Сети передачи данных

Содержание Введение

1. Историческое развитие сетей передачи данных

2. Виды сетей передачи данных

2.1 Телеграфные и телефонные сети

2.2 Компьютерные сети

2.2.1 Типы территориальной распространенности

2.2.2 Типы функционального взаимодействия

2.2.3 Типы сетевой топологии

2.3 Коммутируемые сети

2.4 Некоммутируемые сети

3. Принципы использования оборудования сети

3.1 Коммутация каналов

3.2 Коммутация пакетов

3.3 Коммутация сообщений

3.4 Коммутация ячеек

4. Оборудование сетей Заключение Список использованной литературы:

Нужда в передаче данных у людей возникла задолго до создания первого компьютера. Пожалуй, первая передача данных состоялась в 1837 году, когда Сэмюеле Морзе был изобретен электромеханический телеграф.

Именно это изобретение послужило точкой отсчета создания сетей передачи данных. Но все же современные компьютерные сети передачи данных начались в шестидесятых годах прошлого века. Тогда основным средством передачи информации стали телефонные сети. И тогда постепенно компьютеры начали играть все более заметную роль в военном деле, в образовании и в иных отраслях.

Сеть передачи данных — совокупность оконечных устройств (терминалов) связи, объединенных каналами передачи данных и коммутирующими устройствами (узлами сети), обеспечивающими обмен сообщениями между всеми оконечными устройствами.

Технология передачи информации, возможно, в большей степени, чем любые другие технологии, оказывает влияние на формирование структуры мирового сообщества. Возможность доступа к важнейшим событиям, происходящим в мире, свидетельствует о могуществе сетей передачи данных, обеспечивающих мгновенную доставку неподверженной цензуре информации широкой мировой аудитории.

Благодаря возникновению и развитию сетей передачи данных появился новый, высокоэффективный способ взаимодействия между людьми. Первоначально сети использовались главным образом для научных исследований, но затем они стали проникать буквально во все области человеческой деятельности. При этом большинство сетей существовало совершенно независимо друг от друга, решая конкретные задачи для конкретных групп пользователей. В соответствии с этими задачами выбирались те или иные сетевые технологии и аппаратное обеспечение. Построить универсальную физическую сеть мирового масштаба из однотипной аппаратуры просто невозможно, поскольку такая сеть не могла бы удовлетворять потребности всех ее потенциальных пользователей. Одним нужна высокоскоростная сеть для соединения машин в пределах здания, а другим — надежные коммуникации между компьютерами, разнесенными на сотни километров. Тогда возникла идея объединить множество физических сетей в единую глобальную сеть, в которой использовались бы как соединения на физическом уровне, так и новый набор специальных «соглашений» или протоколов. Эта технология, получившая название internet, должна была позволить компьютерам «общаться» друг с другом независимо от того, к какой сети и каким образом они подсоединены.

Когда возникла задача создания сетей передачи данных для ЭВМ, естественным, прежде всего, было обращение к столетнему опыту работы с телеграфными сетями. Так, опыт работы с телеграфными сетями с промежуточным накоплением (переприем телеграмм с переносом перфоленты) пригодился при создании сетей передачи данных с коммутацией сообщений, а с сетями абонентского телеграфа (телекса) — для создания сетей передачи данных с коммутацией каналов. Важную роль в развитии сетей передачи данных сыграл научно-технический прогресс. Он позволил в течение сравнительно небольшого периода времени (несколько десятилетий) перейти от бумажных перфолент и перфокарт к магнитным лентам, а затем к магнитным дискам, полупроводниковым и оптическим запоминающим устройствам.

Одновременно огромный скачок произошел в технике защиты передачи от помех. От простых способов обнаружения ошибок путем проверки перфоленты на четность числа пробитых в ней отверстий удалось перейти к высоконадежным кодам не только обнаруживающим, но и исправляющим ошибки. Самое же главное, была создана микроэлектронная база. Она позволила сделать сложную аппаратуру компактной и экономичной по расходу электроэнергии. Все это открыло возможности построения технических средств передачи с огромной скоростью и ознаменовало наступление новой эпохи развития документальной связи.

С одной стороны, сети передачи данных представляют собой частный случай распределенных вычислительных систем, в которых группа компьютеров согласованно выполняет набор взаимосвязанных задач, обмениваясь данными в автоматическом режиме.

С другой стороны, компьютерные сети могут рассматриваться как средство передачи информации на большие расстояния, для чего в них применяются методы кодирования и мультиплексирования данных, получившие развитие в различных телекоммуникационных системах.

1. Историческое развитие сетей передачи данных

Первыми сетями передачи информации были телефонные и телеграфные сети с ручными коммутаторами.

Недостаток ранней телефонии заключался в отсутствие документирования. Преимущество — передача в реальном масштабе времени в условиях помех.

Недостатком ранней телеграфии была необходимость в присутствии человека-интерпретатора при передаче, его ошибки и медленная работа. Преимуществом являлось возможность документирования.

Для устранения ошибок ввода знаков в телеграфии применили буквопечатающие аппараты. Скорость передачи увеличилась до предельной путем предварительной подготовки телеграмм на перфоленте и передачи с нее в канал связи в автоматическом режиме. Однако проявилось влияние помех каналов связи.

Для повышения скорости передачи и экономии линий связи нашло применение «уплотнение» телефонных каналов телеграфными, путем выделения части телефонного спектра для получения одного или нескольких телеграфных каналов. Телеграфный сигнал преобразовывался в попеременную передачу тонального сигнала на двух частотах. Одновременно было достигнуто повышение помехоустойчивости телеграфии. Однако проявились перекрестные помехи между телеграфными и телефонными каналами.

Для устранения влияния перекрестных помех между телефонным и телеграфными каналами применили прием полного занятия полосы звуковых частот телефонного канала телеграфными каналами. Получили перекрестные помехи между множеством уплотненных телеграфных каналов.

