Выбор типа коммуникационного устройства, обеспечивающего подключение ПК к информационной сети того или иного масштаба, и его конкретной модели напрямую зависит от способа подключения к сети и характеристик линии связи, оговоренных вариантом задания (см. таблицу П1.2. ).

Дополнительные устройства

К числу таких устройств в первую очередь следует отнести устройства обеспечения ПК качественным электропитанием. Сети электропитания мегаполисов и промышленных центров характеризует наличие высоковольтных импульсных бросков напряжения (высокочастотные помехи), долговременное изменение уровня напряжения, выходящее за пределы эксплуатационных требований, и кратковременные перебои подачи напряжения. Эти факторы негативно сказываются на работоспособности ПК и могут привести к потере информации, «зависанию» компьютера и даже полному выходу из строя отдельных узлов.

Устранить (точнее – эффективно снизить) воздействие высокочастотных (ВЧ) помех можно, используя подключение ПК к электросети через сетевой фильтр . Сетевой фильтр представляет собой недорогое устройство, в электрическую цепь которого включены реактивные элементы – конденсаторы и индуктивности, весьма существенно понижающие уровень ВЧ помех. От других видов перебоев электропитания сетевой фильтр не защищает ! В виду существенной важности решаемой сетевым фильтром задачи, при выборе конкретной модели не стоит ориентироваться на широко представленную на рынке продукцию сомнительного качества от неизвестных производителей. В качестве достойного выбора могут быть рекомендованы сетевые фильтры компании APC .

Единственной надежной защитой комплекса ПК и периферийного оборудования от всех видов изменений и отключений питающего напряжения являются (Uninterruptible Power Supply – UPS ). Источники бесперебойного питания (ИБП) строятся на основе несколько различных структурных схем, отличающихся сложностью и, соответственно, эффективностью работы и ценой. Для применения в домашних или индивидуальных офисных условиях могут быть рекомендованы относительно простые и недорогие линейно-интерактивные ИБП. Более простые и, соответственно, дешевые ИБП, относящиеся к типу «резервные », не всегда могут обеспечить качественное электропитание в экстремальных ситуациях. Если речь идет об электропитании серверов, лучше ориентироваться на качественные ИБП с двойным преобразованием частоты (или On-line ИБП). В любом случае следует выбирать модели ИБП от известных, хорошо зарекомендовавших себя производителей. Говоря о позициях конкретных компаний на рынке ИБП, можно отметить, что в сегменте ИБП малой мощности (до 3 кВА) около половины рынка принадлежит компании APC , что во многом объясняется разветвленной сетью партнеров и дистрибьюторов. На втором месте идет компания Invensys (владелец торговых марок Best Power и Powerware ). На третьем по объему реализуемой продукции с примерно равными позициями идут компании Liebert-Hiross и Chloride .

При выборе конкретной модели ИБП следует иметь в виду, что в паспортных данных на них приводится полная мощность источника (измеряется в Вольт-Амперах), в то время как для потребителей обычно указывается активная мощность (измеряется в Ваттах). То есть, суммируя мощность, потребляемую ПК и другими устройствами от ИБП, следует выбирать ИБП со значением полной мощности примерно на 30% большим , чем полученное суммарное значение активной мощности подключенных потребителей.

Дополнительные сведения, касающиеся возникающих в процессе выполнения работы вопросов, можно подучить, прибегнув к рекомендуемым источникам информации, а также к другим современным публикациям по этой тематике.

Библиографический СПИСОК

1. Соломенчук В., Шишигин И., Колесниченко О. Аппаратные средства PC. Наиболее полное руководство в подлиннике. 6-е издание, перераб. – СПб: BHV, 2009. – 800 с.

2. Жадаев А.Г. Персональный компьютер: Сборка, запуск, диагностика. – М: НТ Пресс, 2009. – 384 с.

3. www.stream.ru/

4. www.ixbt.com/

5. www.price.ru/

Приложение 1

ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ

Таблица П1.1

1-я цифра варианта	характер работ и приложений, на выполнение которых преимущественно ориентирован ПК
	Домашний ПК: работа с офисными приложениями (MSOffice ); просмотр видео; печать текста и таблиц.
0, 2	Домашний ПК: работа с графикой на любительском уровне; качественная печать изображений; сканирование печатных изображений и фотопленок.
	Домашний ПК: работа со звуком на любительском уровне; качественное звуковоспроизведение; просмотр видео; просмотр программ телевизионного вещания.
	Домашний ПК: компьютерные игры с 3D -графикой и качественным звуком; просмотр видео.
	Офисный ПК: работа с офисными приложениями (MSOffice ); печать текста и таблиц.
	Офисный ПК: работа с пакетами «1С », «Консультант Плюс », «Гарант »; печать текста и таблиц.
	Офисный ПК: работа с текстом и графикой среднего качества; печать изображений; сканирование печатных изображений и пленок.
	Офисный ПК: работа с чертежной графикой; пакет «Автокад »; печать изображений; сканирование печатных изображений и текста.
	Офисный ПК: создание презентационных слайд-роликов (MS PowerPoint ).

Таблица П1.2.

Таблица П1.3.

Таблица П1.4.

3-я цифра варианта	площадь, предоставляемая для размещения ПК и периферийного оборудования
	800x600 мм; допускается двухъярусное размещение с использованием ниш, подставок, полок и т.п.
	1000x550 мм; допускается двухъярусное размещение с использованием ниш, подставок, полок и т.п.
	900x600 мм; на одной рабочей поверхности (в один ярус)
	1100x500 мм; на одной рабочей поверхности (в один ярус)
	1000x700 мм; допускается двухъярусное размещение с использованием ниш, подставок, полок и т.п.
	750x550 мм; допускается двухъярусное размещение с использованием ниш, подставок, полок и т.п.
	без ограничения площади

Приложение 2

ОРИЕНТИРОВОЧНЫЕ МИНИМАЛЬНЫЕ

АППАРАТНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ПК

ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ РАЗЛИЧНЫХ ПРИЛОЖЕНИЙ

выполняемые задачи и приложения	минимальные аппаратные требования
работа с офисными приложениями (MSOffice )	CPU: Intel Core 2 Duo или AMD Athlon X2 Dual-Core; DRAM: 2 Gb; VRAM : 256 Mb; HDD: 500 Gb; разрешение видеосистемы: 1024 x768
работа с пакетами «1С », «Консультант Плюс », «Гарант »
работа с текстом и графикой среднего качества
работа со звуком на любительском уровне; качественное звуковоспроизведение; просмотр DVD ;	CPU: Intel Core i3 или AMD Athlon X2 Dual-Core; DRAM: 4 Gb; VRAM : 512 Mb; HDD: 350 Gb; разрешение видеосистемы: 1920 x1080
работа с графикой на любительском уровне
компьютерные игры с 3D -графикой и качественным звуком
работа с чертежной графикой; пакет «Автокад »
сервер поддержки небольшой локальной сети, совмещенный с файловым сервером	CPU: Intel Core 2 Quad или Core 2 Extreme; DRAM: 4 Gb; HDD: 500 Gb и выше; поддержка RAID

Приложение 3

АДРЕСА WEB-САЙТОВ НЕКОТОРЫХ ВЕДУЩИХ МИРОВЫХ
ПРОИЗВОДИТЕЛЕЙ КОМПЬЮТЕРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

компания	адрес WEB -сайта (URL ) головной организации или российского отделения	основная продукция
3COM	http://www.3com.ru	сетевое оборудование
ABIT	http://www.abit.ru	системные платы
Adaptec	http://www.adaptec.com	контроллеры
AGFA	http://www.agfa.com	сканеры
AMD	http://www.amd.ru	процессоры
Aopen	http://www.aopen.ru	компьютерное оборудование
APC	http://www.apc.ru	источники бесперебойного питания, сетевые фильтры
ASUSTEK	http://www.asus.ru
ATI Technologies	http://www.atitech.com/	графические адаптеры
A-Trend	http://www.atrend.com.tw/	системные платы
Creative Technology	http://ru.europe.creative.com/	звуковые платы
Canon	http://www.canon.ru/	принтеры, сканеры, цифровые камеры
Chloride	http://www.chloride.ru/	источники бесперебойного питания
DataExpert	http://www.dataexpert.com	системные платы, графические адаптеры
Diamond Multimedia	http://www.diamondmm.com	графические адаптеры
Epson	http://www.epson.ru/	принтеры, сканеры, проекторы
Gigabyte	http://www.gigabyte.ru/	системные платы, графические карты
Hewlett-Packard	http://www.hp.ru/	компьютеры, принтеры, сканеры
Hitachi	http://www.hitachi.ru/	мониторы, жесткие диски, приводы DVD
IBM	http://www.ibm/com/ru/	компьютеры, мониторы
Intel	http://www.intel.ru/	процессоры, системные платы, сетевое оборудование
Invensys	http://www.invensys.com	источники бесперебойного питания
Lexmark	http://www.lexmark.ru	струйные принтеры, сетевое оборудование
Liebert-Hiross	http://www.liebert-hiross.ru	источники бесперебойного питания
Logitech	http://www.logitech.com/	клавиатуры, мыши, трекболы
Maxtor	http://www.maxtor.com/	жесткие диски
Mitsumi	http://www.mitsumi.com/	мыши, клавиатуры
Minolta	http://www.minolta.ru/, http://www.konicaminolta.ru	принтеры
NEC	http://www.nec.com/	мониторы, приводы DVD
Plextor	http://www.plextor.ru/	приводы DVD
Rambus	http://www.rambus.com/	память
Samsung	http://www.samsung.ru/	мониторы, жесткие диски, приводы BD/DVD
Seagate	http://www.seagate.com/	жесткие диски
Sony	http://www.sony.ru/	мониторы, приводы BD/DVD
TEAC	http://www.teac.com/	дисководы
Toshiba	http://www.toshiba.com.ru/	жесткие диски для ноутбуков
ViewSonic	http://www.viewsonic.ru/	мониторы
Western Digital	http://www.wdc.com/	жесткие диски
Wacom	http://www.wacom.ru/	графические планшеты
Xerox	http://www.xerox.ru/	принтеры, копиры, многофункциональные устройства
ZyXEL	http://www.zyxel.ru/	модемы, сетевые адаптеры, коммутаторы

