Казахско-русский  Международный Университет

_{Процан  Александр Валерьевич}

_{АУ-401, 4-й курс}

_{«Автоматизация  и управление»} 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

_{Контрольная работа по дисциплине}

_{«Вычислительные системы, сети и телекоммуникации»} 
 

_{Тема: «Назначение сетевого оборудования компьютерных сетей: рабочей станции, сервера, модема, сетевого адаптера концентратора, моста, шлюза, маршрутизатора»} 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

        Введение 

          На сегодняшний день в мире  существует более 130 миллионов  компьютеров, и более 80% из них объединены в различные информационно-вычислительные сети, от малых локальных сетей в офисах, до глобальных сетей типа Internet.

     Всемирная тенденция к объединению компьютеров  в сети обусловлена рядом важных причин, таких как ускорение передачи информационных сообщений, возможность быстрого обмена информацией между пользователями, получение и передача сообщений (факсов, Е – Маil писем и прочего) не отходя от рабочего места, возможность мгновенного получения любой информации из любой точки земного шара, а так же обмен информацией между компьютерами разных фирм производителей работающих под разным программным обеспечением.

     Такие огромные потенциальные возможности, которые несет в себе вычислительная сеть и тот новый потенциальный  подъем, который при этом испытывает информационный комплекс, а так же значительное ускорение производственного процесса не дают нам право не принимать это к разработке и не применять их на практике.

     Поэтому необходимо разработать принципиальное решение вопроса по организации  ИВС (информационно-вычислительной сети) на базе уже существующего компьютерного парка и программного комплекса, отвечающего современным научно-техническим требованиям, с учетом возрастающих потребностей и возможностью дальнейшего постепенного развития сети в связи с появлением новых технических и программных решений.

     Под ЛВС понимают совместное подключение  нескольких отдельных компьютерных рабочих мест (рабочих станций) к  единому каналу передачи данных.

     Благодаря вычислительным сетям мы получили возможность  одновременного использования программ и баз данных несколькими пользователями.

     Понятие локальная вычислительная сеть –  ЛВС (англ. LAN – Local Агеа Network) относится к географически ограниченным (территориально или производственно) аппаратно-программным реализациям, в которых несколько компьютерных систем связанны друг с другом с помощью соответствующих средств коммуникаций.

     Благодаря такому соединению пользователь может  взаимодействовать с другими  рабочими станциями, подключенными  к этой ЛВС.

     В производственной практике ЛВС играют очень большую роль. 
 
 
 

     Посредством ЛВС в систему объединяются персональные компьютеры, расположенные на многих удаленных рабочих местах, которые  используют совместно оборудование, программные средства и информацию. Рабочие места сотрудников перестают быть изолированными и объединяются в единую систему. Рассмотрим преимущества, получаемые при сетевом объединении персональных компьютеров в виде внутрипроизводственной вычислительной сети.

     Разделение ресурсов

     Разделение  ресурсов позволяет экономно использовать ресурсы, например, управлять периферийными устройствами, такими как лазерные печатающие устройства, со всех присоединенных рабочих станций.

     Разделение  данных.

     Разделение  данных предоставляет возможность  доступа и управления базами данных с периферийных рабочих мест, нуждающихся в информации.

     Разделение  программных средств

     Разделение  программных средств предоставляет  возможность одновременного использования  централизованных, ранее установленных  программных средств.

     Разделение  ресурсов процессора.

     При разделении ресурсов процессора возможно использование вычислительных мощностей  для обработки данных другими  системами, входящими в сеть, Предоставляемая  возможность заключается в том, что на имеющиеся ресурсы не «набрасываются»  моментально, а только лишь через специальный процессор, доступный каждой рабочей станции.

     Многопользовательский режим

     Многопользовательские свойства системы содействуют одновременному использованию централизованных прикладных программных средств, ранее установленных  и управляемых, например, если пользователь системы работает с другим заданием, то текущая выполняемая работа отодвигается на задний план. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  Рабочая станция

          Рабочая станция (англ. workstation) — комплекс технических и программных средств, предназначенных для решения определенного круга задач.

         Рабочая станция как место  работы специалиста представляет  собой полноценный компьютер или компьютерный терминал (устройства ввода-вывода, отделённые и часто удалённые от управляющего компьютера), набор необходимого ПО, по необходимости дополняемые вспомогательным оборудованием: печатающее устройство, внешнее устройство хранения данных на магнитных и/или оптических носителях, сканер штрих-кода и пр.

