Искажение сигналов возникающее при одновременной передаче двух или нескольких компьютеров

Обновлено: 05.07.2024

1. Назначение компьютерных сетей, их основные компоненты.

2. Классификация КС

1. Виды компьютерных сетей

2. Типы компьютерных сетей

3. Топология компьютерных сетей

4. Преимущества компьютерных сетей

Назначение компьютерных сетей, их основные компоненты

Современное производство, деловая сфера и другие области деятельности человека

требуют высоких скоростей обработки информации, удобных форм ее хранения и

передачи. Для этих целей и создаются компьютерные сети.

Компьютерные сети – совокупности компьютеров, соединенных с помощью

каналов связи в единую систему.

Сервер (англ. server) — компьютер, подключенный к сети и обеспечивающий ее

пользователей (клиентов) определенными услугами.

Рабочая станция (PC англ. workstation) — подключенный к сети компьютер,

через который пользователь получает доступ к ее ресурсам.

Абоненты сети – объекты, генерирующие или потребляющие информацию.

Абонентами сети могут быть отдельные ЭВМ, промышленные роботы, станки с ЧПУ

(станки с числовым программным обеспечением) и т.д. Любой абонент сети подключен к

Станция – аппаратура, которая выполняет функции, связанные с передачей и

Для организации взаимодействия абонентов и станции необходима

физическая передающая среда.

Физическая передающая среда – линии связи или пространство, в котором

распространяются электрические сигналы, и аппаратура передачи данных.

На базе физической передающей среды строится коммуникационная сеть. Таким

образом, компьютерная сеть – это совокупность абонентских систем и

Основные компоненты коммуникационной сети:

таблица, ответ на запрос, текст, изображение);

4. средства передачи (физическая передающая среда и специальная

аппаратура, обеспечивающая передачу информации).

Режимы передачи, передающая среда

Компьютерные сети предназначены для оказания услуг по связи и передаче

данных, различаются типами связи, каналами связи, средой реализации связи, скоростью

передачи (пропускной способностью).

каналам связи используются понятия:

1. режим передачи;

3. тип синхронизации.

Существуют три режима передачи:

1. симплексный – это передача данных только в одном направлении;

2. полудуплексный – это попеременная передача информации, когда источник и

приемник последовательно меняются местами;

При передаче данных, также как и при хранении или обработке, используется

специальное кодирование. Оно осуществляется с помощью стандартных таблиц ASCII

(стандартный американский код для обмена информацией) и UNICODE (универсальный

код). Так, в стандартной кодировке ASCII для представления любого символа

используются 7 битов (двоичных разрядов), в UNICODE для кодирования символа

используются уже 16 или 32 бита.

Процессы передачи и приема информации в вычислительных сетях могут быть

привязаны к определенным временным промежуткам. Один процесс может начинаться

только после того, как полностью получит данные от другого процесса. Такие процессы –

синхронные. Если такой привязки нет, то процессы – асинхронные.

Синхронизация данных – согласование различных процессов во времени.

Чтобы обеспечить передачу информации с компьютера в коммуникационную

среду, необходимо согласовать сигналы внутреннего интерфейса компьютера с

параметрами сигналов, передаваемых по каналам связи. Технические устройства,

выполняющие функции сопряжения компьютера с каналами связи, называются

адаптерами или сетевыми адаптерами.

Физическая передающая среда представлена в локальных сетях тремя типами

Классификация компьютерных сетей

Виды компьютерных сетей

В централизованной вычислительной сети обработка данных

осуществляется одной центральной ВМ.

В распределенной вычислительной сети обработка данных выполняется на независимых, но связанных между собой компьютерах.

По радиусу действия ВС делятся на :

1. Персональные сети (до 10 м)

2. Локальные сети (до нескольких км)

3. Региональные сети (до 100 км)

4. Глобальные сети (соединяет континенты)

Персональные вычислительные сети

Персональные вычислительные сети, ПВС (англ. Personal Area Network,

PAN) используются для передачи информации на небольшие (до 10 м) расстояния

между компактно расположенными группами устройств персонального пользования

(компьютеры, КПК, цифровые фотоаппараты, мобильные телефоны и др.).

Локальные вычислительные сети

Локальные вычислительные сети, ЛВС (англ. Area Network, LAN)

объединяют ВМ, расположенные на расстоянии нескольких км. К этому классу относят

сети отдельных предприятий.

Локальная сеть объединяет абонентов, расположенных в пределах небольшой территории, обычно не более 2-2,5 км. Локальные компьютерные сети позволяют организовать работу отдельных предприятий и учреждений, в том числе и образовательных, решить задачу организации доступа к общим техническим и информационным ресурсам.

Региональные вычислительные сети

Региональные вычислительные сети, РВС (англ. Metropolitan Area

Network, MAN) объединяют ВМ, расположенные на расстоянии до несколько сотен км.

К этому классу относят сети, объединяющие компьютеры внутри большого города,

экономического района, отдельной страны.

Глобальные вычислительные сети

Глобальные вычислительные сети, ГВС (англ. Wide Area Network, WAN)

объединяют компьютеры, расположенные в различных странах, на различных

континентах. Взаимодействие в такой сети может осуществляться на базе телефонных

линий связи, радиосвязи и систем спутниковой связи. Глобальные компьютерные сети

позволяют решить проблему объединения информационных ресурсов всего человечества

и организации доступа к этим ресурсам.

ЛВС могут входить как компоненты в состав РВС, а РВС — объединяться в ГВС.

Различные ГВС могут образовывать сложные структуры, например ИНТЕРНЕТ.

