3565 СЕТИ ЭВМ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ

Лабораторная работа № 1

Организация взаимодействия устройств в сети

Цель работы

Изучение основных принципов построения локальных вычислительных сетей, изучение основных видов топологий, аппаратного и программного обеспечения, базовых  аспектов проектирования сетей.

Методические указания

  1. Знакомство с сетями ЭВМ

Рождение компьютерных сетей было вызвано практической потребностью – иметь возможность для совместного использования данных.

Сеть - это группа компьютеров, соединенных между собой с помощью специальной аппаратуры, обеспечивающей обмен данными между любыми компьютерами данной группы.

Компьютеры, входящие в сеть, могут совместно использовать:

-          данные;

-          принтеры;

-          факсимильные аппараты;

-          модемы;

-          другие устройства.

Компьютеры, подключенные к сети, могут работать в качестве клиентов или серверов. Клиенты (например, компьютеры пользователей) – компьютеры, осуществляющие доступ к сетевым ресурсам. Серверы – компьютеры, предоставляющие свои ресурсы сетевым пользователям. Если в сети каждый компьютер выступает и в качестве клиента, и в качестве сервера, то такая сеть называется одноранговой или рабочей группой.

Сети в соответствии с областью обхвата делятся на две категории: локальные сети и глобальные сети.

Если компьютеры расположены недалеко друг от друга и соединяются в сеть с помощью высокоскоростных адаптеров (со скоростью передачи данных порядка 1-10 Мбит/с), то такие сети называются локальными. При этом компьютеры обычно располагаются в пределах одной комнаты, одного здания или в нескольких близко расположенных зданиях. В локальных сетях применяются высокоскоростные цифровые линии связи.

Если требуется объединить компьютеры или локальные сети, расположенные на значительном удалении друг от друга (в разных районах города, в разных городах или на разных континентах), для связи компьютеров используются модемы и дальние линии связи. Соответственно, применяются относительно низкоскоростные аналоговые линии связи. В этом случае говорят о глобальных сетях. В настоящее время создано много глобальных сетей на базе телефонных линий и линий спутниковой связи.

Для классификации сетей можно считать, что если организация владеет линией связи (использует для сети выделенный высокоскоростной канал связи), то это локальная сеть. Если организация арендует низкоскоростные каналы связи (например, арендует телефонные линии), то это глобальная сеть, использующая арендуемые каналы связи.

  1. Топологии локальных вычислительных сетей

Под сетевой топологией понимается порядок расположения компьютеров, кабельных соединений и других компонентов сети. Наиболее широко используются топологии типа звезда, шина, кольцо и гибрид. На рис. 1 показаны компьютеры, соединенные по топологии типа звезда. В этом случае каждый компьютер через специальный сетевой адаптер подключается отдельным кабелем к объединяющему устройству.

 

Рис. 1. Топология "звезда"

При необходимости можно объединять вместе несколько сетей с топологией типа звезда, при этом получаются разветвленные конфигурации сети.

С точки зрения надежности эта топология не является наилучшим решением, так как выход из строя центрального узла приведет к остановке всей сети. Однако при использовании топологии  типа звезда легче найти неисправность в кабельной сети.

Топология типа шина предполагает использование одного кабеля, к которому подключаются все компьютеры сети (рис. 2). В случае шинной топологии кабель используется совместно всеми станциями по очереди. Принимаются специальные меры для того, чтобы при работе с общим кабелем компьютеры не мешали друг другу передавать и принимать данные.

 

Рис. 2. Топология " шина"

В шинной топологии  все сообщения, посылаемые отдельными компьютерами, принимаются всеми остальными станциями, подключенными к сети. Надежность в таких сетях выше, так как выход из строя отдельных компьютеров не нарушит работоспособность сети в целом. Поиск неисправностей в кабеле затруднен. Кроме того, так как используется только один кабель, в случае обрыва нарушается работа всей сети.