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Обмен данными требуется для различных целей: передачи файлов совместного использования периферийных устройств например принтеров доступа к разнообразным информационным услугам Интернета и частных сетей приема и передачи факсимильных сообщений посылки сообщений на пейджеры и мобильные телефоны установление голосовой связи IPтелефония видеосвязи и даже совместных игр по сети. СОМпорт Последовательный интерфейс для передачи данных в одном направлении использует одну сигнальную линию по которой информационные биты передаются друг за...

Лекция 13. Коммуникационные устройства

Вопросы:

Проводные интерфейсы связи.

Модемы.

Литература: 1. Гук. М. Аппаратные средства IBM PC . Питер, 2005, с. 6 08-660.

Коммуникационные устройства ПК предназначены для организации обмена данными между компьютерами, компьютером и удаленным устройством ввода вывода, а также для включения компьютера в локальную или глобальную сеть. Обмен данными требуется для различных целей: передачи файлов, совместного использования периферийных устройств (например, принтеров), доступа к разнообразным информационным услугам Интернета и частных сетей, приема и передачи факсимильных сообщений, посылки сообщений на пейджеры и мобильные телефоны, установление голосовой связи (IP -телефония), видеосвязи и даже совместных игр по сети. Современные технологии, используемые для этих целей, ориентированные именно на коммуникации: СОМ-порт, беспроводные интерфейсы, модемы, адаптеры локальных сетей. Связь между компьютерами, правда, с рядом ограничений, может быть установлена и другими средствами: через LPT -порты, последовательные шины FireWire и USB .

1. Проводные интерфейсы связи.

1.1. СОМ-порт

Последовательный интерфейс для передачи данных в одном направлении использует одну сигнальную линию, по которой информационные биты передаются друг за другом — последовательно. Английские названия интерфейса и порта — Serial Interface и Serial Port . Последовательная передача позволяет сократить количество сигнальных линий и добиться улучшения связи на больших расстояниях.

Начиная с первых моделей, в PC имеется последовательный интерфейс - СОМ-порт (Communications Port — коммуникационный порт). Этот порт обеспечивает асинхронный обмен по стандарту RS -232 C . Синхронный обмен в PC поддерживают лишь специальные адаптеры, например SDLC или V .35. СОМ-порты реализуются на микросхемах универсальных асинхронных приемопередатчиков (UART ), совместимых с семейством 18250/16450/16550. Они занимают в пространстве ввода-вывода по 8 смежных 8-битных регистров и могут располагаться по стандартным базовым адресам:

3F8h (COM1), 2F8h (COM2), 3E8h (COM3), 2E8h (COM4).

Порты могут вырабатывать аппаратные прерывания IRQ 4 (обычно используются для СОМ1 и COM3) и IRQ 3 (для COM2 и COM4). С внешней стороны порты имеют линии последовательных данных передачи и приема, а также набор сигналов управления и состояния, соответствующий стандарту RS -232 C . СОМ-порты имеют внешние разъемы-вилки DB 25 P или DB 9 P , выведенные на заднюю панель компьютера. Характерной особенностью интерфейса является применение не ТТЛ-сигналов — все внешние сигналы порта дву-полярные. Гальваническая развязка отсутствует — схемная земля подключаемого устройства соединяется со схемной землей компьютера. Скорость передачи может достигать 115,2 Кбит/сек.

Название порта указывает на его основное назначение — подключение коммуникационного оборудования (например, модема) для связи с другими компьютерами, сетями и периферийными устройствами. К порту могут непосредственно подключаться и периферийные устройства с последовательным интерфейсом: принтеры, плоттеры, терминалы и др. СОМ-порт широко используется для подключения мыши, а также организации непосредственной связи двух компьютеров. К СОМ-порту подключают и электронные ключи.

В настоящее время устройства, которые традиционно используют СОМ-порт, рекомендуется переводить на последовательные шины USB и Fire Wire .

1.2. Интерфейс RS -232 C

Протокол RS -232 C

Стандарт RS -232 C описывает несимметричные передатчики и приемники — сигнал передается относительно общего провода — схемной земли (симметричные дифференциальные сигналы используются в других интерфейсах — например, RS -422). Интерфейс не обеспечивает гальванической развязки устройств. Логической единице соответствует напряжение на входе приемника в диапазоне -12...-3 В. Логическому нулю соответствует диапазон +3...+12 В. Диапазон -3...+3 В — зона нечувствительности, обусловливающая гистерезис приемника: состояние линии будет считаться измененным только после пересечения порога. Уровни сигналов на выходах передатчиков должны быть в диапазонах -12...-5 В и +5...+12 В для представления единицы и нуля соответственно.

Логический 0

Логическая 1 0 U вх

12В +3 В +12В

Рис 13.1. Уровни напряжения и логический сигнал

Интерфейс предполагает наличие защитного заземления для соединяемых устройств, если они оба питаются от сети переменного тока и имеют сетевые фильтры.

Подключение и отключение интерфейсных кабелей устройств с автономным питанием должно производиться при отключенном питании. Иначе разность невыровненных потенциалов устройств в момент коммутации может оказаться приложенной к выходным или входным (что опаснее) цепям интерфейса и вывести из строя микросхемы.

В табл. 13.1 приведено назначение контактов разъемов СОМ-портов (и любой другой аппаратуры передачи данных ). У модемов название цепей и контактов такое же, но роли сигналов (вход-выход) меняются на противоположные.

Таблица 13.1. Разъемы и сигналы интерфейса RS -232 C

Обозначение цепи

Контакт разъема

№ провода кабеля выносного разъема PC

Направление

СОМ-порт

RS-232

V.24 Стык 2

DB-25P DB-9P

АА

(10)

(10)

(10)

АВ

ВА

ВВ

СА

св

108/2

1 Ленточный кабель 8-битных мультикарт.

2 Ленточный кабель 16-битных мультикарт и портов на системных платах.

3 Вариант ленточного кабеля портов на системных платах.

4 Широкий ленточный кабель к 25-контактному разъему.

Подмножество сигналов RS -232 C , относящихся к асинхронному режиму, рассмотрим с точки зрения СОМ-порта PC . Для удобства будем пользоваться мнемоникой названий, принятой в описаниях СОМ-портов и большинства устройств (она отличается от безликих обозначений RS -232 и V .24). Назначение сигналов интерфейса приведено в табл. 10.2.

Таблица 13.2. Назначение сигналов интерфейса RS -232 C

Сигнал	Назначение
	Protected Ground — защитная земля, соединяется с корпусом устройства и экраном кабеля
	Signal Ground — сигнальная (схемная) земля, относительно которой действуют уровни сигналов
	Transmit Data — последовательные данные — выход передатчика
	Receive Data — последовательные данные — вход приемника
	Request To Send — выход запроса передачи данных: состояние «включено» уведомляет модем о наличии у терминала данных для передачи. В полудуплексном режиме используется для управления направлением — состояние «включено» служит сигналом модему на переключение в режим передачи
	Clear To Send — вход разрешения терминалу передавать данные. Состояние «выключено» запрещает передачу данных. Сигнал используется для аппаратного управления потоками данных
	Data Set Ready — вход сигнала готовности от аппаратуры передачи данных (модем в рабочем режиме подключен к каналу и закончил действия по согласованию с аппаратурой на противоположном конце канала)
	Data Terminal Ready — выход сигнала готовности терминала к обмену данными. Состояние «включено» поддерживает коммутируемый канал в состоянии соединения
	Data Carrier Detected — вход сигнала обнаружения несущей удаленного модема
	Ring Indicator — вход индикатора вызова (звонка). В коммутируемом канале этим сигналом модем сигнализирует о принятии вызова

Нормальная последовательность управляющих сигналов для случая подключения модема к СОМ-порту приведена на рис. 13.1. Напомним, что положительному уровню соответствует логическое состояние «выключено», а отрицательному — включено.