Интернет не является единственной существующей глобальной вычислительной

сетью. В настоящее время функционируют ряд коммерческих и образовательных

глобальных сетей : Bitnet, SprintNet, CompuServe, FidoNet. Эти сети отличаются от

Интернета устройством и применяемыми для работы протоколами. Однако, существуют

шлюзы, позволяющие пересылать информацию между этими сетями, в частности, в виде

документов электронной почты.

Типы компьютерных сетей

По принципам организации обмена информацией локальные сети делят на

одноранговые и сети с выделенным сервером.

В одноранговой сети (англ. peer-to-peer — порт к порту) нет единого центра

управления рабочими станциями и нет единого устройства хранения данных.

Одноранговая сеть является наиболее простым и дешевым вариантом объединения

нескольких компьютеров. Главным образом это связано с тем, что основные

операционные системы наделены всеми необходимыми функциями, позволяющими

построить одноранговую сеть. К тому же для создания такой сети требуется минимальное

дополнительное оборудование: по одной сетевой карте на каждый компьютер и

соединяющий их коаксиальный сетевой кабель.

Все машины одноранговой сети равноправны. Здесь нет компьютера, называемого

сервером и служащего для хранения информации, администрирования прав пользователей

и сетевых ресурсов. В результате мы имеем простейшую горизонтальную структуру.

Пользователи одноранговой сети могут получить практически неограниченный доступ к

ресурсам своих машин.

Сеть с выделенным сервером

Сервер представляет собой высокопроизводительный компьютер, которому

переданы основные функции управления сетью. Посредством сетевого кабеля через

специальное устройство, называемого концентратором или хабом, к нему подключаются

отдельные компьютеры, именуемые рабочими станциями, или узлами. При этом на

сервер возлагаются разнообразные задачи управления ресурсами сети, включая доступ к

сетевым дискам, принтерам или модемам. Здесь могут храниться общие базы данных и

определяться права доступа к ним пользователей.

В сети с выделенным сервером один из компьютеров (сервер сети)

выполняет функции управления взаимодействием между ПК (персональными компьютерами), хранения данных, предназначенных для использования всеми ПК и ряд сервисных функций.

Оба вида сетей имеют и достоинства и недостатки.

Достоинства одноранговых сетей

1. высо кая надежность;

2. прозрачность работы сети для пользователя;

3. низкая стоимость;

4. простота управления по сравнению с сетями с выделенным сервером.

Недостатки одноранговых сетей

1. зависимость эффективности работы от количества станций;

2. сложнос ть обеспечения защиты информации;

3. трудности обновления и изменения программного обеспечения станций.

Достоинства сетей с выделенным сервером

1. надежная система защиты информации;

2. высокое быстродействие;

3. отсутствие ограничений на число рабочи х станций.

Недостатки сетей с выделенным сервером

1. более высокая стоимость, т.к. нужно выделять один компьютер под сервер;

2. меньшая гибкость по сравнению с одноранговыми сетями.

Если выход из строя одного компьютера в одноранговой сети не влияет на работу

сети в целом, то выход из строя сервера делает обмен информацией между остальными

компьютерами сети с выделенным сервером невозможным.

Топология компьютерных сетей

По принципу организации передачи данных сети можно разделить на:

1. Последовательные — передача данных выполняется последовательно от

одного узла к другому, и каждый узел транслирует принятые данные дальше. К этому типу

относятся все глобальные, региональные и многие локальные сети;

2. Широковещательные — в каждый момент времени передачу ведет

только один узел, остальные узлы только принимают информацию. К этому типу сетей

относится значительная часть ЛВС, использующая один общий канал связи (моноканал)

или одно общее пассивное коммутирующее устройство.

По типу коммуникационной среды сети можно разделить на:

1. Сети с моноканалом — данные могут следовать только по одному пути.

Все пакеты доступны всем абонентам сети, но использовать пакет может только абонент,

чей адрес указан в пакете. Такие сети называют также сетями с селекцией

2. Сети с маршрутизацией информации — в процессе передачи данных в

каждом узле происходит выбор пути дальнейшего движения.

Способ соединения компьютеров в сеть называют топологией сети, а правила

обмена данными называют протоколом.

Понятие топология характеризует тип и способ соединения компьютеров в сети.

Выбор топологии определяется, в частности, планировкой помещения, в котором

разворачивается сеть. Кроме того, большое значение имеют затраты на приобретение и

установку сетевого оборудования.

Основные виды топологии ЛС:

Шинной называется такая топология, когда к незамкнутому каналу (шине)

поочередно подключаются компьютеры, которые называются сетевыми узлами или

Шинная топология предусматривает соединение компьютеров посредством одного

кабеля. Аналогично шине данных в ПК сетевой кабель становится определяющим

элементом такой сети. Отсюда такое название топологии.

Благодаря своей простоте шинная топология снижает расход кабеля, что

соответственно уменьшает общие расходы на оборудование ЛВС. Другим ее

преимуществом является удобство расширения, выражающееся в том, что подключение и

отключение машин не требует прерывания работы сети.

К сожалению, шинная топология имеет и ряд существенных недостатков.

Незначительный дефект кабеля может парализовать работу всей сети. С другой стороны, в

этом случае довольно сложно отследить как брак, допущенный во время монтажа сети

(обрыв и перегиб кабеля), так и неполадки, возникающие при эксплуатации (например,

недостаточно плотное вхождение кабеля в разъемы).

Еще один недостаток – малая пропускная способность передачи данных и

конфликты при передаче данных.

Кольцевой называется топология, когда информация передается от абонента к

абоненту по замкнутому каналу (кольцу) только в одном направлении.

