Сетевое оборудование

В любой организации, где есть два и более компьютера, целесообразно объединить их в локальную сеть. Сеть позволяет сотрудникам быстро обмениваться между собой информацией и документами, служит для совместного использования общего доступа в интернет, оборудования и устройств хранения информации.

Для объединения компьютеров понадобится определенное сетевое оборудование. Сетевое оборудование– устройства, из которых состоит компьютерная сеть. Условно выделяют два вида сетевого оборудования:

· Активное сетевое оборудование – оборудование, которое способно обрабатывать или преобразовывать передаваемую по сети информацию. К такому оборудованию относятся сетевые карты, маршрутизаторы, принт-серверы.

· Пассивное сетевое оборудование – оборудование, служащее для простой передачи сигнала на физическом уровне. Это сетевые кабели, коннекторы и сетевые розетки, повторители и усилители сигнала.

Канал связи – это физическая среда передачи информации – важнейшая компонента сети. Основная характеристика канала связи – пропускная способность канала связи (bandwidth) — наибольшая скорость передачи информации по каналу связи. Измеряется числом передаваемых двоичных символов в 1 сек. Скорость передачи зависит от физических свойств канала связи, статистических свойств помех, способа передачи, приема сигналов и др.Например:

· EDGE - до 474 кбит/с

• ADSL - 8 Mбит/с
• FastEthernet - 100 Mбит/с
• WiFi 802.11g - 54 Mбит/с
• Gigabit Ethernet - 1000 Mбит/с

Физическая среда может быть представлена следующими основными вариантами:

§ Витой парой;

§ Коаксиальным кабелем;

§ Многожильным кабелем;

§ Оптическим волокном;

§ Силовым кабелем;

§ Радиоизлучением (радиоканалы образуются с помощью передатчика и приемника радиоволн);

§ Инфракрасным излучением.

Наибольшее распространение среди них в локальной вычислительной сети имеют: витая пара, коаксиальный кабель, оптическое волокно.

Витая пара. Кабели на основе витая пара представляют собой несколько пар скрученных попарно изолированных медных проводов в единственной диэлектрической (пластиковой) оболочке (рис.33). Это кабель имеет две или четыре крученных пары проводов.

Рис.33 Витая пара

Он достаточно гибкий и удобный для прокладки. Скручивание проводов позволяет возвести к минимуму индуктивные наведения кабелей друг на друга и снизить влияние переходных процессов. Кабель типа «витая пара» бывает двух видов: экранированная витая пара и неэкранированная витая пара.

Неэкранированная витая пара характеризуется слабой защищенностью от внешних электромагнитных препятствий, а также от подслушивания, которое может осуществляться с целью, например, промышленного шпионажа. Причем перехват переданной по сети информации возможно как с помощью контактного метода (например, с помощью двух игл, воткнутых в кабель), так и с помощью бесконтактного метода, который сводится к радиоперехвату излучаемых кабелем электромагнитных полей. Причем действие препятствий и величина излучения в паре увеличивается с ростом длины кабеля. Для устранения этих недостатков применяется экранирование кабелей.

В случае экранированной пары каждая из скрученных пар содержится в металлической обертке-экране для уменьшения излучений кабеля, защиты от внешних электромагнитных препятствий и снижения взаимного влияния пар проводов друг на друга (crosstalk– перекрестные наведения). Для того, чтобы экран защищал от препятствий, он должен быть обязательно заземлен. Экранированная крученая пара заметно дороже, чем неэкранированная. Встречается она значительно реже, чем неэкранированная крученая пара.

Кабель типа «неэкранированная витая пара» стал наиболее популярным благодаря своей низкой стоимости, гибкости и простоте инсталляции.

Единственным недостатком такого кабеля является уязвимость к электрическим помехам и «шумам» в линии. Кабели «витая пара» бывают разной категории (3, 4 или 5). Чем выше номер категории, тем большую скорость передачи поддерживает кабель. Для них характерны также жесткие ограничения на длительность и скорость передачи. Скорость от 10 до 155 Мбит/с. Максимальное расстояние, на котором могут быть расположены компьютеры, соединенные этим кабелем, достигает 100 м. Используется в сети типа CamBridgeRing.