Для повышения помехоустойчивости многоканальной телеграфии по телефонному каналу применили избыточное кодирование телеграфных сигналов. Получили множество телефонных каналов без телефонии, но с множеством защитных полос частот между телефонными каналами.

Перешли на широкополосные каналы и получили высокоскоростные каналы передачи данных, объединив множество телеграфных каналов в единый, занятый во всей полосе частот.

В телефонии для исключения влияния человеческого фактора применили автоматические телефонные станции (АТС) и в совокупности с достижениями телеграфии получили первую сеть передачи данных с коммутацией каналов. Для сохранения информации нашла применение звукозапись. Таким образом, в узлах сети сосредоточилось множество достаточно сложного автоматического оборудования. Такой принцип использования оборудования сети привел к неэффективному использованию, как пропускной способности каналов связи, так и оборудования в узлах сети, что стало особенно заметно в случае передачи дискретных сообщений.

Для передачи коротких дискретных (на первых порах телеграфных) сообщений не было необходимости передавать их в реальном времени: можно было допустить некоторую случайную задержку с целью выравнивания нагрузки на каналы связи, однако это достигалось необходимостью хранить сообщения в узлах сети. Таким образом, в узлах сети появилась «буферная память» значительной емкости, которая в основном простаивала пустой.

Выровнять нагрузку на каналы связи и буферную память оказалось невозможным. Для обеспечения гарантированного времени доставки сообщений буфер памяти в среднем должен быть задействован не более чем на несколько процентов. В связи с этим размеры памяти и пропускную способность каналов связи нарастили до величины достаточной для взаимодействия между ЭВМ, разноразмерные сообщения разделили на пакеты и пустили пакеты по разным маршрутам с тем, чтобы собрать в узле назначения. На основе излишков памяти организовали хранение пользовательской информации с таким расчетом, чтобы резерв памяти обеспечивал гарантированное время доставки высокоприоритетных сообщений.

По мере совершенствования средств вычислительной техники появились сети передачи и обработки данных сначала с использованием типовых каналов и трактов телефонных и телеграфных сетей, а затем с помощью специализированных сетей передачи данных. Первая попытка создания сети с пакетной коммутацией была сделана в Национальной физической лаборатории в Великобритании в 1966 г., а в 1968 г. в США была начата разработка сети с пакетной коммутацией Arpanet, ставшей предтечей Internet.

К началу 90-х гг. Internet объединяла уже сотни отдельных сетей в США и Европе. К мировой Сети помимо научных институтов и университетов стали подключаться компьютерные компании и большие корпорации нефтяной, автомобильной и электронной индустрии, а также телефонные компании. Кроме того, многие организации использовали TCP/IP для создания своих корпоративных сетей, которые не являются компонентами большой Internet. В наши же дни Internet проникает буквально во все сферы человеческой жизни, и сейчас уже всерьез говорят о влиянии мировой сети на наше мировоззрение и мировосприятие.

2. Виды сетей передачи данных

Классификация сетей передачи данных весьма разнообразно, но в основном определяется видами передаваемых сообщений, средой распространения сигналов и способами распределения информации: коммутируемые или некоммутируемые сети передачи сообщений.

2.1 Телеграфные и телефонные сети

Телефонные, телеграфные сети — сети, в которых оконечными устройствами являются простые преобразователи сигнала между электрическим и видимым/слышимым.

Телеграфная сеть строится по радиальноузловому принципу.

Данная сеть делится на:

— сеть общего пользования, оконечными пунктами которой являются почтовые отделения связи;

— абонентская телеграфная сеть, оконечными пунктами которой являются различные предприятия, организации, банки, фирмы, у которых имеются телеграфные аппараты.

В качестве оконечных абонентских устройств используются телеграфные аппараты и ПЭВМ, включенные в телеграфный канал через адаптер (устройство сопряжения).

Структурная схема организации телеграфной сети приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 — Структурная схема организации телеграфной сети Т — телеграфный аппарат; АЛ — абонентская линия; КТ — телеграфный канал; УП1 — узловой пункт; УП2 — узловой пункт; УП3 — узловой пункт. Между собой УП3 соединены по принципу «каждый с каждым».

2.2 Компьютерные сети

сеть передача данные коммутация Компьютерная сеть (вычислительная сеть, сеть передачи данных) — система связи компьютеров или компьютерного оборудования (серверы, маршрутизаторы и другое оборудование). Для передачи информации могут быть использованы различные физические явления, как правило — различные виды электрических сигналов, световых сигналов или электромагнитного излучения.

Компьютерные сети разделяют на множество видов по разным признакам.

2.2.1 Типы территориальной распространенности

PAN (Personal Area Network) — персональная сеть, предназначенная для взаимодействия различных устройств, принадлежащих одному владельцу.

LAN (Local Area Network) — локальные сети, имеющие замкнутую инфраструктуру до выхода на поставщиков услуг. Термин «LAN» может описывать и маленькую офисную сеть, и сеть уровня большого завода, занимающего несколько сотен гектаров. Зарубежные источники дают даже близкую оценку — около шести миль (10 км) в радиусе. Локальные сети являются сетями закрытого типа, доступ к ним разрешен только ограниченному кругу пользователей, для которых работа в такой сети непосредственно связана с их профессиональной деятельностью.

CAN (Campus Area Network — кампусная сеть) — объединяет локальные сети близко расположенных зданий.

MAN (Metropolitan Area Network) — городские сети между учреждениями в пределах одного или нескольких городов, связывающие много локальных вычислительных сетей.

WAN (Wide Area Network) — глобальная сеть, покрывающая большие географические регионы, включающие в себя как локальные сети, так и прочие телекоммуникационные сети и устройства. Пример WAN — сети с коммутацией пакетов (Frame relay), через которую могут «разговаривать» между собой различные компьютерные сети. Глобальные сети являются открытыми и ориентированы на обслуживание любых пользователей.