Топология типа «кольцо», или кольцеобразная топология, предусматривает

объединение всех компьютеров с помощью кабельной системы, имеющей форму

замкнутого контура. Преимущество ее в простоте развертывания сети, но при этом

сохраняются и описанные выше недостатки. В частности, повреждение кабеля на участке

между двумя компьютерами ЛВС приводит к выходу из строя всей кольцеобразной сети.

Сохраняется и возможность конфликтов при передаче данных.

По этой причине кольцеобразная топология в чистом виде почти нигде не

Звездообразной называется топология, при которой компьютеры соединены между

собой не непосредственно, а через специальное устройство – концентратор, или хаб.

Топология типа «звезда», или звездообразная топология, представляет собой более

дорогостоящую, но и более производительную структуру. В этом случае каждый

компьютер, в том числе и сервер, соединяется сегментом кабеля с центральным

Основным преимуществом такой топологии является ее устойчивость к сбоям,

возникающим вследствие неполадок на отдельных ПК или из-за повреждения сетевого

кабеля. В этом случае только компьютер, находящийся в несправном сегменте, не сможет

участвовать в обмене данными по сети, а на работу остальных машин этот отказ никак не

Еще одним преимуществом схемы является ее большая производительность,

обусловленная высокой скоростью передачи информации. Работу с такой скоростью

выдерживает и кабель на основе витой пары.

Можно сказать, что топология сетей – это геометрическая схема соединения узлов

Одной их характеристик сети является ее надежность. С точки зрения надежности,

предпочтительнее топология звезда, т.к. при выходе из строя какого-либо участка сети,

например, сетевого кабеля, остальная сеть остается работоспособной в отличие от

топологий шина и кольцо.

Однако из-за наличия концентратора такая сеть может оказаться дороже, да и

ремонт или замена концентратора дороже замены вышедшего из строя куска кабеля и, как

правило, занимает больше времени.

Основная функция концентратора состоит в объединении пользователей в один

сетевой сегмент. Кроме этого, данные устройства могут обеспечивать функции

центрального узла сети, осуществляющего задачу управления, играть важную роль в

системе защиты сети и поддерживать целый ряд стандартов. Концентраторы бывают

разных видов и размеров и могут работать как в сети, состоящей из нескольких

компьютеров в школьном кабинете информатики или небольшой фирме, так и в сети с

сотнями компьютеров, охватывающей комплекс зданий.

Компьютер подключается к сети с помощью сетевой карты (сетевого адаптера).

Сетевая карта устанавливается в один из свободных слотов материнской платы.

Использование топологий

К достоинствам такой сети относится то, что ее легко расширять и

адаптировать к различным системам, она устойчива к неисправностям на отдельных

узлах. Недостатки шинной топологии — загруженность канала связи и слабая

2.В сети с кольцевой топологией все узлы соединены каналами связи в единое замкнутое кольцо (петлю). Передача данных производится от узла к узлу в одном направлении, причем каждый узел ее ретранслирует.

Достоинство такой топологии — простота подключения новой ВМ к сети.

Недостатки кольцевой топологии — загруженность канала связи, слабая

3. В сети с радиальной (звездообразной) топологией вся информация передается через центральный узел. В случае с активным центром (сервером, маршрутизатором), он ретранслирует, переключает и маршрутизирует информационные потоки в сети. К серверу подключаются рабочие станции с независимыми каналами связи.

Достоинство радиальной топологии с активным центром — простота

подключения новой ВМ к сети, хорошая защищенность информации, большая пропускная

Недостатки этой топологии : большая загруженность сервера;

полная потеря работоспособности сети при отказе сервера; большая протяженность

линий связи; отсутствие гибкости в выборе пути передачи информации.

Используются и широковещательные радиальные сети с пассивным центром.

Вместо центрального сервера в таких сетях устанавливается коммутирующее

устройство (концентратор) обеспечивающий подключение одного передающего канала

сразу ко всем остальным. Недостатками топологии по сравнению с радиальной

топологией с активным центром являются меньшая пропускная способность, и слабая

защищенность передаваемой информации.

Полносвязные, иерархические и сети со смешанной топологией в процессе

передачи данных в каждом узле пути требуют выбора дальнейшего движения

В структуре такой сети можно выделить коммуникационную и абонентскую

подсети. Коммуникационная подсеть является ядром ВС, связывающим PC и серверы сети

друг с другом. Звенья коммуникационной подсети (узлы коммутации) связаны между

собой магистральными каналами связи, обладающими высокой пропускной

способностью. В больших сетях коммуникационную подсеть называют сетью передачи

Звенья абонентской подсети (серверы, рабочие станции) подключаются к узлам

коммутации абонентскими (среднескоростными) каналами связи.

Вопросы и задания

1. Чем отличаются централизованные и распределенные ВС?

2. Дайте классификацию ВС по радиусу действия.

3. Дайте определения сервера и рабочей станции.

4. Как осуществляется взаимодействие компьютеров в одноранговой сети?

5. Как осуществляется взаимодействие компьютеров в сети с выделенным сервером?

6. Чем отличаются последовательные и широковещательные ВС?

7. Чем отличаются сети с моноканалом от сетей с маршрутизацией информации?

8. Что такое топология сети?

9. Опишите топологии «шина», «кольцо».

10. В чем отличие топологий «звезда» с активным и пассивным центром?

Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.

Метод доступа CSMA/CD

В сетях Ethernet используется метод доступа к среде передачи данных, называемый методом коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий (carrier-sense-multiply-access with collision detection, CSMA/CD).

