на сетевых адаптерах. Верно и обратное. Желательно, чтобы все компоненты оборудования максимально полно соответствовали друг другу.

Выбор размера и структуры сети

Под размером сети в данном случае понимается как количество объединяемых в сеть компьютеров, так и расстояния между ними. Надо четко представлять себе, сколько компьютеров (минимально и максимально) нуждается в подключении к сети. При этом необходимо оставлять возможность для дальнейшего роста количества компьютеров в сети, хотя бы процентов на 20–50.

Кстати, совсем не обязательно раз и навсегда включать в сеть все компьютеры предприятия. Иногда имеет смысл оставить некоторые из них автономными, например, из соображений безопасности информации на их дисках. Количество подключенных к сети компьютеров сильно влияет как на производительность, так и на сложность ее обслуживания. Оно также определяет стоимость требуемых программных средств, поэтому просчеты могут иметь довольно серьезные последствия.

Требуемая длина линий связи сети также играет не малую роль в проектировании сети. Например, если расстояния очень большие, может понадобиться использование дорогого оборудования. К тому же с увеличением расстояния резко возрастает значимость защиты линий связи от внешних электромагнитных помех. От расстояния зависит и скорость передачи информации по сети (выбор между Ethernet и Fast Ethernet). Целесообразно при выборе расстояний закладывать небольшой запас (хотя бы процентов 10) для учета непредвиденных обстоятельств. Преодолеть ограничения по длине иногда можно путем выбора структуры сети, разбиения ее на отдельные части.

Под структурой сети понимается способ разделения сети на части (сегменты), а также способ соединения этих сегментов между собой.

Сеть предприятия может включать в себя рабочие группы компьютеров, сети подразделений, опорные сети, средства связи с другими сетями. Для объединения частей сети могут использоваться репитеры, репитерные концентраторы, коммутаторы, мосты и маршрутизаторы. Причем в ряде случаев стоимость этого объединительного оборудования может даже превысить стоимость компьютеров, сетевых адаптеров и кабеля, поэтому выбор структуры сети исключительно важен.

В идеале структура сети должна соответствовать структуре здания или комплекса зданий предприятия. Рабочие места группы сотрудников, занимающихся одной задачей (например, бухгалтерия, отдел продаж, инженерная группа), должны размещаться в одной или рядом расположенных комнатах. Тогда можно компьютеры этих сотрудников объединить в один сегмент, в единую рабочую группу и установить вблизи их комнат сервер, с которым они будут работать, а также концентратор или коммутатор, связывающий все их машины. Точно так же рабочие места сотрудников подразделения, занимающихся комплексом близких задач, лучше расположить на одном этаже здания, что существенно упростит их объединение в сегмент и дальнейшее его администрирование. На этом же этаже удобно расположить коммутаторы, маршрутизаторы и серверы, с которыми работает данное подразделение.

Как и в других случаях, при выборе структуры разумно оставлять возможности для дальнейшего развития сети. Например, лучше приобретать коммутаторы или маршрутизаторы с количеством портов, несколько большим, чем требуется в настоящий момент (хотя бы на 10—20 процентов).

Это позволит при необходимости легко включить в сеть один или несколько сегментов. Ведь любое предприятие всегда стремится к росту (порой совершенно напрасно), и этот рост не должен каждый раз приводить к необходимости проектировать сеть предприятия заново.

Пусть небольшое предприятие занимает три этажа, на каждом по пять комнат, и включает в себя три подразделения, по три группы. В этом случае можно построить сеть таким образом (рис. 15.2):

Рабочие группы занимают по 1–3 комнаты, их компьютеры объединены между собой репитерными концентраторами. Концентратор может использоваться один на комнату, один на группу или один на весь этаж. Концентратор целесообразно расположить в помещении, в которое имеет доступ минимальное количество сотрудников.Подразделения занимают отдельный этаж. Все три сети рабочих групп каждого подразделения объединяются коммутатором, а для связи с сетями других подразделений используется маршрутизатор. Коммутатор вместе с одним из концентраторов лучше поместить в отдельной комнате.Общая сеть предприятия включает три сегмента сетей подразделений, объединенных маршрутизатором. Этот же маршрутизатор может использоваться для подключения к глобальной сети.Серверы рабочих групп располагаются в комнатах рабочих групп, серверы подразделений – на этажах подразделений.

Рис. 15.2. Структура сети предприятия (С – серверы рабочих групп, РК – репитерные концентраторы, Ком – коммутаторы)

В рассмотренной ситуации области коллизий (зоны конфликта) сети будут включать в себя сегменты, расположенные в комнатах каждой рабочей группы, плюс сегмент, связывающий концентратор рабочей группы с коммутатором подразделения.

Всего таких областей коллизий будет девять. Именно для них необходимо проводить расчеты работоспособности сети в соответствии с предыдущей главой.

Широковещательные области будут включать в себя все сегменты сети каждого подразделения плюс сегмент, связывающий коммутатор подразделения с маршрутизатором предприятия. Таких широковещательных областей будет всего три.

Если предполагаемая интенсивность обмена по проектируемой сети не достаточно велика, компьютеров не слишком много, и размеры здания позволяют, то вполне возможно обойтись без маршрутизаторов, довольно сложных и сравнительно дорогих устройств.

Тогда сети подразделений будут связаны концентраторами, а между собой они будут соединяться коммутаторами (рис. 15.3).

Рис. 15.3. Структура сети предприятия (С – серверы рабочих групп, РК – репитерные концентраторы, РКП – концентраторы подразделений)

Области коллизий в данном случае будут включать в себя все сегменты сети каждого подразделения плюс сегмент, соединяющий концентратор подразделения и коммутатор предприятия. Таких областей коллизий всего три. Для них надо проводить расчет работоспособности сети, как описано в предыдущей главе. В единственную широковещательную область войдет вся сеть предприятия.

В ситуации, когда компьютеров на предприятии немного (до 50), имеет смысл отказаться не только от маршрутизаторов, но и от коммутаторов, оставив только репитерные концентраторы. Более того, при такой малой сети и низкой интенсивности обмена вполне может оказаться подходящей сеть Ethernet на тонком коаксиальном кабеле (сегменты 10BASE2) без концентраторов или с 1–2 простейшими репитерами.

Правда, в последнем случае придется компьютеры каждого сегмента разместить на одном этаже из-за ограничений на длину кабеля сегмента 10BASE2. Следует учитывать, что во вновь создаваемых сетях использование коаксиального кабеля не рекомендуется.

Конечно, такая идиллическая картина, как рассмотренная выше, наблюдается далеко не всегда. В реальности все бывает гораздо сложнее. Например, структура подразделений может вообще не соответствовать структуре комнат и этажей. Предприятие может занимать два разнесенных друг от друга помещения в одном здании или даже три—четыре удаленных здания. Тогда может понадобиться применение оптоволоконных сегментов (в том числе и полнодуплексных, которые обеспечивают максимальную длину кабеля). А структура сети при этом обычно чрезвычайно сложна, с множеством областей коллизий и широковещательных областей.

Выбор сетевых программных средств

К сожалению, в процессе проектирования сети совершенно невозможно выделить те проблемы, которые должны быть решены в начале, и те, которые можно отложить на самый конец. Выбор программных средств не стоит считать чем-то второстепенным, совершенно не влияющим ни на размер и структуру сети, ни на характеристики требуемого оборудования. Поэтому принимать решение о том, какие программные средства надо использовать или хотя бы к какому классу они должны принадлежать, необходимо в самом начале проектирования.

При выборе сетевого программного обеспечения (ПО) надо, в первую очередь, учитывать следующие факторы:

Какую сеть поддерживает сетевое ПО: одноранговую, сеть на основе сервера или оба этих типа;Максимальное количество пользователей (лучше брать с запасом не менее 20%);Количество серверов и возможные их типы ;Совместимость с разными операционными системами и компьютерами, а также с другими сетевыми средствами;Уровень производительности программных средств в различных режимах работы;Степень надежности работы, разрешенные режимы доступа и степень защиты данных;Какие сетевые службы поддерживаются;И, возможно, главное – стоимость программного обеспечения, его эксплуатации и модернизации.

Всегда есть соблазн использовать самый совершенный продукт, ведь он популярен и, следовательно, оптимален. Тем не менее, лучше устоять, так как с ним, возможно, сложнее обращаться, да и цена у него выше. Вполне вероятно, что для задач предприятия может подойти простая одноранговая сеть, не требующая специального администрирования и покупки дорогого сервера.

Наконец, еще до установки сети необходимо решить вопрос об управлении сетью. Даже в случае одноранговой сети лучше выделить для этого отдельного специалиста (администратора), который будет иметь всю информацию о конфигурации сети и распределении ресурсов и следить за корректным использованием сети всеми пользователями. Если сеть большая, то одним сетевым администратором уже не обойтись, нужна группа, возглавляемая системным администратором. После установки и запуска сети решать эти вопросы, как правило, слишком поздно.

Только после всего перечисленного можно переходить к установке выбранного программного обеспечения, если, конечно, таковая требуется. Следует заметить, что в большинстве случаев непосредственно установкой программных средств занимаются работники специализированных компьютерных фирм. Но принимать решение, о том, что нужно конкретному предприятию, должны все-таки те, кто будет с этой сетью работать в дальнейшем.

Затем необходимо провести конфигурирование сети, то есть задать ее логическую конфигурацию, настроить на работу в конкретных условиях. В обязанности системного администратора сети, который осуществляет контроль и управление входит:

Создание групп пользователей различного назначения;Определение прав доступа пользователей;Обучение новых пользователей и оперативная помощь в случае необходимости;Контроль дискового пространства всех серверов сети;Защита и резервное копирование данных, борьба с компьютерными вирусами;Модернизация программного обеспечения и сетевой аппаратуры;Настройка сети для получения максимальной производительности.

Системный администратор, как правило, получает максимальные права по доступу ко всем сетевым ресурсам и служебным программам. Все остальные пользователи в идеале не должны замечать сети: просто у них появляются новые диски, расположенные на файл-серверах, новые принтеры, сканеры, модемы, программы, специально ориентированные на сеть, например, электронная почта.

Создаваемые группы пользователей должны по возможности совпадать с реальными группами сотрудников предприятия, занимающимися одной или близкими проблемами. Каждой группе системный администратор может установить свои права доступа к сетевым ресурсам. Гораздо удобнее создать группу с установленными правами, а затем включить в нее нужных пользователей, чем определять права каждому пользователю в отдельности. В этом случае при необходимости изменения прав пользователя достаточно перевести его в другую группу. Желательно, чтобы каждой группой управлял свой сетевой администратор (если, конечно, группы достаточно большие). Для примера, сетевая ОС Windows Server 2000 позволяет создавать четыре типа групп:

Локальные группы регистрируются на локальном компьютере;Глобальные группы регистрируются на главном контроллере домена;Специальные группы (обычно используются для внутрисистемных нужд);Встроенные группы делятся на три категории: администраторы, операторы и другие пользователи.

Свои права доступа можно установить и каждому пользователю в отдельности. В идеале пользователь должен иметь столько прав доступа, сколько ему действительно нужно.

Если прав меньше, чем нужно, это мешает работе пользователя, требует постоянного вмешательства сетевого администратора. Если же прав больше, чем необходимо, то пользователь может вольно или невольно уничтожить или исказить ценную информацию.

Каждая сетевая операционная система или оболочка имеет свой набор разрешенных прав доступа к каталогам и файлам. Это характеризует ее гибкость, надежность, возможность развития сети.

Время от времени рекомендуется делать копии всех дисков сервера. Это позволит в случае аварии восстановить недавнее состояние сети, потеряв не слишком много данных. При этом системный администратор должен сохранить на диске рабочей станции информацию о пользователях и их правах доступа, чтобы при восстановлении сети не пришлось все это задавать заново. Целесообразно иметь две копии дисков серверов, одна из которых обновляется довольно редко (например, раз в месяц), а другая – чаще (раз в неделю).

Для контроля работы сети системный администратор пользуется специальными программными средствами. Современные сетевые ОС, как правило, имеют программы-утилиты которые позволяют наблюдать в реальном времени за деятельностью процессоров, работой дисков, использованием памяти, а также сети. Анализируя параметры реального обмена в сети, администратор может установить такие режимы, которые обеспечивают наибольшую эффективность обмена. Выявив тенденции развития сети, он может вовремя принять решение о необходимости модернизации программных или аппаратных средств.

Конечно, всегда надо учитывать, что производительность любой сети зависит не только от установленной аппаратуры и программных продуктов, но и от характера решаемых задач.

Одна и та же сеть может прекрасно справляться, например, с задачами доступа к базе данных, но очень плохо работать с передачей динамических трехмерных полноцветных изображений. Так что при проектировании сети с самого начала желательно знать, какого характера информационные потоки предполагается обслуживать с ее помощью.