Термин «корпоративная сеть» также используется в литературе для обозначения объединения нескольких сетей, каждая из которых может быть построена на различных технических, программных и информационных принципах.

2.2.2 Типы функционального взаимодействия

Клиент-сервер — вычислительная или сетевая архитектура, в которой задания или сетевая нагрузка распределены между поставщиками услуг (сервисов), называемыми серверами, и заказчиками услуг, называемыми клиентами. Нередко клиенты и серверы взаимодействуют через компьютерную сеть и могут быть как различными физическими устройствами, так и программным обеспечением.

Смешанная сеть — (частично централизованные сети, гетерогенные сети; heterogeneous computer network) — архитектура сети, в которой имеется ряд серверов, образующих между собой одноранговую сеть. Конечные пользователи подключаются каждый к своему серверу по схеме «клиент-сервер». Поиск информации возможен в онлайновом режиме, как на своем сервере, так и (через него) на других серверах сети. Достоинством смешанных сетей является реализованная в них возможность производства одновременного поиска на большом числе компьютеров. Основной недостаток — пониженная надежность работы сети.

Одноранговая сеть — это оверлейная компьютерная сеть, основанная на равноправии участников. В такой сети отсутствуют выделенные серверы, а каждый узел (peer) является как клиентом, так и сервером. В отличие от архитектуры клиент-сервера, такая организация позволяет сохранять работоспособность сети при любом количестве и любом сочетании доступных узлов. Участниками сети являются пиры.

Многоранговые сети — это сеть, в состав которой входят один или несколько выделенных серверов. Остальные компьютеры такой сети (рабочие станции) выступают в роли клиентов.

2.2.3 Типы сетевой топологии

Топология типа общая шина, представляет собой общий кабель (называемый шина или магистраль), к которому подсоединены все рабочие станции. На концах кабеля находятся терминаторы, для предотвращения отражения сигнала. Топология показана на рисунке 2.

Рисунок 2 — Топология Шина Кольцо — это топология, в которой каждый компьютер соединен линиями связи только с двумя другими: от одного он только получает информацию, а другому только передает. На каждой линии связи, как и в случае звезды, работает только один передатчик и один приемник. Это позволяет отказаться от применения внешних терминаторов. На рисунке 3 показано соединение между компьютерами при данной топологии.

Рисунок 3 — Топология Кольцо Звезда — базовая топология компьютерной сети, в которой все компьютеры сети присоединены к центральному узлу (обычно коммутатор), образуя физический сегмент сети. Подобный сегмент сети может функционировать как отдельно, так и в составе сложной сетевой топологии (как правило, «дерево»). Весь обмен информацией идет исключительно через центральный компьютер, на который таким способом возлагается очень большая нагрузка, поэтому ничем другим, кроме сети, он заниматься не может. Как правило, именно центральный компьютер является самым мощным, и именно на него возлагаются все функции по управлению обменом. Никакие конфликты в сети с топологией звезда в принципе невозможны, потому что управление полностью централизовано. Топология показана на рисунке 4.

Рисунок 4 — Топология Звезда

2.3 Коммутируемые сети

Коммутируемый удалённый доступ (англ. dial-up) — сервис, позволяющий компьютеру, используя модем и телефонную сеть общего пользования, подключаться к другому компьютеру (серверу доступа) для инициализации сеанса передачи данных (например, для доступа в сеть Интернет). Обычно dial-up'ом называют только доступ в Интернет на домашнем компьютере или удаленный модемный доступ в корпоративную сеть с использованием двухточечного протокола PPP (теоретически можно использовать и устаревший протокол SLIP).

Телефонная связь через модем не требует никакой дополнительной инфраструктуры, кроме телефонной сети. Поскольку телефонные пункты доступны во всём мире, такое подключение остается полезным для путешественников. Подключение к сети с помощью модема по обычной коммутируемой телефонной линии связи — единственный выбор, доступный для большинства сельских или отдалённых районов, где получение широкополосной связи невозможно из-за низкой плотности населения и требований. Иногда подключение к сети с помощью модема может также быть альтернативой для людей с ограниченным бюджетом, поскольку оно часто предлагается бесплатно, хотя широкополосная сеть теперь всё более и более доступна по более низким ценам в большинстве стран. Однако, в некоторых странах коммутируемый доступ в Интернет остается основным в связи с высокой стоимостью широкополосного доступа, а иногда и отсутствием востребованности услуги у населения. Дозвон требует времени, чтобы установилась связь (несколько секунд, в зависимости от местоположения) и было выполнено подтверждение связи прежде, чем передача данных сможет осуществиться.

Стоимость доступа в Интернет через коммутируемый доступ часто определяется по времени, проведённому пользователем в сети, а не по объёму трафика. Доступ по телефонной линии — это непостоянная или временная связь, потому что по желанию пользователя или ISP рано или поздно будет разорвана. Провайдеры услуг Интернета зачастую устанавливают ограничение на продолжительность связи и разъединяют пользователя по истечении отведённого времени, вследствие чего необходимо повторное подключение.

У современных модемных подключений максимальная теоретическая скорость составляет 56 кбит/сек (при использовании протоколов V.90 или V.92), хотя на практике скорость редко превышает 40−45 кбит/сек, а в подавляющем большинстве случаев держится на уровне не более 30 кбит/сек. Такие факторы, как шум в телефонной линии и качество самого модема играют большую роль в значении скоростей связи. В некоторых случаях в особенно шумной линии скорость может падать до 15 кбит/сек и менее, к примеру в гостиничном номере, где телефонная линия имеет много ответвлений. У телефонного соединения через модем обычно высокое время задержки, которое доходит до 400 миллисекунд или более и которое делает онлайн игры и видео конференц-связь крайне затруднительными или же полностью невозможными.

Рисунок 5 — Коммутируемые сети: а) радиальные; б) радиально-узловые В коммутируемой сети для обеспечения передачи сообщений, предназначенных конкретному пользователю, оконечные аппараты абонентов предварительно связываются с помощью узлов коммутации и соединительных линий. Электрическая цепь (канал), состоящая из нескольких участков, называется соединительным трактом.

