Любая сеть – это структура, состоящая из узлов, выполняющих
определенный вид обработки информации, которые объединены
посредством каналов связи. Если принять это определение
за основу, тогда примеров реализации сетей можно найти
достаточно много. Вы никогда не задумывались над тем,
почему “представители канадских компаний” гордо именуют
себя “деятелями сетевого маркетинга”? Наверное потому,
что суть их деятельности заключается в формировании
некой структуры, весьма напоминающей компьютерную сеть
(иногда даже глобальную): имеются узлы-обработчики информации
(инициаторы пирамид сетевого маркетинга, а также их
ближайшие помощники), существуют каналы передачи информации
(телефон, устное общение между коллегами на ежемесячных
собраниях), но эту аналогию можно скорее отнести к категории
не совсем удачных шуток. Уместным примером сети может
служить обычное городское кабельное телевидение. Как
и в компьютерных сетях, сигнал передается по коаксиальному
кабелю, а телевизор аналогично компьютеру обрабатывает
принимаемый сигнал и формирует телевизионную “картинку”.
Компьютерные сети в настоящее время стали настолько
привычными и обыденными, что мы их порой просто не замечаем.
Без банкоматов, автоматизированных касс в супермаркетах,
а также систем управления движением трудно представить
жизнь современного постиндустриального общества. О том,
как зарождались и развивались локальные (а также глобальные
сети) читатель узнает, прочитав книгу Дебры Литтлджон
Шиндер “Основы компьютерных сетей”1. Теперь перейдем
к рассмотрению непосредственно самих компьютерных вычислительных
сетей.
Назначение локальных сетей.
Для многих пользователей “персоналок” компьютерные сети
ассоциируются с какой-либо производственной деятельностью,
а потому эта тема не вызывает у них особого оживления.
Действительно, зачем домашнему пользователю нужна сеть,
если у него дома один компьютер, на котором просматриваются
мульты о Масяне или скрашиваются бесконечные часы ночного
одиночества болтовней в чатах. Кстати, именно в последнем
случае на арену выходит ее величество Сеть, а именно
Internet, и знание вовсе не помешает. Не следует также
забывать о том, что существует другая категория домашних
пользователей. Для них ПК дает возможность завершить
выполнение важной работы или получить доступ к корпоративной
базе данных при возникновении экстренной необходимости.
В этом случае на помощь придут технологии удаленного
доступа к локальным сетям, описание которых приводится
в этой книге. Для начала проанализируем преимущества
и недостатки применения компьютерных сетей.
Компьютерные сети: преимущества и недостатки.
Рано или поздно, количественный рост компьютеров, сосредоточенных
на ограниченном рабочем пространстве (офис, производственный
цех и т.д.) приводит к качественному скачку – к формированию
локальной вычислительной сети. Согласно общепринятому
определению, локальная вычислительная сеть – это совокупность
компьютеров, расположенных, как правило, в пределах
одного здания, которые объединены с помощью каналов
передачи данных. Глобальную сеть образуют локальные
сети, объединенные с помощью каналов передачи данных.
Разумеется, какое-то время можно обойтись и без сетей.
Но представьте себе типичный современный офис, в котором
установлены, как минимум, три компьютера (бухгалтер,
секретарь и директор), а важные файлы передаются с помощью
дискеток, выстраивается “живая очередь” к единственному
лазерному принтеру или сканеру и так далее... Представили?
Конечно, подобная ситуация в настоящее время практически
не встречается, хотя всякое в жизни бывает. Если профессионалы,
деятельность которых связана с компьютерами, без сети
“просто жить не могут”, то персонал разного рода торгово-закупочных
фирм придерживается несколько иного мнения на сей счет.
А сейчас я позволю себе вкратце обрисовать основные
преимущества, связанные с применением компьютерных сетей:
· возможность совместного использования периферийных
устройств (таких как сканеры, принтеры, Web-камеры и
т.д.);
· повышение эффективности и скорости обработки информации
в группе сотрудников;
· обеспечение совместного доступа к Internet;
· быстрое получение доступа к корпоративным хранилищам
информации (базы данных, носители на магнитных лентах).
Конечно, как и в любом деле, не обходится без некоторых
проблем. Использование компьютерных сетей несет потенциальную
угрозу безопасности для данных, передаваемых по этим
сетям, существует также опасность “паралича” деятельности
всей фирмы в случае нарушения работоспособности сети.
Однако преимущества “с головой” перевешивают недостатки.
В настоящее время сетевые технологии исключительно надежны,
а угроза безопасности возникает лишь в том случае, если
компьютеры подключены к Internet. Но здесь на помощь
может прийти брандмауэр (лучше всего аппаратный). Эти
замечательные устройства будут подробнее рассмотрены
в главе 8.
И если вы еще до сих пор не перешли на работу с компьютерными
сетями, делайте это именно сейчас, не откладывая в “долгий
ящик”, чтобы безнадежно не отстать от “поезда научно-технического
прогресса”.
Топология компьютерных сетей
Сети бывают разные. Наиболее часто применяется классификация
сетей в соответствии с их топологией. Различают физическую
и логическую топологии. Физическая топология определяет
тип применяемого кабеля, а также способ его прокладки.
Логическая топология описывает путь, по которому передаются
сигналы в сети. Несмотря на кажущуюся схожесть этих
понятий, на самом деле они описывают различные вещи.
Ниже представлен краткий перечень наиболее широко распространенных
топологий локальных сетей:
· шинная;
· кольцевая;
· звездообразная;
· ячеистая;
· смешанная.
Сети с шинной топологией
Локальная сеть, построенная в соответствии с шинной
топологией, характеризуется свойством прямолинейности.
Сетевой кабель проложен последовательно, от компьютера
к компьютеру. Пример сети, описываемой шинной топологией,
приводится на рис. 1.1.
Рис. 1. Пример шинной топологии: компьютеры объединены
по “линейке”
В сетях подобного типа обязательно применение терминатора
(конечная нагрузка шины). Это устройство предотвращает
возможность отражения сигнала, нарушающего работоспособность
сети. Один из концов шины следует заземлять. Как правило,
в сетях с шинной топологией применяется тонкий или толстый
коаксиальный кабель (10Base2 или 10Base5). Подключение
подобного кабеля к сетевым адаптерам, установленным
в компьютерах, производится с помощью T-образных адаптеров.
В процессе функционирования сетей этого типа сообщения,
отсылаемые каждым компьютером, принимаются всеми компьютерами,
подключенными к шине. Заголовки сообщений анализируются
сетевыми адаптерами. В процессе анализа определяется
компьютер-адресат для данного сообщения.
Сети с шинной топологией обладают следующими преимуществами:
· простота реализации;
· относительная дешевизна.
· Ниже приведено краткое описание недостатков сетей
с шинной топологией:
· пассивный характер, приводящий к значительному затуханию
сигнала;
· уязвимость сети (одна общая шина).
Сети с кольцевой топологией.
Если соединить между собой концы шины, то получим классический
пример сети с кольцевой топологией. Каждый компьютер
подключен к двум соседним, вследствие чего сигнал циркулирует
“по кругу” (рис. 1.2). В этом случае терминаторы не
требуются, поскольку отсутствует изолированный конец
сети.
В кольцевой сети также используется коаксиальный кабель.
Для специального вида кольцевой сети (Token Ring, представляет
логическое кольцо в соответствии со спецификацией IEEE
802.5) применяется кабель экранированной витой пары
(STP).
Рис. 2. Кольцевая сеть характеризуется тем, что компьютеры
образуют “хоровод”
В кольцевой сети передача сигнала происходит в одном
направлении. Каждый компьютер принимает сигнал от соседа
слева и передает его соседу справа. Подобный вид топологии
именуется активным, поскольку в процессе передачи происходит
дополнительное усиление сигнала.
Чаще всего кольцевая топология реализуется практически
в виде архитектуры Token Ring. В этом случае применяется
концентратор Token Ring, также именуемый MSAU (Multistation
Access Unit, Модуль многостанционного доступа).
Преимущества сетей с кольцевой топологией:
· простота физической реализации;
· легкость при устранении различного рода неполадок.
Некоторые недостатки, связанные с применением кольцевых
сетей:
· невысокая степень надежности (при разрыве кольца
вся сеть выходит из строя);
· трудность добавления новых компьютеров.
Сети звездообразной топологии.
Общеизвестно, что звезда – одна из наиболее распространенных
топологий, применяемых в процессе построения локальных
сетей. В процессе формирования сети подобного типа каждый
компьютер соединяется с центральным концентратором (рис.
1.3).