          В отечественной литературе также  использовался термин АРМ (автоматизированное рабочее место), но в более узком смысле, чем «рабочая станция».

          Также термином «рабочая станция»  обозначают компьютер в составе  локальной вычислительной сети (ЛВС) по отношению к серверу. Компьютеры в локальной сети подразделяются на рабочие станции и серверы. На рабочих станциях пользователи решают прикладные задачи (работают в базах данных, создают документы, делают расчёты). Сервер обслуживает сеть и предоставляет собственные ресурсы всем узлам сети, в том числе и рабочим станциям.

          Существуют достаточно устойчивые  признаки конфигураций рабочих  станций, предназначенных для  решения определённого круга  задач, что позволяет обособлять  их в отдельный профессиональный  подкласс: мультимедиа (обработка  изображений, видео, звука), САПР, ГИС, полевая работа и пр. Каждый такой подкласс может иметь присущие ему особенности и уникальные компоненты (в скобках даны примеры областей использования): большой размер видеомонитора и/или несколько мониторов (САПР, ГИС, биржа), быстродействующая графическая плата (кинематограф и мультипликация, компьютерные игры), большой объём накопителей данных (фотограмметрия, мультипликация), наличие сканера (фотография), защищённое исполнение (вооружённые силы, полевые работы) и пр. 
 
 
 
 
 
 
 

Сервер

        Сервером называется компьютер, выделенный из группы персональных компьютеров (или рабочих станций) для выполнения какой-либо сервисной задачи без непосредственного участия человека. Сервер и рабочая станция могут иметь одинаковую аппаратную конфигурацию, так как различаются лишь по участию в своей работе человека за консолью.

        Некоторые сервисные задачи могут  выполняться на рабочей станции  параллельно с работой пользователя. Такую рабочую станцию условно  называют невыделенным сервером.

         Консоль (обычно — монитор/клавиатура/мышь) и участие человека необходимы серверам только на стадии первичной настройки, при аппаратно-техническом обслуживании и управлении в нештатных ситуациях (штатно, большинство серверов управляются удаленно). Для нештатных ситуаций серверы обычно обеспечиваются одним консольным комплектом на группу серверов (с коммутатором, например KVM-переключателем, или без такового).

         В результате специализации, серверное  решение может получить консоль  в упрощенном виде (например, коммуникационный порт), или потерять ее вовсе (в этом случае первичная настройка и нештатное управление могут выполняться только через сеть, а сетевые настройки могут быть сброшены в состояние по умолчанию).

         Специализация серверного оборудования идет несколькими путями, выбор того в каком направлении идти каждый производитель определяет для себя сам. Большинство специализаций удорожают оборудование.

        Серверное оборудование, как правило,  комплектуется более надежными  элементами:

• памятью с повышенной устойчивостью к сбоям, например для i386-совместимых компьютеров, память, предназначенная для серверов, имеет технологию коррекции ошибок (ECC англ. Error Checking and Correction). На некоторых других платформах, например SPARC (Sun Microsystems), коррекцию ошибок имеет вся память.
• резервированием, в том числе:
• блоков питания (в том числе с горячим подключением)
• жестких дисков (RAID; в том числе с горячими подключением и заменой). Не путать с «RAID»-системами обычных компьютеров.
• более продуманным охлаждением (функцией)

      Серверы (и другое оборудование), которые требуется устанавливать на некоторое стандартное шасси (например, в 19-дюймовые стойки и шкафы) приводятся к стандартным размерам и снабжаются необходимыми крепежными элементами.

      Серверы, не требующие высокой производительности и большого количества внешних устройств зачастую уменьшают в размерах. Часто это уменьшение сопровождается уменьшением ресурсов.

      В так называемом «промышленном исполнении», кроме уменьшенных размеров, корпус имеет бо́льшую прочность, защищенность от пыли (снабжен сменными фильтрами), влажности и вибрации, а также имеет дизайн кнопок, предотвращающий случайные нажатия.