В последнее время наблюдается устойчивая тенденция к сокращению количества фирм, производящих сетевые программные средства. Причем даже остающиеся на этом рынке поставщики стараются минимизировать количество своих продуктов. В результате выбор у пользователя не так уж и велик. Выбирать приходится между Novell и Microsoft, причем количество основных, базовых продуктов у обеих компаний невелико (2—3). Все другие фирмы либо вообще прекратили производство новых сетевых продуктов, либо их доля в рынке несравнимо меньше, чем у этих двух гигантов.

Выбирая между продуктами компаний Microsoft и Novell, необходимо иметь в виду, что традиционно преимуществами продуктов Novell (сетевые ОС NetWare) считаются:

Более совершенная архитектура сетевой ОС;Универсальность и функциональная полнота программных средств;Большее быстродействие при данном типе аппаратуры;Упрощенное администрирование сети;Значительно более высокая защищенность от вирусов и несанкционированного доступа;Поддержка различных типов пользователей на разных компьютерных платформах.

Главным преимуществом продуктов Microsoft считается лучшая совместимость с пользователями на базе ОС Microsoft Windows.

Цены на новейшие продукты компаний Microsoft и Novell примерно одинаковы.Впрочем, стоимость эксплуатации OC NetWare оказывается обычно заметно ниже, чем стоимость эксплуатации Windows Server.

Для небольшой сети самым простым и дешевым решением обычно оказывается операционная система Microsoft Windows XP, устанавливаемая сейчас производителями на большинство новых компьютеров и поддерживающая одноранговую сеть.

Впрочем, учесть все факторы в любом случае невозможно, можно только приближаться к оптимальному соответствию возможностей и потребностей.

Впрочем, стоимость эксплуатации OC NetWare оказывается обычно заметно ниже, чем стоимость эксплуатации Windows Server.

Для небольшой сети самым простым и дешевым решением обычно оказывается операционная система Microsoft Windows XP, устанавливаемая сейчас производителями на большинство новых компьютеров и поддерживающая одноранговую сеть.

Впрочем, учесть все факторы в любом случае невозможно, можно только приближаться к оптимальному соответствию возможностей и потребностей.

1)

Существует более детальная градация витых пар в зависимости от наличия внешнего и внутренних (окружающих каждую витую пару внутри общей оболочки) экранов: F/UTP, S/UTP, S/FTP, S/STP.

2)

Существует более детальная градация витых пар в зависимости от наличия внешнего и внутренних (окружающих каждую витую пару внутри общей оболочки) экранов: F/UTP, S/UTP, S/FTP, S/STP.

Оптимизация и поиск неисправностей в работающей сети

Во вновь организованной локальной сети могут наблюдаться проблемы со стабильностью и скоростью работы, которая оказывается ниже потенциально возможной скорости для сети данного типа. Эти проблемы могут возникнуть также в будущем при подключении нового оборудования, установке нового ПО или при подключении данной сети к другой. Испытывающие дискомфорт из-за замедления часто выполняемых операций пересылки файлов или при сетевой печати, конечные пользователи обращаются к сетевому администратору. Возможными причинами возникновения указанных проблем являются:

недостатки используемого ПО и аппаратного обеспечения;неправильная настройка сетевых ОС;неисправности в кабельной системе;неисправности на уровне сетевых протоколов из-за несовместимости или неисправности сетевых устройств или их неверной настройки;неправильная организация локальной сети, например, недостаточное сегментирование в сетях типа Ethernet, приводящее к возникновению дополнительных коллизий пакетов.

Значительная часть этих проблем связана с ошибками, допущенными на предыдущих этапах проектирования сети. Поскольку разрешение данных проблем находится в компетенции сетевого администратора (или специально приглашенного специалиста), то снова не имеет смысла рассматривать в деталях все возможные средства и методы. Конечным пользователям локальных сетей вполне достаточно общего представления о них. Самые общие соображения состоят в том, что для локализации неисправностей целесообразно вносить изменения одно за другим, использовать количественные показатели производительности сети, специальную аппаратуру и ПО.

Недостатки используемого ПО проще устранить его заменой (переходом к более апробированной, может быть, предыдущей версии), чем в случае более дорогостоящего аппаратного обеспечения, которое может образовывать так называемый эффект "бутылочного горлышка" (bottleneck). Это означает, что один из компьютеров в сети (в том числе сервер) или какое-либо сетевое устройство по своим характеристикам уступает другим компьютерам или устройствам и "тормозит" работу сети в целом. В этом случае необходима модернизация (upgrade) или замена устройства.

Актуальность оптимизации параметров сетевых ОС связана с тем, что начальные настройки (настройки по умолчанию) этих параметров могут не соответствовать конфигурации и интенсивности передаваемых по сети данных (трафику). Если в простых одноранговых сетевых ОС предыдущего поколения (Windows 95/98, некоторые версии NetWare и др.) можно было изменять параметры текстовых файлов конфигурирования, то в более современных сетевых ОС для сетей с выделенным сервером (Windows NT, UNIX и др.) часть функций по оптимизации берет на себя сетевая ОС. Например, в сетевой ОС Windows NT Server предусмотрено автоматическое перераспределение ресурсов (процессора, памяти на жестком диске и в ОЗУ) с помощью специального программного средства измерения производительности (Performance Monitor). Для изменения сетевых параметров в сетевых ОС Windows предусмотрены такие программы как "Сеть" и "Удаленный доступ к сети" в группе программ "Настройка" меню "Пуск", а также, на более низком уровне, изменение параметров конфигурирования в режиме сетевого администратора (хотя это и не приветствуется в связи с возможностью зависания).

Простейшим доступным средством проверки целостности соединений в сети является использование команды ping, которая работает в ОС UNIX, OS/2 и различных версиях Windows. Команда ping проверяет состояние соединения с другим компьютером или компьютерами, посылая эхо-пакеты и анализируя полученные ответы. Для работы этой команды требуется поддержка сети Интернет, то есть протоколов TCP/IP. В рамках локальной сети использование команды ping (с IP – адресом удаленного компьютера в качестве параметра) позволяет, кроме проверки наличия соединения, установить время отклика и выявить узкие места в сети.

Для поиска неисправностей в кабельной системе применяются также стандартные и специальные приборы – от простейших тестеров для определения обрывов и коротких замыканий в медных кабелях до сетевых анализаторов, предназначенных для эталонного тестирования кабелей различных категорий. Промежуточное положение по сложности занимают кабельные сканеры, позволяющие по анализу отраженных от неоднородностей сигналов определять место и тип неисправности, а также портативные устройства для сертификации кабельных систем. Аналогичные приборы разработаны для поиска неисправностей в кабельных системах на основе оптоволокна.

Если предыдущие проверки не позволили выявить неисправности, то приходится предположить существование проблем на уровне сетевых протоколов. Анализ сетевых протоколов требует высокой квалификации от специалиста, который этим занимается, а также применения специфического оборудования – анализаторов протоколов. Анализатор протоколов в общем случае представляет собой аппаратно-программный комплекс, физически подключаемый к сети и перехватывающий данные с целью декодирования и анализа некоторых из них. Возможны различные варианты реализации анализаторов протоколов :

ПК, возможно, портативный, включающий сетевую карту для соответствующей сети (Ethernet, Token Ring или др.), с установленным специализированным ПО.Комплект из сетевой карты и специализированного ПО.Специализированное ПО к стандартным сетевым картам.Самостоятельные устройства со специализированным ПО.

В зависимости от варианта реализации различаются и возможности соответствующего анализатора протоколов. Общий подход к использованию анализаторов протоколов состоит в измерении некоторых количественных и качественных показателей работы сети, анализе вероятных ошибок и выработке рекомендаций по изменению параметров конфигурирования и модификации рабочих станций и файл-сервера, а также настройке приложений. Примерами такого рода рекомендаций является установка новых версий драйверов сетевых адаптеров, исключение несовместимых форматов пакетов и регулировка длины пакетов. В целом анализатор протоколов можно сравнить с удобным диагностическим инструментом, который позволяет не только осуществлять поиск и идентификацию возможных неисправностей, но также может быть использован в профилактических целях – для анализа изменений характеристик сети при установке нового ПО или аппаратуры. Для локальных сетей разных типов (Ethernet, Token Ring и др.) разработаны пошаговые процедуры поиска и устранения неисправностей с использованием анализаторов протоколов.

Разумно также придерживаться определенной стратегии поиска, проверяя сначала существование наиболее вероятных и сравнительно легко устраняемых неисправностей (в указанном выше порядке их перечисления).

Недостатки используемого ПО проще устранить его заменой (переходом к более апробированной, может быть, предыдущей версии), чем в случае более дорогостоящего аппаратного обеспечения, которое может образовывать так называемый эффект "бутылочного горлышка" (bottleneck). Это означает, что один из компьютеров в сети (в том числе сервер) или какое-либо сетевое устройство по своим характеристикам уступает другим компьютерам или устройствам и "тормозит" работу сети в целом. В этом случае необходима модернизация (upgrade) или замена устройства.

Актуальность оптимизации параметров сетевых ОС связана с тем, что начальные настройки (настройки по умолчанию) этих параметров могут не соответствовать конфигурации и интенсивности передаваемых по сети данных (трафику). Если в простых одноранговых сетевых ОС предыдущего поколения (Windows 95/98, некоторые версии NetWare и др.) можно было изменять параметры текстовых файлов конфигурирования, то в более современных сетевых ОС для сетей с выделенным сервером (Windows NT, UNIX и др.) часть функций по оптимизации берет на себя сетевая ОС. Например, в сетевой ОС Windows NT Server предусмотрено автоматическое перераспределение ресурсов (процессора, памяти на жестком диске и в ОЗУ) с помощью специального программного средства измерения производительности (Performance Monitor).

Для изменения сетевых параметров в сетевых ОС Windows предусмотрены такие программы как "Сеть" и "Удаленный доступ к сети" в группе программ "Настройка" меню "Пуск", а также, на более низком уровне, изменение параметров конфигурирования в режиме сетевого администратора (хотя это и не приветствуется в связи с возможностью зависания).

Простейшим доступным средством проверки целостности соединений в сети является использование команды ping, которая работает в ОС UNIX, OS/2 и различных версиях Windows. Команда ping проверяет состояние соединения с другим компьютером или компьютерами, посылая эхо-пакеты и анализируя полученные ответы. Для работы этой команды требуется поддержка сети Интернет, то есть протоколов TCP/IP. В рамках локальной сети использование команды ping (с IP – адресом удаленного компьютера в качестве параметра) позволяет, кроме проверки наличия соединения, установить время отклика и выявить узкие места в сети.

Для поиска неисправностей в кабельной системе применяются также стандартные и специальные приборы – от простейших тестеров для определения обрывов и коротких замыканий в медных кабелях до сетевых анализаторов, предназначенных для эталонного тестирования кабелей различных категорий. Промежуточное положение по сложности занимают кабельные сканеры, позволяющие по анализу отраженных от неоднородностей сигналов определять место и тип неисправности, а также портативные устройства для сертификации кабельных систем. Аналогичные приборы разработаны для поиска неисправностей в кабельных системах на основе оптоволокна.

Если предыдущие проверки не позволили выявить неисправности, то приходится предположить существование проблем на уровне сетевых протоколов. Анализ сетевых протоколов требует высокой квалификации от специалиста, который этим занимается, а также применения специфического оборудования – анализаторов протоколов. Анализатор протоколов в общем случае представляет собой аппаратно-программный комплекс, физически подключаемый к сети и перехватывающий данные с целью декодирования и анализа некоторых из них. Возможны различные варианты реализации анализаторов протоколов :

ПК, возможно, портативный, включающий сетевую карту для соответствующей сети (Ethernet, Token Ring или др.), с установленным специализированным ПО.Комплект из сетевой карты и специализированного ПО.Специализированное ПО к стандартным сетевым картам.Самостоятельные устройства со специализированным ПО.

В зависимости от варианта реализации различаются и возможности соответствующего анализатора протоколов. Общий подход к использованию анализаторов протоколов состоит в измерении некоторых количественных и качественных показателей работы сети, анализе вероятных ошибок и выработке рекомендаций по изменению параметров конфигурирования и модификации рабочих станций и файл-сервера, а также настройке приложений. Примерами такого рода рекомендаций является установка новых версий драйверов сетевых адаптеров, исключение несовместимых форматов пакетов и регулировка длины пакетов. В целом анализатор протоколов можно сравнить с удобным диагностическим инструментом, который позволяет не только осуществлять поиск и идентификацию возможных неисправностей, но также может быть использован в профилактических целях – для анализа изменений характеристик сети при установке нового ПО или аппаратуры.Для локальных сетей разных типов (Ethernet, Token Ring и др.) разработаны пошаговые процедуры поиска и устранения неисправностей с использованием анализаторов протоколов.