Рис. 3. В сетях звездообразной топологии все компьютеры
соединены с центральным концентратором
Применяемый в этом случае концентратор может быть активным,
пассивным или интеллектуальным. Пассивный концентратор
служит для реализации физического соединения, совершенно
не потребляя при этом энергии. Наиболее распространен
активный концентратор, который фактически является многопортовым
повторителем. Этот вид концентраторов выполняет усиление
передаваемых сигналов. Если активный концентратор снабжен
диагностическим оборудованием, его называют интеллектуальным
концентратором. Подробно концентраторы рассматриваются
в главе 3. В процессе конструирования сетей звездообразной
топологии применяется кабель неэкранированной витой
пары (архитектура Ethernet, 10BaseT или 100BaseT). В
обычной звездообразной сети сигнал передается от сетевых
адаптеров, установленных в компьютерах, к концентраторам.
Затем производится усиление сигнала с последующей его
обратной передачей сетевым адаптерам.
Преимущества звездообразной топологии:
· повышенная устойчивость сети;
· легкость добавления/исключения нового компьютера
в сети;
· простота диагностики и устранения неполадок.
Недостатки звездообразной топологии:
· повышенный расход кабеля при прокладке сети;
· необходимость приобретения дорогостоящего концентратора.
Сети с ячеистой топологией.
По сравнению с описанными ранее, эта топология не столь
распространена (рис. 4). В процессе физической реализации
данной топологии каждый компьютер сети соединяется непосредственно
с другим компьютером. Этот вид топологии более устойчив
к сбоям благодаря наличию различных путей
прохождения сигнала. Однако данное преимущество практически
полностью нивелируется необходимостью огромного количества
кабелей (в случае большого количества компьютеров) и
сложностью самой сети. Добавление каждого нового компьютера
в состав сети приводит к экспоненциальному росту количества
необходимых сетевых соединений.
Рис. 4. Пример сети с ячеистой топологией
Сети со смешанными топологиями.
Сети подобного типа характеризуются топологией, объединяющей
элементы нескольких стандартных топологий.
Примером подобной топологии может служить так называемая
смешанная ячеистая топология, когда избыточные соединения
устанавливаются только между наиболее важными компьютерами.
Пример подобной сети приведен на рис. 5.
Рис. 5. Сеть со смешанной ячеистой топологией
Термин смешанный может также применяться по отношению
к сетям, использующим несколько топологий. Сети подобного
типа достаточно широко распространены. Сеть со смешанной
топологией можно создать, соединив несколько концентраторов
с помощью шины, а затем подключив к каждому концентратору
несколько компьютеров.
В данном случае кабель, проложенный между концентраторами,
называется магистральным. С помощью этого кабеля реализуется
соединение между компонентами сети, называемыми сегментами.
Благодаря этому можно сформировать достаточно большую
и сложную сеть.
Основные среды передачи информации.
Средой передачи информации называется канал связи,
установленный между сетевыми компьютерами. Различают
кабельные и беспроводные каналы связи. В настоящее время
наиболее распространены именно кабельные системы, что
связано с относительной дешевизной этого технологического
решения (особенно в случае применения традиционных медных
кабелей).
Как правило, данные в локальных сетях передаются последовательно
(поразрядно). Это решение способствует уменьшению стоимости
самого кабеля, поскольку с ростом числа каналов связи
неизбежно увеличивается количество проводящих жил в
самом кабеле. Использование достаточно длинных кабелей
неизбежно ведет к удорожанию сети, причем порой стоимость
кабеля сопоставима со стоимостью остальных аппаратных
компонентов сети. Существуют также и другие негативные
моменты, связанные с параллельной передачей сигналов
по кабелю.
Все кабели, применяемые в локальных сетях, можно отнести
к одной из трех категорий:
· кабели на основе витых пар (twisted pair), которые,
в свою очередь, бывают экранированными (shielded twisted
pair, STP), а также неэкранированными (unshielded twisted
pair, UTP);
· коаксиальные кабели (coaxial cable);
· оптоволоконные кабели (fiber cable).
Невозможно однозначно сказать, какой кабель лучше, а
какой – хуже. Все определяется конкретной решаемой задачей
(сетевая архитектура и топология, величина бюджетных
средств, наличие требований относительно расширяемости
сети в будущем и т.д.). При наличии специфических требований
к развертываемой локальной сети может оказаться приемлемым
беспроводное решение. В этом случае информация передается
по радиоканалу или с помощью инфракрасных лучей. Теперь
подробно рассмотрим среды передачи данных.
Кабели витых пар.