2.4 Некоммутируемые сети

Некоммутируемая сеть организуется на базе прямых широкополосных каналов, соединяющих ЭВМ по принципу каждый с каждым, если существует достаточно большой и постоянный обмен информацией между ними. В том случае, когда потребность в обмене большими объемами информации возникает периодически, при долговременности такого процесса применяют кроссовое соединение каналов или кроссовую коммутацию. С помощью кроссовой коммутации осуществляется распределение каналов первичной сети между вторичными сетями, т. е. создание структуры пунктов прямых каналов для отдельных вторичных сетей.

Кроссирование осуществляется автоматически или вручную в зависимости от необходимости в перераспределении каналов, и выполняются по расписанию, эпизодически или разово. С целью уменьшения каналообразующей аппаратуры на узле организация транзита при кроссировании осуществляется крупными группами. Необходимо отметить, что из-за трудностей, возникающих при кроссировании широкополосных каналов, предпочтение отдают прямому некоммутируемому соединению ЭВМ.

В узлы некоммутируемой сети могут включаться абонентские линии, которые соединяются с каналами (линиями) сети также при помощи кроссовых соединений. Например, если абонентским пунктом является какой-либо датчик автоматизированной системы управления, контролирующий важный параметр и значения которого непрерывно поступают в пункт обработки информации этой АСУ, то абонентская линия такого абонентского пункта может быть постоянно скроссирована с одним, а может быть, и с несколькими каналами. Кроссовые соединения абонентской линии с каналом или абонентских линий между собой целесообразны также в том случае, когда абонентская линия является широкополосной. Примером такой абонентской линии может служить абонентская линия от ЭВМ или вычислительного центра.

Для распределения каналов в реальных некоммутируемых сетях можно использовать метод поочередного выбора и занятия, кратчайших по длине путей между парами узлов сети. Указанный способ заключается в следующем: составляется таблица путей, выбирается пара узлов k и l сети, между которыми существует отличное от нуля требование на передачу потоков цkl>0, выбирается кратчайший путь µi (kl) между указанной парой узлов и определяется емкость этого пути. Затем выбирается следующая пара узлов, и процесс повторяется до тех пор, пока существует хотя бы одно цkl>0 и, по крайней мере, один путь µi (kl) между выбранной парой узлов.

В настоящее время функционирование УУС на некоммутируемых сетях достаточно хорошо изучено для различных принципов организации системы управления.

При наличии на сети кроссовых соединений отдельных каналов и их групп некоммутируемая сеть является, очевидно, неоднородной. Обычно структура некоммутируемой сети повторяет структуру первичной сети, на основе которой она образована. При этом среди узлов некоммутируемой сети могут быть выделены УНС, в которых все каналы использованы для образования транзитных соединений.

Если в узле первичной сети отсутствует аппаратура кроссовых соединений, то такой узел не будет относиться к узлам некоммутируемой сети, и в этом случае структура некоммутируемой сети будет отличаться от структуры первичной сети, на базе которой она образована.

3. Принципы использования оборудования сети

Коммутация — процесс соединения абонентов коммуникационной сети через транзитные узлы.

Коммуникационные сети должны обеспечивать связь своих абонентов между собой. Абонентами могут выступать ЭВМ, сегменты локальных сетей, факс-аппараты или телефонные собеседники. Как правило, в сетях общего доступа невозможно предоставить каждой паре абонентов собственную физическую линию связи, которой они могли бы монопольно «владеть» и использовать в любое время. Поэтому в сети всегда применяется какой-либо способ коммутации абонентов, который обеспечивает разделение имеющихся физических каналов между несколькими сеансами связи и между абонентами сети.

Каждый абонент соединен с коммутаторами индивидуальной линией связи, закрепленной за этим абонентом. Линии связи, протянутые между коммутаторами, разделяются несколькими абонентами, то есть используются совместно.

Коммутация по праву считается одной из самых популярных современных технологий. Коммутаторы по всему фронту теснят мосты и маршрутизаторы, оставляя за последними только организацию связи через глобальную сеть. Популярность коммутаторов обусловлена, прежде всего, тем, что они позволяют за счет сегментации повысить производительность сети. Помимо разделения сети на мелкие сегменты, коммутаторы дают возможность создавать логические сети и легко перегруппировывать устройства в них. Иными словами, коммутаторы позволяют создавать виртуальные сети.

В 1994 году компания IDC дала свое определение коммутатора локальных сетей: коммутатор — это устройство, конструктивно выполненное в виде сетевого концентратора и действующее как высокоскоростной многопортовый мост; встроенный механизм коммутации позволяет осуществить сегментирование локальной сети, а также выделить полосу пропускания конечным станциям в сети.

Впервые коммутаторы появились в конце 1980;х годов. Первые коммутаторы использовались для перераспределения пропускной способности и, соответственно, повышения производительности сети. Можно сказать, что коммутаторы первоначально применялись исключительно для сегментации сети. В наше время произошла переориентация, и теперь в большинстве случаев коммутаторы используются для прямого подключения к конечным станциям.

Широкое применение коммутаторов значительно повысило эффективность использования сети за счет равномерного распределения полосы пропускания между пользователями и приложениями. Несмотря на то что первоначальная стоимость была довольно высока, тем не менее они были значительно дешевле и проще в настройке и использовании, чем маршрутизаторы. Широкое распространение коммутаторов на уровне рабочих групп можно объяснить тем, что коммутаторы позволяют повысить отдачу от уже существующей сети. При этом для повышения производительности всей сети не нужно менять существующую кабельную систему и оборудование конечных пользователей.

Общий термин коммутация применяется для четырех различных технологий:

· конфигурационная коммутация,

· коммутация кадров,

· коммутация ячеек,

· преобразование между кадрами и ячейками.