Проектирование кабельной системы

Считается, что к данному этапу проектирования тип кабеля определен (сравнение различных вариантов приведено в разделах "Выбор оборудования" Лекция 15 и "Выбор с учетом стоимости" данной лекции). Более того, предполагается, что тип локальной сети (Ethernet, Fast Ethernet, FDDI или др.) также выбран. В этом разделе рассматриваются рекомендации по организации кабельной системы для сетей на основе проводных соединений (витых пар и оптоволокна). При этом учитывается преобладание в настоящее время на практике сетей данного типа и их заметное отличие от сетей на основе беспроводных соединений с точки зрения особенностей организации кабельной системы. При выборе кабеля в первую очередь надо учитывать требуемую длину, а также защищенность от внешних помех и уровень собственных излучений. При большой длине сети и необходимости обеспечить секретность предаваемых данных или высоком уровне помех в помещении незаменим оптоволоконный кабель. Следует отметить, что применение оптоволоконных вместо электрических кабелей даже при достаточно комфортных условиях позволяет существенно (на 10-50 процентов) поднять производительность сети за счет снижения доли искаженных информационных пакетов.

При проектировании кабельных систем для локальных сетей накоплен большой опыт, на основе которого могут быть сформулированы общие рекомендации по организации таких систем. Более того, существуют стандарты под общим названием "структурированные кабельные системы (СКС)", которые особенно актуальны для вновь создаваемых или реконструируемых относительно больших локальных сетей на уровне предприятия.

Для сравнительно небольших локальных сетей создание сертифицированной СКС, которое предполагает работу приглашенных специалистов, резонно рассматривается как излишняя роскошь. Ниже перечислены общие рекомендации по созданию кабельных систем, являющиеся фактически "подмножеством" не детализированных требований стандартов СКС.

Составить план размещения компьютеров и других сетевых устройств в помещении (или помещениях). Этот план следует рассматривать как детализацию принятого ранее решения относительно размера и структуры сети (см. раздел "Выбор размера и структуры сети" Лекция 15).

Провести анализ возможности перемещения всех или большей части компьютеров в одно или несколько соседних помещений. Это существенно упростит организацию кабельной системы и исключит необходимость использования излишних активных сетевых устройств. Следует также принять во внимание расширение сети в будущем, для чего предусмотреть наличие точек подключения к сети даже в тех помещениях, где сетевые компьютеры пока отсутствуют. План размещения не должен быть абстрактным, не учитывающим хотя бы в эскизном варианте ограничения, накладываемые конкретным типом выбранной локальной сети. Так, например, нельзя рассчитывать в сети типа 100BASE-T4 или 100BASE-TX (Fast Ethernet на витой паре) на расстояние от абонента (сетевого компьютера или другого сетевого устройства) до концентратора, превышающее 100 м.

Оценить соответствие длины кабельной системы и ее отдельных частей (сегментов, соединений между данным абонентом и концентратором и т.д.) требованиям выбранной разновидности локальной сети.

Для сетей семейства Ethernet необходимо учитывать ограничения на длины сегментов на разных типах кабелей и задержки сигналов в кабельной системе в соответствии с правилами модели 1 или 2 (см. Гл. 10). Для сетей другого типа (Token Ring, FDDI и т.д.) действуют абсолютные ограничения на длины отдельных участков кабельной системы (см. Гл. 5). В случае если рассчитанная таким образом длина кабельной системы в целом или на отдельных участках превышает предельно допустимую или близка к ней, следует выбрать одно или несколько из следующих решений (в порядке предпочтения по простоте, стоимости и эффективности реализации):

перейти к более качественному типу кабеля во всей сети или только на критичных участках (переход от неэкранированной витой пары к экранированной или оптоволокну);использовать дополнительные репитеры или репитерные концентраторы, позволяющие восстановить амплитуду и форму сигналов, тем самым повысить длину кабельной системы;применять модемы для связи данной локальной сети из относительно близко расположенных абонентов с одним или несколькими удаленными абонентами, если снижение скорости передачи на данном участке (или участках) допустимо;перейти к другому типу сети, имеющему меньшие ограничения на длину кабельной системы (то есть от сетей на витой паре к сетям на оптоволокне).

Таким образом, выбор конфигурации кабельной системы на данном и предыдущем этапах – итерационный процесс, который может затронуть и более ранние этапы проектирования (вплоть до выбора типов локальной сети и кабеля), если выбор на этих этапах был некорректным.

Кабельная система должна быть устойчива к внешним электромагнитным помехам и, по возможности, не генерировать заметные собственные излучения. В противном случае снижается фактическая скорость работы сети (из-за необходимости повторной передачи искаженных помехами пакетов), а также нарушаются требования защиты информации (см. Гл. 6).

Большой уровень помех может быть вызван наличием в помещении предприятия мощного электрического оборудования (например, металлообрабатывающих станков, физических установок). Он может быть также связан с близким расположением (до 100-200 метров) высоковольтных линий электропередачи и мощных радиопередатчиков (радиостанций, ретрансляционных антенн сотовой телефонии). Иногда высокий уровень помех вызван всего лишь неправильным размещением кабеля сети. Например, при прокладке кабеля вдоль силовых проводов 220 вольт или вдоль рядов светильников с лампами дневного света количество ошибок передачи резко возрастает (кстати, последнее решение кажется многим очень удобным, так как кабель никому не мешает).

Кабельная система должна быть защищена от механических повреждений.

Для прокладки кабелей сети лучше всего использовать специальные подвесные кабельные короба, настенные кабелепроводы или фальшполы. В этом случае кабели надежно защищены от механических воздействий. Самое дорогое решение – это фальшпол, представляющий собой металлические панели, установленные на подставках, и покрывающие весь пол помещения. Зато фальшпол позволяет легко и безопасно проложить огромное количество проводов, что особенно ценно в научных лабораториях, где помимо кабелей локальной сети существует множество других проводов.

Для прокладки кабеля между комнатами или этажами обычно пробиваются отверстия в стенах или перекрытиях. По сравнению с прокладкой кабеля через двери комнат и стены коридоров это позволяет существенно сократить общую длину кабелей. Однако надо учитывать, что такое решение усложняет любые дальнейшие изменения в кабельной системе (замену кабелей, прокладку дополнительных кабелей, изменение расположения компьютеров сети и т.д.).

Кабели ни в коем случае не должны самостоятельно удерживать свой вес, так как со временем это может вызвать их обрыв. Их следует подвешивать на стальных тросах, причем для эксплуатации на открытом воздухе необходимы специально предназначенные для этого кабели с оболочкой, устойчивой к атмосферным воздействиям. По возможности надо использовать для соединения далеко разнесенных зданий подземные коллекторы. Но при этом необходимо предпринимать меры по защите кабелей от воздействия влаги.

Следует также избегать чрезмерно малых радиусов изгиба кабелей (особенно это важно в случае коаксиальных и оптоволоконных кабелей), чтобы не вызвать разрушения изоляции или обрыва центральной жилы. По этой же причине крепежные элементы не должны чересчур пережимать кабель. Известны случаи, когда подобные нарушения вызывали полное прекращение связи через недели, или даже месяцы после начала эксплуатации сети.

Часть из перечисленных в данном пункте мер способствует также защите от помех и защите информации (из-за ограничения непосредственного доступа к кабельной системе).

Кабельная система должна иметь "прозрачную" и документированно оформленную структуру. Это необходимо как для обеспечения возможности внесения изменений в эту структуру, так и для поиска неисправностей.

Для объединения концов кабелей часто используются специальные распределительные шкафы, доступ к которым должен быть ограничен. Конечно, их применение оправдано только в том случае, если кабелей много (несколько десятков). Располагать распределительные шкафы целесообразно рядом с концентраторами, коммутаторами или маршрутизаторами. Отдельные кабели в жгутах, располагающихся в коробах, под вторым полом и т.д., должны быть одинаковым образом промаркированы с помощью специальных цветных наклеек.

Необходимо проверить целостность кабельной системы.

В сети на коаксиальном кабеле для этого можно было использовать непосредственные измерения омметром сопротивления при наличии и отсутствии согласующих нагрузок. В более современных сетях на витой паре и оптоволокне о целостности кабельной системы можно судить по показаниям индикаторов, расположенных на сетевых картах вблизи сетевых разъемов. Возможно также использование для этой цели специальных приборов – кабельных сканеров (см. раздел "Оптимизация и поиск неисправностей в работающей сети").

Как и в случае сетевого администрирования, целесообразно рассмотреть лишь общие принципы создания СКС. Конечно, отдельные рекомендации стандартов СКС могут быть с успехом использованы при создании кабельной системы собственными силами (но без возможности официальной сертификации такой системы).

Структурированная кабельная система (СКС) представляет собой иерархическую кабельную систему здания или группы зданий, разделенную на структурные подсистемы. СКС состоит из набора медных и оптических кабелей, кросс-панелей, соединительных шнуров, кабельных разъемов, модульных гнезд, информационных розеток и вспомогательного оборудования. Все перечисленные элементы интегрируются в единую систему и эксплуатируются согласно определенным правилам.

Основные преимущества (или принципы) СКС:

Универсальность: передача данных в ЛВС, видеоинформации или сигналов от датчиков пожарной безопасности либо охранных систем по единой кабельной системе, организация локальной телефонной сети.Гибкость: простота изменения конфигурации кабельной системы и управления перемещениями внутри и между зданиями.Устойчивость: тщательно спланированная СКС устойчива к внештатным ситуациям и гарантирует высокую надежность и защиту данных в течение многих лет. Так большинство ведущих производителей дают гарантию на поставляемые ими СКС (при выполнении требуемых процедур сертификации) до 25 лет.

Основным препятствием широкого внедрения СКС является, как уже отмечалось, их высокая стоимость, что делает приемлемым это решение для относительно масштабных локальных сетей уровня предприятия.

Действительно, стандарты на СКС предусматривают проведение, наряду с прочими, комплекса дорогостоящих строительных работ.

Основными стандартами на СКС являются:

Международный стандарт ISO/IEC 11801 Generic Cabling for Customer Premises.Европейский стандарт EN 50173 Information technology– Generic cabling systems.Американский стандарт ANSI/TIA/EIA 568-В Commercial Building Telecommunication Cabling Standard.

Стандарты на СКС периодически (примерно раз в пять лет) пересматриваются в связи с развитием аппаратных средств локальных сетей (включая совершенствование медных и оптоволоконных кабелей). В настоящее время (3-й квартал 2004 г.) действуют версии стандартов ISO/IEC 11801 и ANSI/TIA/EIA 568-В, обновленные летом 2002 г.

Согласно стандартам, СКС включает следующие три подсистемы:

магистральная подсистема комплекса;магистральная подсистема здания;горизонтальная подсистема.

Распределительные пункты (РП) обеспечивают возможность создания топологии каналов типа "шина", "звезда" или "кольцо" (см.рис. 16.2).

Рис. 16.2. Подсистемы СКС

Магистральная подсистема комплекса включает магистральные кабели комплекса, механическое окончание кабелей (разъемы) в РП комплекса и РП здания и коммутационные соединения в РП комплекса. Магистральные кабели комплекса также могут соединять между собой распределительные пункты зданий.

Магистральная подсистема здания включает магистральные кабели здания, механическое окончание кабелей (разъемы) в РП здания и РП этажа, а также коммутационные соединения в РП здания.

Магистральные кабели здания не должны иметь точек перехода, электропроводные кабели не следует соединять сплайсами (тип непосредственного соединения кабелей без разъемов).

Горизонтальная подсистема включает горизонтальные кабели, механическое окончание кабелей (разъемы) в РП этажа, коммутационные соединения в РП этажа и телекоммуникационные разъемы. В горизонтальных кабелях не допускается разрывов. При необходимости возможна одна точка перехода. Точка перехода – это место горизонтальной подсистемы, в котором выполняется соединение двух кабелей разных типов (например, круглого кабеля с плоским) или разветвление многопарного кабеля на несколько четырехпарных. Все пары и волокна телекоммуникационного разъема должны быть подключены. Телекоммуникационные разъемы не являются точками администрирования. Не допускается включения активных элементов и адаптеров в состав СКС.

Абонентские кабели для подключения терминального оборудования не являются стационарными и находятся за рамками СКС. Однако стандарты определяют параметры канала, в состав которого входят абонентские и сетевые кабели.

В целом соединения в СКС образуют систему интерфейсов СКС. Интерфейсы СКС – это гнездовые разъемы каждой из подсистем, обеспечивающие постоянное или коммутируемое подключение оборудования и кабелей внешних служб. На рис. 16.3 показаны интерфейсы в виде линий в пределах распределительных пунктов, схематически обозначающих блоки гнезд на панелях.

Рис. 16.3. Система интерфейсов СКС

Для подключения к СКС достаточно одного сетевого кабеля.

В варианте коммутации используют сетевой и коммутационный кабель и дополнительную панель.

Стандарты на СКС по содержанию можно разделить на три группы – стандарты проектирования, монтажа и администрирования. Пожалуй, наиболее полезная в практическом плане группа стандартов монтажа включает рекомендуемые типы и длины отдельных сегментов кабелей в различных подсистемах. В настоящее время во вновь создаваемых кабельных системах рекомендуется использовать только витую пару (симметричный кабель в соответствии с терминологией стандартов) и оптоволоконный кабель, причем, чем выше уровень подсистемы, тем предпочтительнее использование оптоволокна.