Этот метод применяется исключительно в сетях с логической общей шиной (к которым относятся и радиосети, породившие этот метод). Все компьютеры такой сети имеют непосредственный доступ к общей шине, поэтому она может быть использована для передачи данных между любыми двумя узлами сети. Одновременно все компьютеры сети имеют возможность немедленно (с учетом задержки распространения сигнала по физической среде) получить данные, которые любой из компьютеров начал передавать на общую шину. Простота схемы подключения - это один из факторов, определивших успех стандарта Ethernet. Говорят, что кабель, к которому подключены все станции, работает в режиме коллективного доступа (Multiply Access, MA).

Этапы доступа к среде

Все данные, передаваемые по сети, помещаются в кадры определенной структуры и снабжаются уникальным адресом станции назначения.
Чтобы получить возможность передавать кадр, станция должна убедиться, что разделяемая среда свободна. Это достигается прослушиванием основной гармоники сигнала, которая также называется несущей частотой (carrier-sense, CS). Признаком незанятости среды является отсутствие на ней несущей частоты, которая при манчестерском способе кодирования равна 5-10 МГц, в зависимости от последовательности единиц и нулей, передаваемых в данный момент.

Все станции, подключенные к кабелю, могут распознать факт передачи кадра, и та станция, которая узнает собственный адрес в заголовках кадра, записывает его содержимое в свой внутренний буфер, обрабатывает полученные данные, передает их вверх по своему стеку, а затем посылает по кабелю кадр-ответ. Адрес станции источника содержится в исходном кадре, поэтому станция-получатель знает, кому нужно послать ответ.

Узел2 во время передачи кадра узлом 1 также пытался начать передачу своего кадра, однако обнаружил, что среда занята - на ней присутствует несущая частота, - поэтому узел 2 вынужден ждать, пока узел 1 не прекратит передачу кадра.

После окончания передачи кадра все узлы сети обязаны выдержать технологическую паузу (Inter Packet Gap) в 9,6 мкс. Эта пауза, называемая также межкадровым интервалом, нужна для приведения сетевых адаптеров в исходное состояние, а также для предотвращения монопольного захвата среды одной станцией. После окончания технологической паузы узлы имеют право начать передачу своего кадра, так как среда свободна. Из-за задержек распространения сигнала по кабелю не все узлы строго одновременно фиксируют факт окончания передачи кадра узлом 1.

В приведенном примере узел2 дождался окончания передачи кадра узлом 1, сделал паузу в 9,6 мкс и начал передачу своего кадра.

Возникновение коллизии

При описанном подходе возможна ситуация, когда две станции одновременно пытаются передать кадр данных по общей среде. Механизм прослушивания среды и пауза между кадрами не гарантируют от возникновения такой ситуации, когда две или более станции одновременно решают, что среда свободна, и начинают передавать свои кадры. Говорят, что при этом происходит коллизия (collision),так как содержимое обоих кадров сталкивается на общем кабеле и происходит искажение информации - методы кодирования, используемые в Ethernet, не позволяют выделять сигналы каждой станции из общего сигнала.

Коллизия - это нормальная ситуация в работе сетей Ethernet. В примере, изображенном на рисунке ниже, коллизию породила одновременная передача данных узлами 3 и 1. Для возникновения коллизии не обязательно, чтобы несколько станций начали передачу абсолютно одновременно, такая ситуация маловероятна. Гораздо вероятней, что коллизия возникает из-за того, что один узел начинает передачу раньше другого, но до второго узла сигналы первого просто не успевают дойти к тому времени, когда второй узел решает начать передачу своего кадра. То есть коллизии - это следствие распределенного характера сети.

Чтобы корректно обработать коллизию, все станции одновременно наблюдают за возникающими на кабеле сигналами. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется обнаружение коллизии (collision detection, CD).Для увеличения вероятности скорейшего обнаружения коллизии всеми станциями сети станция, которая обнаружила коллизию, прерывает передачу своего кадра (в произвольном месте, возможно, и не на границе байта) и усиливает ситуацию коллизии посылкой в сеть специальной последовательности из 32 бит, называемой jam-последовательностью.

После этого обнаружившая коллизию передающая станция обязана прекратить передачу и сделать паузу в течение короткого случайного интервала времени. Затем она может снова предпринять попытку захвата среды и передачи кадра. Случайная пауза выбирается по следующему алгоритму:

Пауза = L *(интервал отсрочки),

где интервал отсрочки равен 512 битовым интервалам (в технологии Ethernet принято все интервалы измерять в битовых интервалах; битовый интервал обозначается как bt и соответствует времени между появлением двух последовательных бит данных на кабеле; для скорости 10 Мбит/с величина битового интервала равна 0,1 мкс или 100 нс);

L представляет собой целое число, выбранное с равной вероятностью из диапазона [0, 2N], где N - номер повторной попытки передачи данного кадра: 1,2. 10.

После 10-й попытки интервал, из которого выбирается пауза, не увеличивается. Таким образом, случайная пауза может принимать значения от 0 до 52,4 мс.

Если 16 последовательных попыток передачи кадра вызывают коллизию, то передатчик должен прекратить попытки и отбросить этот кадр.