В основе конфигурационной коммутации лежит нахождение соответствия между конкретным портом коммутатора и определенным сегментом сети. Это соответствие может программно настраиваться при подключении или перемещении пользователей в сети.

При коммутации кадров используются кадры сетей Ethernet, Token Ring и т. д. Кадр при поступлении в сеть обрабатывается первым коммутатором на его пути. Под термином обработка понимается вся совокупность действий, производимых коммутатором для определения своего выходного порта, на который необходимо направить данный кадр. После обработки он передается далее по сети следующему коммутатору или непосредственно получателю.

В технологии АТМ также применяется коммутация, но в ней единицы коммутации носят название ячеек. Преобразование между кадрами и ячейками позволяет станциям в сети Ethernet, Token Ring и т. д. непосредственно взаимодействовать с устройствами АТМ. Эта технология применяется при эмуляции локальной сети.

Коммутаторы делятся на четыре категории:

1. Простые автономные коммутаторы сетей рабочих групп позволяют некоторым сетевым устройствам или сегментам обмениваться информацией с максимальной для данной кабельной системы скоростью. Они могут выполнять роль мостов для связи с другими сетевыми сегментами, но не транслируют протоколы и не обеспечивают повышенную пропускную способность с отдельными выделенными устройствами, такими как серверы.

2. Коммутаторы рабочих групп второй категории обеспечивают высокоскоростную связь одного или нескольких портов с сервером или базовой станцией.

3. Коммутаторы сети отдела предприятия, которые часто используются для взаимодействия сетей рабочих групп. Они представляют более широкие возможности администрирования и повышения производительности сети. Такие устройства поддерживают древовидную архитектуру связей, которая используется для передачи информации по резервным каналам и фильтрации пакетов. Физически такие коммутаторы поддерживают резервные источники питания и позволяют оперативно менять модули.

4. Коммутаторы сети масштаба предприятия, выполняющие диспетчеризацию трафика, определяя наиболее эффективный маршрут. Они могут поддерживать большое количество логических соединений сети. Многие производители корпоративных коммутаторов предлагают в составе своих изделий модули АТМ. Эти коммутаторы осуществляют трансляцию протоколов Ethernet в протоколы АТМ.

Технология коммутации сегментов Ethernet была предложена фирмой Kalpana в 1990 году в ответ на растущие потребности в повышении пропускной способности связей высокопроизводительных серверов с сегментами рабочих станций. Структурная схема коммутатора EtherSwitch, предложенного фирмой Kalpana, представлена ниже. Каждый из 8 портов 10Base-T обслуживается одним процессором пакетов Ethernet — ЕРР (Ethernet Packet Processor). Кроме того, коммутатор имеет системный модуль, который координирует работу всех процессоров ЕРР. Системный модуль ведет общую адресную таблицу коммутатора и обеспечивает управление коммутатором по протоколу SNMP. Для передачи кадров между портами используется коммутационная матрица, подобная тем, которые работают в телефонных коммутаторах или мультипроцессорных компьютерах, соединяя несколько процессоров с несколькими модулями памяти. Коммутационная матрица работает по принципу коммутации каналов. Для 8 портов матрица может обеспечить 8 одновременных внутренних каналов при полудуплексном режиме работы портов и 16 — при полнодуплексном, когда передатчик и приемник каждого порта работают независимо друг от друга.

При поступлении кадра в какой-либо порт процессор ЕРР буферизует несколько первых байт кадра, чтобы прочитать адрес назначения. После получения адреса назначения процессор сразу же принимает решение о передаче пакета, не дожидаясь прихода остальных байт кадра. Для этого он просматривает свой собственный кэш адресной таблицы, а если не находит там нужного адреса, обращается к системному модулю, который работает в многозадачном режиме, параллельно обслуживая запросы всех процессоров ЕРР. Системный модуль производит просмотр общей адресной таблицы и возвращает процессору найденную строку, которую тот буферизует в своем кэше для последующего использования. После нахождения адреса назначения процессор ЕРР знает, что нужно дальше делать с поступающим кадром (во время просмотра адресной таблицы процессор продолжал буферизацию поступающих в порт байтов кадра). Если кадр нужно отфильтровать, процессор просто прекращает записывать в буфер байты кадра, очищает буфер и ждет поступления нового кадра. Если же кадр нужно передать на другой порт, то процессор обращается к коммутационной матрице и пытается установить в ней путь, связывающий его порт с портом, через который идет маршрут к адресу назначения. Коммутационная матрица может это сделать только в том случае, когда порт адреса назначения в этот момент свободен, то есть не соединен с другим портом. Если же порт занят, то, как и в любом устройстве с коммутацией каналов, матрица в соединении отказывает. В этом случае кадр полностью буферизуется процессором входного порта, после чего процессор ожидает освобождения выходного порта и образования коммутационной матрицей нужного пути.

После того как нужный путь установлен, в него направляются буферизованные байты кадра, которые принимаются процессором выходного порта. Как только процессор выходного порта получает доступ к подключенному к нему сегменту Ethernet по алгоритму CSMA/CD, байты кадра сразу же начинают передаваться в сеть. Процессор входного порта постоянно хранит несколько байт принимаемого кадра в своем буфере, что позволяет ему независимо и асинхронно принимать и передавать байты кадра.