Стандарт определяет пять классов приложений. Этим гарантируется гибкость в выборе различных систем передачи информации. Классы приложений:

Класс A – речевые и низкочастотные приложения. Рабочие характеристики кабельных линий, поддерживающих приложения Класса A, определены до 100 КГц.Класс B – приложения цифровой передачи данных со средней скоростью. Рабочие характеристики кабельных линий, поддерживающих приложения Класса B, определены до 1 МГц.Класс C – приложения высокоскоростной цифровой передачи данных. Рабочие характеристики кабельных линий, поддерживающих приложения Класса C, определены до 16 МГц.Класс D – приложения сверхвысокой скорости передачи данных. Рабочие характеристики кабельных линий, поддерживающих приложения Класса D, определены до 100 МГц.Класс оптики – приложения с высокой и сверхвысокой скоростью цифровой передачи.

Рабочие характеристики волоконно- оптических кабельных линий определены для частот 10 МГц и выше. Ширина полосы обычно не является ограничивающим фактором в системах на территории конечных пользователей.

Связь между классами линий и категорией кабелей, показана в таблице 16.1.

Таблица 16.1. Связь между классами линий и категорией кабелейТип трассыКласс приложенийКласс AКласс BКласс CКласс DКласс оптики

Категория 3	2000 м	200 м	100 м	-	-
Категория 4	3000 м	260 м	150 м	-	-
Категория 5	3000 м	260 м	160 м	100 м	-
Сбалансированный кабель с волновым сопротивлением 150 Ом	3000 м	400 м	250 м	150 м	-
Многомодовое волокно	-	-	-	-	2000 м
Одномодовое волокно	-	-	-	-	3000 м

Наиболее серьезной проблемой при создании СКС для работы высокоскоростных приложений (категория 3 и выше) является качество монтажа. По данным BICSI (Building Industry Consulting Service International) – международной ассоциации профессионалов телекоммуникационной промышленности, 80% всех структурированных кабельных систем США, построенных на компонентах категории 5, не могут быть квалифицированы как системы категории 5 вследствие нарушения правил монтажа.

Существуют специальные требования и рекомендации по монтажу СКС, выполнение которых гарантирует сохранение исходных рабочих характеристик отдельных компонентов, собранных в линии, каналы и системы. Стандарты ISO/IEC 11801 и ANSI/TIA/EIA-568A устанавливают в качестве требований несколько основных правил монтажа, предусматривающих методы и аккуратность выполнения соединения компонентов и организации кабельных потоков, которые в значительной степени повышают производительность системы и облегчают администрирование установленных кабельных систем.

Уменьшению искажения передаваемого сигнала способствуют специальные методы подготовки кабеля и его терминирования (нагружения на согласующее сопротивление) в соответствии с инструкциями производителя, а также хорошая организация кабельных потоков, расположение и монтаж телекоммуникационного оборудования, обслуживающего кабельную систему.

Эти правила особенно касаются высокопроизводительных кабелей, как медных, так и волоконно-оптических. Медные кабели чувствительны к внешним аномалиям. Например, развитие пары медных проводников на величину, превышающую максимально допустимую стандартами, негативно влияет на характеристики перекрестных помех пары или пар. Нарушение требований к минимальному радиусу изгиба кабеля также влияет на его рабочие характеристики.

С увеличением частоты передачи возрастает риск того, что неправильно смонтированный кабель окажет влияние на производительность системы. Если полоса частот меньше 16 МГц, а скорость передачи равна или ниже 10 Мбит/с (например, 10BASE-T Ethernet), можно и не заметить, что технология монтажа была нарушена. Однако этот же кабель, работающий при ширине полосы сети более 50 МГц и скорости передачи 100 Мбит/с или выше, может функционировать неправильно.

Для оценки передающих рабочих характеристик компонентов СКС используются следующие параметры: затухание, NEXT (NearEndXtalk – переходные помехи на ближнем конце), обратные потери и сопротивление постоянному току. Все они чувствительны к нарушениям непрерывности волновой среды в точках терминирования и в местах возникновения дефектов, но на NEXT особенно влияет развитие пары проводников и другие воздействия, приводящие к нарушению баланса пары и отклонениям импеданса.

Кроме искажения сигнала, неправильное терминирование может привести к возникновению эффекта рамочной антенны, который проявляется в излучении сигнала с уровнями, превышающими нормативные требования к излучению.

В таблице 16.2 приведено несколько примеров того, как качество монтажа может влиять на самый "тонкий" и "чувствительный" параметр – NEXT.

Общий закон, устанавливаемый стандартами, гласит: смонтированная кабельная система UTP классифицируется в соответствии с наихудшими рабочими характеристиками компонента линии.

Таблица 16.2. Влияние качества монтажа на параметр NEXTТип воздействияУхудшение NEXT

Полный канал, правильно установленный	Эталон для сравнения
Кабель, изогнутый 1000 раз в пределах допустимого радиуса	Без измененй
Замена патч-корда длиной 0,6 м категории 5 на патч-корд такой же длины категории 3	8,0 дБ
Замена патч-корда длиной 0,6 м категории 5 на патч-корд длиной 6 м категории 3	13,0 дБ
Сворачивание кабеля в бухту с длиной витка 2 м и поперечным сечением 5 см	Без измененй
Жгутование кабелей с помощью кабельных хомутов в соответствии с правилами монтажа	Без измененй
Удаление 2,5 см. оболочки кабеля на станционном конце	1,2 дБ
Удаление 30 см. оболочки кабеля на станционном конце	2,0 дБ
Развитие пар кабеля 1,2 см на станционном конце	1,5 дБ
Развитие пар кабеля 5 см на станционном конце	3,8 дБ
Развитие пар кабеля 15 см на станционном конце	11,6 дБ
Скручивание кабеля радиусом изгиба 3,5 см	1,9 дБ
Скручивание кабеля радиусом изгиба 1,2 см	2,1 дБ
"Изломленный" кабель	2,4 дБ

Выбор с учетом стоимости

Выше при формулировании критериев выбора сетевых аппаратных и программных средств в качестве одного из главных критериев называлась их стоимость. Очевидно, что простой констатации важности учета уровня цен недостаточно. Тем не менее, анализ текущего уровня абсолютных цен на сетевую аппаратуру и программное обеспечение, пусть даже на основе представительного обзора, имеет сам по себе малую ценность и очень быстро устаревает. Уровень абсолютных цен зависит от множества факторов, причем не всегда определяющим среди них является совокупность характеристик аппаратуры или ПО (далее для краткости называемая качеством). На него влияют также такие рыночные факторы, как конъюнктура (текущий спрос), уровень наценки, устанавливаемый дилерами или продавцами, ценовая политика самого производителя, уровень национальной валюты по отношению к евро и динамика его изменения. В этих условиях вместо абсолютных правильнее оперировать относительными ценами в координатах "цена-качество" для однородной (имеющей одинаковое или сходное назначение) продукции. Относительные цены меньше подвержены изменениям, а базовый, принимаемый за единицу отсчета уровень, всегда может быть скорректирован на основании анализа свежих данных из сети Интернет или прайс-листов отдельных фирм-продавцов.

Прежде всего следует определить возможные направления финансовых затрат (к данному этапу проектирования необходимые предпосылки для решения этой задачи уже имеются):

Дополнительные компьютеры и апгрейд существующих компьютеров.

Необязательное направление затрат: при достаточном количестве и качестве существующих компьютеров их апгрейд не требуется (или требуется в минимальном объеме – например, для установки более современных сетевых карт); в одноранговой сети не нужен (хотя и желателен) также специальный файл-сервер.Сетевые аппаратные средства (кабели и все, что необходимо для организации кабельной системы, сетевые принтеры, активные сетевые устройства – повторители, концентраторы, маршрутизаторы и т.д.).Сетевые программные средства, прежде всего, сетевая ОС на необходимое число рабочих станций (с запасом).Оплата работы приглашенных специалистов при организации кабельной системы, установке и настройке сетевой ОС, при проведении периодической профилактики и срочного ремонта. Необязательное направление затрат: для небольших сетей со многими из этих работ может и должен справляться штатный сетевой администратор (возможно, с помощью других сотрудников данного предприятия).

Несколько лет назад, когда вместе с появлением ОС типа Windows 95 появилась также возможность организовывать простые одноранговые сети, довольно популярным за рубежом средством упрощения проектирования (но не экономии денежных средств!) было использование так называемых стартовых наборов(starter kit). Типовой стартовый набор включал 2 сетевые карты, 2 копии сетевой ОС и коаксиальный кабель длиной 25 футов (около 7,6 м) с установленными на нем разъемами для объединения в сеть двух компьютеров. За возможность включения в сеть каждого дополнительного компьютера нужно было платить цену, равную половине цены стартового набора.

Вскоре после перехода на сети на основе витой пары, произошла трансформация подобного набора. Он стал включать концентратор (возможен выбор концентратора на разное число выходов), необходимое число сетевых карт и сетевых кабелей (витых пар) нужной длины (выбор из нескольких вариантов стандартных длин) с предустановленными на них разъемами типа RJ45, а также инструкцию по инсталляции сетевой ОС и организации сетевой печати. Подобные подходы на основе наборов типа "сеть в одной коробке" предназначены, в основном, для неискушенных пользователей. В настоящее время они мало популярны, так как установка новых сетей стала массовым явлением и происходит часто на основе передачи опыта предыдущей установки, да и число полностью неискушенных пользователей становится все меньше. Следует помнить, что кроме жесткости любого готового набора сетевых средств, в котором невозможно учесть специфику данной проектируемой сети, его недостатком является и явно завышенная цена – при том же или лучшем качестве оборудования и ОС их предпочтительнее приобретать по отдельности.

На рис. 16.1 показан уровень цен для некоторых из аппаратных средств, необходимых для организации локальной сети. Следует отметить, что погонная цена кабеля зависит от его типа и характеристик (кабель для внутренней или внешней проводки, категория витой пары или тип оптического волокна ВОЛС, число витых пар или волокон в одной оболочке, наличие и разновидность экранов в витой паре). Инструменты, используемые для работы с кабелем, значительно дороже, если это оптоволокно.

Активное сетевое оборудование, включая сетевые адаптеры, повторители, концентраторы, маршрутизаторы и т.д., для сетей семейства Ethernet при прочих равных условиях (прежде всего, при том же типе кабеля и скорости передачи) доступнее по цене, чем оборудование для сетей другого типа. Это одно из объяснений популярности сетей семейства Ethernet на практике у нас в стране и за рубежом. Фактически сети данного типа легли в основу стандарта структурированных кабельных систем (см. "Проектирование кабельной системы").

увеличить изображение
Рис. 16.1. Уровень цен некоторых из аппаратных средств для организации локальной сети

На отечественном рынке сетевого оборудования преобладают средства для построения сетей Ethernet и беспроводных сетей, но последние требуют значительных финансовых затрат.

Формулы Шеннона для непрерывного и дискретного каналов

Формулы Шеннона представляют собой математические записи теорем кодирования Шеннона для дискретных и непрерывных сообщений, передаваемых по каналам с ограниченной пропускной способностью на фоне шумов и помех. Каналы в зависимости от типов сигналов на входе и выходе принято делить на дискретные, непрерывные и смешанные. В общей структурной схеме канала передачи (см. рис. 17.1) дискретными являются каналы от входа модулятора до выхода демодулятора и от входа кодера до выхода декодера. Непрерывный (аналоговый) канал – это собственно последовательная линия передачи (телефонная линия, скрученная пара проводов, коаксиальный кабель и др.). Дискретные каналы не являются независимыми от аналогового канала, который часто образует наиболее "узкое место" при передаче и из-за собственной ограниченной полосы пропускания, внешних шумов и помех определяет общую достижимую скорость передачи (при заданном допустимом уровне ошибок при приеме).

Рис. 17.1. Общая структурная схема канала передачи: 1 – непрерывный (аналоговый) канал; 2, 3 – дискретные каналы

Прежде, чем рассматривать формулы Шеннона, целесообразно обратиться к рис. 17.1 и пояснить функции отдельных устройств. Кодер/декодер в конкретной системе может совмещать, на первый взгляд, прямо противоположные функции. Во-первых, кодер может быть использован для внесения избыточности в передаваемую информацию с целью обнаружения влияния шумов и помех на приемном конце (там этим занимается соответствующий декодер).

Избыточность проявляется в добавлении к передаваемой полезной информации так называемых проверочных разрядов, формируемых, как правило, аппаратурными средствами из информационной части сообщения. Известно много различных помехоустойчивых кодов, причем самый простой из них однобитовый (бит четности/нечетности) далеко не всегда удовлетворительно работает на практике. Вместо него в локальных сетях используются контрольная сумма или циклический код (CRC – Cyclic Redundancy Check), занимающий в формате передаваемого сообщения 2 или 4 байта, независимо от длины в байтах информационной части сообщения. При больших объемах передаваемой информации целесообразно сжать ее до передачи. В этом случае говорят уже о статистическом кодировании. Здесь уместна аналогия с обычными программами архивации файлов (типа arj, rar, pkzip и др.), которые широко используются при организации обмена в Интернет. Если проблема с большими объемами информации и после такого обратимого сжатия до конца не решается, можно рассмотреть возможность необратимого сжатия информации с частичной ее потерей ("огрублением"). Конечно, здесь не идет речь об отбрасывании части цифровых данных, но по отношению к изображениям иногда можно пойти на снижение разрешения (числа пикселей) без искажения общего вида "картинки". Понятно, что оба типа кодирования (помехоустойчивое избыточное кодирование и статистическое кодирование) служат, в конечном счете, решению одной задачи – повышению качества передачи как в смысле отсутствия или минимального допустимого уровня ошибок в принятом сообщении, так и в смысле максимального использования пропускной способности канала передачи.