Из описания метода доступа видно, что он носит вероятностный характер, и вероятность успешного получения в свое распоряжение общей среды зависит от загруженности сети, то есть от интенсивности возникновения в станциях потребности в передаче кадров. При разработке этого метода в конце 70-х годов предполагалось, что скорость передачи данных в 10 Мбит/с очень высока по сравнению с потребностями компьютеров во взаимном обмене данными, поэтому загрузка сети будет всегда небольшой. Это предположение остается иногда справедливым и по сей день, однако уже появились приложения, работающие в реальном масштабе времени с мультимедийной информацией, которые очень загружают сегменты Ethernet. При этом коллизии возникают гораздо чаще. При значительной интенсивности коллизий полезная пропускная способность сети Ethernet резко падает, так как сеть почти постоянно занята повторными попытками передачи кадров. Для уменьшения интенсивности возникновения коллизий нужно либо уменьшить трафик, сократив, например, количество узлов в сегменте или заменив приложения, либо повысить скорость протокола, например перейти на Fast Ethernet.

Следует отметить, что метод доступа CSMA/CD вообще не гарантирует станции, что она когда-либо сможет получить доступ к среде. Конечно, при небольшой загрузке сети вероятность такого события невелика, но при коэффициенте использования сети, приближающемся к 1, такое событие становится очень вероятным. Этот недостаток метода случайного доступа - плата за его чрезвычайную простоту, которая сделала технологию Ethernet самой недорогой. Другие методы доступа - маркерный доступ сетей Token Ring и FDDI, метод Demand Priority сетей 100VG-AnyLAN - свободны от этого недостатка.

Время двойного оборота и распознавание коллизий

Для надежного распознавания коллизий должно выполняться следующее соотношение:

где Тmin- время передачи кадра минимальной длины, a PDV - время, за которое сигнал коллизии успевает распространиться до самого дальнего узла сети. Так как в худшем случае сигнал должен пройти дважды между наиболее удаленными друг от друга станциями сети (в одну сторону проходит неискаженный сигнал, а на обратном пути распространяется уже искаженный коллизией сигнал), то это время называется временем двойного оборота (Path Delay Value, PDV).

При выполнении этого условия передающая станция должна успевать обнаружить коллизию, которую вызвал переданный ее кадр, еще до того, как она закончит передачу этого кадра.

Очевидно, что выполнение этого условия зависит, с одной стороны, от длины минимального кадра и пропускной способности сети, а с другой стороны, от длины кабельной системы сети и скорости распространения сигнала в кабеле (для разных типов кабеля эта скорость несколько отличается).

Все параметры протокола Ethernet подобраны таким образом, чтобы при нормальной работе узлов сети коллизии всегда четко распознавались. При выборе параметров, конечно, учитывалось и приведенное выше соотношение, связывающее между собой минимальную длину кадра и максимальное расстояние между станциями в сегменте сети.

В стандарте Ethernet принято, что минимальная длина поля данных кадра составляет 46 байт (что вместе со служебными полями дает минимальную длину кадра 64 байт, а вместе с преамбулой - 72 байт или 576 бит). Отсюда может быть определено ограничение на расстояние между станциями.

Итак, в 10-мегабитном Ethernet время передачи кадра минимальной длины равно 575 битовых интервалов, следовательно, время двойного оборота должно быть меньше 57,5 мкс. Расстояние, которое сигнал может пройти за это время, зависит от типа кабеля и для толстого коаксиального кабеля равно примерно 13 280 м. Учитывая, что за это время сигнал должен пройти по линии связи дважды, расстояние между двумя узлами не должно быть больше 6 635 м. В стандарте величина этого расстояния выбрана существенно меньше, с учетом других, более строгих ограничений.

Одно из таких ограничений связано с предельно допустимым затуханием сигнала. Для обеспечения необходимой мощности сигнала при его прохождении между наиболее удаленными друг от друга станциями сегмента кабеля максимальная длина непрерывного сегмента толстого коаксиального кабеля с учетом вносимого им затухания выбрана в 500 м. Очевидно, что на кабеле в 500 м условия распознавания коллизий будут выполняться с большим запасом для кадров любой стандартной длины, в том числе и 72 байт (время двойного оборота по кабелю 500 м составляет всего 43,3 битовых интервала). Поэтому минимальная длина кадра могла бы быть установлена еще меньше. Однако разработчики технологии не стали уменьшать минимальную длину кадра, имея в виду многосегментные сети, которые строятся из нескольких сегментов, соединенных повторителями.

Повторители увеличивают мощность передаваемых с сегмента на сегмент сигналов, в результате затухание сигналов уменьшается и можно использовать сеть гораздо большей длины, состоящую из нескольких сегментов. В коаксиальных реализациях Ethernet разработчики ограничили максимальное количество сегментов в сети пятью, что в свою очередь ограничивает общую длину сети 2500 метрами. Даже в такой многосегментной сети условие обнаружения коллизий по-прежнему выполняется с большим запасом (сравним полученное из условия допустимого затухания расстояние в 2500 м с вычисленным выше максимально возможным по времени распространения сигнала расстоянием 6635 м). Однако в действительности временной запас является существенно меньше, поскольку в многосегментных сетях сами повторители вносят в распространение сигнала дополнительную задержку в несколько десятков битовых интервалов. Естественно, небольшой запас был сделан также для компенсации отклонений параметров кабеля и повторителей.

В результате учета всех этих и некоторых других факторов было тщательно подобрано соотношение между минимальной длиной кадра и максимально возможным расстоянием между станциями сети, которое обеспечивает надежное распознавание коллизий. Это расстояние называют также максимальным диаметром сети.

С увеличением скорости передачи кадров, что имеет место в новых стандартах, базирующихся на том же методе доступа CSMA/CD, например Fast Ethernet, максимальное расстояние между станциями сети уменьшается пропорционально увеличению скорости передачи. В стандарте Fast Ethernet оно составляет около 210 м, а в стандарте Gigabit Ethernet оно было бы ограничено 25 метрами, если бы разработчики стандарта не предприняли некоторых мер по увеличению минимального размера пакета.