Этот вид кабеля применяется для монтажа простейших
и наименее затратных локальных сетей, причем расстояние
между соседними компьютерами в данном случае редко превышает
100 м. Кабель этого вида обычно включает две (или четыре)
пары витых проводов (рис. 1.6). В кабеле экранированной
витой пары каждая пара витых проводов заключается в
металлический экран. Благодаря этому уменьшается влияние
внешних помех, а также исключаются внутренние наводки,
возникающие в процессе передачи сигналов в локальной
сети. Естественно, что такой кабель стоит дороже. Помимо
этого усложняется конструкция разъемов, соединяющих
STP-кабель с сетевым адаптером. В силу изложенных причин
наибольшее распространение получили UTP-кабели. Несмотря
на некоторые недостатки, связанные с их применением
(длина кабельного сегмента редко превышает 100 м, а
скорость передачи данных ограничена значением 100 Мбит/c),
именно в этом случае возможно быстро и легко построить
локальную сеть. В соответствии с общепринятыми стандартами,
выделяют пять категорий UTPкабелей.
Категория 1. Обычный телефонный кабель (отсутствует
скрутка между проводами), пригодный лишь для передачи
речи, а не компьютерных данных. Кабелю такого рода присуща
нестабильность параметров (волновое сопротивление, полоса
пропускания, не нормируется уровень перекрестных помех).
Рис. 6. Кабель витой пары
Категория 2. Витые пары, предназначенные для передачи
сигналов, частота которых не превышает 1 МГц. Для кабелей
этих типов уровень перекрестных помех не нормируется.
В настоящее время данный тип кабеля практически не используется.
Категория 3. Этот кабель предназначается для передачи
сигналов, полоса частот которых не превышает 16 МГц.
Витые пары, образующие этот кабель, состоят из девяти
витков провода из расчета на метр длины. Для кабеля
нормированы все параметры, а волновое сопротивление
равно 100 Ом. Именно этот кабель является наиболее дешевым
и широко применяемым для прокладки локальных сетей.
Категория 4. Кабель предназначен для передачи сигналов
в диапазоне частот до 20 МГц. Применяется сравнительно
редко, поскольку не намного лучше изделий из третьей
категории, а стоит существенно дороже. При изготовлении
кабелей этого типа производится тестирование всех электрических
параметров, а волновое сопротивление равно 100 Ом. Данный
тип кабеля в свое время был разработан в соответствии
со стандартом IEEE 802.5.
Категория 5. Этот кабель в настоящее время является
наилучшим по совокупности всех электрических параметров
и может применяться для передачи сигналов, максимальная
частота которых не превышает 100 МГц. Витые пары образуют
27 витков на метр длины. Для кабеля нормированы все
электрические параметры, а волновое сопротивление составляет
100 Ом. Именно этот тип кабеля рекомендуется применять
в современных высокоскоростных сетях типа Fast Ethernet.
Его стоимость примерно в 1,5 раза превышает стоимость
кабеля, относящегося к категории 3. В настоящее время
разработаны типы кабелей, которые можно отнести к категории
6 и 7. Они предназначаются для передачи сигналов в диапазонах
до 200 и 600 МГц, соответственно. В стандарте EIA/TIA
568 определяется полное волновое сопротивление кабелей,
относящихся к категориям 3—5. Эта величина составляет
100 Ом (причем допускается разброс до 15 % в ту или
иную сторону). Волновое сопротивление для кабеля экранированной
витой пары определяется равным 150 Ом, причем величина
разброса будет такой же. Если величины волнового сопротивления
кабелей и прочего сетевого оборудования не совпадают,
применяются согласующие трансформаторы. Стандартом также
определяются такие параметры кабеля, как максимальное
затухание сигнала разных частот на 1000 футов (305 метров),
величина перекрестной наводки, а также допустимое значение
рабочей емкости. Так, например, затухание сигнала частотой
16 МГц для кабеля категории 3 составляет 40 дБ, а для
кабеля категории 5 – 25 дБ. Как видите, разница достаточно
серьезная. Для подсоединения кабеля к сетевому адаптеру
применяются разъемы типа RJ-45 (напоминают всем известные
телефонные разъемы европейского образца RJ-11). По типу
оболочки различают кабели в поливинилхлоридной изоляции
(ПВХ) и в тефлоновой изоляции. Естественно, что второй
тип кабеля лучше (более прочен и негорюч), но его стоимость
существенно выше.
Коаксиальные кабели.