      Конструктивно аппаратные серверы могут исполняться в настольном, напольном, стоечном и потолочном вариантах. Последний вариант обеспечивает наибольшую плотность размещения вычислительных мощностей на единицу площади, а также максимальную масштабируемость. С конца 1990-х всё большую популярность в системах высокой надёжности и масштабируемости получили так называемые блэйд-серверы (от англ. blade — лезвие) — компактные модульные устройства, позволяющие сократить расходы на электропитание, охлаждение, обслуживание и т. п…

      По ресурсам (частота и количество процессоров, количество памяти, количество и производительность жестких дисков, производительность сетевых адаптеров) серверы специализируются в двух противоположных направлениях — наращивании ресурсов и их уменьшении.

      Наращивание ресурсов преследует целью увеличение емкости (например, специализация для файл-сервера) и производительности сервера. Когда производительность достигает некоторого предела, дальнейшее наращивание продолжают другими методами, например, распараллеливанием задачи между несколькими серверами.

      Уменьшение ресурсов преследует цели уменьшения размеров и энергопотребления серверов.

      Крайней степенью специализации серверов являются, так называемые аппаратные решения (аппаратные роутеры, сетевые дисковые массивы, аппаратные терминалы и т. п.). Аппаратное обеспечение таких решений строится «с нуля» или перерабатывается из существующей компьютерной платформы без учета совместимости, что делает невозможным использование устройства со стандартным программным обеспечением.

      Программное обеспечение в аппаратных решениях загружается в постоянную и/или энергонезависимую память производителем.

      Аппаратные решения, как правило, более надежны в работе, чем обычные серверы, но менее гибки и универсальны. По цене, аппаратные решения могут быть как дешевле, так и дороже серверов, в зависимости от класса оборудования.

     Последнее время, распространилось большое количество бездисковых серверных решений, на базе компьютеров (как правило x86) формфактора Mini-ITX и меньше cо специализированной переработкой GNU/Linux на SSD-диске (ATA-флэш или флеш-карте), позиционируемых как «аппаратные решения». Данные решения не принадлежат к классу аппаратных, а являются обычными специализированными серверами. В отличие от (более дорогих) аппаратных решений они наследуют проблемы платформы и программных решений, на которых основаны. 

  Модем

     Модем (аббревиатура, составленная из слов модулятор-демодулятор) — устройство, применяющееся в системах связи и выполняющее функцию модуляции и демодуляции. Модулятор осуществляет модуляцию несущего сигнала, то есть изменяет его характеристики в соответствии с изменениями входного информационного сигнала, демодулятор осуществляет обратный процесс. Частным случаем модема является широко применяемое периферийное устройство для компьютера, позволяющее ему связываться с другим компьютером, оборудованным модемом, через телефонную сеть (телефонный модем) или кабельную сеть (кабельный модем).

Модем выполняет функцию оконечного оборудования линии связи. При этом формирование данных для передачи и обработку принимаемых данных осуществляет терминальное оборудование, в простейшем случае — персональный компьютер.

Типы модемов для компьютеров

По исполнению:

• внешние — подключаются через COM, USB порт или стандартный разъем в сетевой карте RJ-45 обычно имеют внешний блок питания (существуют USB-модемы, питающиеся от USB и LPT-модемы).
• внутренние — устанавливаются внутрь компьютера в слот ISA, PCI, PCI-E, PCMCIA, AMR, CNR
• встроенные — являются внутренней частью устройства, например ноутбука или док-станции.

По принципу работы:

• аппаратные — все операции преобразования сигнала, поддержка физических протоколов обмена, производятся встроенным в модем вычислителем (например с использованием DSP, контроллера). Так же в аппаратном модеме присутствует ПЗУ, в котором записана микропрограмма, управляющая модемом.
• Софт-модем, винмодемы (англ. Host based soft-modem) — аппаратные модемы, лишённые ПЗУ с микропрограммой. Микропрограмма такого модема хранится в памяти компьютера, к которому подключён (или в котором установлен) модем. При этом в модеме находится аналоговая схема и преобразователи: АЦП, ЦАП, контроллер интерфейса (например USB). Работоспособен только при наличии драйверов которые обрабатывают все операции по кодированию сигнала, проверке на ошибки и управление протоколами, соответственно реализованы программно и производятся центральным процессором компьютера. Изначально имелись только версии для операционных систем семейства MS Windows, откуда и появилось второе название.
• полупрограммные (Controller based soft-modem) — модемы, в которых часть функций модема выполняет компьютер, к которому подключён модем.