В высокоскоростных модемах нередко реализуются оба типа кодирования. Что касается функций модулятора/демодулятора на рис. 17.1, то они, как уже было сказано, включают согласование полосы частот, занимаемой сигналами, с полосой пропускания линии передачи. Кроме того, выходные каскады передатчиков (после модуляторов) реализуют усиление сигналов по мощности и амплитуде, это одно из средств увеличения отношения сигнал/шум. Действительно, ничто (кроме, пожалуй, техники безопасности) не заставляет разработчиков придерживаться в аналоговом канале столь жестких ограничений сигналов по амплитуде, как в дискретных (цифровых) каналах (от 0 до +5В при использовании аппаратуры в стандарте ТТЛ). Например, для распространенного стандарта последовательного порта компьютера RS-232C предусмотрена "вилка" амплитуд от –(3...12) В до +(3...12) В. Конечно, это касается амплитуд вблизи передатчика, в то время как вблизи приемника амплитуда сигналов может быть существенно ослаблена.

Формула Шеннона для непрерывного (аналогового) канала достаточна проста:

Vмакс=

f*log2(1+S/N). (1)

где Vмакс – максимальная скорость передачи (бит/сек),

f – полоса пропускания линии передачи и, одновременно, полоса частот, занимаемая сигналами (если не используется частотное разделение каналов), S/N – отношение сигнал/шум по мощности. График этой зависимости приведен на рис. 17.2(формуле Шеннона соответствует кривая под названием "теоретический предел").

Рис. 17.2. Зависимость максимальной скорости передачи Vмакс для аналоговой линии от отношения сигнал-шум по мощности S/N

Под шумом понимается любой нежелательный сигнал, в том числе внешние помехи или сигнал, вернувшийся к передающему устройству – может быть и модему – в результате отражения от противоположного конца линии. Сами по себе сосредоточенные помехи не столь существенно ограничивают пропускную способность аналогового канала, как непредсказуемый в каждый момент времени белый гауссовский шум. "Умные" высокоскоростные модемы умеют, как будет отмечено в дальнейшем, определять уровень и задержку "своих" отраженных сигналов и компенсировать их влияние.

Формула Шеннона для многопозиционного дискретного канала, построенного на базе предыдущего непрерывного канала, в отсутствие ошибок при приеме, имеет следующий вид:

Vмакс=2*

f*log2n. (2)

Здесь n – общее число вариантов дискретного (цифрового) сигнала (алфавит). Если за время одной посылки (длительность элементарного аналогового сигнала типа отрезка синусоиды) передается информация о k двоичных разрядах, то n=2k. Практически расширение алфавита для дискретных сигналов приводит к появлению все менее различимых элементарных посылок, так что величина n ограничивается сверху все тем же отношением сигнал/шум S/N в аналоговом канале.

При учете ошибок при приеме формула Шеннона для многопозиционного дискретного канала, построенного на базе непрерывного канала, имеет следующий вид:

Vмакс=2*

f*[log2n + pош*log2(pош/(n – 1)) + (1 – pош)*log2(1 – pош)]. (3)

Здесь pош – отношение числа бит, принятых с ошибками, к общему числу переданных бит за время наблюдения, теоретически стремящееся к бесконечности, а практически достаточное для набора статистики. Согласно стандарта ITU-T для телефонных сообщений должно выполняться условие pош

3*10-5, а для цифровых данных pош

10-6 (в отдельных случаях для критичных данных этот порог уменьшают до 10-9). При выполнении требований стандартов влиянием ошибок при приеме на максимально-допустимую скорость передачи можно полностью пренебречь и от соотношения (3) перейти к более простому соотношению (2). В частном случае бинарного канала (k=1, n=2) при pош=1/2 из соотношения (3) следует, что Vмакс=0, а при pош

0 и при pош

1 Vмакс=2*

f. Физический смысл такой зависимости состоит в том, что при pош=1/2 принятый сигнал не содержит полезной информации (каждый из принятых битов может оказаться ошибочным). При pош

1 (гипотетический случай, имеющий сугубо теоретический интерес) каждый бит с большой вероятностью инвертируется и доля полезной информации снова возрастает.

Формулы Шеннона показывают, что наиболее эффективный способ повышения максимальной скорости передачи Vмакс состоит в увеличении полосы пропускания линии передачи

f (Vмакс~

f). Логарифмическая зависимость Vмакс от отношения сигнал/шум S/N делает этот путь повышения Vмакс гораздо менее перспективным и более трудоемким. Однако на практике редко возможен свободный выбор линии передачи, который с точки зрения реализации максимальной скорости передачи однозначно сводится к использованию оптоволокна (ВОЛС).

На практике чаще всего имеется телефонная линия, по которой и нужно организовать передачу с применением модемов. Аналоговая телефонная линия (точнее, тракт передачи, функционирующий на этой линии, с учетом фильтров) имеет фиксированную полосу пропускания

f = 3400 – 300 = 3100 Гц, поэтому приходится бороться именно за повышение отношения сигнал/шум. Да и то хороший результат сам по себе не гарантирован, так как речь идет о реализации возможностей, близких к теоретическому пределу. Практический предел отношения сигнал/ шум в аналоговой телефонной линии составляет примерно 35 дБ (более 3000 раз по мощности или более 56 раз по амплитуде), что соответствует максимальной скорости Vмакс

34822 бит/сек (стандартное значение, реализуемое на практике, 33600 бит/сек). Популярные в настоящее время 56К – модемы реализуют заявленную скорость только в одну сторону – от провайдера (из сети) до пользователя и только при условии работы провайдера непосредственно на цифровой, несколько более широкополосной, линии передачи (чудес не бывает!).

Избыточность проявляется в добавлении к передаваемой полезной информации так называемых проверочных разрядов, формируемых, как правило, аппаратурными средствами из информационной части сообщения. Известно много различных помехоустойчивых кодов, причем самый простой из них однобитовый (бит четности/нечетности) далеко не всегда удовлетворительно работает на практике. Вместо него в локальных сетях используются контрольная сумма или циклический код (CRC – Cyclic Redundancy Check), занимающий в формате передаваемого сообщения 2 или 4 байта, независимо от длины в байтах информационной части сообщения. При больших объемах передаваемой информации целесообразно сжать ее до передачи. В этом случае говорят уже о статистическом кодировании. Здесь уместна аналогия с обычными программами архивации файлов (типа arj, rar, pkzip и др.), которые широко используются при организации обмена в Интернет. Если проблема с большими объемами информации и после такого обратимого сжатия до конца не решается, можно рассмотреть возможность необратимого сжатия информации с частичной ее потерей ("огрублением"). Конечно, здесь не идет речь об отбрасывании части цифровых данных, но по отношению к изображениям иногда можно пойти на снижение разрешения (числа пикселей) без искажения общего вида "картинки". Понятно, что оба типа кодирования (помехоустойчивое избыточное кодирование и статистическое кодирование) служат, в конечном счете, решению одной задачи – повышению качества передачи как в смысле отсутствия или минимального допустимого уровня ошибок в принятом сообщении, так и в смысле максимального использования пропускной способности канала передачи.

В высокоскоростных модемах нередко реализуются оба типа кодирования. Что касается функций модулятора/демодулятора на рис. 17.1, то они, как уже было сказано, включают согласование полосы частот, занимаемой сигналами, с полосой пропускания линии передачи. Кроме того, выходные каскады передатчиков (после модуляторов) реализуют усиление сигналов по мощности и амплитуде, это одно из средств увеличения отношения сигнал/шум. Действительно, ничто (кроме, пожалуй, техники безопасности) не заставляет разработчиков придерживаться в аналоговом канале столь жестких ограничений сигналов по амплитуде, как в дискретных (цифровых) каналах (от 0 до +5В при использовании аппаратуры в стандарте ТТЛ). Например, для распространенного стандарта последовательного порта компьютера RS-232C предусмотрена "вилка" амплитуд от –(3...12) В до +(3...12) В. Конечно, это касается амплитуд вблизи передатчика, в то время как вблизи приемника амплитуда сигналов может быть существенно ослаблена.

Формула Шеннона для непрерывного (аналогового) канала достаточна проста:

Vмакс=

f*log2(1+S/N). (1)

где Vмакс – максимальная скорость передачи (бит/сек),

3*10-5, а для цифровых данных pош

0 и при pош

1 Vмакс=2*

f (Vмакс~

Типы линий передачи, в которых

Однопроводная линия – самая простая из возможных линий последовательной передачи данных (см. рис. 17.3). Из-за большого территориального удаления передатчика от приемника в сети (до нескольких сотен метров или даже свыше километра) возникает заметная разница потенциалов между точками заземления аппаратуры и возрастает влияние ничем не скомпенсированных помех. Поэтому на практике такие линии передачи в сетях не используются.

Рис. 17.3. Однопроводная линия передачи (при симплексном режиме обмена данными)

Обычную линию силового электропитания на 220 В (электропроводку) в последнее время успешно используют для организации двунаправленной системы домашней автоматики, связывающей различные бытовые приборы (осветительные приборы, стиральную машину, телевизор и др.) и датчики (температуры, потребляемой мощности и др.). Цель состоит как в управлении этими приборами, так и в сигнализации об опасных ситуациях (пожар, утечка газа и т.д.). "Побочное" использование электропроводки для организации домашней локальной сети напрашивается само собой, однако при этом надо иметь в виду далеко неидеальные характеристики такой линии. Измерения на реальных линиях электропроводки в диапазоне частот 100...150 кГц, наиболее перспективном для передачи данных, показали существенный разброс модуля импеданса линии (1,5...80 Ом), затухания (2...40 дБ) и уровня шума (до –15 дБ). Эти характеристики существенно зависят от количества одновременно включенных бытовых приборов.

Для организации домашней локальной сети, использующей линию электропроводки, необходимы специальные модемы (power line modems). Первоначально скорость передачи информации по линии электропроводки была невысокой – до 10 Кбит/c или несколько больше. В такой сети устройства обмениваются данными примерно с такими же скоростями, как если бы это происходило в сети Интернет, хотя и находятся в соседних помещениях. Это не столь важно при обмене цифровыми данными, однако может создавать проблемы при передаче оцифрованной речи и изображений (особенно динамических). Недавно появился промышленный стандарт передачи данных по бытовой сети со скоростями передачи, характерными для сетей Ethernet (до 14 Мбит/c). Ранее область действия обычной сети домашней автоматики ограничивалась расстоянием до распределительного трансформатора. Новым стандартом предусмотрена возможность подключения локальной сети на основе электропроводки непосредственно к Интернет (минуя телефонную сеть). В некоторых странах Европы (Германия, Австрия) такая возможность, пусть и в ограниченном масштабе, уже реализована на практике.

Двухпроводная телефонная линия в пределах отдельных зданий представляет собой простой двухжильный провод (симметричный кабель), но и это уже прогресс по сравнению с рассмотренной ранее однопроводной линией, так как отсчет принятого сигнала ведется не от потенциала "земли", а от второго провода в линии. В таких линиях просто организуется симплексный и полудуплексный режим обмена данными, в то время как дуплексный обмен возможен только ценою снижения скорости передачи (при частотном или временном разделении "прямого" и "обратного" каналов).

Если учесть ограниченную полосу пропускания аналоговой телефонной линии, то выделение в ней "прямого" и "обратного" каналов с равными скоростями обмена в обоих направлениях оказывается неэффективным решением. Правда иногда требуется передавать в одном из направлений служебную информацию (сообщение о состоянии удаленного модема, его режимах работы и др.), для которой скорость передачи некритична. Тогда параллельный канал может быть организован практически без потери скорости по основному каналу.

Четырехпроводная телефонная линия преодолевает недостаток обычной двухпроводной линии, так как позволяет организовать дуплексный обмен без потери скорости в обоих направлениях. Однако линии такого типа не столь широко распространены, как двухпроводные (тем более в России).

Многопарный телефонный кабель используется в магистральной части телефонной линии (для внешних соединений) и отличается от "внутренних" телефонных линий большей полосой пропускания, которая необходима для уплотнения множества телефонных каналов.