В табл. 1 приведены значения основных параметров процедуры передачи кадра стандарта 802.3, которые не зависят от реализации физической среды. Важно отметить, что каждый вариант физической среды технологии Ethernet добавляет к этим ограничениям свои, часто более строгие ограничения, которые также должны выполняться и которые будут рассмотрены ниже.

Воспитательные: воспитывать коммуникативную культуру.

Урок рассчитан на 90 минут.

План урока:

Организационный момент – 3 мин.
Повторение ранее изученного материала – 10 мин.
Решение кроссворда (фронтальная работа) – 12 мин.
Ответы на вопросы теста (самостоятельная работа) – 20 мин.
Практическая работа «Оценка расходов на построение сети» (работа в парах) – 45 мин.
Подведение итогов занятия

ХОД УРОКА

1. Сегодня у нас последний, завершающий урок, посвященный основам компьютерных сетей. В течение довольно длительного времени мы изучали способы и приемы подключения и настройки сетевого оборудования, а также виды сетевых топологий. Применяли полученные знания и умения при выполнении проекта “Школьная компьютерная сеть”. Настало время подвести итоги.

– Давайте вместе вспомним, что же такое сетевые топологии?

2. Для повторения основных понятий изученной нами темы обратимся к презентации (приложение 1).

3. Теперь, когда мы повторили пройденный материал, давайте ответим на вопросы кроссворда

(кроссворд заранее вывешивается на доску, или проецируется на экран с помощью мультипроектора)

Способ объединения компьютеров и сетевого оборудования с помощью кабельной инфраструктуры (физическая топология)
Искажение сигналов, возникающее при одновременной передаче двух или нескольких компьютеров (коллизия)
Небольшой блок данных, постоянно передающийся от компьютера к компьютеру в сетях с топологией «кольцо» (маркер)
Наиболее распространенная в современных сетях топология (дерево)
Специальный резистор, устанавливаемый на концах коаксиального кабеля, чтобы предотвратить отражение сигналов (терминатор)
Сетевая топология, в которой каждое из устройств соединяется с двумя другими, причем от одного получает данные, а другому – передает (кольцо)

4. Теперь каждому из вас предстоит поработать самостоятельно на вопросами теста «Сетевые топологии и способы доступа к среде передачи данных»

(тест заранее готовится для каждого учащегося)

I. Что определяется выбором топологии сети? Выберите все нужные ответы.

стоимость сети
надежность сети
производительность сети
расширяемость сети
управляемость сети

II. Способ взаимодействия компьютеров и характер распространения сигналов по сети есть:

физическая топология
логическая топология
сетевой протокол

III. Отметьте базовые топологии, на основе которых строятся сети (выберите три ответа).

IV. Что является основным недостатком топологии «шина»?

высокая стоимость сети
низкая надежность сети
большой расход кабеля
низкая помехозащищенность сети

V. Что является основным недостатком топологии «кольцо»?

высокая стоимость сети
низкая надежность сети
большой расход кабеля
низкая помехозащищенность сети

VI. Что является основным преимуществом топологии «звезда»?

низкая стоимость сети
малый расход кабеля
хорошая помехозащищенность сети
высокая надежность и управляемость сети

VII. Что является основным недостатком множественного доступа с контролем несущей и обнаружением столкновений (CSMA/CD)?

большое число коллизий
высокая стоимость оборудования
временные задержки

VIII. Что является основным недостатком множественного доступа с контролем несущей и предотвращением столкновений (CSMA/CA)?

высокая стоимость оборудования
большое число коллизий
временные задержки

IX. Что является основным преимуществом метода доступа «передача маркера»?

отсутствие коллизий
простота технической реализации
высокая скорость передачи

X. Какая топология является самой распространенной в современных сетях?

Вопросы

Ответы

5. В заключение нашего обобщающего урока вам предстоит выполнить практическую работу «Оценка расходов на построение сети». Для выполнения этого вида работы вам следует разбиться по парам. В конце практической работы мы выслушаем несколько представленных проектов и определим наиболее экономически выгодный проект.

(для каждой пары учащихся готовится технологическая карта для проведения расчетов проекта)

Цель работы: В этом задании вы должны оценить, какими могут быть расходы на построение сети при использовании топологий «шина» и «звезда».

Условие задачи

Вы являетесь системным администратором небольшой компании, занимающей несколько соседних помещений на одном этаже здания. Компьютеры в офисе этой компании пока работают автономно, однако все чаще ощущается необходимость объединения компьютеров в сеть для совместного использования данных и ресурсов.

Руководитель компании поставил перед вами задачу: проанализировать возможные варианты объединения компьютеров в сеть и оценить расходы на создание этой сети.

При планировании сети следует учесть, что офис компании занимает восемь помещений размером 4 х 4 метра. План офиса представлен на схеме:

I. Оценка стоимости создания сети при использовании топологии «шина».

1. Оцените расходы на кабельную инфраструктуру в сети с топологией «шина», используя следующие расценки:

коаксиальный кабель — 6 руб./м;
BNC-коннектор обжимной — 12 руб./шт.;
BNC-терминатор с заземлением — 18 руб./шт.;
BNC-терминатор без заземления — 15 руб./шт.;
BNC T-коннектор — обычно поставляется в комплекте с сетевым адаптером;
устройство обжимное для кабеля RG-58 — 400 руб.;
инструмент для зачистки коаксиального кабеля — 250 руб.