Городская телефонная сеть — это совокупность линейных и станционных сооружений. Сеть, имеющая одну АТС, называется нерайонированной. Линейные сооружения такой сети состоят только из абонентских линий. Типовое значение емкости такой сети 8−10 тысяч абонентов. При больших емкостях из-за резкого увеличения длины АЛ целесообразно переходить на районированное построение сети. В этом случае территория города делится на районы, в каждом из которых сооружается одна районная АТС (РАТС), к которой подключаются абоненты этого района. Соединения абонентов одного района осуществляется через одну РАТС, абонентов разных РATC — через две. РАТС связываются между собой соединительными линиями в общем случае по принципу «каждая с каждой». Общее число пучков между РАТС равно количество РАТС/2. При возрастании емкости сети число пучков СЛ, связывающих РATC между собой по принципу «каждая с каждой», начинает резко расти, что приводит к чрезмерному возрастанию расхода кабеля и затрат на организацию связи и Поэтому при емкостях сети свыше 80 тысяч абонентов применяют дополнительный коммутационный узел. На такой сети связь между АТС разных районов осуществляется через узлы входящего сообщения (УВС), а связь внутри своего узлового района (УР осуществляется по принципу «каждая с каждой» или через свой УВС.

3.1 Коммутация каналов

Соединение с коммутацией каналов — вид телекоммуникационной сети, в которой между двумя узлами сети должно быть установлено соединение (канал), прежде чем они начнут обмен информацией. Это соединение на протяжении всего сеанса обмена информацией может использоваться только указанными двумя узлами. После завершения обмена соединение должно быть соответствующим образом разорвано.

Типичным примером являются ранние телефонные сети. Абонент должен попросить оператора соединить его с другим абонентом, подключённым к тому же коммутатору или иному коммутатору через линию связи (и другому оператору). В любом случае, конечным результатом было физическое электрическое соединение между телефонными аппаратами абонентов в течение всего разговора. Проводник, задействованный для подключения, не мог быть использован для передачи других разговоров в это время, даже если абоненты на самом деле не разговаривали и на линии была тишина.

Позже стало возможным уплотнение одной физической линии для образования в ней нескольких каналов. Несмотря на это, один канал уплотнённой линии также мог использоваться лишь одной парой абонентов.

Преимущества:

· высокая стабильность параметров канала во времени;

· отсутствие необходимости в передаче служебной информации после установления соединения;

· коммутация каналов может использоваться как в аналоговых, так и в цифровых сетях связи, в отличие от коммутации пакетами, которая возможна только в цифровых сетях.

Коммутация каналов считается недостаточно эффективным способом коммутации, потому что канальная ёмкость частично расходуется на поддержание соединений, которые установлены, но (в настоящее время) не используются.

3.2 Коммутация пакетов

Коммутация пакетов (англ. packet switching) — разбиение сообщения на «пакеты», которые передаются отдельно. Разница между сообщением и пакетом: размер пакета ограничен технически, сообщения — логически. При этом, если маршрут движения пакетов между узлами определён заранее, говорят о виртуальном канале (с установлением соединения). Пример: коммутация IP-пакетов. Если же для каждого пакета задача нахождения пути решается заново, говорят о датаграммном (без установления соединения) способе пакетной коммутации.

При коммутации пакетов все передаваемые пользователем данные разбиваются передающим узлом на небольшие (до нескольких килобайт) пакеты (packet). Каждый пакет оснащается заголовком, в котором указывается, как минимум, адрес узла-получателя и номер пакета. Передача пакетов по сети происходит независимо друг от друга. Коммутаторы такой сети имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов, что позволяет сглаживать пульсации трафика на линиях связи между коммутаторами. Пакеты иногда называют дейтаграммами (datagram), а режим индивидуальной коммутации пакетов — дейтаграммным режимом.

Коммутация пакетов по сравнению с коммутацией сообщений позволяет реализовать более эффективную передачу данных за счёт следующих присущих ей достоинств:

— меньшее время доставки сообщения в сети;

— более эффективное использование буферной памяти в узлах;

— более эффективная организация надёжной передачи данных; оо среда передачи не монополизируется одним сообщением на длительное время;

— задержка пакетов в узлах меньше, чем задержка сообщений. Рассмотрим каждое из перечисленных достоинств более подробно. Уменьшение времени доставки сообщений при коммутации пакетов достигается за счёт параллельной передачи пакетов по каналам связи.

Выигрыш во времени доставки обусловлен тем, что разные пакеты сообщения одновременно (параллельно) друг за другом перемещаются в последовательных каналах (рис. 6): когда пакет П1 находится в канале KC4, пакет П2 передаётся по каналу KC3, пакет П3 — по каналу KC2 и пакет П4 — по каналу KC1, что обеспечивает в процессе передачи пакетов уровень параллелизма, равный четырём. Ясно, что чем больше каналов связи на пути пакетов, тем выше уровень параллелизма и, следовательно, тем больше выигрыш.

Рисунок 6 — Коммутация пакетов Более эффективная организация надежной передачи данных, по сравнению с коммутацией сообщений, обусловлена тем, что контроль передаваемых данных осуществляется для каждого пакета и в случае обнаружения ошибки повторно передается только один пакет, а не всё сообщение.

Среда передачи не монополизируется одним сообщением на длительное время, поскольку длинное сообщение разбивается на пакеты ограниченной длины, которые передаются как независимые единицы данных. При этом механизм управления трафиком организуется таким образом, что после пакета одного сообщения по тому же каналу связи могут быть переданы пакеты других сообщений, а затем снова пакет первого сообщения. Это позволяет уменьшить среднее время ожидания пакетами освобождения канала связи и за счёт этого увеличить оперативность передачи данных. При этом, чем меньше предельно допустимая длина пакетов, тем выше указанный эффект.

Достоинства коммутации пакетов:

· эффективность использования пропускной способности;

· меньшие затраты.

Недостатки коммутации пакетов:

· занимают линии связи;

· уменьшение ее пропускной способности;

Сеть с коммутацией пакетов замедляет процесс взаимодействия каждой конкретной пары узлов, поскольку их пакеты могут ожидать в коммутаторах, пока передадутся другие пакеты. Однако общая эффективность (объем передаваемых данных в единицу времени) при коммутации пакетов будет выше, чем при коммутации каналов. Это связано с тем, что трафик каждого отдельного абонента носит пульсирующий характер, а пульсации разных абонентов, в соответствии с законом больших чисел распределяются во времени, увеличивая равномерность нагрузки.