Линии на основе коаксиального кабеля, применяемые в системах кабельного телевидения (CATV), подобны соединениям во многих локальных сетях. В этих линиях используется еще один тип специализированных модемов, "заслуживших" собственное название: cable modems. Обычный телевизионный сигнал и цифровые данные при передаче по кабелю должны быть разнесены по разным частотным диапазонам. Поэтому увеличение скорости не такое заметное, как в локальных сетях, монопольно использующих высокочастотные кабели (100 Мбит/с в сетях типа Fast Ethernet и др.).

Компромиссное решение для локальных сетей, основанных на системах кабельного телевидения, состоит в выборе неравных скоростей при передаче запросов от пользователя в сеть (до 10 Мбит/с) и при получении информации в обратном направлении (до 40 Мбит/с). Безусловно вторая скорость важнее.

Основные области применения модемов данного типа – доступ к Интернет, передача видео- и аудио-трафика, IP-телефония (голос и факсы) по виртуальным частным сетям (VPN).

Цифровые абонентские линии (Digital Subscriber Loop – xDSL) постепенно замещают аналоговые телефонные линии. Общие преимущества от перехода к цифровым методам обработки сигналов в данном случае дополняются заметным увеличением максимально доступной скорости передачи и реализацией постоянных (некоммутируемых) соединений. Некоторые из вариантов xDSL требуют использования четырехпроводной линии, другие могут функционировать на обычных двухпроводных линиях. Это позволяет организовать высокоскоростную передачу данных, не прибегая к замене старых абонентских линий и прокладке новых выделенных каналов. Повышение скорости достигается за счет более полного использования полосы пропускания линии и усложнения алгоритма обработки передаваемой информации, в том числе ее уплотнения. При этом необходима замена оборудования в магистральной части линии и применение xDSL – модемов со стороны пользователя и провайдера.

Различные варианты xDSL – технологий перечислены ниже:

HDSL – высокоскоростные цифровые абонентские линии;ADSL – асимметричные цифровые абонентские линии;ISDL – ISDN цифровые абонентские линии;SDSL – симметричные высокоскоростные цифровые абонентские линии;VDSL – Very HDSL;RADSL – цифровые абонентские линии с подстройкой скорости передачи данных;UADSL – универсальные асимметричные цифровые абонентские линии.

Наиболее "старые" ISDN цифровые абонентские линии появились за рубежом около 20-ти лет назад. При работе на 2-проводной линии они обеспечивают для пользователя скорость передачи до 128 Кбит/с (поток данных в линии до 160 Кбит/с). В нашей стране наибольшее распространение получили 2 варианта xDSL – технологий:

ADSL, для которой скорость потока данных в сторону пользователя (абонента) составляет от 8 до 1,5 Мбит/с, а в обратную сторону – от 1,5 Мбит/с до 640 Кбит/с. На практике из-за снижения качества линий на участке "последней мили" и влияния перекрестных помех реальная скорость в сторону пользователя может оказаться ниже 1 Мбит/с.SDSL, для которой скорость в обоих направлениях достигает 2 Мбит/с (реально по Москве средняя скорость составляет 1,5 Мбит/с).

Рис. 17.3. Однопроводная линия передачи (при симплексном режиме обмена данными)

Различные варианты xDSL – технологий перечислены ниже:

Линии на основе оптоволоконного кабеля практически снимают скоростные ограничения для всех видов информации (включая динамические изображения высокого разрешения). Это – технология будущего, которая не нашла широкого применения в районах с уже сложившейся инфраструктурой. Причина в том, что необходимо вкладывать дополнительные средства в организацию "последней мили". Зачастую прокладку оптических сетей делает невозможной архитектура построенных несколько лет назад зданий. В таких случаях гораздо дешевле применять старый и проверенный xDSL. При строительстве же новых зданий оптические технологии "последней мили" прочно заняли свою нишу и реально используются в странах Юго-Восточной Азии и континентальной Америки.

Беспроводные (радио-) линии привлекательны для тех пользователей, которые не имеют фиксированного рабочего места (учащиеся институтов и университетов, инженеры на производстве и т.д.). Обычно в локальной сети стационарные проводные участки (сегменты) сочетаются с удаленными пользователями или сегментами, обслуживаемыми с помощью радио-модемов (radio modems). Высокая частота несущей (2000...2500 МГц) выбирается из условия малого влияния на передаваемую информацию погодных условий. Возможны также варианты с использованием других диапазонов, расположенных как ниже, так и выше по оси частот. Полоса используемых частот, которая определяет достижимую скорость передачи, ограничена как из-за влияния помех, так и вследствие общей занятости радио-диапазонов. В результате максимальная скорость передачи по беспроводным линиям составляет примерно 2 Мбит/с. Следует заметить, что беспроводная связь на высоких частотах (свыше ~ 900 МГц) устойчиво работает только в условиях прямой видимости абонентов (отсутствия препятствий для радиоволн) на расстоянии до 50 км.

Линии передачи с использованием искусственных спутников Земли в качестве ретрансляторов сигналов в глобальных или региональных компьютерных сетях в целом напоминают наземные варианты беспроводных линий. Для передачи в разных направлениях теперь используются две частоты несущей: 6/4 ГГЦ (другой вариант – 14/12 ГГц). Однако скорость передачи обычно не превышает 50 Мбит/с. Основная проблема в таких линиях связана с заметной временной задержкой сигналов, передаваемых по длинному маршруту.

Например, при числе работающих абонентов, равном 100, применяемый алгоритм временного разделения каналов (TDMA) приводит к величине временной задержки 100*2*(37100 км/300000 км/с) 24 с. Для компенсации этой задержки, создающей дискомфорт при "живом" общении, используются специальные наземные станции-накопители информации SDU (Satellite Delay compensation Unit).

Перечисление линий передачи, в которых применяются модемы, можно продолжить. Стоит упомянуть технологии HPNA (Ethernet на телефонной линии) и Bluetooth (высокоскоростная беспроводная технология). Однако разрешение вопроса о том, какая из упомянутых или еще "не заявившая" о себе технологий найдет широкое применение на практике – это проблема прогнозирования, которое не может дать ответ со 100-процентной гарантией по определению. Кроме ограниченной развитости линий (например, отечественные телевизионные кабельные сети), сдерживающими факторами могут быть технические особенности отдельных линий (в частности, ограничение области действия сети на основе силовой проводки пределами тех помещений, которые "питаются" от одного силового трансформатора). Как уже отмечалось, стоимость специфических модемов (типа power line modems, cable modems или radio modems) в настоящее время достаточно высока в сравнении со стоимостью обычных телефонных модемов. Наконец, такие глобальные линии передачи, которые используют искусственные спутники Земли, не всегда доступны рядовому пользователю, хотя неявно их эксплуатируют многие пользователи Интернет.

С достаточной уверенностью можно утверждать, что в ближайшие несколько лет в отечественных условиях будут преобладать решения на основе обычной телефонной линии, то есть модемы, удовлетворяющие стандартам V.34, V.90 и V.92. Более производительные подключения по цифровым линиям xDSL сначала станут широко использоваться в корпоративных сетях, а затем, по мере снижения цен – также и рядовыми пользователями. Этот прогноз может скорректировать появление в ближайшем будущем доступных (в том числе по цене) оптоволоконных линий и аппаратуры для передачи по ним данных (как у провайдеров, так и у конечных пользователей), что в настоящее время представляется маловероятным.

Среди наиболее распространенных при модемной связи телефонных линий есть такие их разновидности и такие режимы работы, которые, опять же, не всегда доступны на практике. Ниже в двух колонках представлены желательные типы и режимы работы телефонных линий, а справа – доступные широкому кругу пользователей (применительно к отечественным условиям).

Четырехпроводные телефонные линии	Двухпроводные телефонные линии
Выделенные (leased) линии	Переключаемые (switched) линии
Многоточечные (many-points) линии	Двухточечные (point-to-point) линии
Линии с тональным набором номера (tone dial)	Линии с импульсным набором номера (pulse dial)

В современных стандартах для модемов (например, в стандарте V.34) предусматривается возможность работы на двухпроводных переключаемых двухточечных линиях, широко распространенных во всем мире. При работе на выделенных линиях, аренда которых из-за высоких цен считается оправданной только при достаточно высокой и постоянной во времени загрузке (трафике), а также при использовании довольно популярных (но не в России) линий с тональным набором номера существенно снижается уровень помех, и более полно реализуются скоростные возможности модемов. Многоточечные линии обеспечивают дополнительный сервис – возможность одновременного подключения к линии нескольких пользователей для проведения так называемых "селекторных совещаний", в отличии от случающегося иногда многоточечного соединения в обычной линии с прослушиванием посторонних абонентов.

В отношении качества отечественных телефонных линий высказываются обоснованные претензии, связанные с искажениями сигналов из-за множества факторов.

Значительную долю искажений вносят абонентские линии:

затухание (уменьшение мощности) полезного сигнала;изменение амплитудно-частотной характеристики по сравнению со стандартными требованиями (изменение мощности сигнала в зависимости от частоты), причем высокочастотные сигналы затухают более сильно;импеданс линии при нормативе 600 Ом ±20% в реальных линиях может лежать в диапазоне от 400 до 1800 Ом. Это означает, что в российских условиях преимущество имеют модемы с перестраиваемым выходным сопротивлением;постоянное напряжение смещения (то самое, благодаря которому работают микрофоны) может иметь значительные отклонения от номинала.

При междугородней связи наибольшее влияние оказывают участки переприема, в которых происходит преобразование сигналов из высокочастотных, передаваемых по магистральным линиям с использованием частотного уплотнения каналов, в сигналы звукового диапазона 300..3400 Гц и наоборот. Общее число таких участков может доходить до 8....12. Вносимые искажения во многом зависят от качества настройки полосовых фильтров на телефонных станциях. Основные искажения:

фазочастотные искажения (отклонение группового времени прохождения относительно его значения на частоте 1900 Гц);дополнительные амплитудно-частотные искажения (затухание на краях полосы пропускания);смещение несущей частоты (спектр сигнала равномерно смещается на несколько герц);джиттер фазы (дрожание фазы по периодическому или случайному закону);скачки фазы (случайный поток скачкообразных изменений начальной фазы сигнала).

Существует еще целый ряд искажений, которые могут возникнуть на всем пути сигнала: шумы, импульсные помехи, замирание сигнала – временное уменьшение его мощности до уровня ниже распознавания модемом, колебания амплитуды и др.

"Ответ" модема на все эти искажения, независимо от их природы и места возникновения, один и тот же – снижение реальной скорости передачи, вплоть до временного прекращения связи в процессе автоматической адаптации модема к характеристикам линии (см. последующие пункты данного раздела). Так, если рассматривать влияние на скорость передачи только отношения сигнал-шум по мощности S/N, то, как следует из графика на рис. 17.2, даже для достижения сравнительно "скромной" скорости на уровне 10 Кбит/с в соответствии со стандартом V.34 требуемое отношение сигнал-шум должно быть больше 15 дБ. Измерения на реальных отечественных телефонных линиях, особенно при междугородней связи, показывают возможность снижения отношения сигнал-шум и до меньших величин.

Типы линий передачи, в которых используются модемы (варианты решения проблемы "последней мили")

Прокладывание по всем правилам структурированных кабельных систем (СКС) для вновь создаваемых или реорганизуемых компьютерных сетей – безусловно, полезное, но, одновременно, и дорогостоящее мероприятие, требующее больших первоначальных затрат на проведение капитальных работ. По этой причине производители аппаратных сетевых средств осваивают уже существующие или создаваемые линии передачи, большинство из которых не предназначены изначально для соединения компьютеров в сети. Для работы на таких линиях обычно требуются специфические модемы. В сравнении с обычными телефонными модемами эти модемы, как правило, более дорогие не в последнюю очередь из-за ограниченного объема их выпуска. В то же время они по-прежнему служат для переноса спектра передаваемых сигналов в полосу рабочих частот линии передачи, выделенную для организации обмена по сети.

По сложившейся терминологии, различные методы и средства передачи информации на участке от провайдера, предоставляющего доступ к услугам глобальной сети, до конечного пользователя, принято называть вариантами решения проблемы "последней мили". Качество соединения на этом участке и его длина существенным образом сказываются на степени приближения реально достижимой скорости обмена для конечного пользователя к номинальной скорости для данной технологии.

Ниже представлен краткий обзор линий передачи, в которых используется модемная связь, и приводятся достигнутые в настоящее время технические характеристики соответствующих модемов (в первую очередь – скорость передачи).

Классификация модемов

Выше уже упоминались разные типы модемов, однако этот список необходимо дополнить. В таблице 18.1 представлен вариант классификации модемов по следующим трем признакам:

типы линий передачи, в которых используются модемы;виды сервиса и характеристики модемов;особенности внутреннего устройства и конструктивного исполнения модемов.