2. Оцените расходы на сетевое оборудование, используемое для объединения компьютеров в сеть с топологией «шина» (с учетом того, что компьютеры уже оборудованы комбинированными сетевыми адаптерами 10Base-2/10Base-T).

Потребуется ли в данном случае еще какое-либо оборудование, чтобы объединить компьютеры в сеть?___________________________________________________________

3. Оцените общие расходы на сеть. _________________________________________________________

Какой будет окончательная стоимость создания сети в офисе компании? _________________________________________________________

II. Оценка стоимости создания сети при использовании топологии «звезда».

1. Оцените расходы на создание кабельной инфраструктуры при использовании топологии «звезда» и кабеля «витая пара».

Сколько (примерно) кабеля «витая пара» потребуется для объединения компьютеров в сеть, если все компьютеры стоят у наружных стен, в межкомнатных перегородках можно легко просверлить отверстия для прокладки кабеля, а центром «звезды» планируется сделать комнату администратора? __________________________________________________________________________________

2. Оцените расходы на построение кабельной инфраструктуры, используя следующие расценки:

кабель типа «витая пара» категории 5е — 6 руб./м;
коннектор RJ-45 — 5 руб./шт.;
устройство обжимное для кабеля «витая пара» — 600 руб.

3. Оцените расходы на сетевое оборудование, используемое для объединения компьютеров в сеть с топологией «звезда» (с учетом того, что компьютеры уже оборудованы комбинированными сетевыми адаптерами 10Base-2/10Base-T).

Потребуется ли в данном случае еще какое-либо оборудование, чтобы объединить компьютеры в сеть? ___________________________________________________________________________

4. Оцените расходы на сетевое оборудование, используя следующие расценки:

коммутатор Fast Ethernet 16x10/100Base-TX — 1500 руб.;
коммутатор Gigabit Ethernet 16x10/100/1000Base-T — 10000 руб.

5. Оцените общие расходы на сеть при использовании коммутаторов различных типов.

Какой будет окончательная стоимость создания сети в офисе компании при использовании коммутатора Fast Ethernet? ________________________________________________________

Какой будет стоимость сети при использовании коммутатора Gigabit Ethernet? ______________________________________________________

6. Подведение итогов занятия. Рефлексия

Итак, позади не одна неделя упорного труда. Посмотрим, как вы справились с поставленной задачей.

Программно-аппаратные средства канального уровня ( Data Link ) модели OSI обеспечивают доступ к сетевой среде передачи информации, и организуют обмен данными через общую локальную среду. Канальный уровень находится между сетевым и физическим уровнями модели OSI , поэтому он должен предоставлять сервис вышележащему уровню, взаимодействуя с сетевым протоколом, и обеспечивая инкапсулированным в кадр пакетам доступ к сетевой среде. В то же время, канальный уровень управляет процессом размещения передаваемых данных в физической среде. Поэтому канальный уровень разделен на 2 подуровня ( рис. 5.1): верхний подуровень управления логическим каналом передачи данных ( Logical Link Control - LLC), являющийся общим для всех технологий, и нижний подуровень управления доступом к среде ( Media Access Control - MAC). Кроме того, средства канального уровня позволяют обнаруживать ошибки в передаваемых данных.

Взаимодействие узлов локальных сетей происходит на основе протоколов канального уровня. Передача данных в локальных сетях происходит на сравнительно короткие расстояния (внутри зданий или между близко расположенными зданиями), но с высокой скоростью (10 Мбит/с - 100 Гбит/с). Расстояние и скорость передачи данных определяется аппаратурой соответствующих стандартов.

Международным институтом инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (Institute of Electrical and Electronics Engineers - IEEE) было разработано семейство стандартов 802.х, которое регламентирует функционирование канального и физического уровней семиуровневой модели ISO/OSI . Ряд этих протоколов являются общими для всех технологий, например стандарт 802.2, другие протоколы (например, 802.3, 802.3u, 802.5) определяют особенности технологий локальных сетей.

Подуровень LLC реализуется программными средствами. На подуровне LLC существует несколько процедур, которые позволяют устанавливать или не устанавливать связь перед передачей кадров, содержащих данные, восстанавливать или не восстанавливать кадры при их потере или обнаружении ошибок. Подуровень LLC реализует связь с протоколами сетевого уровня, обычно с протоколом IP . Связь с сетевым уровнем и определение логических процедур передачи кадров по сети реализует протокол 802.2. Протокол 802.1 дает общие определения локальных вычислительных сетей, связь с моделью ISO/OSI . Существуют также модификации этого протокола.

Подуровень МАС определяет особенности доступа к физической среде при использовании различных технологий локальных сетей. Каждой технологии МАС-уровня (каждому протоколу: 802.3, 802.3u, 802.3zи др.) соответствует несколько вариантов спецификаций (протоколов) физического уровня ( рис. 5.1). Спецификация технологии МАС-уровня - определяет среду физического уровня и основные параметры передачи данных ( скорость передачи , вид среды, узкополосная или широкополосная).

На канальном уровне передающей стороны формируется кадр, в который инкапсулируется пакет. В процессе инкапсуляции к пакету сетевого протокола, например IP , добавляется заголовок и концевик (трейлер) кадра. Таким образом, кадр любой сетевой технологии состоит из трех частей:

заголовка,
поля данных, где размещен пакет,
концевика.

На приемной стороне реализуется обратный процесс декапсуляции, когда из кадра извлекается пакет.

Заголовок включает разделители кадров, поля адресов и управления. Разделители кадров позволяют определить начало кадра и обеспечить синхронизацию между передатчиком и приемником. Адреса канального уровня являются физическими адресами. При использовании Ethernet -совместимых технологий адресацию данных в локальных сетях осуществляют МАС-адреса, которые обеспечивают доставку кадра узлу назначения.