Рис.13.1.Последовательность управляющих сигналов интерфейса RS -232 C

1. Установкой сигнала DTR компьютер указывает на желание использовать модем.
2. Установкой сигнала DSR модем сигнализирует о своей готовности к установлению соединения.
3. Сигналом RTS компьютер запрашивает разрешение на передачу и заявляет о своей готовности принимать данные от модема.
4. Сигналом CTS модем уведомляет о своей готовности к приему данных от компьютера и передаче их в линию.
5. Снятием сигнала CTS модем сигнализирует о невозможности дальнейшего приема (например, буфер заполнен) — компьютер должен приостановить передачу данных.
6. Восстановлением сигнала CTS модем разрешает компьютеру продолжить передачу (в буфере появилось место).
7. Снятие сигнала RTS может означать как заполнение буфера компьютера (модем должен приостановить передачу данных в компьютер), так и отсутствие данных для передачи в модем. Обычно в этом случае модем прекращает пересылку данных в компьютер.
8. Модем подтверждает снятие сигнала RTS сбросом сигнала CTS .
9. Компьютер повторно устанавливает сигнала RTS для возобновления передачи.
10. Модем подтверждает готовность к этим действиям.
11. Компьютер указывает на завершение обмена.
12. Модем отвечает подтверждением.
13. Компьютер снимает сигнала DTR , что обычно является сигналом на разрыв соединения («повесить трубку»).
14. Модем сбросом сигнала DSR сообщает о разрыве соединения.

старт-бит, стоп-бит, гарантирующий паузу между посылками (рис. 13.2). Старт-бит следующего байта посылается в любой момент после стоп-бита, то есть между передачами возможны паузы произвольной длительности. Старт-бит, имеющий всегда строго определенное значение (логический 0), обеспечивает простой механизм синхронизации приемника по сигналу от передатчика. Подразумевается, что приемник и передатчик работают на одной скорости обмена.

При асинхронной передаче каждому байту предшествует старт-бит, сигнализирующий приемнику о начале посылки, за которым следуют биты данных и, возможно, бит паритета (четности). Завершает посылку стоп-бит, гарантирующий паузу между посылками (рис. 13.2). Старт-бит следующего байта посылается в любой момент после стоп-бита, то есть между передачами возможны паузы произвольной длительности.

Рис. 13.2. Формат асинхронной передачи

Старт-бит, имеющий всегда строго определенное значение (логический 0), обеспечивает простой механизм синхронизации приемника по сигналу от передатчика. Подразумевается, что приемник и передатчик работают на одной скорости

Формат асинхронной посылки позволяет выявлять возможные ошибки передачи: ложный старт-бит, потерянный стоп-бит, ошибку паритета. Контроль формата позволяет обнаруживать обрыв линии: при этом принимаются логический нуль, который сначала трактуется как старт-бит и нулевые биты данных, потом срабатывает контроль стоп-бита.

Для асинхронного режима принят ряд стандартных скоростей обмена: 50, 75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19 200, 38 400, 57 600 и 115 200 бит/с. Иногда вместо единицы измерения «бит/с» используют «бод» (baud ), но при рассмотрении двоичных передаваемых сигналов это некорректно.

В бодах принято измерять частоту изменения сигнала состояния линии, а при недвоичном способе кодирования в канале связи скорости передачи бит (бит/с) и изменения сигнала (бод) могут отличаться в несколько раз.

Количество бит данных может составлять 5, 6, 7 или 8 (5- и 6-битные форматы распространены незначительно). Количество стоп-бит может быть 1, 1,5 или 2 («полтора бита» означает только длительность стопового интервала).

Асинхронный режим является байт-ориентированным (символьно-ориентированным) — минимальная пересылаемая единица информации — байт (символ). В отличие от него синхронный режим (не поддерживаемый СОМ-портами) является бит-ориентированным — кадр, пересылаемый по нему, может иметь произвольное количество бит.

1.3. Применение Сом-портов

СОМ-порт широко применяется для подключения различных периферийных и коммуникационных устройств, связи с технологическим оборудованием, объектами управления и наблюдения, программаторами, внутрисхемными эмуляторами и прочими устройствами через протокол RS-232C.

СОМ-порт может функционировать и как двунаправленный интерфейс, у которого имеются

3 программно-управляемых выходных линии и

4 программно-читаемых входных линии с двуполярными сигналами.

Их использование определяется разработчиком. Существует, например, схема однобитного широтно-импульсного преобразователя, позволяющего записывать звуковой сигнал на диск PC, используя входную линию СОМ-порта. Воспроизведение этой записи через обычный динамик PC позволяет передать речь.

Непосредственное подключение устройств

а). Манипулятор мышь.

СОМ-порты чаще всего применяют для подключения манипуляторов (мышь, трекбол). В этом случае порт используется в режиме последовательного ввода. Мышь с последовательным интерфейсом — Serial Mouse — может подключаться к любому исправному порту. Для согласования разъемов порта и мыши возможно применение переходника DB-9S-DB-25P или DB-25S-DB-9P. Для мыши требуется прерывание, для порта С0М1 — IRQ4, для COM2 — IRQ3. То, что для работы мыши порту С0М1 требуется прерывание IRQ4, является особенностью ее драйвера, но для пользователя важен сам факт ограничения. Каждое событие — перемещение мыши или нажатие-отпускание кнопки — кодируется двоичной посылкой по интерфейсу RS-232C. Применяется асинхронная передача; двуполярное питание обеспечивается от управляющих линий интерфейса.

б). Внешний модем.

Для подключения внешних модемов требуется полный (9-проводный) кабель АПД-АКД, схема которого приведена на рис. 13.3. Этот же кабель используется для согласования разъемов (по количеству контактов); возможно применение переходников 9-25, предназначенных для мышей. Для работы коммуникационного ПО обычно нужны прерывания, но здесь есть свобода выбора номера (адреса) порта и линии прерывания. Если предполагается работа на скоростях 9600 бит/с и выше, то СОМ-порт должен быть реализован на микросхеме UART 16550A или совместимой. Возможности работы посредством FIFO-буферов и обмена по каналам DMA зависят от коммуникационного ПО.

в). Связь компьютеров.

Для связи двух компьютеров, удаленных друг от друга на небольшое расстояние, используют и непосредственное соединение их СОМ-портов нуль-модемным кабелем (рис. 13.4). Программы MS-DOS типа Norton Commander и Interlnk позволяют обмениваться файлами со скоростью до 115,2 Кбит/с без применения аппаратных прерываний.

Рис. 13.3. Кабели подключения модемов

Рис 13.4 Нуль-модемный кабель а) – минимальный, б) – полный.

Преобразования последовательных интерфейсов

На физическом уровне последовательный интерфейс имеет различные реализации, различающиеся способом передачи электрических сигналов. Существует ряд международных стандартов, родственных RS-232C . На рис. 13.5 приведены схемы соединения их приемников и передатчиков, а также показаны ограничения на длину линии (L) и максимальную скорость передачи данных (V). Несимметричные линии интерфейсов RS-232C и RS-423A имеют самую низкую защищенность от синфазной помехи. Лучшие параметры имеет двухточечный интерфейс RS-422A и его магистральный (шинный) аналог RS-485 , работающие на симметричных линиях связи. В них для передачи каждого сигнала используются дифференциальные сигналы с отдельной (витой) парой проводов для каждой сигнальной цепи. Поскольку логически эти интерфейсы родственны, возможно применение несложных преобразователей сигналов, обеспечивающих переход от одного интерфейса к другому.

Рис. 13.5. Стандарты последовательных интерфейсов

В вышеперечисленных стандартах сигнал представляется потенциалом. Существуют последовательные интерфейсы, где информативен ток, протекающий по общей цепи передатчик-приемник — «токовая петля» и MIDI

«Токовая петля» является распространенным вариантом последовательного интерфейса. В ней электрическим сигналом является не уровень напряжения относительно общего провода, а ток в двухпроводной линии, соединяющей приемник и передатчик. Логической единице (состоянию «включено») соответствует ток 20 мА, а логическому нулю — отсутствие тока. Такое представление сигналов для вышеописанного формата асинхронной посылки позволяет обнаружить обрыв линии — приемник заметит отсутствие стоп-бита (обрыв линии действует как постоянный логический нуль).

Токовая петля обычно предполагает гальваническую развязку входных цепей приемника от схемы устройства. При этом источником тока в петле является передатчик (этот вариант называют активным передатчиком). Возможно и питание от приемника (активный приемник), при этом выходной ключ передатчика может быть также гальванически развязан с остальной схемой передатчика. Существуют упрощенные варианты без гальванической развязки, но это уже вырожденный случай интерфейса.