3.3 Коммутация сообщений

Коммутация сообщений — (КС, message switching) — разбиение информации на сообщения, которые передаются последовательно к ближайшему транзитному узлу, который, приняв сообщение, запоминает его и передаёт далее сам таким же образом. Получается нечто вроде конвейера.

Метод коммутации сообщений (рис. 7) не предполагает предварительного установления выделенного пути между станциями. При передаче сообщения станция добавляет к нему адрес назначения. Сообщение передается по сети от узла к узлу. Сообщение, передаваемое одним узлом, полностью принимается другим, кратковременно сохраняется, а затем передается следующему узлу. Такой тип сети называют «сеть с промежуточным хранением» (store-andforward network).

Рисунок 7 — Метод коммутации сообщений Узлы сети коммуникации сообщений обычно создаются на базе универсальных ЭВМ. Необходимыми являются устройства, позволяющие хранить (буферизовать) принимаемые сообщения, которые могут быть довольно длинными. Для данного метода коммутации характерны дополнительные задержки из-за накладных расходов на поиск следующего узла для передачи, на организацию очередности передачи сообщений, а также собственно на передачу сообщения.

Преимущества:

· эффективность использования линий сети выше, чем в методе коммутации цепей, поскольку полоса пропускания сети «одновременно» используется большим количеством устройств;

· перегруженный сетевой трафик данных может быть снижен, поскольку сообщения могут временно сохраняться в промежуточных узлах;

· сообщениям могут устанавливаться приоритеты. При этом низко приоритетные сообщения задерживаются в узлах, «уступая дорогу» сообщениям с более высокими приоритетами (в этом положительный эффект промежуточного хранения сообщений);

· одно сообщение может быть разослано многим получателям. Сообщение может сопровождаться широковещательным адресом назначения, указывающим некоторую область сети, узлам которой необходимо переслать сообщение.

Недостатки:

· метод коммутации сообщений не пригоден для большинства приложений реального времени. Приложения с высокой степенью интерактивности могут только пострадать из-за задержек, присущих схеме с промежуточным хранением. Например, коммутация сообщений не может быть использована для передачи речевой информации;

· устройства, реализующие схему с промежуточным хранением, довольно дорогие, поскольку они обязательно должны иметь большие магнитные диски для хранения потенциально длинных сообщений.

3.4 Коммутация ячеек

Коммутация ячеек (КЯ, cell switching) — совмещает в себе свойства сетей с коммутацией каналов и сетей с коммутацией пакетов, при коммутации ячеек пакеты всегда имеют фиксированный и относительно небольшой размер (рис. 8).

Рисунок 8 — Структурная схема ячейки Первые компьютерные сети строились для передачи цифровых (компьютерных) данных с единственным требованием — обеспечить надёжную (без ошибок) доставку данных, при этом время доставки не являлось критичным. Развитие компьютерных технологий и появление необходимости передачи мультимедийных данных, таких как речь и видео, выдвинуло, наряду с надёжной доставкой, новое требование к передаче данных в компьютерных сетях: минимизация времени доставки сообщений. Для реализации этой концепции в начале девяностых годов прошлого столетия была разработана сетевая технология, получившая название Asynchronous Transfer Mode (ATM) -режим асинхронной передачи, назначение которой — передача мультимедийных данных в компьютерной сети с минимальной задержкой.

Как было показано выше при рассмотрении коммутации пакетов, чем короче пакеты, тем меньше время доставки всего сообщения. Исходя из этого, в АТМ-сетях в качестве единицы передачи данных был выбран блок размером в 53 байта (5 байт — заголовок и 48 байт — данные), названный ячейкой (рис. 1.32). Столь странный размер ячейки появился в результате компромисса двух противодействующих групп, из которых одна группа (по одной из версий: традиционные связисты — телефонисты) настаивала на меньшем значении поля данных в 32 байта, а другая (компьютерщики) — на значении в 64 байта. Действительно, меньшее значение размера ячейки обеспечило бы меньшие задержки при доставке данных, однако не следует забывать, что при этом возрастают накладные расходы на передачу заголовков ячеек, что снижает полезную (эффективную) пропускную способность среды передачи. В АТМ-сетях это снижение составляет около 10%. Если же размер поля данных будет 32 байта, то при том же заголовке в 5 байт снижение полезной пропускной способности составит 13,5%. Принимая во внимание, что в мультимедийных сетях обычно используются высокоскоростные каналы, потери пропускной способности могут оказаться значительными, что отрицательно скажется на экономической эффективности компьютерной сети.

Подводя итог сказанному, можно отметить следующие достоинства коммутации ячеек:

— маленькие задержки ячеек (не монополизируется канал связи);

— быстрая обработка заголовка ячейки в узлах, поскольку местоположение заголовка строго фиксировано;

— более эффективная, по сравнению с коммутацией пакетов, организация буферной памяти и надежной передачи данных.

Основным недостатком коммутации ячеек является:

— наличие сравнительно больших накладных расходов на передачу заголовка (почти 10%) и, как следствие, значительная потеря пропускной способности, особенно в случае высокоскоростных каналов связи.

4. Оборудование сетей

Сеть — это достаточно сложная структура, использующая различные типы связи, коммуникационные протоколы и способы подключения ресурсов. С точки зрения удобства построения и управляемости сети следуют ориентироваться на однотипное оборудование одного производителя. Однако практика показывает, что поставщиков, предлагающих максимально эффективные решения для всех возникающих задач, не существует. Работающая сеть всегда является результатом компромисса — либо это однородная система, неоптимальная с точки зрения цены и возможностей, либо более сложное в установке и управлении сочетание продуктов различных производителей. Далее мы рассмотрим средства построения сетей нескольких ведущих производителей и дадим некоторые рекомендации по их использованию.