В топологии типа кольцо (рис. 3) все компьютеры подключаются к единому кольцевому кабелю. В этом случае данные передаются от одного компьютера к другому как бы по эстафете. Каждая станция сети играет роль повторителя, усиливая сигнал.

 

Рис. 3. Топология "кольцо"

Гибридная топология объединяет в себе две или более различных топологий.

 

  1. Сетевые технологии

Для связи между компьютерами, входящими в локальную сеть, применяются различные сетевые технологии. Наиболее распространенными технологиями являются следующие: Ethernet, Arcnet, Token-Ring и FDDI. Каждая технология отличается от остальных, в частности, определенным набором правил, используемым ею для передачи и получения данных по сетевому кабелю. Этот набор правил называется методом доступа.

3.1.     Технология Ethernet

Ethernet – одна из наиболее распространенных технологий локальной сети, использующая для связи между клиентами метод доступа CSMA/CD. Этот метод доступа обеспечивает высокую скорость передачи данных и надежность.

Для данного метода доступа используется шинная топология. Поэтому сообщение, отправляемое одной рабочей станцией, принимается одновременно всеми остальными станциями, подключенными к общей шине. Но сообщение предназначено только для одной станции (оно включает в себя адрес станции назначения и адрес отправителя). Та станция, которой предназначено сообщение, принимает его, остальные игнорируют.

Метод доступа Ethernet является методом множественного доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий (конфликтов) (CSMA/CD - Carier Sense Multiple Access with Collision Detection).

Перед началом передачи рабочая станция определяет, свободен канал или занят. Если канал свободен, станция начинает передачу.

Ethernet не исключает возможности одновременной передачи сообщений двумя или несколькими станциями. Аппаратура автоматически распознает такие конфликты, называемые коллизиями. После обнаружения конфликта станции задерживают передачу на некоторые случайные интервалы времени, а затем пытаются повторить передачу данных.

Реально конфликты приводят к уменьшению быстродействия сети только в том случае, если работает порядка 80 - 100 станций.

3.2.     Технология Arcnet

Технология Arcnet тоже получила широкое распространение, в основном благодаря тому, что оборудование Arcnet дешевле, чем оборудование Ethernet или Token-Ring. Arcnet используется в локальных сетях с топологией "звезда" или ״шина״. Один из компьютеров создает специальный маркер (сообщение специального вида), который последовательно передается от одного компьютера к другому.

Если станция желает передать сообщение другой станции, она должна дождаться маркера и добавить к нему сообщение, дополненное адресами отправителя и назначения. Когда пакет дойдет до станции назначения, сообщение будет "отцеплено" от маркера и передано станции.

3.3.     Технология Token-Ring

Технология Token-Ring была разработана фирмой IBM и рассчитана на кольцевую топологию сети.

Метод доступа, используемый в данной технологии, напоминает Arcnet, так как тоже использует маркер, передаваемый от одной станции к другой. В отличие от Arcnet при методе доступа Token-Ring имеется возможность назначать разные приоритеты разным рабочим станциям.

3.4.     Технология FDDI

Технология FDDI разработана для использования в среде, требующей скорости передачи выше той, которую обеспечивали сеть Ethernet  (10 Мбит/с) или  Token Ring (4 Мбит/с).  Сеть FDDI состоит из двух колец, по которым  циркулируют два сходных потока данных в двух направлениях. Одно кольцо называется первичным, а другое – вторичным. Если в первичном кольце возникают неполадки, кольцо перестраивается, перенося данные  во вторичное кольцо, в котором и продолжается передача. В качестве метода доступа в сети FDDI используется процесс передачи маркера. Компьютер сети может передать столько пакетов, сколько он успевает сгенерировать за определенный период времени до освобождения маркера. По кольцу могут одновременно циркулировать несколько пакетов. Данный метод доступа более эффективен, чем метод доступа Token-Ring.

  1. Аппаратное обеспечение локальных сетей

В зависимости от топологии сети состав сетевого оборудования может меняться.

В любом случае для каждого компьютера, входящего в состав сети, потребуется сетевой адаптер. Этот адаптер вставляется в основную плату компьютера (motherboard) и имеет один или два разъема для подключения к кабелю сети компьютеров.

Бывают сети, для которых не требуется специальных адаптеров: сетевой кабель подключается к последовательному порту RS-232-C. Эти сети малопроизводительны и пригодны для решения только простейших задач, таких как совместное использование принтера.

Что касается кабеля, то обычно используется коаксиальный кабель или витая пара (обычный телефонный провод). В случаях, когда необходимо соединять компьютеры, находящиеся в разных зданиях, или предъявляются требования к обеспечению защиты информации от несанкционированного доступа, используют оптоволоконный кабель. Если используется коаксиальный кабель, он не должен быть слишком длинным. Когда протяженность локальной сети составляет сотни метров, может потребоваться врезать в середину кабеля специальное устройство - репитер.

Рассмотрим аппаратное обеспечение, необходимое для реализации наиболее распространенных технологий  - Ethernet, Arcnet и Token-Ring.

4.1.      Аппаратура Ethernet

Аппаратура Ethernet обычно состоит из кабеля, разъемов, T-коннекторов, терминаторов и сетевых адаптеров.

Кабель, очевидно, используется для передачи данных между рабочими станциями. Для подключения кабеля используются разъемы. Эти разъемы через T-коннекторы подключаются к сетевым адаптерам - специальным платам, вставляемым в слоты расширения материнской платы рабочей станции. Терминаторы подключаются к открытым концам сети.

Для Ethernet могут быть использованы кабели разных типов: тонкий коаксиальный кабель, толстый коаксиальный кабель и неэкранированная витая пара. Для каждого типа кабеля используются свои разъемы и свой способ подключения кабеля к сетевому адаптеру.

В зависимости от кабеля меняются такие характеристики сети, как максимальная длина кабеля и максимальное количество рабочих станций, подключаемых к кабелю.

Как правило, скорость передачи данных в сети Ethernet достигает 10 Мбит/с, что достаточно для многих приложений.

Рассмотрим подробно состав аппаратных средств Ethernet для различных типов кабеля.

Толстый коаксиальный кабель

Толстый коаксиальный кабель, используемый Ethernet, имеет диаметр 0,4 дюйма и волновое сопротивление 50 Ом. Иногда этот кабель называют "желтым кабелем". Это самый дорогостоящий из рассматриваемых нами кабелей. Институт IEEE определил спецификацию на этот кабель - 10BASE5.

На рис. 4 схематически изображена локальная сеть на основе толстого коаксиального кабеля.

 

Рис. 4. Ethernet на толстом коаксиальном кабеле

На рис. 4 приведена конфигурация сети, состоящей из двух сегментов, разделенных репитером. В каждом сегменте находятся три рабочие станции.

Каждая рабочая станция через сетевой адаптер (установлен в материнской плате компьютера и на рисунке не показан) специальным многожильным трансиверным кабелем подключается к устройству, называемому трансивером. Трансивер служит для подключения рабочей станции к толстому коаксиальному кабелю.

На корпусе трансивера имеется три разъема: два - для подключения толстого коаксиального кабеля и один - для подключения трансиверного кабеля.

В табл. 1 перечислены устройства, необходимые для подключения рабочей станции к толстому коаксиальному кабелю.

Таблица 1

Сетевой адаптер

Вставляется в материнскую плату компьютера

Трансиверный кабель

Многожильный экранированный кабель, соединяет сетевой адаптер с трансивером

Трансивер

Соединяется трансиверным кабелем с сетевым адаптером, имеет два коаксиальных разъема для подключения к толстому кабелю

К сожалению, длина одного сегмента ограничена и для толстого кабеля не может превышать 500 метров. Если общая длина сети больше 500 метров, ее необходимо разбить на сегменты, соединенные друг с другом через специальное устройство - репитер.

На рис. 4 изображены два сегмента, соединенные репитером. При этом общая длина сети может достигать одного километра. Между собой трансиверы соединяются отрезками толстого коаксиального кабеля с припаянными к их концам коаксиальными разъемами. На концах сегмента подключены специальные заглушки - терминаторы. Это просто коаксиальные разъемы, в корпусе которых установлен резистор с сопротивлением 50 Ом. Корпус одного из терминаторов должен быть заземлен, в каждом сегменте сети можно заземлять только один терминатор. Существуют следующие ограничения, кроме максимальной длины сегмента (табл. 2).

Таблица 2

Максимальная длина сегмента

500 м

Максимальное количество сегментов в сети

5

Максимальная длина сети

2,5 км

Максимальное количество станций, подключенных к одному сегменту (если в сети есть репитеры, они тоже считаются как станции)

100

Минимальное расстояние между точками подключения рабочих станций

2,5 м

Максимальная длина трансиверного кабеля

50 м

Кроме ограничения на длину сегмента существуют ограничения на максимальное количество сегментов в сети (и, как следствие, на максимальную длину сети), на максимальное количество рабочих станций, подключенных к сети, и на длину трансиверного кабеля.

Однако в большинстве случаев эти ограничения несущественны. Более того, часто возможности толстого кабеля избыточны.

На рис. 5 показано оборудование, необходимое для сети Ethernet на толстом кабеле.

 

Рис. 5. Оборудование Ethernet для толстого кабеля

Тонкий коаксиальный кабель

Тонкий коаксиальный кабель, используемый для Ethernet, имеет диаметр 0,2 дюйма и волновое сопротивление 50 Ом. Импортный кабель называется RG-58A/U и соответствует спецификации 10BASE2. Можно использовать также кабель РК-50, выпускаемый нашей промышленностью.

Сеть Ethernet на тонком кабеле существенно проще, чем на толстом (рис. 6).

 

Рис. 6. Ethernet на тонком коаксиальном кабеле

Как правило, все сетевые адаптеры имеют два разъема. Один из них предназначен для подключения многожильного трансиверного кабеля, второй - для подключения небольшого тройника, называемого Т-коннектором.

Т-коннектор с одной стороны подключается к сетевому адаптеру, а с двух других сторон к нему подключаются отрезки тонкого коаксиального кабеля с соответствующими разъемами на концах. При этом получается, что коаксиальный кабель подключается как бы непосредственно к сетевому адаптеру, поэтому не нужны трансивер и трансиверный кабель.

На концах сегмента должны находиться терминаторы, которые подключаются к свободным концам Т-коннекторов. Один (и только один!) терминатор в сегменте должен быть заземлен.

Сети на тонком кабеле имеют худшие параметры по сравнению с сетями на базе толстого кабеля (табл. 3). Но стоимость сетевого оборудования, необходимого для создания сети на тонком кабеле, существенно меньше.

Следует отметить, что некоторые фирмы выпускают адаптеры Ethernet, способные работать при длине сегмента до 300 метров (например, адаптеры фирмы 3COM). Однако такие адаптеры стоят дороже, и вся сеть в этом случае должна быть сделана с использованием адаптеров только одного типа. Для того чтобы принять решение о покупке более дорогих адаптеров, сравните дополнительные затраты со стоимостью репитера, который потребуется для получения необходимой общей длины сети.

Таблица 3

Максимальная длина сегмента

185 м

Максимальное количество сегментов в сети

5

Максимальная длина сети

925 м

Максимальное количество станций, подключенных к одному сегменту (если в сети есть репитеры, они тоже считаются как станции)

30

Минимальное расстояние между точками подключения рабочих станций

0,5 м

Как правило, большинство сетей Ethernet создано именно на базе тонкого кабеля. На рис. 7 показано оборудование, необходимое для сети Ethernet на тонком кабеле.

 

Рис. 7. Оборудование Ethernet для тонкого кабеля