Токовая петля с гальванической развязкой позволяет передавать сигналы на расстояния до нескольких километров. Расстояние определяется сопротивлением пары проводов и уровнем помех. Поскольку интерфейс требует пары проводов для каждого сигнала, обычно используют только два сигнала интерфейса. В случае двунаправленного обмена применяются только сигналы передаваемых и принимаемых данных, а управление потоком реализуется программным методом. Если двунаправленный обмен не требуется, занимают одну линию данных, а для управления потоком обратная линия задействуется для сигнала CTS (аппаратный протокол) или встречной линии данных (программный протокол). При надлежащем ПО одной токовой петлей можно обеспечить двунаправленную полудуплексную связь двух устройств. При этом каждый приемник «слышит» как сигналы передатчика на противоположной стороне канала, так и сигналы своего передатчика. Они расцениваются коммуникационными пакетами просто как эхо-сигнал. Поэтому для безошибочного приема передатчики должны работать поочередно.

2. Модемы

Для передачи данных на большие расстояния (в пределах всего мира) издавна используют телефонные сети общего пользования (ТФОП). Однако для непосредственной передачи цифровых данных обычные аналоговые телефонные сети непригодны — требуются модемы на сторонах обоих абонентов.

Модем (модулятор-демодулятор) служит для передачи информации на большие расстояния, недоступные локальным сетям, с использованием выделенных и коммутируемых телефонных линий. Модулятор поступающую от компьютера двоичную информацию преобразует в аналоговые сигналы с частотной и (или) фазовой модуляцией, спектр которых соответствует полосе пропускания обычных голосовых телефонных линий. Демодулятор из этого сигнала извлекает закодированную двоичную информацию и передает ее в принимающий компьютер.

Факс-модем (fax-modem) позволяет передавать и принимать факсимильные изображения, совместимые с обычными факс-машинами. Передача факсов также подразумевает передачу цифровых данных, хотя «цифра» не видна конечным пользователям: факс-машина сканирует изображение, оцифровывает его (1 бит на точку), сжимает данные и через модем передает в телефонную линию. На приемной стороне выполняются обратные преобразования. Факс-модем работает аналогично, только вместо сканирования его программная поддержка принимает графические или текстовые данные от других программ. Принятые факсы оформляются в виде файлов графических форматов, доступных приложениям для дальнейшей обработки или печати.

Современные модемы имеют ряд дополнительных возможностей, расширяющих сферу их применения. Голосовой модем (voice modem) способен преобразовывать звуковой сигнал в цифровой вид, в котором он передается по линии связи. На приемной стороне выполняются обратные преобразования. Аудиосигнал сжимается, например, по методу ADPCM (Adaptive Differential Pulse Code Modulation — адаптивная дифференциальная импульсно-кодовая модуляция, АДИКМ).

Модемы во время сеанса связи могут работать в симплексном, дуплексном или полудуплексном режиме. Для повышения эффективной скорости используются различные методы сжатия информации, реализуемые как самими модемами, так и коммуникационным ПО.

2.1. Конструкции модемов

ИТЛ ДС СОС СП

УСГ К

КУ

УСПК

Рис. 10.7 Структурная схема модема

На рис. 10.7 представлена типовая структурная схема внешнего модема в состав которого входят:

ИТЛ – интерфейс телефонной линии;

ДС – Дифференциальная система разделения вход и выходного сигналов, переход от 2-х проводной к 4-х проводной линии;

СОС – система обработки сигналов ЦАПом и АЦП.

СП – сигнальный процессор кодирования сигнала;

К – контроллер управления СП, обеспечивающий: коррекцию ошибок, сжатие информации, работу с памятью;

УСП – устройство сопряжения с громкоговорителем;

КУ – ключи управления;

УСПК – устройство сопряжения с персональным компьтером.

1 . Интерфейс с телефонной линией - ИТЛ

(Direct Access Arrangement - DAA )

В ГОСТах экс-СССР регламентируется "Стык 1 ТЧ". В США модемы проверяются на соответствие FCC Part 65, Part 15, в Великобритании соответствующий стандарт - BS6305... Телефонные компании всего мира жестко регламентируют требования к оборудованию, подключаемому к каналам.

Обеспечение физического соединения, защита от перенапряжения и радиопомех, набор номера и фиксация телефонных звонков, гальваническая развязка и согласование импеданса - вот далеко не полный перечень функций, поддерживаемых схемой DAA. Перечисленные функции обеспечиваются следующим образом.

1) Соединители RJ11 обеспечивают физическое подключение к коммутируемой телефонной линии и телефонному аппарату. В дешевых изделиях телефон подключается параллельно входу модема, в качественных поддерживается переключение телефон/модем, реализованное на реле.

Хорошим тоном можно считать реализацию режимов многолинейных телефонных систем (Key Telephone System) - RJ12, RJ13 и поддержку работы на четырехпроводных выделенных линиях RJ45, JM8. В таблице 1 приводится назначение контактов этих соединителей.

Номер контакта	RJ11	RJ12,RJ13	RJ45	Номер контакта
					Ring transmit
			Tip receive		Tip transmit
			Ring transmit
	Ring	Ring	Tip transmit
			Ring receive
					Tip receive
					Ring receive

Таблица 1

2) Входные линии защищаются от перенапряжения варистором, который резко уменьшает свое сопротивление при напряжении 400...500 В. Второй каскад быстродействующей защиты устанавливается во вторичную обмотку трансформатора и реализован на встречновключенных стабилитронах.

3) Защита линии от радиопомех, излучаемых модемом, выполняется на обычных LC фильтрах (1000 pF плюс три витка на феррите).

4) Для коммутируемых линий поддерживаются функции импульсного набора номера, "отбоя" (постоянный ток менее 0.5 мА) и "удержания линии" (постоянный ток более 8 мА).

Наиболее универсальна реализация, в которой набор номера выполняет реле, а постоянный ток протекает через трансформатор.

В новых разработках часто используется схема Electronic Holding Coll Circuit (EHCC). Она имеет низкое сопротивление постоянному току, достаточное для удержания линии, но сохраняет высокий импеданс для переменного тока полезного сигнала. При этом набор номера осуществляет реле или сам узел EHCC с оптронной развязкой управления.

Схема EHCC имеет ограниченое применение на некоторых типах АТС (например, "Квант").

5) Наиболее консервативен узел фиксации телефонных звонков. За последние десять лет он почти не изменился. Высоковольтная емкость, резистор, стабилитрон, светодиод оптронной развязки (с небольшой игрой на номиналах и типах) - вот, пожалуй, и все.

6) Важным требованием к интерфейсу с линией является обеспечение симметричности входа и его гальваническая развязка. Для этого используются трансформаторы. Оптронные развязки сегодня интересны, скорее, как экзотика.

Сами трансформаторы, беспрерывно совершенствуясь, претерпели две волны моды. Сначала использовались обычные - с емкостной развязкой по переменному току. Затем были разработаны модели, не ухудшающие параметров при значительных постоянных токах подмагничивания. При переходе к высоким скоростям все вернулось в начало...

7) Согласование импеданса. Входное и выходное сопротивление модема переменному току (300...3400 Гц) должно быть 600 Ом +-15%.

Качественный трансформатор и точный нагрузочный резистор тому залог. Для уменьшения зависимости импеданса от частоты устанавливают дополнительную емкость параллельно вторичной обмотке трансформатора.

2. Дифференциальная система (HYBRID) - ДС

Цель дифференциальной системы - переход от двухпроводной линии к четырехпроводной схеме аналогового окончания модема. Узел компенсирует проникновение выходного сигнала во входной (ближнее эхо), что повышает реальную чувствительность.

Известно несколько типов "пассивных" реализаций:

• трансформаторная, при которой вторичная обмотка трансформатора имеет среднюю точку, подключаемую через баластный резистор к земле;
• электронные, для схем с однополярным и двухполярным питанием; в этом случае выходной сигнал вычитается из входного на операционном усилителе, а частотная зависимость минимизируется использованием форсирующего каскада.

Больным местом этих схем является зависимость от сопротивления конкретной телефонной линии. Несколько типов модемов имеют аппаратную подстройку, но до конца справиться с зависимостью сопротивления от частоты в пассивных системах не удается.

Активная дифференциальная система используется в дорогих моделях. Необходимый для компенсации сигнал постоянно вычисляется сигнальным процессором. Сформированный дополнительным ЦАП и сглаженный фильтром, он вычитается из входного сигнала, обеспечивая высокое качество компенсации.

Система обработки сигналов СОС.

Гальванически изолированный от внешнего мира трансформатором и разделенный на входной и выходной дифференциальной системой сигнал попадает на "аналоговый фронт", где развертывается борьба за милливольты и децибелы.