Концевик содержит поле контрольной суммы ( Frame Check Sequence - FCS), которая вычисляется при передаче кадра с использованием циклического кода CRC. На приемной стороне контрольная сумма кадра вычисляется вновь и сравнивается с принятой. Если они совпадают, то считают, что кадр передан без ошибок. При расхождении значений FCS кадр отбрасывается и требуется его повторная передача.

При передаче по сети кадр последовательно проходит целый ряд соединений, характеризующихся разной физической средой. Например, при передаче данных с Узла А на Узел В ( рис. 5.2) данные последовательно проходят через: соединение Ethernet между Узлом А и маршрутизатором А (медь, неэкранированная витая пара ), соединение между маршрутизаторами А и В (волоконно-оптический кабель ), медный кабель последовательного соединения " точка-точка " между маршрутизатором В и беспроводной точкой доступа WAP , беспроводное соединение ( радиоканал ) между WAP и конечным Узлом В. Поэтому для каждого соединения формируется свой кадр специфического формата.

Пакет, подготовленный Узлом А, инкапсулируется в кадр локальной сети, который передается в маршрутизатор А. Маршрутизатор декапсулирует пакет из принятого кадра, определяет на какой выходной интерфейс передать пакет, затем формирует новый кадр для передачи по оптической среде. Маршрутизатор В декапсулирует пакет из принятого кадра, определяет на какой выходной интерфейс передать пакет, затем формирует новый кадр для передачи по медной среде последовательного соединения " точка-точка ". Беспроводная точка доступа WAP , в свою очередь , формирует свой кадр для передачи данных по радиоканалу на конечный Узел В.

При создании сетей используются различные логические топологии, которые определяют, как узлы общаются через среду, как обеспечивается управление доступом к среде. Наиболее известные логические топологии: " точка-точка " ( point-to-point ), множественного доступа (multiaccess), широковещательная ( broadcast ) и маркерная ( token passing ).

Совместное использование среды несколькими устройствами реализуется на основе двух основных методов:

метод конкурентного (недетерминированого) доступа (Contention-based Access), когда все узлы сети равноправны, очередность передачи данных не организована. Для передачи данный узел должен прослушать среду, если она свободна, то можно передать информацию. При этом могут возникнуть конфликты (коллизии), когда два (или более) узла одновременно начинают передачу данных;
метод контролируемого (детерминированного) доступа (Controlled Access), который обеспечивает узлам очередность доступа к среде для передачи данных.

На ранних этапах создания Ethernet -сетей использовалась топология " шина ", разделяемая среда передачи данных являлась общей для всех пользователей. При этом реализовался метод множественного доступа к общей среде передачи (протокол 802.3). При этом требовался контроль несущей, наличие которой говорило о том, что какой-то узел уже передает данные по общей среде. Поэтому узел, желающий передать данные, должен был дождаться окончания передачи и при освобождении среды попытаться передать данные.

Переданную в сеть информацию может получить любой компьютер , у которого адрес сетевого адаптера NIC совпадает с МАС-адресом назначения передаваемого кадра, или все компьютеры сети при широковещательной передаче. Однако передавать информацию в любой момент времени может только один узел. Прежде чем начать передачу, узел должен убедиться, что общая шина свободна, для чего узел прослушивает среду.

При одновременной передаче данных двумя или более компьютерами возникает конфликт (коллизия), когда данные передающих узлов накладываются друг на друга, происходит искажение и потеря информации . Поэтому требуется обработка коллизии и повторная передача участвовавших в коллизии кадров.

Подобный метод недетерминированного (ассоциативного) доступа к среде получил название множественного доступа к среде с контролем несущей и обнаружением коллизий ( Carrier Sence Multiply Access with Collision Detection - CSMA/CD).

Метод CSMA/CD не организует и не обслуживает очередность доступа к среде передачи, поэтому не требует больших вычислительных ресурсов и пропускной способности сети. Однако при высокой загрузке сети количество коллизий возрастает и производительность ( throughput ) снижается. Данный метод использовался в сетях технологии Ethernet, выполненными на концентраторах с полудуплексными проводными соединениями (медными и волоконно-оптическими кабелями).

В настоящее время использование в локальных сетях коммутаторов с полнодуплексными соединениями позволило полностью устранить коллизии. Однако возможность использования метода CSMA/CD сохранилась в сетях технологий FastEthernet и GigabitEthernet. Стандарт технологии 10 GigabitEthernet законодательно запретил использовать метод CSMA/CD , т.е. запретил строить локальные сети на концентраторах.

В отличие от метода множественного доступа к среде с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD), метод CSMA/CA позволяет значительно уменьшить количество коллизий в сети с разделяемой средой передачи, но не предотвратить их полностью.

Метод контролируемого (детерминированного) доступа с маркерной логической топологией использовался в сетях Token Ring и Fiber Distributed Data Interface ( FDDI ). В этих сетях, также как в сетях Ethernet , реализуется разделение общей среды и множественный доступ . Однако, если в топологии множественного доступа Ethernet -сетей доступ к среде случайный (не детерминированный), то в маркерной топологии доступ к среде детерминированный. Электронный маркер ( token ) последовательно передается каждому узлу по кольцу. Узел, получивший маркер, может передавать данные в сеть . Если в узле нет данных для передачи, то он передает маркер следующему узлу и процесс повторяется. Сети Token Ring и FDDI в настоящее время вытеснены технологиями Ethernet .

Читайте также: