10. Аппаратное обеспечение сетей ЭВМ.  (сетевые карты, мосты, коммутаторы, маршрутизаторы, модемы, мультиплексоры). Разделение устройств по уровням OSI.

Сетевое оборудование

Теперь пора от вопросов применения сетей и социальных аспектов перейти к рас­смотрению технической стороны разработки сетей. Единой общепринятой сис­темы, которой удовлетворяют все сети, не существует, однако есть два важнейших параметра: технология передачи и размеры. Рассмотрим оба параметра по очереди. Если смотреть в общих чертах, существует два типа технологии передачи:

- широковещательные сети;

- сети с передачей от узла к узлу.

Широковещательные сети обладают единым каналом связи, совместно исполь­зуемым всеми машинами сети. Короткие сообщения, называемые в некоторых случаях пакетами, которые посылаются одной машиной, получают все машины. Поле адреса в пакете указывает, кому направляется сообщение. При получении пакета машина проверяет его адресное поле. Если пакет адресован этой машине, она его обрабатывает. Пакеты, адресованные другим машинам, игнорируются.

В качестве иллюстрации представьте себе человека, стоящего в конце коридо­ра с большим количеством комнат и кричащего: «Ватсон, идите сюда. Вы мне нужны». И хотя это сообщение может быть получено (услышано) многими людь­ми, ответит только Ватсон. Остальные просто не обратят на него внимания. Дру­гим примером может быть объявление в аэропорту, предлагающее всем пассажи­рам рейса 644 подойти к выходу номер 12.

Широковещательные сети также позволяют адресовать пакет одновременно всем машинам с помощью специального кода в поле адреса. Когда передается па­кет с таким кодом, его получают и обрабатывают все машины сети. Такая операция называется широковещательной передачей. Некоторые широковещательные системы также предоставляют возможность посылать сообщения подмножеству машин, и это называется многоадресной передачей. Одной из возможных схем реализации этого может быть резервирование одного бита для признака многоад­ресной передачи. Оставшиеся п-1 разрядов адреса могут содержать номер груп­пы. Каждая машина может «подписаться» на одну, несколько или все группы. Когда пакет посылается определенной группе, он доставляется всем машинам, являющимся членами этой группы.

Сети с передачей от узла к узлу, напротив, состоят из большого количества соединенных пар машин. В сети подобного типа пакету, чтобы добраться до пунк­та назначения, необходимо пройти через ряд промежуточных машин. Часто при этом существует несколько возможных путей от источника до получателя, по­этому алгоритмы вычисления таких путей играют очень важную роль в сетях с передачей от узла к узлу. Обычно (хотя имеются и исключения) небольшие, гео­графически локализованные в одном месте сети используют широковещатель­ную передачу, тогда как в более крупных сетях применяется передача от узла к узлу. В последнем случае имеется один отправитель и один получатель, и такую систему иногда называют однонаправленной передачей.

Другим признаком классификации сетей является их размер. На рис. 1.4 при­ведена классификация мультипроцессорных систем в зависимости от их разме­ров. В верхней строке таблицы помещаются персональные сети, то есть сети, предназначенные для одного человека. Примером может служить беспроводная сеть, соединяющая компьютер, мышь, клавиатуру и принтер. Устройство типа PDA, контролирующее работу слухового аппарата или являющееся кардиости­мулятором, тоже попадает в эту категорию. Далее в таблице следуют более про­тяженные сети. Их можно разделить на локальные, муниципальные и глобаль­ные сети. И замыкают таблицу объединения двух и более сетей.

Пример Персональная сеть

Локальная сеть

Муниципальная сеть

Глобальная сеть

Интернет Классификация многопроцессорных систем по размеру

Хорошо известным примером такого объединения выступает Интернет. Раз­меры сетей являются весьма важным классификационным фактором, поскольку в сетях различного размера применяется различная техника. В данной книге мы рассмотрим сети всех размеров, а также их объединения. Далее мы дадим крат­кое описание сетевого оборудования.

Модемы

Поскольку, как было отмечено ранее, ослабление и скорость распространения сиг­нала зависят от частоты, то было бы очень нежелательно иметь широкий спектр частот передаваемого сигнала. К сожалению, последовательности прямоугольных импульсов, соответствующие цифровому сигналу, имеют широкий спектр частот, следовательно, подвергаются значительному затуханию и искажению. Эти эф­фекты делают невозможной передачу в исходном диапазоне (при постоянном то­ке). Исключение может составлять только передача на малое расстояние при не­высокой скорости.

Для решения этой проблемы вместо постоянного тока для передачи данных, особенно по телефонным линиям, применяется переменный ток. Непрерывный сигнал на частоте от 1000 до 2000 Гц называется синусоидальной несущей час­тотой. Амплитуда, частота и фаза несущей могут изменяться (модулироваться) для передачи информации. При амплитудной модуляции используются две раз­личные амплитуды сигнала, соответствующие значениям нуля и единицы. При частотной модуляции, называемой также частотной манипуляцией (термин «манипуляция» широко используется в качестве синонима «модуляции»), для передачи цифрового сигнала используется несколько различных частот. При простейшей фазовой модуляции применяется сдвиг фазы несущей частоты на 180° через определенные интервалы времени. Улучшенным вариантом фазовой модуляции является сдвиг фазы на постоянный угол, например, на 45, 135, 225 или 315° для передачи 2 бит информации за один временной интервал. Можно также изменять фазу по окончании интервалов, что позволяет приемнику более четко распознать их границы.

На рис. 2.20 показаны три формы модуляции. Рисунок 2.20, б дает представле­ние о том, как выглядит исходный сигнал при амплитудной модуляции. Ампли­туда его либо ненулевая, либо равна нулю. На рис. 2.20, в показано, что тот же исходный сигнал кодируется двумя разными частотами. Наконец, из рис. 2.20, г видно, что два состояния кодируются наличием либо отсутствием фазового сдви­га на границе каждого бита.

Устройство, принимающее последовательный поток битов и преобразующее его в выходной сигнал, модулируемый одним или несколькими из приведенных способов, а также выполняющий обратное преобразование, называется модемом (сокращение от «модулятор-демодулятор»). Модем устанавливается между (циф­ровым) компьютером и (аналоговой) телефонной линией.

Добиться увеличения скорости простым увеличением частоты дискретизации невозможно. Теорема Найквиста утверждает, что даже при наличии идеального канала с частотой 3000 Гц (каковым телефонная линия не является) невозможно передавать отсчеты сигнала чаще, чем с частотой 6000 Гц. На практике большин­ство модемов делают 2400 отсчетов в секунду и стремятся не к повышению этого значения, а к повышению числа бит на отсчет. Число отсчетов (сэмплов) в секунду измеряется в бодах. За каждый бод пере­дается один символ. Таким образом, линия, работающая со скоростью п бод, пере­дает п символов в секунду. Например, линия со скоростью 2400 бод отправляет 1 символ за 416,667 мкс. Если символ состоит из двух состояний линии (к при­меру, 0 В означает логический ноль, 1 В означает логическую единицу), то бито­вая скорость составляет 2400 бит/с. Если же используются четыре уровня напряже­ний (например, 0, 1, 2, 3), тогда каждый символ будет состоять уже из двух бит, поэтому та же самая линия на 2400 бод сможет передавать все те же 2400 симво­лов в секунду, но уже с битовой скоростью 4800 бит/с. Аналогично, можно за­дать четыре степени фазового сдвига вместо двух, тогда и модулированный сиг­нал будет кодировать один символ двумя битами, а битовая скорость, опять же, будет в два раза выше. Такой метод применяется очень широко и называется квадратурной фазовой манипуляцией, QPSK (Quadrature Phase Shift Keying). Полосой пропускания среды называется диапазон частот, которые могут пере­даваться в этой среде с минимальным затуханием. Это физическое свойство ма­териала. Полоса варьируется обычно от 0 до какого-то максимального значения и измеряется в герцах (Гц).

Скорость двоичной передачи, baud rate (в бодах) - это число отсчетов, совер­шаемых за одну секунду. Каждый отсчет передает единицу информации, то есть символ. Таким образом, скорость двоичной передачи равна скорости передачи символов. Метод модуляции (например, QPSK) определяет число бит, из кото­рых состоит один символ.

Битовой скоростью называется объем информации, передаваемый по каналу за секунду. Битовая скорость равна произведению числа символов в секунду и числа бит на символ (символ/с х бит/символ).

Все хорошие модемы используют комбинированные методы модуляции сигна­лов для передачи максимального количества бит в одном боде. Зачастую, напри­мер, комбинируются амплитудная и фазовая модуляции. На рис. 2.21, а изображе­ны точки, расположенные под углами 45, 135, 225 и 315°, с постоянным уровнем амплитуды (это видно по расстоянию до них от начала координат). Фаза этих точек равна углу, который линия, проведенная через точку и начало координат, составляет с положительным направлением горизонтальной оси. На рис. 2.21, а видно, что возможны четыре положения фазового сдвига, значит, можно переда-вать 2 бита на символ. Это метод QPSK.

Сетевые карты отправляют и принима­ют кадры, основываясь на 48-разрядных Ethernet-адресах. О 32-разрядных IP-ад­ресах им ничего не известно.

Коммутируемые сети Ethernet

При добавлении станций к Ethernet трафик сначала будет расти. Наконец, ло­кальная сеть насытится. Одним из решений в данном случае является увеличе­ние скорости передачи данных - например, переход с 10 Мбит/с на 100 Мбит/с. Однако доля мультимедийных данных в общем потоке становится все заметнее, и даже 100-мегабитные и гигабитные версии Ethernet могут перестать справляться со своей задачей.

К счастью, возможно не столь радикальное решение, а именно, коммутиро­ванная локальная сеть Ethernet, показанная на рис. 4.19. Сердцем системы явля­ется коммутатор, содержащий высокоскоростную плату, в слоты которой обыч­но вставляются от 4 до 32 контроллеров линий, в каждом из которых от одного до восьми разъемов. Чаще всего к разъему подключается витая пара 10Base-T, соединяющая коммутатор с единственным хостом.

Когда станция хочет передать кадр Ethernet, она посылает стандартный кадр в коммутатор. Плата в коммутаторе, получив кадр, проверяет, не адресован ли этот кадр станции, подсоединенной к той же плате. Если да, то кадр пересылает­ся ей. В противном случае кадр пересылается по объединительной плате карте, к которой подключена станция-получатель. Объединительная плата обычно рабо­тает на скорости в несколько гигабит в секунду с использованием собственного протокола.

Что произойдет, если две машины, присоединенные к одной и той же карте коммутатора, одновременно станут передавать кадры? Результат зависит от кон­струкции карты. Одним из вариантов может быть объединение всех портов кар­ты вместе с образованием на карте небольшой локальной сети. Столкновения в такой сети обнаруживаются и обрабатываются так же, как и в любой другой сетиCSMA/CD - при помощи повторных передач кадров с использованием алгорит­ма двоичного экспоненциального отката. При использовании такого типа карт в каждый момент времени возможна передача только одной станции из подклю­ченных к карте, но все карты могут передавать или принимать данные парал­лельно. При такой схеме коммутатора каждая карта образует свое пространство столкновений, независимое от других. Наличие только одной станции в про­странстве столкновений исключает собственно столкновения и повышает произ­водительность.

Возможна также и другая разновидность карт - с буферизацией данных, приходящих на каждый вход, в оперативной памяти карты. При этом все вход­ные порты могут передавать и принимать кадры одновременно в дуплексном ре­жиме, что далеко не всегда удается реализовать в моноканале с применением CSMA/CD. После приема кадра карта может проверить, кому он предназначает­ся. Если адресатом является какой-то из портов текущей карты, то кадр сразу же туда и направляется. Если же нужно передать данные на порт другой карты, то это делается с помощью объединительной платы. При этом каждый порт облада­ет отдельным пространством коллизий, поэтому столкновения не возникают. Общая производительность системы может быть повышена на порядок по срав­нению с 10Base5, поскольку в последней используется единое пространство столкновений.

Так как коммутатор ожидает на каждом входном порту кадры Ethernet, мож­но использовать некоторые из этих портов в качестве концентраторов. На рис. 4.19 порт в правом верхнем углу соединен не с одной станцией, а с 12-порто-вым концентратором. Прибывая в концентратор, кадры состязаются самым обычным образом, включая столкновения и двоичный откат. Удачливые кадры попадают в коммутатор и подвергаются там той же процедуре, что и все остальные кадры, то есть перенаправляются на нужные выходные линии через высокоско­ростную объединяющую плату. Концентраторы дешевле коммутаторов, однако их быстрое удешевление означает лишь намечающуюся тенденцию к устарева­нию. Тем не менее, все еще существуют действующие концентраторы.

В большинстве глобальных сетей подсеть состоит из двух раздельных компонен­тов: линий связи и переключающих элементов. Линии связи, также называемые каналами или магистралями, переносят данные от машины к машине. Переклю­чающие элементы являются специализированными компьютерами, используемы­ми для соединения трех или более линий связи. Когда данные появляются на входной линии, переключающий элемент должен выбрать выходную линию -дальнейший маршрут этих данных. В прошлом для названия этих компьютеров не было стандартной терминологии. Сейчас их называют маршрутизаторами (router), однако читателю следует знать, что по поводу терминологии в данном случае единого мнения не существует. К сожалению, многие остряки-самоучки любят рифмовать «router» с «doubter», что в переводе означает «скептик», а не­которые вместо «router» пишут «rooter» («корчеватель»).

В модели, показанной на рис. 1.7, каждый хост соединен с локальной сетью, в которой присутствует маршрутизатор, хотя в некоторых случаях хост может быть связан с маршрутизатором напрямую. Набор линий связи и маршрутизато­ров (но не хостов) образует подсеть.

Локальная сеть Рис. 1.7.Связь хостов и подсети в ЛВС

Следует также сделать замечание по поводу термина «подсеть» (subnet). Из­начально его единственным значением являлся набор маршрутизаторов и линий связи, используемый для передачи пакета от одного хоста к другому. Однако спустя несколько лет этот термин приобрел второй смысл, связанный с адресацией в се­ти (что будет обсуждаться в главе 5). Таким образом, имеется некая двусмыслен­ность, связанная с термином «подсеть». К сожалению, этому термину в его изна­чальном смысле нет никакой альтернативы, поэтому нам придется использовать его в обоих смыслах. По контексту всегда будет ясно, что имеется в виду.

Большинство глобальных сетей содержат большое количество кабелей или телефонных линий, соединяющих пару маршрутизаторов. Если какие-либо два маршрутизатора не связаны линией связи напрямую, то они должны общаться при помощи других маршрутизаторов. Когда пакет посылается от одного мар­шрутизатора другому через несколько промежуточных маршрутизаторов, он по­лучается каждым промежуточным маршрутизатором целиком, хранится на нем, пока требуемая линия связи не освободится, а затем пересылается дальше. Под­сеть, работающая по такому принципу, называется подсетью с промежуточным хранением (store-and-forward) или подсетью с коммутацией пакетов (packet-switched). Почти у всех глобальных сетей (кроме использующих спутники свя­зи) есть подсети с промежуточным хранением. Небольшие пакеты фиксирован­ного размера часто называют ячейками (cell).

О принципе организации сетей с коммутацией пакетов стоит сказать еще не­сколько слов, поскольку они используются очень широко. В общем случае, когда у процесса какого-нибудь хоста появляется сообщение, которое он собирается отправить процессу другого хоста, первым делом отправляющий хост разбивает последовательность на пакеты, каждый из которых имеет свой порядковый но­мер. Пакеты один за другим направляются в линию связи и по отдельности пере­даются по сети. Принимающий хост собирает пакеты в исходное сообщение и передает процессу. Продвижение потока пакетов наглядно показано на рис. 1.8.

                Подсеть

Маршрутизатор

Отправляющий процесс

Отправляющий хост

Маршрутизатор С принял
решение переслать пакеты
в точку Е, а не в точку D

Принимающий процесс

Рис. 1.8. Поток пакетов от отправляющего процесса к принимающему

На рисунке видно, что все пакеты следуют по пути АСЕ, а не ABDE или ACDE. В некоторых сетях путь всех пакетов данного сообщения вообще являет­ся строго определенным. В других сетях путь пакетов может прокладываться не­зависимо. Решения о выборе маршрута принимается на локальном уровне. Когда пакет приходит на маршрутизатор А, именно последний решает, куда его перенапра­вить - на В или на С. Метод принятия решения называется алгоритмом марш­рутизации. Их существует огромное множество, и некоторые из них мы изучим в главе 5.

Не все глобальные сети используют коммутацию пакетов. Второй возможно­стью соединить маршрутизаторы глобальной сети является радиосвязь с исполь­зованием спутников. Каждый маршрутизатор снабжается антенной, при помощи которой он может принимать и посылать сигнал. Все маршрутизаторы могут при­нимать сигналы со спутника, а в некоторых случаях они могут также слышать передачи соседних маршрутизаторов, передающих данные на спутник. Иногда все маршрутизаторы соединяются обычной двухточечной подсетью, и только не­которые из них снабжаются спутниковой антенной. Спутниковые сети являются широковещательными и наиболее полезны там, где требуется широковещание.