Выходной сигнал формируется ЦАП. Для средних скоростей передачи он обычно 10-разрядный, а для высокоскоростных модемов -14...16-разрядный. Частота дискретизации данных от 7.2 до 9.6 кГц. Сглаживающий фильтр, как правило, выполняется на базе интегральной технологии "переключающихся конденсаторов". Он обеспечивает затухание более 32 дБ на частотах свыше 4.6 кГц.

Входной сигнал поступает на полосовой фильтр. Для модемов, соответствующих V.22bis - это 900...1500 Гц или 2100...2700 Гц. Для высокоскоростных полоса может достигать 300...4000 Гц (V.34). "Облагороженный" сигнал усиливается программно управляемой схемой АРУ и измеряется АЦП. Частота дискретизации и разрядность АЦП примерно соответствуют ЦАП.

4. Сигнальный процессор (Digital Signal Processor - DSP) СП

Давно закончились времена, когда "единички" и "нолики" выделялись из помех с помощью аппаратных компараторов. Скорость передачи и ее качество сейчас определяются вычислительными ресурсами, задействованными для обработки сигнала. Их усредненные значения приведены в таблице 2.

ПЗУ DSP выполняется или по масочной технологии на кристалле процессора, или в виде микросхем ОЗУ, в которые программа загружается из ПЗУ контроллера. ОЗУ данных реализуется на процессоре или совмещается с ОЗУ команд.

	V.22bis	V.32bis	V.34
Скорость передачи б/с	2400	14400	28800
Разрядность (бит)
Быстродействие (MIPS)
Ресурс ПЗУ/ОЗУ (кбит*разр.)	2*16/0.124*16	8*16	32*16
Пример DSP	TMS320C10	ADSP2115	DSP1633F

Таблица 2

5 . Контроллер (Modem controller - MC) - К

Поддержка интерфейса с компьютером, управление DSP, реализация протоколов коррекции ошибок и сжатия информации, управление пользовательским интерфейсом и взаимодействие с энергонезависимой памятью - вот неполный перечень функций контроллера.

Усредненные значения необходимых ресурсов приведены в таблице 3.

Поддержка идеологии "upgrade" привела к постепенному сосредоточению хранения "firmware" DSP и контроллера в одной микросхеме с возможностью ее замены.

	V.22bis	V.32bis	V.34
Скорость передачи б/с	2400	14400	28800
Разрядность (бит)
Быстродействие (MIPS)
Ресурс ПЗУ (кбит*разр.)	32*8	256*8	256*8
Ресурс OЗУ (кбит*разр.)	32*8	32*8	32*8
Ресурс EEPROM (кбит*разр.)
Пример контроллера	i80C51	68000	AT&T C882

Таблица 3

6. Устройство сопряжения с компьютером (Data Interface - DI) УСПД

Внешние модемы взаимодействуют с компьютером по цепям интерфейса RS-232C / V.24. Полный набор цепей позволяет работать как в асинхронном, так и в синхронном режимах. Микросхемы преобразователей уровня 1488, 1489 обеспечивают сопряжение биполярной логики интерфейса с внутренними ТТЛ уровнями.

Внутренние изделия могут работать только в асинхронном режиме, т.к. в их состав входит микросхема асинхронного COM порта - UART(16C450 или 16C550, имеющая встроенный буфер приема). Есть реализации, в которых порт эмулируется контроллером. Достаточно буфера и дешифратора для подключения UART к общей шине компьютера. Джамперы позволяют настроить номер COM порта (COM1...COM4) со стандартным или расширенным номером прерывания.

7. Интерфейсы с пользователем (User Interface)

1) Звук (SPEAKER) – Устройство сопряжения с громкоговорителем - УСГ.

Встроенный в модем динамик озвучивает процессы, происходящие в телефонном канале. В хороших моделях используются магнитоэлектрические динамики с линейной полосой воспроизведения, в более дешевых пьезоэлектрические. Для удобства пользователя громкость звука можно регулировать (узел volume).

Наиболее часто узел звука строится по схеме:

• сигнал снимается после фильтра, но до АРУ;
• громкостью управляет контроллер с помощью микросхемы коммутатора напряжения 4052;
• фильтр вносит предискажение АЧХ для линеаризации характеристик конкретного типа динамика;
• микросхема LM386, запитанная от +5 В, усиливает сигнал;
• для четырехпроводных устройств одновременно воспроизводится как входной, так и выходной сигнал.

2) Панель индикации (INDICATOR). Внутренние модемы не имеют панелей индикации. Во внешних чаще всего используются светодиоды (LED). В относительно дорогих устройствах применяют символьные двухстрочные жидко-кристаллические индикаторы (LCD). Используя панель управления можно отобразить состояние модема, характеристики физической линии, вывести меню для программирования режимов. Использование стандартных (HD44780A00-совместимых) индикаторов не сильно увеличивает себестоимость, но позволяет производителю ощутимо поднять цену.

3) Панель управления (CONTROL KEY).

В большинстве модемов панель сводится к набору джамперов и переключателей (SW), как недоступных без разборки изделия, так и имеющих специальные "окошки", "крышечки", обеспечивающие "защиту от дурака".

В изделиях с LCD кнопочная панель (KEY) сосредоточивает все функции по управлению режимами работы.

8. Питание (POWER)

Встроенные модемы запитываются от компьютера напряжениями +-5

В и лишь в отдельных случаях используют +-12 В.

Внешние модемы массового производства используют внешние адаптеры, преобразующие напряжение первичного питания 220 В во вторичное напряжение 9..12 В. Встроенный стабилизатор формирует:

• основное питание +5 В; обычно использовалось гашение напряжения из +12 В на линейном стабилизаторе, сейчас внедряются импульсные стабилизаторы;
• 5 В для аналоговых цепей;
• +-12 В для интерфейса RS-232C.

В старых разработках применялись однополупериодные схемы выпрямления для получения положительного и отрицательного напряжения. В новых используются двухполупериодные, а отрицательное напряжение формируется за счет разделительных емкостей.

9. Производители

Обзор архитектуры модемов будет не полным, если не коснуться вопроса их производителей. Все фирмы можно условно разделить на три группы.

1) Разработчики "модемного сердца" - набора специализированных БИС (chip set).

Для средних скоростей передачи относительно много фирм ввязались в гонку за призом (хотя и не все его получили): Intel, Rockwell, ATI, EXAR, Sierra Semiconductor, Silicon Sistems, Hayes, Sharp, Cermetek, Texas Instrument, и др.

Для высокоскоростных модемов лидеры обозначились более четко. Это гигант связи и телекоммуникации на американском континенте AT&T и "продукт американской конверсии" Rockwell International. Наличие лидеров ничуть не принижает результатов, достигнутых другими компаниями.

2) Производители, использующие универсальные процессоры, и, как следствие, разрабатывающие свои алгоритмы сигнальной обработки: Motorola Codex, Telebit Corp., U.S. Robotics Inc., ZyXEL, и др. Для реализации протоколов сжатия и коррекции ошибок они, как правило, покупают лицензию фирмы R. Scott Association. Все эти фирмы дополнительно поддерживают свои собственные протоколы физического уровня.

Немного в стороне стоят, так называемые, soft-модемы, программное обеспечение которых загружается из компьютера - красивые по заложенной идее, они пока не получили широкого распространения.

3) Сборщики модемов на основе chip set. Не стоит понимать термин "сборщики" в пренебрежительном тоне. Качество работы во многом определяется тем, насколько хорошо поддерживаются заложенные в chip set возможности, насколько "бесшумно" реализован аналоговый тракт передачи и еще от тысячи других причин. Многие фирмы вносят свои коррекции и реализуют дополнительные функции в программном обеспечении базовых наборов микросхем.

Приведем лишь несколько крупных фирм производителей : AMT International Industries Inc., Archtek America Corp., ATI Tecnologies, AT&T Paradyne, Boca Research Inc., Calpak Corp., Cardinal Technologies Inc., GVC Technologies Inc., Hayes Microcomputer Products Inc., Microcom Inc., MultiTech Systems, Practical Peripherals Inc., Racal-Datacom Inc., Zoom Telephonics Inc.