Все оборудование сетей передачи данных можно условно разделить на два больших класса — периферийное, которое используется для подключения к сети оконечных узлов, и магистральное или опорное, реализующее основные функции сети (коммутацию каналов, маршрутизацию и т. д). Четкой границы между этими типами нет — одни и те же устройства могут использоваться в разном качестве или совмещать те и другие функции. Следует отметить, что к магистральному оборудованию обычно предъявляются повышенные требования в части надежности, производительности, количества портов и дальнейшей расширяемости. Периферийное оборудование является необходимым компонентом всякой корпоративной сети. Функции же магистральных узлов может брать на себя глобальная сеть передачи данных, к которой подключаются ресурсы. Как правило, магистральные узлы в составе корпоративной сети появляются только в тех случаях, когда используются арендованные каналы связи или создаются собственные узлы доступа.

Периферийное оборудование сетей с точки зрения выполняемых функций также можно разделить на два класса. Во-первых, это маршрутизаторы (routers), служащие для объединения однородных LAN (как правило, IP или IPX) через глобальные сети передачи данных. В сетях, использующих IP или IPX в качестве основного протокола — в частности, в той же Internet — маршрутизаторы используются и как магистральное оборудование, обеспечивающее стыковку различных каналов и протоколов связи. Маршрутизаторы могут быть выполнены как в виде автономных устройств, так и программными средствами на базе компьютеров и специальных коммуникационных адаптеров.

Второй широко используемый тип периферийного оборудования — шлюзы (gateways), реализующие взаимодействие приложений, работающих в разных типах сетей. Полнофункциональный шлюз всегда представляет собой программно-аппаратный комплекс, поскольку должен обеспечивать необходимые для приложений программные интерфейсы.

Заключение

Вычислительные машины прошли путь развития от огромных и очень дорогих компьютеров до современных компактных персональных компьютеров и карманных устройств, находящих применение в повседневной жизни на работе и дома. Современные компьютеры более эффективны, когда они объединены в единую сеть.

Сети передачи данных являются неотъемлемой часть жизнедеятельности человека, они используются в каждой сфере человеческой деятельности.

Технология передачи информации играет важную роль в разрешении конфликтов, всякого рода аварийных ситуаций и, в конечном счете, в стабилизации всего мира. Кроме того, последнее десятилетие сопровождалось революционными изменениями в сети Интернет и вместе с этим радикальными и зачастую непредсказуемыми переменами в способах ведения бизнеса в мировом масштабе.

С момента своего скромного рождения в 1969 году сеть Интернет существенно выросла и стала глобальным феноменом, широко доступным не только для ученых, но и для предприятий и отдельных пользователей. Не будет преувеличением сказать, что сеть Интернет изменила образ нашей жизни и ведения бизнеса. Сейчас Интернет доказал свое право на жизнь и, более того, большая часть мирового населения стала зависеть от него в сфере получения информации и ведении коммерции. Существует много способов доступа в сеть Интернет, отдельные пользователи и корпоративные клиенты имеют разные нужды, но цель всегда одна: присоединиться к мировому сообществу.

Сети имеют множество типов, видов, подвидов, различаются по разным параметрам, таким как среда передачи, способы передачи данных и т. д. С каждым годом идет быстрое развитие сетей передачи данных в их построении, безопасности, способах передачи данных, оборудовании для них, что делает их еще более доступными для простых пользователей.

1 Телекоммуникации. Руководство для начинающих. Авторы: Мур М., Притеки Т., Риггс К., Сауфвик П. — СПб.: БХВ-Петербург, 2005. — 624 с.

2 Основы построения телекоммуникационных систем и сетей: Учебник для вузов / В. В. Крухмалев, В. Н. Гордиенко, А. Д. Моченов; Под ред. В. В. Крхумалева и В. Н. Гордиенко. — М.: Горячая линия — Телеком, 2004. — 510 с.

3 Основы сетей передачи данных. Курс лекций. Авторы: В. Г. Олифер, Н. А. Олифер. Интернет-университет информационных технологий, 2005. — 176 с.

4 Передача дискретной информации: Учебник для вузов. Авторы: Емельянов Г. А., Шварцман В. О. М.: Радио и связь, 1982. — 240 с.

5 Локальные сети. Архитектура, алгоритмы, проектирование. Авторы: Новиков Ю. В., Кондратенко С. В. М.: ЭКОМ, 2000. — 312 с.

6 Технологии передачи данных. Автор: Хелд Г. Год издания: 2003 Страниц: 720.

7 Телекоммуникации и сети Автор: Галкин В. А. Издательство: МГТУ им. Баумана, 2003. — 608 с.

8 Вычислительные машины, системы и сети: учебник для студ. высш. учеб. заведений. 2-е изд. Автор: В. Ф. Мелехин, Е. Г. Павловский. М.: Издательский центр «Академия», 2007. — 560 с.

7. Шувалов В. П. и др. Передача дискретных сообщений. М.: Радио и связь, 2002. — 462 с.

8. Зюко А. Г. и др. Теория передачи сигналов. М.: Радио и связь, 2006. — 312 с.

9. Игнатов В. А. Теория информации и передачи сигналов. М.: Радио и связь, 2001. — 280 с.

10. Гольдштейн А. Б. Softswitch. СПб.: БХВ — Санкт-Петербург, 2006. — 368с.

11. Абдуллаев Д. А., Арипов М. Н. Передача дискретных сообщений в задачах и упражнениях. — М.: Радио и связь, 2005. — 128 с.

12. Гук М. Аппаратные средства локальных сетей. Энциклопедия — Спб.: Питер, 2005. — 573 с.: ил.

13. Закер К. Компьютерные сети. Модернизация и поиск неисправностей: Пер. с англ. — СПб.: БХВ-Петербург, 2004. — 1008 с.: ил.

14. Компьютерные сети. Принципы. Технологи, протоколы. В. Г. Олифер. — СПБ.: Питер, 2004. — 864с.

15. Нефедов В. И. Основы радиоэлектроники и связи. М.: Высш. шк., 2005. — 510 с.: ил.