Коаксиальный кабель. Прост по конструкции (рис. 34), это кабель с центральной металлической проводящей жилой, вокруг которой находится слой изоляции, оплетенный вторым металлическим проводником, которая в свою очередь покрыта оболочкой.

Рис.34 Коаксиальный кабель

Существуют два типа коаксиальных кабелей: тонкий коаксиальный кабель и толстый коаксиальный кабель. Выбор того или иного кабеля зависит от потребностей конкретной сети.

Тонкий коаксиальный кабель – гибкий кабель диаметром 0,5 см, прост в применении и годиться практически для любого типа сети, относительно недорог. Подключается непосредственно к платам сетевого адаптера компьютера. Данный тип кабеля способен передавать сигнал на расстояние до 185 м без его заметного искажения, вызванного затуханием.

Толстый коаксиальный кабель – относительно жесткий кабель диаметром 1 см., чем толще жила у кабеля (2,17 мм), тем большее расстояние способен преодолеть сигнал (до 500 м - толстый коаксиальный кабель). Иногда этот кабель называют стандартный Ethernet, т.к. он был первым типом кабеля, применявшимся в данной сетевой архитектуре. Толстый коаксиальный кабель обеспечивает хорошие механические и электрические характеристики, но он сложнее в монтаже, т.к. плохо гнется. Толстый коаксиальный кабель дороже тонкого, но при этом передает сигналы на большие расстояния.

Для подключения к толстому коаксиальному кабелю применяют именно внешний трансивер – специальное устройство, подключающее кабель к сети.

Трансивер снабжен специальным коннектором, который назван – «зуб вампира». Этот «зуб» проникает через изоляционный слой и вступает в непосредственный физический контакт с проводящей жилой. Чтобы подключить трансивер к сетевому адаптеру, надо кабель трансивера подключить к коннектору сетевой платы.

Толстый коаксиальный кабель используют для соединения нескольких сетей, построенных на тонком коаксиальном кабеле.

Оптоволоконные кабели (стекловолоконный). Оптоволоконные линии предназначены для перемещения больших объемов данных на очень высоких скоростях, т.к. сигнал в них практически не затухает и не искажается. Передача по оптоволокну не подвержена электрическим помехам и ведется на скоростях до 100 Мбит/с, а теоретически возможная скорость передачи – 200 000 Мбит/с. Скорость распространения информации до 10 Гбит/с, расстояние до 50000 м. Имеют небольшую массу. Невосприимчивы к электрическим помехам, пожаро- и взрывобезопасны.Наиболее дорогостоящее и перспективное соединение для локальных сетей.

Данные распространяются по оптическим волокнам в виде модулированных световых импульсов. Это относительно надежный способ передачи, поскольку электрические сигналы при этом не передаются. Следовательно, оптический кабель нельзя вскрыть и перехватить данные, от чего не застрахован любой кабель, проводящий электрические сигналы.

Состоят волоконные кабели из центрального проводника света(сердцевины) – стеклянного волокна, окруженного другим слоем стекла – оболочкой, обладающей меньшим показателем преломления, чем сердцевина. Распространяясь по сердцевине, лучи не выходят за пределы, отражаясь от покрывающего слоя оболочки.

В зависимости от распределения показателя преломления и от величины диаметра сердечника различают: многомодовое волокно со ступенчатым изменением показателя преломления, многомодовое волокно с плавным изменением показателя преломления, одномодовое волокно (рис.33).

Понятие мода описывает режим распространения световых лучей во внутреннем сердечнике кабеля.

В одномодовом кабеле используется центральный проводник очень малого диаметра, соизмеримого с длиной волны света – от 5 до 10 мкм. При этом практически все лучи света распространяются вдоль оптической оси световода, не отражаясь от внешнего проводника.

Полоса пропускания одномодового кабеля очень широкая – до сотен гигагерц на километр.