PAGE 11

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать
59569.		Квіти в творчості Лесі Українки	37.5 KB
	Українка Конвалія Гордо палала троянда розкішна Найкраща з квіток Барвою й пахом вродливая пишна Красила садок. Українка Співець Ще маревом легким над нами витає Блакитна весняная мрія А в серці розкішно цвіте процвітає Золотистая квітка надія.
59571.		Компаративний аналіз художнього твору на уроках зарубіжної літератури у 9 класі	44 KB
	З огляду на значне зростання обсягу навчального матеріалу доречнішим стає компаративний аналіз художніх творів. Якими ж шляхами йде шкільна компаративістика Поперше це порівняння творів зарубіжних письменників які належать до однієї або різних літературних епох.
59572.		Корупція в давньоримській республіці	35.5 KB
	Порівняйте поведінку Цицерона й Віра коли вони займали важливі посади в Римській республіці. Одна група займається пошуком у документах фактів коли Цицерон обвинувачує Віра. Інша група намагається виявити причини такої поведінки Віра.
59573.		Система доходів бюджету	496 KB
	В умовах ринкових трансформацій проблеми формування достатнього обсягу доходів бюджету і забезпечення ефективного їх використання набувають особливої гостроти. Недоліки законодавчої бази, домінування традиційних
59574.		Міграційні процеси в Україні	46 KB
	Основні поняття: міграція еміграція імміграція сальдо міграції сезонна міграція маятникова міграція економічносоціальна міграція політична релігійна екологічна міграція біженці. Що таке міграція Які причини міграції.

В коммуникационном оборудовании выделяют пассивное и активное оборудование. К пассивному оборудованию относят структурированную иерархическую кабельную систему. К активному коммуникационному оборудованию относят множество типов средств, среди них:

Оборудование для локальных компьютерных сетей;

Оборудование глобальных компьютерных сетей – межсетевое оборудование.

Основными компонентами локальных сетей являются (рисунок 7.6):

1. Сетевой сервер, который играет важную роль в управлении ЛВС. Он должен управлять накопителями на жестких дисках и поддерживать коллективные периферийные устройства. Большое значение имеет производительность сервера, при управлении информацией больших объемов и при большом количестве рабочих станций.

2. Рабочие места – автономные компьютерные системы, связанные в сеть и называемые рабочими станциями, автоматизированными рабочими местами и сетевыми станциями. В ЛВС персональный компьютер используется как рабочее место, располагающее своим собственным процессором с собственным внутренним накопителем и устройством ввода-вывода.

3. Сетевые усилители, или коммутаторы, а также концентраторы (хабы) используют для подключения большего количества рабочих станций.

4. Модем может связывать удаленных пользователей.

5. Периферийное оборудование (лазерные устройства печати, графопостроители, устройства факсимильной связи, модемы), подключенное к файловому серверу (или другому серверному устройству), можно использовать с любой рабочей станции.

6. Сетевые адаптеры. Центральный процессор соединяется с периферийным оборудованием специальным устройством. Для подключения одного ПК к другому требуется устройство сопряжения, которое называется сетевым адаптером или сетевым интерфейсом, модулем, картой. Оно вставляется в свободное гнездо материнской платы.

Рисунок 7.6 – Компоненты ЛВС

Межсетевое оборудование может включать следующие устройства:

1. Репитер - устройство согласования физических параметров частей (называемых сегментами) однотипной сети, увеличивающее протяженность тракта передачи информации. Он обеспечивает восстановление межсегментных пакетов, соединение разных сегментов, усиление ослабленного сигнала до необходимого уровня и фильтрацию его от шумов и помех.

2. Коммутаторы (хабы) расширяют топологические, функциональные и скоростные возможности компьютерных сетей. Хаб с набором разнотипных портов позволяет объединять сегменты сетей с различными кабельными системами. К порту хаба можно подключать как отдельный узел сети, так и другой хаб или сегмент кабеля.

3. Мост (bridge) – средство (аппаратное либо программное) логического соединения на канальном уровне двух сетей. В пределах допустимой длины строится отрезок сети – сетевой сегмент. Для объединения сетевых сегментов используются мосты – устройства, соединяющие две сети, использующие одинаковые методы передачи данных. Для сети персональных компьютеров мост – отдельная ЭВМ со специальным программным обеспечением и дополнительной аппаратурой. Мост может соединять сети разных топологий, но работающие под управлением однотипных сетевых операционных систем.

4. Маршрутизатор (router) объединяет сети с общим протоколом более эффективно, чем мост. Он позволяет, например, расщеплять большие сообщения на более мелкие куски, обеспечивая тем самым взаимодействие локальных сетей с разным размером пакета. Маршрутизатор может пересылать пакеты на конкретный адрес (мосты только отфильтровывают ненужные пакеты), выбирать лучший путь для прохождения пакета и многое другое. Чем сложней и больше сеть, тем больше выгода от использования маршрутизаторов.

5. Мостовой маршрутизатор (brouter) – это гибрид моста и маршрутизатора, который сначала пытается выполнить маршрутизацию, где это только возможно, а затем, в случае неудачи, переходит в режим моста.

6. Шлюз (gateway) в отличие от моста применяется в случаях, когда соединяемые сети имеют различные сетевые протоколы. Поступившее в шлюз сообщение от одной сети преобразуется в другое сообщение, соответствующее требованиям следующей сети. Таким образом, шлюзы не просто соединяют сети, а позволяют им работать как единая сеть. C помощью шлюзов также локальные сети подсоединяются к мэйнфреймам – универсальным мощным компьютерам.

Кроме коммуникационного оборудования любая компьютерная сеть нуждается в программных средствах, объединенных в операционную систему. Всемирно известной операционной системой вычислительных сетей является NetWare фирмы Novell. Функциями операционных систем наделены системы на платформе Windows.

Модемы

Модем предназначен для передачи информации на большие расстояния с использованием телефонных линий и включает в себя модулятор, который преобразует поступающую от компьютера двоичную информацию в аналоговые сигналы, и демодулятор, извлекающий из принятого модулированного сигнала закодированную двоичную информацию и передающий ее в компьютер.

Модем устанавливается между компьютером и телефонной линией, которая соединяет пользователя с провайдером услуг Интернет или с сервером удаленного доступа частной сети. Для доступа в Интернет или корпоративную сеть через телефонную сеть модем пользователя посылает вызов модему, находящемуся на сервере удаленного доступа (Remote Access Server – RAS). Модем любого типа является устройством последовательного действия, в котором биты данных передаются по одному один за другим.

Коммуникационные устройства

Известно много различных коммуникационных или коммутирующих устройств, таких, как повторители, мосты, концентраторы, маршрутизаторы и шлюзы. В табл. 9.2 приведено соответствие коммутирующих устройств уровням стандартной сетевой модели OSI.

Таблица 9.2

Рассмотрение коммутирующих устройств с точки зрения семиуровневой модели OSI позволяет выявить, какая часть информации исходного сообщения используется промежуточными сетевыми устройствами для выбора маршрута в процессе его передачи от отправителя к получателю. Подготовленные отправителем данные (рис. 9.6) последовательно передаются:

Рис. 9.6.

• на транспортный уровень, который добавляет к ним свой заголовок (например, заголовок TCP – протокола управления передачей);
• сетевой уровень, который, в свою очередь, также добавляет свой заголовок (пакета), в результате чего формируется пакет сетевого уровня (например, 1Р-пакет);
• канальный уровень, где формируется кадр путем добавления еще одного заголовка (кадра) и концевика в виде контрольной суммы (CRC-кода);
• физический уровень для транспортировки по сети.

Рассмотрим особенности коммутирующих устройств и выявим, как они соотносятся с пакетами и кадрами.

Повторители (Repeaters) являются коммуникационными устройствами самого нижнего, физического уровня. Простейший повторитель представляет собой двухпортовое аналоговое устройство для физического соединения различных сегментов кабеля локальной сети с целью увеличения общей длины сети (рис. 9.7, а). Каждый порт имеет собственный трансивер, состоящий из передатчика и приемника. Повторитель улучшает качество передаваемого сигнала: восстанавливает амплитуду и мощность выходного сигнала, уменьшает длительность фронтов и т.п. В сети

Рис. 9.7.

Ethernet допускается установка четырех повторителей, что позволяет увеличить длину кабеля до 2500 м.

Концентраторы (Concentrator); или хабы (Hub), как и повторители, работают на физическом уровне, однако отличаются от них тем, что имеют несколько электрически связанных входов/выходов (портов), к которым подключены линии передачи. Все линии должны работать с одинаковыми скоростями. На рис. 9.7, б электрическая связь внутри коммутатора обозначена крупной точкой. Кадры, прибывающие на какую-либо линию (вход), передаются на все остальные линии (выходы). Если одновременно по разным линиям (входам) придут два кадра, то из-за наличия электрической связи в концентраторе произойдет столкновение (коллизия).

Концентраторы Ethernet имеют от 8 до 72 портов. Трансивер каждого порта помимо передатчика и приемника содержит детектор коллизий, с помощью которого можно обеспечить доступ к сети, а также изолировать порт, если на нем обнаруживаются непрерывные ошибки (коллизии).

Логическая структуризация сети осуществляется с помощью мостов, коммутаторов, маршрутизаторов и шлюзов. Рассмотрим мосты и коммутаторы, работающие на канальном уровне.