Электрический кабель, состоящий из центральной жилы
и металлической оплетки, разделенных слоем диэлектрика
и помещенных в общую изоляционную оболочку, называется
коаксиальным кабелем (рис. 7).
Рис. 7. Устройство коаксиального кабеля
Сравнительно недавно коаксиальный кабель был широко
распространенным в силу присущих ему положительных качеств.
Высокая степень помехозащищенности (благодаря наличию
металлической оплетки), высокая скорость передачи данных
(до 500 Мбит/с) и низкий уровень электромагнитных помех
совершенно справедливо принесли ему лавры чемпиона среди
кабелей локальных сетей. Однако повышенная стоимость
коаксиального кабеля и усложненный монтаж сетей на его
основе привели к тому, что на первое место вышел кабель
витой пары. Область применения коаксиального кабеля
на момент написания книги – сети с шинной и звездообразной
топологией. Чаще всего волновое сопротивление коаксиального
кабеля, применяемого в локальных сетях, составляет 50
или 93 Ома.
Существуют два основных типа коаксиальных кабелей:
тонкий (thin) кабель, диаметр которого составляет 5
мм, и толстый (thick) кабель диаметром 10 мм. Толстый
кабель более жесткий, он обеспечивает меньшее затухание
сигнала, но и стоит, соответственно, дороже.
Как правило, в настоящее время коаксиальный кабель
при прокладке локальных сетей не используется. Его практически
вытеснили витая пара и оптоволокно.
Оптоволоконные кабели.
В оптоволоконных кабелях передача информации осуществляется
с помощью светового луча. Структура кабеля этого типа
(рис. 8) напоминает структуру коаксиального кабеля,
за исключением небольших отличий. Вместо центральной
медной жилы применяется тонкое стекловолокно (диаметр
1—10 мкм), внутренняя изоляция заменена стеклянной (или
пластиковой) оболочкой, коэффициент преломления которой
значительно меньше, чем коэффициент преломления центрального
стекловолокна.
Благодаря явлению отражения света от границы сред с
различным преломлением световой луч может распространяться
на значительные расстояния с минимальным затуханием.
центральное волокно
Рис.8. Оптоволоконный кабель
Оптоволоконный кабель обеспечивает высочайшую степень
помехозащищенности и секретности, а также громадную
полосу пропускания (до 1012 ГГц). К недостаткам этого
типа кабеля относят высокую сложность монтажа (особенно
затруднено присоединение разъемов), а также меньшую
механическую прочность и гибкость. Различают два типа
оптоволоконных кабелей:
· многомодовый;
· одномодовый.
Основное различие между ними заключается в разном режиме
передачи световых лучей. Диаметр центрального волокна
одномодового кабеля составляет около 1,3 мкм, причем
передаваемый свет имеет аналогичную длину волны. В качестве
излучателя используется лазер. В этом случае дисперсия
и потери сигнала незначительны, что позволяет прокладывать
весьма протяженные сетевые магистрали. В многомодовом
кабеле диаметр центрального волокна составляет 62,5
мкм, а внешней оболочки – 125 мкм. По кабелю передается
“пучок” лучей, сгенерированных специальным светодиодом.
Длина света обычно составляет 0,85 мкм. Конечно, характеристики
многомодового кабеля хуже, чем одномодового, но благодаря
своей дешевизне многомодовый кабель получил более широкое
распространение.
Беспроводные каналы связи.
Помимо традиционных кабельных сетей можно воспользоваться
беспроводными каналами связи (радиоканал и инфракрасный
канал). В этом случае пользователь сети не “привязан”
к кабелю, трудоемкий монтаж кабельной системы также
не требуется. Обеспечиваются достаточно высокие скорости
передачи данных, хотя этот параметр не всегда стабилен.
В этом случае информация передается по радиоканалу,
причем дальность связи может составлять несколько сотен
километров, а величина скорости передачи данных может
достигать десятки Мбит/с. Основная область применения
радиоканала – организация связи в глобальных сетях.
В локальных сетях радиоканал применяется значительно
реже в силу низкой помехозащищенности, полного отсутствия
секретности, а также невысокой надежности связи.
Инфракрасные сети.
Благодаря применению инфракрасных каналов передачи информации
обеспечивается нечувствительность к электромагнитным
помехам. Предельная скорость передачи информации достигает
5—10 Мбит/с. Защищенность передаваемых данных вовсе
не гарантируется, а стоимость вспомогательного оборудования
достаточно велика.
|