Изготовление тонких качественных волокон для одномодового кабеля представляет сложный технологический процесс, что делает одномодовый кабель достаточно дорогим. Кроме того, в волокно такого маленького диаметра достаточно сложно направить пучок света, не потеряв при этом значительную часть его энергии.

Рис. 35 Типы оптического кабеля

В многомодовых кабелях используются более широкие внутренние сердечники, которые легче изготовить технологически. В многомодовых кабелях во внутреннем проводнике одновременно существует несколько световых лучей, отражающихся от внешнего проводника под разными углами. Многомодовые кабели имеют более узкую полосу пропускания от 500 до 800 МГц/км. Сужение полосы происходит из-за потерь световой энергии при отражениях, а также из-за интерференции лучей разных мод. В качестве источников излучения света в волоконно-оптических кабелях применяются:

· светодиоды;

· полупроводниковые лазеры.

Недостаток данного типа кабеля – сложность соединения волокон с разъемами и между собой при необходимости наращивания длины кабеля. Это приводит к удорожанию монтажных работ и применению дорогостоящего монтажного оборудования. Выполнение некачественных соединений сразу резко сужает полосу пропускания волоконно-оптических кабелей и линий.

Применяется волоконно-оптические кабелитам, где возникают электромагнитные помехи или требуется передача информации на очень большие расстояния без использования повторителей (магистрали крупных городских сетей и высокоскоростные линии локальных сетей).

Сетевые адаптеры (сетевые интерфейсные платы, сетевая плата).Периферийное устройство,позволяющее компьютеру взаимодействовать с другими устройствами сети. Используются для подключения компьютеров к кабелю. Функцией адаптера является передача и прием сетевых сигналов из кабеля. Сетевая карта состоит из разъема для сетевого проводника (обычно, витой пары) и микропроцессора, который кодирует/декодирует сетевые пакеты. Типичная сетевая карта представляет собой плату, вставляемую в разъем шины PCI (рис. 36).Вместо внутренней сетевой карты можно использовать внешний сетевой адаптер USB (рис. 37). Он представляет собой переходник USB-LAN и имеет схожие функции со своими PCI-аналогами. Главным достоинством сетевых карт USB является универсальность: без вскрытия корпуса системного блока такой адаптер можно подключить к любому ПК, где есть свободный порт USB. Также USB адаптер будет незаменим для ноутбука, в котором вышел из строя единственный встроенный сетевой разъем, или возникла необходимость в двух сетевых портах.

Рис.36 Внутренний сетевой адаптер

Рис.37 Внешний сетевой адаптер USB

В настоящее время, особенно в персональных компьютерах, сетевые платы довольно часто интегрированы в материнские платы для удобства и удешевления всего компьютера в целом.

Выпускаемые сегодня сетевые адаптеры можно отнести к четвертому поколению. В эти адаптеры обязательно входит ASIC (специализированная микросхема для решения конкретной задачи), выполняющая функции MAC-уровня (англ. MAC-PHY), скорость развита до 1 Гбит/сек, а также есть большое количество высокоуровневых функций. В набор таких функций может входить поддержка агента удаленного мониторинга RMON, схема приоритезации кадров, функции дистанционного управления компьютером и т. п. В серверных вариантах адаптеров почти обязательно наличие мощного процессора, разгружающего центральный процессор. Примером сетевого адаптера четвертого поколения может служить адаптер компании 3Com Fast EtherLink XL 10/100.

Повторитель(repeater) – устройство для соединения сегментов одной сети. С целью увеличения общей длины сети и количества подключенных узлов. Обеспечивает промежуточное усиление и формирование сигналов. Например, если использовать в локальной сети кабель витая пара длиной более 100 метров, повторители должны устанавливаться в разрыв кабеля через каждые 100 метров

Питание повторителей обычно осуществляется по тому же кабелю. С помощью повторителей можно соединить сетевым кабелем несколько отдельно стоящих зданий

Концентратор (хаб, hub)– устройство множественного доступа, выполняющее роль центральной точки соединения в топологии «физическая звезда». Другое определение данного устройства. Концентратор - устройство физического подключения нескольких сегментов или лучей, обычно с возможностью соединения сетей различных архитектур.