Мосты (Bridges) соединяют две (см. рис. 9.7, в) или более локальных сетей, называемых также подсетями, сегментами сети или доменами коллизий. Главная функция моста состоит в ретрансляции данных (кадра) из одного сегмента сети в другой. Мост, в отличие от повторителя или концентратора, анализирует адрес назначения кадра, при этом если:

• адрес назначения поступающего кадра относится к тому же сегменту, то кадр мостом игнорируется;
• адрес назначения известен мосту и относится к другому сегменту, то мост транслирует этот кадр в соответствующий порт;
• адрес назначения еще не известен мосту, то кадр транслируется во все порты, кроме того, откуда он пришел, а незнакомый адрес сохраняется для дальнейшего использования, т.е. в ходе работы мост самообучается. После самообучения мост передает кадры только в сегмент назначения, уменьшая тем самым общий объем передаваемых по сети данных.

Широковещательные и многоадресные кадры также транслируются во все порты. Мост позволяет изменять логическую структуру сети при сохранении физического расположения узлов и связей между ними. Логическое деление на подсети повышает безопасность данных, ограничивая доступ к ним отдельных пользователей.

Современные мосты, как и концентраторы, укомплектованы сетевыми платами, рассчитанными обычно на четыре или восемь входов определенного типа. При наличии нескольких плат мост способен работать с сетями разных типов.

Коммутаторы (Switch) являются усовершенствованными мостами и для маршрутизации также используют адреса кадров. Каждый коммутатор оснащен специализированным процессором, благодаря чему общая производительность коммутатора превышает производительность традиционного моста, имеющего один процессорный блок. Однако в отличие от мостов, соединяющих целые сети, коммутаторы чаще всего используются для соединения отдельных компьютеров (см. рис. 9.7, г). Поэтому коммутаторы имеют гораздо больше разъемов для сетевых плат, чем мосты. Каждый порт является областью столкновений (коллизий). Чтобы предотвратить их, каждый порт коммутатора снабжен буфером для хранения пришедших кадров. Поэтому коллизии могут возникнуть только при переполнении буфера. Для предотвращения коллизий современные коммутаторы начинают пересылать кадры сразу после получения их заголовков, т.е. они не используют протоколы с ожиданием. Такие коммутаторы называют сквозными. При этом чаще всего используется аппаратная реализация алгоритма без ожидания, тогда как в мостах традиционно присутствует процессор, программно реализующий маршрутизацию с ожиданием.

Маршрутизаторы (Router) относятся к сетевому уровню модели OSI и имеют существенные отличия от мостов и стандартных концентраторов. Основная функция маршрутизатора состоит в чтении заголовков пакетов сетевых протоколов и в принятии решения о дальнейшем маршруте следования пакета. На маршрутизатор прибывает пакет, сформированный сетевым уровнем (см. на рис. 9.6 выделен темным цветом), в котором отсутствует заголовок кадров и концевик (CRC). Пакет передается программному обеспечению маршрутизатора которое анализирует заголовок пакета и в соответствии с ним выбирает дальнейший путь пакета.

Появление маршрутизаторов обусловлено ограничениями мостов и коммутаторов по топологии связей и другим показателям. Благодаря использованию составных числовых адресов (с указанием номеров подсетей, компьютеров и собственных портов) маршрутизаторы более надежно и эффективно изолируют трафик отдельных частей сети друг от друга. Кроме локализации трафика маршрутизаторы способны выполнить многие другие полезные функции, например они могут работать в сети с замкнутыми контурами, осуществляя при этом выбор рационального маршрута из нескольких возможных, а также связывать в единую сеть подсети, построенные с использованием разных сетевых технологий, например Ethernet и Х.25.

Транспортные шлюзы служат для соединения компьютеров, использующих различные транспортные протоколы, ориентированные на работу с установлением соединения, например TCP/IP и АТМ. В этом случае транспортный шлюз может копировать пакеты, одновременно приводя их к нужному формату.

Шлюзы приложени й работают с форматами и содержимым пакетов на более высоком уровне. Например, шлюз E-Mail может переводить электронные письма в формат SMS-сообщений для мобильных телефонов.

Среды передачи данных

Основной составной частью телекоммуникационных сетей является физическая среда (Medium) или среда передачи данных, по которой передаются сигналы. В качестве такой среды используются коаксиальный кабель, кабель на основе витых пар, оптоволоконный кабель и беспроводная среда (свободное пространство).

Хотя компьютеры и являются центральными элементами обработки данных в сетях, не менее важную роль играет коммуникационное оборудование. В последнее время коммуникационные устройства из вспомогательных компонентов сети превратились в основные наряду с компьютерами и системным программным обеспечением как по влиянию на характеристики сети, так и по стоимости. Сегодня коммуникационное устройство может представлять собой сложный специализированный мультипроцессор.

Только в сети с полносвязной топологией для соединения каждой пары компьютеров имеется отдельная линия связи. Во всех остальных случаях неизбежно возникает вопрос о том, как организовать совместное использование линий связи несколькими компьютерами сети. Как и всегда при разделении ресурсов, главной целью здесь является удешевление сети.

Если топология сети не полносвязная, то обмен данными между произвольной парой конечных узлов (абонентов) должен идти в общем случае через транзитные узлы. Задача соединения конечных узлов через сеть транзитных узлов называется задачей коммутации. Устройство, функциональным назначением которого является выполнение коммутации, называется коммутатором (switch ). Коммутатор производит коммутацию входящих в его порты информационных потоков, направляя их в соответствующие выходные порты. Коммутатором в широком смысле называется устройство любого типа, способное выполнять операции переключения потока данных с одного интерфейса на другой. Операция коммутации может быть выполнена в соответствии с различными правилами и алгоритмами. Некоторые способы коммутации получили специальные названия (например, маршрутизатор ).

Коммутатором может быть как специальное устройство, так и универсальный компьютер со встроенным программным механизмом коммутации. В этом случае коммутатор называется программным. Компьютер может совмещать функции коммутации с выполнением своих обычных функций конечного узла. Эти узлы образуют коммуникационную сеть , к которой подключаются все остальные.

Задачей коммутатора является переброска данных на определённые для них интерфейсы. В связи с этим к функциям коммутатора добавляется задача мультиплексирования , при которой из нескольких отдельных потоков образуется общий агрегированный поток, который можно передавать по одному физическому каналу связи. Затем на выходе физического канала решается противоположная задача демультиплексирования – разделения суммарного агрегированного потока на несколько составляющих потоков. Мультиплексирование является способом обеспечения доступности имеющихся физических каналов одновременно для нескольких сеансов связи между абонентами сети. Операции мультиплексирования и демультиплексирования потоков при коммутации показаны на рисунке 3.

Рисунок 3

Мультиплексирование Инт. 2

Коммутатор 1

Демультиплексирование

Инт. 3 Инт.4 Инт. 5

Коммутатор, у которого все входящие информационные потоки коммутируются на один выходной интерфейс, называется мультиплексором . Коммутатор, который имеет один входной интерфейс и несколько выходных, называется демультиплексором .

В вычислительных сетях используют как индивидуальные линии связи между компьютерами, так и разделяемые (shared), когда одна линия связи попеременно используется несколькими компьютерами. В случае применения разделяемых линий связи (часто используется также термин разделяемая среда передачи данных – shared media) возникает комплекс проблем, связанных с их совместным использованием, который включает как чисто электрические проблемы обеспечения нужного качества сигналов при подключении к одному и тому же проводу нескольких приёмников и передатчиков, так и логические проблемы разделения во времени доступа к этим линиям.

Классическим примером сети с разделяемыми линиями связи являются сети с топологией «общая шина», в которых один кабель совместно используется всеми компьютерами сети. Ни один из компьютеров сети в принципе не может индивидуально, независимо от всех других компьютеров сети, использовать кабель, так как при одновременной передаче данных сразу несколькими узлами сигналы смешиваются и искажаются. В топологиях «кольцо» или «звезда» индивидуальное использование линий связи, соединяющих компьютеры, принципиально возможно, но эти кабели часто также рассматривают как разделяемые для всех компьютеров сети, так что, например, только один компьютер кольца имеет право в данный момент времени отправлять по кольцу пакеты другим компьютерам.

В локальных сетях разделяемые среды применяются достаточно часто. В глобальных сетях разделяемые между интерфейсами среды практически не используются. Это объясняется тем, что при большой протяжённости каналов связи возникают большие временные задержки распространения сигналов, сокращая до неприемлемого уровня долю полезного использования каналов связи на передачу данных абонентов. В последнее время наметилась тенденция отказа от разделяемых сред и в локальных сетях. Сеть с разделяемой средой при большом количестве узлов всегда будет работать медленнее, чем аналогичная сеть с индивидуальными линиями связи. За удешевление сети приходится расплачиваться снижением производительности.

В сетях с небольшим (10-30) количеством компьютеров чаще всего используется одна из типовых топологий - общая шина, кольцо, звезда или полней связная сеть. Все перечисленные топологии обладают свойством однородности, то есть все компьютеры в такой сети имеют одинаковые права в отношении доступа к другим компьютерам (за исключением центрального компьютера при соединении звезда). Такая однородность структуры делает простой процедуру наращивания числа компьютеров, облегчает обслуживание и эксплуатацию сети.