Таблица 18.1. Классификация модемов

Основное название группы модемовДругие названия или области использованияОсновные особенности модемов данной группы

1. По типам линий передачи, в которых используются модемы
-	телефонные	автоматическая адаптация к характеристикам реальных телефонных линий
power line или PLC (power line carrier)	для работы в линии силового электропитания(электропроводке)	передача данных со скоростью телефонных от 10-в Кбит/с до 14 Мбит/c (для наиболее широкополосных модемов)
cable	для работы в сети кабельного телевидения	неравные скорости при передаче запросов от пользователя в сеть и при получении информации в обратном направлении (до 40 Мбит/с)
radio	радио	передача данных со скоростью до 2 Мбит/с по беспроводным (радио-) линиям в условиях прямой видимости абонентов на расстоянии до 50 км
2. По видам сервиса и характеристикам
fax	факс	сочетание функций модема и факсимильного аппарата
voice mail	голосовая почта	сочетание функций модема и автоответчика с дополнительной возможностью автоматического обзвона ряда номеров для передачи заданного сообщения
voice	голосовые	передача наряду с данными голоса (возможно, одновременно с данными), в том числе для звукового сопровождения документов
V.34	-	передача данных по аналоговым телефонным линиям со скоростью до 33,6 Кбит/с
V.90 /92 (56K)	аналоговые V.90/92-модемы	передача данных по телефонным линиям со скоростью до 56 Кбит/с (по направлению к пользователю), возможная только при выполнении ряда условий, в том числе при цифровом подключении со стороны провайдера и поддержке стандарта V.90/92 на обоих концах линии
3. По особенностям внутреннего устройства и конструктивному исполнению
Win (US Robotics)	RPI, WinRPI, софт,программные	выполнение части функций модема программными средствами, что несколько снижает стоимость модема, но приводит к значительной нагрузке на процессор компьютера
цифровые V.90/92-модемы	-	поддержка стандарта V.90/92 со стороны провайдера
internal /external	внутренние/внешние	наличие собственного корпуса и источника питания, возможность простого подключения/отключения (для внешних модемов); реализация в виде платы расширения, несколько меньшая стоимость (для внутренних модемов)
xDSL-модемы	-	поддержка передачи данных по цифровым xDSL-линиям

/p>

Следует отметить, что модемы относятся к категории массовых и быстро развивающихся телекоммуникационных средств. Их разработкой, изготовлением и продвижением до конечного пользователя занимается множество фирм. С этим связано существование множества неустоявшихся, частично пересекающихся названий модемов. Поэтому краткое название модема может оказаться недостаточным для определения его истинного назначения и особенностей, весьма существенных для пользователя. Так, имеется два абсолютно несовпадающих типа V.90-модемов – один, аналоговый, для применения у пользователя и другой, цифровой, для поддержки стандарта V.90 со стороны провайдера. Путаница также может возникнуть с понятием голосового модема (voice modem) в связи с наличием в некоторых модемах близкой по названию, но совершенно отдельной функции голосовой почты (voice mail), см. таблица 18.1.

Методы модуляции, используемые в высокоскоростных модемах

Известно, что "классические" методы модуляции при прочих равных условиях существенно отличаются между собой по степени устойчивости к помехам. В отношении посылок ограниченных во времени отрезков синусоидальных сигналов, несущих информацию о логических нулях и единицах, возможна простая интерпретация преимущества одних методов модуляции перед другими (см. рис. 18.4). На рис. 18.4 s1(t) и s2(t) – сигналы, соответствующие логическому нулю и единице (при бинарной передаче, когда каждая элементарная посылка несет информацию только об одном бите). АМ, ЧМ и ФМ – соответственно амплитудная, частотная и фазовая модуляция. Из графиков на рис. 18.4 видно, что в наибольшей степени отличаются между собой посылки сигналов при фазовой модуляции, в наименьшей – при амплитудной модуляции. Поэтому по степени устойчивости к помехам "классические" методы модуляции должны быть расставлены в том же порядке:

АМЧМФМ

В высокоскоростных модемах для дальнейшего улучшения помехоустойчивости (при неизменном отношении сигнал-шум в линии) используются обычно комбинации из "классических" методов модуляции, в частности, различные варианты амплитудно-фазовой модуляции. Для пояснения преимущества таких комбинированных методов модуляции над "классическими" методами могут быть применены так называемые констелляционные (от слова constellation – созвездие) или треллис (от слова trellis – решетка) диаграммы. Используется еще и третий вариант названия – квадратурные диаграммы, напрямую связанный со способом изображения на комплексной плоскости гармонических функций при их разложении на синусоидальную ("мнимую" – Im) и косинусоидальную ("вещественную" – Re) составляющие.

АМЧМФМ

Рис. 18.4. Качественное сравнение "классических" методов модуляции по степени устойчивости к помехам

На рис. 18.5 показан фрагмент сигнала для простой бинарной дифференциальной фазовой модуляции (DPSK), при использовании которой передаче логической 1 в исходной цифровой последовательности соответствует сдвиг фазы гармонической посылки на 180°, а логическому 0 – отсутствие такого сдвига. В аналитическом виде этот сигнал описывается соотношением s(t) = cos(?ct±

/2) и на комплексной плоскости представляется в виде двух точек на окружности. В современных высокоскоростных модемах этот вид модуляции не используется, хотя применялся ранее в модемах со скоростью передачи до 4800 бит/с. Ограничение скорости передачи связано с неэффективным размещением сигналов в пространстве, при котором минимальное расстояние между ними (а значит, и степень устойчивости к помехам) далеко от теоретического предела. Для метода DPSK максимальное число бит, информация о которых может быть "закодирована" в одной посылке гармонического сигнала (на одном бодовом интервале), составляет 3, что означает улучшение скорости передачи по сравнению с бинарным кодированием только в 3 раза и общее число гармонических посылок, различающихся по фазе, равное 23=8. При попытке дальнейшего "дробления" фаз метод модуляции DPSK становится неконкурентноспособным с точки зрения помехоустойчивости в сравнении с более совершенными комбинированными амплитудно-фазовыми методами модуляции.

Переход от фазовой к амплитудно- фазовой модуляции позволяет увеличить минимальное достижимое расстояние между гармоническими посылками (в смысле расстояния между точками в евклидовом пространстве) при заданном числе этих посылок, как это показано на рис. 18.6. На этом рисунке сравниваются два метода модуляции (16-DPSK и 16-QAM), причем минимальное расстояние между посылками d, очевидно, больше для второго метода модуляции. Здесь QAM (Quadrature Amplitude Modulation) – многопозиционная амплитудно-фазовая модуляция, при использовании которой достижимое число бит на один бодовый интервал может быть увеличено до 8. Существует усовершенствованный метод модуляции – TCM (Trellis Coded Modulation), модуляция с решетчатым кодированием или треллис-модуляция. Преимущество метода TCM перед QAM состоит не столько в увеличении числа бит, передаваемых за время посылки (оно может составлять от 1 до 9), сколько в снижении требования к телефонной линии по величине отношения сигнал-шум на 3...6 дБ. Если ограничиться кратким пояснением без привлечения ряда дополнительных и необязательных для широкого круга пользователей терминов, то к одним из основных решений, заложенных в метод модуляции TCM, следует отнести введение избыточного бита, полученного с помощью сверточного кодирования. После этого применяется метод модуляции QAM. Несмотря на то, что введение избыточного бита приводит к увеличению общего числа посылок в два раза, использование при декодировании эффективного алгоритма обработки сигналов на фоне шумов и помех (алгоритма Виттерби) позволяет компенсировать эту избыточность и получить отмеченный выше выигрыш в отношении сигнал-шум.

Анализ принятого избыточного бита и учет ранее принятых сигналов дает возможность более уверенно выбрать наиболее вероятную точку в пространстве сигналов. Усложнение алгоритмов обработки сигналов и увеличение общего числа посылок ведет к увеличению требуемой производительности (вычислительной мощности) декодера, однако современный уровень развития цифровых сигнальных процессоров позволяет решить эту задачу. Модемы со скоростью передачи до 33600 бит/с, предназначенные для работы на аналоговых телефонных линиях и отвечающие рекомендациям стандарта V.34, используют метод модуляции TCM. На рис. 18.7 в качестве примера представлены проекции сигналов на комплексную плоскость для метода модуляции TCM при числе точек, равном 24, 128, 256 и 960 (соответствующие скорости передачи в стандарте V.34 9600, 19200, 24000 и 28800+200 бит/с). В последнем случае за счет временного уплотнения помимо основного канала вводится независимый дополнительный (параллельный) низкоскоростной канал (со скоростью передачи 200 бит/с), который может использоваться для служебных целей. Общий вид проекций сигналов на комплексную плоскость на рис. 18.7 делает понятными ранее упоминаемые варианты названий квадратурных диаграмм: констелляционные (constellation – созвездие) или треллис (решетчатые).

Рис. 18.5. Фрагмент сигнала для простой бинарной дифференциальной фазовой модуляции (2 – DPSK) и его отображение на комплексной плоскости

Рис. 18.6. Сравнение двух методов модуляции (16-DPSK и 16-QAM) по величине минимального расстояния между посылками d

Рис. 18.7. Проекции сигналов на комплексную плоскость для метода модуляции TCM при числе точек, равном 24, 128, 256 и 960

Стоит сделать замечание относительно двух возможных способов описания скоростей модемов. Скорость в бодах (baudrate) представляет собой физическую частоту смены посылок. Она обычно ограничена полосой пропускания телефонной линии (от 300 до 3400 Гц, то есть 3100 Гц). Частота несущей выбирается близкой к середине полосы пропускания телефонной линии; для стандарта V.34 предусмотрен ряд возможных частот несущей в диапазоне от 1600 до 2000 Гц ("уход" в ту или иную сторону от центра полосы пропускания может несколько улучшить качество связи). Таким образом, бодовый интервал (длительность одной элементарной посылки) может содержать менее одного периода гармонического колебания (в отличие от случая, показанного на рис. 18.4). Информационная скорость передачи может задаваться либо в бит/с (в англоязычной литературе в bps – bit per second,), либо в числе символов/с=байт/с (в англоязычной литературе в cps -characters per second). Скорость в бит/с всегда больше или равна скорости в бодах, причем отношение этих скоростей совпадает с числом бит, приходящихся на один бодовый интервал в том или ином методе модуляции. Произведение 3100 (стандартная полоса пропускания телефонной линии в Гц) 9 (максимальное число бит, приходящихся на один бодовый интервал в методе модуляции QAM) все еще меньше 33600 Бит/c.Это означает необходимость использования более широкой полосы пропускания (и большей частоты смены посылок), что и является одной из особенностей стандарта V.34 (см. следующий раздел). Скорость в символах/с или байт/с (cps) нельзя получить просто делением на 8 скорости в бит/c, так как она учитывает "непроизводительные" потери (служебные поля в пакетах и интервалы между ними). Путем непосредственных измерений установлено, что при таком пересчете дополнительно должен использоваться множитель, немного превышающий 0,9 и зависящий от длины пакета (чем больше длина пакета, тем меньше "непроизводительные" потери).

Рис. 18.6. Сравнение двух методов модуляции (16-DPSK и 16-QAM) по величине минимального расстояния между посылками d

в переводе имеющее следующий вид:

Cтандарт V.34 имеет длинное название, в переводе имеющее следующий вид: "Модем, обеспечивающий передачу данных со скоростями до 28800 (33600) бит/с для использования на коммутируемой сети общего пользования и на двухточечных двухпроводных выделенных каналах телефонного типа". Таким образом, этот стандарт ориентирован на применение в наиболее распространенных типах телефонных линий. Стандарт V.34 имеет две "версии" или редакции – в первой редакции стандарта от 1994 г. предусматривалась скорость передачи не выше 28800 бит/с, во второй от 1998 г. этот предел был увеличен до 33600 бит/с. Кроме перечисленных ранее, этот стандарт имеет ряд других принципиальных особенностей:

более полное использование полосы пропускания телефонной линии. Из шести предусмотренных стандартом V.34 символьных скоростей передачи две наибольшие (3200 и 3429 символов/с) требуют ширины полосы пропускания линии превышающей стандартное значение 3100 Гц, но достижимой для ряда реальных телефонных линий;введение в передаваемый сигнал наряду с линейными нелинейных предискажений для частичной компенсации нелинейных искажений, вносимых аппаратурой с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ), работающей на линии. На комплексной плоскости такие предыскажения выглядят в виде неравномерного (отличающегося от строго решетчатого) расположения сигнальных точек;развитый сервис, включающий возможность организации асимметричной передачи (разные скорости, несущие частоты, число точек на комплексной плоскости и другие режимы работы для модемов на противоположных концах линии), полудуплексного обмена (эхокомпенсация не используется) и дополнительного канала;автоматический адаптивный выбор режимов работы модемов в соответствии с параметрами реальной телефонной линии.

Для этого модемы попеременно передают друг другу последовательность из 21 гармонического колебания с частотами в диапазоне от 150 до 3750 Гц, определяют возможные режимы работы и обмениваются информацией о них. Настройка скорости работы модемов в соответствии с качеством связи (отношением сигнал-шум) означает, что фактически скорость может уменьшаться с шагом 2400 бит/с и в случае отношения сигнал-шум менее 20 дБ (реальная цифра для некоторых отечественных телефонных линий, особенно при междугородней связи) окажется не более 9600 бит/с. Связь ряда достижимых значений скоростей передачи с отношением сигнал-шум для стандарта V.34 показана на рис. 17.2.