Его функция – объединение пользователей в один сетевой сегмент. При применении концентратора все пользователи делят между собой полосу пропускания сети. Пакет, пришедший по одному из портов концентратора, рассылается во все другие порты, которые анализируют этот пакет. При увеличении числа пользователей начинается конкуренция за полосу пропускания, что замедляет трафик сети.

Коммутатор (switch) – многопортовое устройство, обеспечивающее высокоскоростную коммутацию пакетов между портами. Это более “интеллектуальные” устройства, где есть свой процессор, внутренняя шина и буферная память.

В отличие от концентратора, коммутаторы передают пакеты только целевому устройству (адресату), так как знают физический адрес каждого подключенного устройства. В результате понижается трафик и повышается общая пропускная способность.

Коммутатор может работать на скорости 10, 100 или 1000 Мбит/с. Это, а также установленные на компьютерах сетевые карты, определяет скорость сегмента сети. Другая характеристика коммутатора – количество портов. От этого зависит количество сетевых устройств, которые можно подключить к коммутатору. Помимо компьютеров, ими являются принт-серверы, модемы, сетевые дисковые накопители и другие устройства с LAN-интерфейсом.

При проектировании сети и выборе коммутатора нужно учитывать возможность расширения сети в дальнейшем – лучше приобретать коммутатор с несколько большим количеством портов, чем число компьютеров в вашей сети на данный момент. Кроме того, один порт нужно держать свободным на случай объединения с другим коммутатором. В настоящее время коммутаторы соединяются обычной витой парой пятой категории, точно такой же, которая используется для подключения каждого компьютера сети к коммутатору.

Маршрутизатор(router) – средство обеспечения связи между узлами различных сетей на основе сетевых адресов. Перемещают данные, выявляя оптимальный маршрут от отправителя к получателю.

Маршрутизаторы применяют для объединения сетей разных типов, зачастую несовместимых по архитектуре и протоколам (например, для подсоединения Ethernet к сети WAN). Также маршрутизатор используется для обеспечения доступа из локальной сети в глобальную сеть Интернет, осуществляя при этом функции межсетевого экрана.

Маршрутизатор может быть представлен не только в аппаратном виде, но и в программном. Любой компьютер сети, на котором установлено соответствующее программное обеспечение, может служить маршрутизатором.

Шлюз(gateway) – средство соединения существенно разнородных сетей (нескольких локальных сетей, работающих по разным протоколам). Выполняет преобразование форматов и размеров пакетов, преобразование протоколов. Аппаратное обеспечение шлюза открывает «конверт» каждого пакета, извлекает его компоненты и помещает их в новый конверт, адресуя его соответствующим образом для перемещения по следующему участку сети. Шлюзы могут быть как аппаратными, так и программными. Например, это может быть специальный компьютер (шлюзовый сервер), а может быть компьютерная программа. В последнем случае компьютер может выполнять не только функцию шлюза, но и функции типичные для рабочей станции.

Мост(bridge) – связывает две локальные сети. Передает данные между двумя сетями в пакетном виде, не производя в них никаких изменений.

Модем.Модемы широко применяются для связи компьютеров через телефонную сеть (телефонный модем), кабельную сеть (кабельный модем), радиоволны.

По исполнению модемы бывают:

· Внешние – подключаются через COM-, LPT-, USB- или Ethernet-порт, обычно имеют отдельный блок питания (существуют и USB-модемы с питанием от шины USB).

· Внутренние – дополнительно устанавливаются внутрь системного блока (в слот ISA, PCI, PCI-E).

· Встроенные – являются частью устройства материнской платы.

По типу сети и соединения:

· Модемы длятелефонных линий:

ü Модемы для коммутируемых телефонных линий — наиболее распространённый в XX веке и 2000-х годах тип модемов. Используют коммутируемый удалённый доступ.