Однако при построении больших сетей однородная структура связей превращается из преимущества в недостаток. В таких сетях использование типовых структур порождает различные ограничения, важнейшими из которых являются:

· ограничения на длину связи между узлами;

· ограничения на количество узлов в сети;

· ограничения на интенсивность трафика, порождаемого узлами сети.

Например, технология Ethernet на тонком коаксиальном кабеле позволяет использовать кабель длиной не более 185 м, к которому можно подключить не более 30 компьютеров. Однако, если компьютеры интенсивно обмениваются и формацией между собой, иногда приходится снижать число подключенных к кабелю компьютеров до 20, а то и до 10, чтобы каждому компьютеру доставалалась приемлемая доля общей пропускной способности сети.

Для снятия ограничений на длину сети и количество её узлов используется физическая структуризация сети с помощью повторителей и концентраторов. Для повышения производительности и безопасности сети используется логическая структуризация сети, состоящая в разбиении сети на сегменты таким образом, что основная часть трафика компьютеров каждого сегмента не выходит за пределы этого сегмента. Средствами логической структуризации служат мосты, коммутаторы, маршрутизаторы и шлюзы.

Как уже упоминалось, различают топологию физических связей (физическую структуру сети) и топологию логических связей (логическую структуру сети). Под физической топологией понимается конфигурация связей, образованных отдельными частями кабеля, а под логической - конфигурация информационных потоков между компьютерами сети. Во многих случаях физическая и логическая топологии сети совпадают.

Для физического соединения различных сегментов кабеля локальной сети с целью увеличения общей длины сети используются такие коммуникационные устройства как повторители и концентраторы. Простейшее из коммуникационных устройств - повторитель (repeator ) передаёт сигналы, приходящие из одного сегмента сети, в другие её сегменты. Повторитель позволяет преодолеть ограничения на длину линий связи за счет улучшения качества передаваемого сигнала - восстановления его мощности и амплитуды, улучшения фронтов и т. п.

Повторитель, который имеет несколько портов и соединяет несколько физических сегментов, часто называют концентратором (concentrator ), или хабом (hub ). Эти названия (hub - основа, центр деятельности) отражают тот факт, что в данном устройстве сосредоточиваются все связи между сегментами сети.

Концентраторы характерны практически для всех базовых технологий локальных сетей - Ethernet, ArcNet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, 100VG-AnyLAN.

Нужно подчеркнуть, что в работе концентраторов любых технологий много общего – они повторяют сигналы, пришедшие с одного из своих портов, на других своих портах. Добавление в сеть концентратора всегда изменяет ее физическую топологию, но при этом оставляет без изменения логическую топологию.

Физическая структуризация сети с помощью концентраторов полезна не только для увеличения расстояния между узлами сети, но и для повышения её надежности. Например, при сбоях в работе сети концентратор автоматически отключает свой порт, если обнаруживает, что присоединенный к нему узел слишком долго монопольно занимает сеть. Концентратор может блокировать некорректно работающий узел и в других случаях, выполняя роль некоторого управляющего узла.

Физическая структуризация сети полезна во многих отношениях, однако в ряде случаев, обычно относящихся к сетям большого и среднего размера, невозможно обойтись без логической структуризации сети. Наиболее важной проблемой, не решаемой путем физической структуризации, остается проблема перераспределения передаваемого трафика между различными физическими сегментами сети. В большой сети естественным образом возникает неоднородность информационных потоков: сеть состоит из множества подсетей рабочих групп, отделов, филиалов предприятия и других административных образований. В одних случаях наиболее интенсивный обмен данными наблюдается между компьютерами, принадлежащими к одной подсети, и только небольшая часть обращений происходит к ресурсам компьютеров, находящихся вне локальных рабочих групп. На других предприятиях, особенно там, где имеются централизованные хранилища корпоративных данных, активно используемые всеми сотрудниками предприятия, наблюдается обратная ситуация: интенсивность внешних обращений выше интенсивности обмена между «соседними» машинами. Но независимо от того, в какой пропорции распределяются внешний и внутренний трафики, для повышения эффективности работы сети неоднородность информационных потоков необходимо учитывать.

Сеть с типовой топологией (шина, кольцо, звезда), в которой все физические сегменты рассматриваются в качестве одной разделяемой среды, оказывается неадекватной структуре информационных потоков в большой сети. Например, в сети с общей шиной взаимодействие любой пары компьютеров занимает её на все время обмена, поэтому при увеличении числа компьютеров в сети шина становится узким местом. Компьютеры одного отдела вынуждены ждать, когда окончит обмен пара компьютеров другого отдела, и это при том, что необходимость в связи между компьютерами двух разных отделов возникает гораздо реже и требует совсем небольшой пропускной способности.

Такая ситуация возникает из-за того, что логическая структура данной сети осталась однородной - она никак не учитывает увеличение интенсивности трафика внутри отдела и предоставляет всем парам компьютеров равные возможности по обмену информацией.

Отдел 1 Концентратор Концентратор Отдел 3

Концентратор Рабочая группа А

Рабочая группа В

Концентратор Концентратор

Физическая структуризация сети с помощью моста

Для повышения производительности и безопасности сети используется логическая структуризация сети , состоящая в разбиении сети на сегменты таким образом, что основная часть трафика компьютеров каждого сегмента не выходит за пределы этого сегмента. Распространение трафика, предназначенного для компьютеров некоторого сегмента сети, только в пределах этого сегмента называется локализацией трафика . Средствами логической структуризации служат такие коммуникационные устройства, как мосты, коммутаторы, маршрутизаторы и шлюзы.

Мост (bridge) – это устройство, соединяющее две одинаковые сети в пределах ограниченного пространства и использующие одинаковые методы передачи данных. Мост может соединять сети разных топологий, но работающие под управлением однотипных сетевых операционных систем. Мост делит разделяемую среду передачи сети на части (часто называемые логическими сегментами), передавая информацию из одного сегмента в другой только в том случае, если такая передача действительно необходима, то есть если адрес компьютера назначения принадлежит другой подсети. Тем самым мост изолирует трафик одной подсети от трафика другой, повышая общую производительность передачи данных в сети. Локализация трафика не только экономит пропускную способность, но и уменьшает возможность несанкционированного доступа к данным.

Логическая структуризация сети с помощью моста

Коммутатор (switch ) по принципу обработки данных ничем не отличается от моста. Основное его отличие от моста состоит в том, что он является своего рода коммуникационным мультипроцессором, так как каждый его порт оснащен специализированным процессором, который обрабатывает данные по алгоритму моста независимо от процессоров других портов. За счет этого общая производительность коммутатора обычно намного выше производительности традиционного моста, имеющего один процессорный блок. Можно сказать, что коммутаторы - это мосты нового поколения, которые обрабатывают данные в параллельном режиме.

Сеть сложной конфигурации, представляющая собой соединение нескольких сетей, нуждается в специальном устройстве. Задача этого устройства - отправить сообщение в нужную сеть. Такое устройство называется маршрутизатором или роутером . Маршрутизатор - это устройство, соединяющее сети разного типа, но использующие одну операционную систему. Кроме того, маршрутизатор обеспечивает балансировку нагрузки в сети, перенаправляя потоки сообщений по свободным каналам связи.

Маршрутизаторы более надежно и более эффективно, чем мосты, изолируют трафик отдельных частей сети друг от друга. Маршрутизаторы образуют логические сегменты посредством явной адресации, поскольку используют не плоские аппаратные, а составные числовые адреса. В этих адресах имеется поле номера сети, так что все компьютеры, у которых значение этого поля одинаково, принадлежат к одному сегменту, называемому в данном случае подсетью (subnet ). Важной особенностью маршрутизаторов является их способность связывать в единую сеть подсети, построенные с использованием разных сетевых технологий.

Для объединения ЛВС совершенно различного типа, работающих по существенно отличающимся друг от друга протоколам, предусмотрены специальные устройства - шлюзы. Шлюз (gateway) - это устройство, позволяющее организовать обмен данными между двумя сетями, использующими различные протоколы взаимодействия. Обычно основной причиной, по которой в сети используют шлюз, является необходимость соединить сети с разными типами системного и прикладного программного обеспечения, а не желание локализовать трафик. Тем не менее, шлюз обеспечивает и локализацию трафика в качестве некоторого побочного эффекта. Шлюз осуществляет свои функции на уровне выше сетевого. С помощью шлюзов можно локальную сеть подключить к глобальной.

Крупные сети практически никогда не строятся без логической структуризации. Для отдельных сегментов и подсетей характерны типовые однородные топологии базовых технологий, а для их объединения всегда используется оборудование, обеспечивающее локализацию трафика. Мосты, маршрутизаторы и шлюзы конструктивно выполняются в виде плат, которые устанавливаются на компьютерах.