Как следует из анализа особенностей стандарта V.34, он практически полностью использует возможности, предоставляемые стандартными аналоговыми телефонными линиями. Дальнейший рост скорости передачи по линии возможен только при использовании линий с большей полосой пропускания, что и предусмотрено в стандарте V.90 для модемов со скоростью передачи до 56 Кбит/с, часто обозначаемых как V.90- или 56К–модемы. Стандарт V.90 на 56К–модемы утвержден ITU-T в сентябре 1998 г. На рис. 18.8 приведена иллюстрация принципа работы обычных (со скоростью передачи до 33600 бит/с на основе стандарта V.34) и 56К(V.90)–модемов в телефонной сети общего пользования. Несмотря на то, что большая часть сети цифровая, при работе на обоих концах линии модемы, соответствующие протоколу V.34, применяют ее как полностью аналоговую. Это означает необходимость использования аналого-цифровых преобразователей (АЦП) при передаче сигналов в обоих направлениях.

В результате дискретизации сигналов по амплитуде АЦП вносят заметный вклад в ухудшение отношения сигнал-шум и скорость передачи в обоих направлениях одинакова (при самых благоприятных условиях до 33600 бит/c). Однако если на одном из концов линии (у провайдера) использовать специальный цифровой V.90-модем, подключенный непосредственно к цифровой части телефонной сети, а на другом конце (у клиента) аналоговый V.90-модем, то в направлении от провайдера к пользователю АЦП отсутствует и скорость (теоретически) может быть увеличена до 56Кбит/c. Сама по себе цифровая телефонная сеть имеет скорость передачи 64 Кбит/с, однако наличие дополнительных искажений и шумов от работы ЦАП и АТС, хотя и меньших по уровню, чем шум дискретизации АЦП, ограничивает достижимую скорость передачи. Кроме того, тестирование 56К-модемов показывает возможность достижения скорости в диапазоне 40...50 Кбит/с при связи с местной телефонной станцией и 28...33 Кбит/с при работе на международных линиях.

Рис. 18.8. Иллюстрация принципа работы обычных и 56К(V.90)–модемов

Таким образом, достижение скорости передачи 33,6 Кбит/с и, тем более, 56 Кбит/с требует выполнения целого ряда условий. В первую очередь сама по себе телефонная линия со всем оборудованием, которое используется для преобразования сигналов и коммутации каналов, должна быть достаточно качественной, с наименьшим количеством вносимых искажений сигналов.

Для работы со скоростью 56 Кбит/с, необходимо выполнение дополнительных трех условий:

Цифровое подключение на одном из концов (со стороны провайдера).Поддержка стандарта V.90 на обоих концах. Стандарт V.90 должен поддерживаться на обоих концах соединения: как аналоговым модемом пользователя, так и сервером удаленного доступа или модемным пулом на стороне хост-компьютера. Переход к стандарту V.90 не означает обязательного приобретения нового модема, так как некоторые из них допускают сугубо программный "upgrade".Одно аналого-цифровое преобразование. На пути следования сигнала между цифровым модемом V.90 и аналоговым модемом может быть только одно аналого-цифровое преобразование.

В июне 2000 г. обнародована серия новых протоколов V.92, V.44 и V.59. Протокол V.92 является развитием протокола V.90 по части выравнивания скоростей передачи в обоих направлениях обмена. Максимальная исходящая скорость от пользователя увеличена с 33,6 (V.90) до 48 Кбит/с. Это достигается за счет изменения способа кодирования информации (ИКМ). Исходящая от пользователя информация может передаваться со скоростями от 24 до 48 Кбит/с с шагом 1,333 Кбит/с как и в протоколе V.90. Кроме того, уменьшается время вхождения в связь с 20 (V.90) до 10 с (более быстрое соединение – Quick Connect). Второй протокол V.44 позволяет увеличить степень сжатия передаваемых данных как 6:1, то есть на 25% в сравнении с V.42bis, который обеспечивал сжатие 4:1. Производительность (информационная скорость передачи) может увеличиться до 300 Кбит/с. И, наконец, третий протокол V.59 вводит такую услугу, как возможность прерывания передачи данных на время от 0 до 16 минут и ответ входящему вызову.Для реализации сервисов, предоставляемых стандартом V.92, необходимо выполнение таких же условий, как и для стандарта V.90.

Программные средства для модемов

Программные средства для модемов (другое наименование телекоммуникационные программы), можно разделить на три уровня:

низкоуровневые средства по типу языка ассемблера для компьютеров. Широко распространен набор так называемых Hayes-команд компании Hayes Microcomputer Products. Hayes-команды начинаются с префикса AT, за которым следуют буквенно-цифровые обозначения. Существует командный режим, в котором устанавливаются, изменяются или восстанавливаются параметры модема по умолчанию, и режим передачи (рабочий). Вряд ли нужно здесь приводить полный список и описание Hayes-команд. Если есть проблемы с использованием конкретного модема, можно попытаться найти столь же конкретный ответ в одной из конференций Интернет. Если же таких проблем нет, то можно положиться на строки инициализации AT..., "зашитые" в телекоммуникационных программах более высокого уровня;средства, встроенные в ОС, в том числе в MS DOS, Norton Commander и Windows. В MS DOS (различных версий) это команда MODE (настройка параметров), а также команды INTERLNK и INTERSRV (собственно передача). В Norton Commander версии 5.0 можно найти программу Term95 или строчку Terminal Emulation в верхнем меню, вызывающую ту же программу. Теперь настройка параметров и передача вызываются в одной программе и просто входят в разные пункты меню. В русскоязычном Windows 95 (OSR2) в группу программ "Стандартные" входит "Программа связи" (Hyper Terminal). Кроме того, в Windows входит отдельная программа настройки модемов ("Модемы" в "Панели управления"), а также средства подключения к Интернет.

Упомянутые программы, удобнее и "мощнее", чем низкоуровневые команды, однако еще большими возможностями обладают программные средства из следующей группы;"внешние" специализированные программы такие как Lucent Winmodem tune 2.5, VentaFax & Voice 5.5, ChatterBox v1.6 и другие, которые могут поставляться вместе с конкретным модемом (но обычно способны поддерживать работу модемов разных типов) и доступны как свободно распространяемое ПО из Интернет либо на CD.

Ниже перечислены основные установочные параметры телекоммуникационных программ:

скорость передачи в бодах (baudrate). Стоит отметить, что уже в ранних версиях программы Term предусматривалась скорость, много большая, чем это возможно при модемной передаче (до 115 200 бод для программы Term90, версия 2.3). Дело в том, что связь между компьютерами на небольшие расстояния (до 2 и до 15 м при использовании интерфейсов Centronix и RS232C соответственно) может быть организована без участия модемов с помощью так называемых "нуль-модемных" кабелей, соединяющих параллельные или последовательные порты. В случае применения параллельных портов верхняя граница достижимой скорости передачи доходит до 100 Кбайт/с (то есть до 800 Кбод);протоколы передачи (ASCII, Kermit, Xmodem, Ymodem, Zmodem и их разновидности). Здесь под протоколами понимается одна из составляющих этого понятия – формат пакетов. Возможные форматы отличаются по числу бит на символ (для протокола ASCII предусмотрено только 7 бит на символ и, соответственно, возможна передача только текстов, написанных английскими буквами), по длине пакета в байтах и по способу проверки отсутствия ошибок (без проверки, с использованием бита четности/нечетности, контрольной суммы или циклического кода – CRC);управление передачей (flow control).Это вторая часть общепринятого понятия протоколов, включающая простой механизм проверки готовности удаленного устройства типа "запрос – ответ" с помощью пары сигналов, образуемых за счет аппаратных средств (RTS/CTS – уровни сигналов на контактах разъема RS232C) или программно (Xon/Xoff – служебные символы кодовой таблицы ASCII). Считается, что аппаратный способ более надежен, и он необходим для использования с модемами, поддерживающими стандарты сжатия информации v.42/V.42bis и MNP5;эмуляция удаленного терминала (Teletype – TTY, DEC102, ANSI и др.). На экране "местного" компьютера может быть получено изображение, идентичное изображению на мониторе удаленного компьютера.

Структура модема

Одна из возможных структурных схем модема показана на рис. 18.1. Она содержит типовые функциональные узлы обработки и преобразования сигналов, из числа которых намеренно исключены некоторые второстепенные узлы, предназначенные для организации синхронизации и обработки служебных сигналов. Далее узлы, осуществляющие прямое и обратное преобразования в передающей и приемной части модема, рассматриваются попарно.

Рис. 18.1. Структурная схема модема

Кодер/декодер предназначены для защиты от ошибок и "сжатия" данных. Защита от ошибок предполагает включение в пакеты передаваемых данных избыточного циклического кода (CRC), как и в локальных компьютерных сетях (см. раздел "Использование помехоустойчивых кодов для обнаружения ошибок в сети" Лекции 10). При этом в качестве стандартных протоколов, более подробно описывающих форматы данных (в том числе число бит в коде CRC – 16 или 32), используются протоколы серии MNP (Microcom Networking Protocol компании Microcom) или V.42 / V.44 (международный стандарт ITU-T). Протокол V.42bis представляет собой протокол сжатия данных. Если нельзя увеличить пропускную способность линии передачи из-за ограничения, накладываемого теоремой Шеннона, то можно уменьшить избыточность передаваемой текстовой информации, используя свойство повторяемости цепочек символов в словах. Для этого на передающем и приемном конце линии модемы (точнее, их кодеры и декодеры) организуют и поддерживают идентичные динамические словари в виде структур типа дерева с отдельными символами в качестве узлов (см.

рис. 18.2). Достаточно передавать не сами слова, а, фактически, специальным образом описанные (в виде чисел) части словарей (пути в дереве), содержащие требуемые последовательности символов. Так, часть словаря на рис. 18.2 позволяет описать строки символов A, B, BA, BAG, BAR, BI, BIN, C, D, DE, DO и DOG относительно соответствующих корневых узлов.

Рис. 18.2. Пример представления части словаря при работе протокола сжатия V.42bis

Скремблер/дескремблер производят такое преобразование передаваемого и принятого сигналов, которое исключает влияние длинных цепочек из логических нулей или единиц, а также коротких повторяющихся последовательностей на надежность синхронизации в приемной части модема. Скремблер при необходимости "разреживает" такие последовательности за счет принудительно вставляемых логических нулей или единиц, делая преобразованные данные псевдослучайными, а дескремблер удаляет лишние биты, восстанавливая исходный вид данных. Описанная проблема (зависимость качества синхронизации от вида передаваемых данных) существенна, конечно, не только при модемной связи, но и при любых видах обменов цифровыми данными по последовательной линии передачи, в которой не предусмотрена посылка отдельного синхросигнала. Такая ситуация характерна для компьютерных сетей, в которых для решения указанной проблемы вместо простых кодов передачи используются самосинхронизирующиеся коды (типа двухуровневых кодов Манчестер-2 или трехуровневых кодов с высокой плотностью единиц – КВП или BNZS в английском варианте названия).

Эквалайзер включается в приемной части модема и служит для компенсации зависимости группового времени запаздывания в линии от частоты. Для улучшения качества передачи речевых сигналов их спектральные составляющие на разных частотах должны приходить к удаленному модему с одинаковой задержкой. Идеальная компенсация показана на рис. 18.3. На практике в высокоскоростных модемах собственное групповое время запаздывания эквалайзера подстраивается автоматически.

Рис. 18.3. Идеальная компенсация эквалайзером зависимости группового времени запаздывания в линии от частоты

В приемной части модемов, работающих в дуплексном режиме на обычной двухпроводной телефонной линии, требуется осуществлять также эхо-компенсацию. Соответствующий функциональный узел на рис. 18.1 не показан. Проблема состоит в том, что при дуплексном обмене передающий модем может воспринять порожденный им же сигнал, отраженный от другого конца линии, как пришедший от удаленного модема. В стандартах для высокоскоростных модемов (в частности, в стандарте V.34) предусмотрена процедура эхо-компенсации и установлены ограничения на уровень отраженного сигнала (он должен быть меньше полезного сигнала не менее чем на 25...30 дБ) и его максимальную задержку (не более 200...300 мс). Практическая реализация эхо-компенсации в высокоскоростных модемах предусматривает автоматическое определение параметров отраженного сигнала (его амплитуды и задержки) на этапе установления соединения.

Фильтры и усилители на рис.18.1 являются традиционными устройствами при обработке сигналов на фоне шумов и помех и не нуждаются в более подробном описании. В то же время модулятор и демодулятор в модемах реализуют специфические и достаточно сложные методы модуляции, которые рассматриваются в разделе "Методы модуляции, используемые в высокоскоростных модемах".

В современных модемах большая часть функций выполняется программой, управляющей работой цифрового сигнального процессора (ЦСП). Для исключения эффекта наложения спектров принципиально использование непрерывных аналоговых фильтров. Нужны также аналоговые усилители, АЦП и ЦАП для преобразования аналоговых сигналов в цифровые и обратно.