ü ISDN — модемы для цифровых коммутируемых телефонных линий.

ü DSL — используются для организациивыделенных(некоммутируемых) линий средствами обычной телефонной сети. Отличаются от коммутируемых модемов тем, что используют другойчастотный диапазон, а также тем, что по телефонным линиям сигнал передается только доАТС. Обычно позволяют одновременно с обменом данными осуществлять использование телефонной линии для переговоров.

· Кабельные модемы — используются для обмена данными по специализированным кабелям — к примеру, через кабель коллективного телевиденияпо протоколуDOCSIS.

· Радиомодемы — работают в радиодиапазоне, используют собственные наборы частот и протоколы:

ü Беспроводные модемы — работают по протоколамсотовой связи (GPRS,EDGE,3G,LTE) илиWi-Fi. Часто имеют исполнения в видеUSB-брелока. В качестве таких модемов также часто используюттерминалы мобильной связи.

ü Спутниковые модемы — используются для организацииспутникового Интернета. Принимают и обрабатывают сигнал, полученный соспутника.

· PowerLine-модемы(стандартHomePlug) — используют технологию передачи данных по проводам бытовой электрической сети.

Наиболее распространенным и доступным видом связи является телефонная, позволяющая осуществлять связь по коммутируемым или выделенным каналам. Так как в телефонной линии связи используется передача аналоговой информации, в ЭВМ работает с дискретной (цифровой), то для обеспечения интерфейса обоих типов информации используются специальные устройства – модемы, осуществляющие модуляцию дискретного сигнала в аналоговый и обратную операцию демодуляции. Модемы относительно компоновки с ЭВМ могут быть как встроенные, так и внешние, но в любом случае они являются посредниками между ЭВМ и телефонной линией связи.

Два способа передачи информации через модем: асинхронный и синхронный.

Асинхронный: каждый передаваемый символ это пакет из 11 бит: 1 бит начальный, затем восемь бит кода символа, бит контроля на четн/нечетн. и конечный бит.

Синхронный: символы передаются блоками. Блок открывается двумя синхросимволами, затем восьмибитные коды нескольких символов, затем контрольные биты и два конечных синхросимвола.

Асинхронный тип прост и дешев, используется широко, однако он медленный. Поэтому в последнее время находит распространение синхронный способ.

Режим направленности передачи информации определяет степень загрузки линии связи. Модемы допускают три режима передачи: симплексный, полудуплексный, дуплексный.

Симплексный режим характеризуется однонаправленностью передачи информации и используется в системах сбора и регистрации информации, поступающей только в одном направлении к ЭВМ от внешнего устройства.

Полудуплексный режим характеризуется двухсторонним потоком информации, но в каждый момент времени передача производится только в одном направлении. Используется для обмена информацией между ПК и удаленными терминалами.

Дуплексный режим – однонаправленная передача в обоих направлениях.

Для нормальной деятельности, работающие в паре модемы должны делать операции модуляции/демодуляции одинаковым образом, иначе информация, передаваемая между ними будет необратимо искажена. Для унификации правил обмена информацией между модемами приняты несколько протоколов физического (модемного) уровня, которые определяют взаимодействие между модемами: V.21, V.22, V.22 bis, V3.2, V90. каждый протокол имеет целый набор отличающих его критериев: тип и параметры модуляции, наличие или отсутствие дуплексной связи. Пользователям важны такие параметры как максимальная скорость и набор поддерживаемых скоростей передачи данных, надежность протокола. Современные стандарты могут предложить 33,6 Кбит/с и 56Кбит/с.

Контрольные вопросы для самоподготовки студентов

1. Определение компьютерной сети.

1. Что такое клиент?
2. Что такое сервер?
3. Назначение компьютерных сетей. Классификация компьютерных сетей.
4. Понятие топологии.
5. Базовые топологии компьютерных сетей.
6. Аппаратные компоненты компьютерной сети. Линии связи, сетевые адаптеры, повторители, концентраторы, маршрутизаторы, мосты, шлюзы и модемы.