По виду соединения:

• Модемы для коммутируемых телефонных линий — наиболее распространённый тип модемов
• ISDN — модемы для цифровых коммутируемых телефонных линий
• DSL — используются для организации выделенных (некоммутируемых) линий используя обычную телефонную сеть. Отличаются от коммутируемых модемов тем, что используют другой частотный диапазон, а также тем, что по телефонным линиям сигнал передается только до АТС. Обычно позволяют одновременно с обменом данными осуществлять использование телефонной линии в обычном порядке.
• Кабельные — используются для обмена данными по специализированным кабелям — к примеру, через кабель коллективного телевидения по протоколу DOCSIS.
• Сотовые — работают по протоколам сотовой связи - GPRS, EDGE, 3G, 4G и т. п. Часто имеют исполнения в виде USB-брелока. В качестве таких модемов также часто используют терминалы мобильной связи.
• Спутниковые
• PLC — используют технологию передачи данных по проводам бытовой электрической сети.

Наиболее распространены в настоящее время:

• внутренний программный модем
• внешний аппаратный модем
• встроенные в ноутбуки модемы.

     Сетевой адаптер

     Сетевой адаптер, также известный как сетевая карта, Сетевая плата, Ethernet-адаптер, NIC (англ. network interface controller) — периферийное устройство, позволяющее компьютеру взаимодействовать с другими устройствами сети.

Типы

 По конструктивной реализации сетевые платы делятся на:

• внутренние — отдельные платы, вставляющиеся в PCI, ISA или PCI-E слот;
• внешние, подключающиеся через USB или PCMCIA интерфейс, преимущественно использующиеся в ноутбуках;
• встроенные в материнскую плату.

На 10-мегабитных сетевых  платах для подключения к локальной  сети используются 3 типа разъёмов:

• 8P8C для витой пары;
• BNC-коннектор для тонкого коаксиального кабеля;
• 15-контактный разъём трансивера для толстого коаксиального кабеля.

Эти разъёмы могут  присутствовать в разных комбинациях, иногда даже все три сразу, но в  любой данный момент работает только один из них.

На 100-мегабитных платах устанавливают только разъём для витой пары (8P8C, ошибочно называемый RJ-45).

Рядом с разъёмом для  витой пары устанавливают один или несколько информационных светодиодов, сообщающих о наличии подключения и передаче информации.

Одной из первых массовых сетевых карт стала серия NE1000/NE2000 фирмы Novell, а также немало в конце 1980-х было советских клонов сетевых карт с разъемом BNC, которые выпускались с различными советскими компьютерами и отдельно.

Параметры сетевого адаптера

     При конфигурировании карты сетевого адаптера могут быть доступны следующие параметры:

• номер линии запроса на аппаратное прерывание IRQ
• номер канала прямого доступа к памяти DMA (если поддерживается)
• базовый адрес ввода/вывода
• базовый адрес памяти ОЗУ (если используется)
• поддержка стандартов автосогласования дуплекса/полудуплекса, скорости
• поддержка теггрированных пакетов VLAN (802.1q) с возможностью фильтрации пакетов заданного VLAN ID
• параметры WOL (Wake-on-LAN)

     В зависимости от мощности и сложности сетевой карты она может реализовывать вычислительные функции (преимущественно подсчёт и генерацию контрольных сумм кадров) аппаратно либо программно (драйвером сетевой карты с использованием центрального процессора).

     Серверные сетевые карты могут поставляться с двумя (и более) сетевыми разъёмами. Некоторые сетевые карты (встроенные в материнскую плату) также обеспечивают функции межсетевого экрана (например, nforce).

Функции и характеристики сетевых адаптеров

     Сетевой адаптер (Network Interface Card, NIC) вместе со своим драйвером реализует второй, канальный уровень модели открытых систем в конечном узле сети — компьютере. Более точно, в сетевой операционной системе пара адаптер и драйвер выполняет только функции физического и МАС-уровней, в то время как LLC-уровень обычно реализуется модулем операционной системы, единым для всех драйверов и сетевых адаптеров. Собственно так оно и должно быть в соответствии с моделью стека протоколов IEEE 802. Например, в ОС Windows NT уровень LLC реализуется в модуле NDIS, общем для всех драйверов сетевых адаптеров, независимо от того, какую технологию поддерживает драйвер.

     Сетевой адаптер совместно с драйвером выполняют две операции: передачу и прием кадра. Передача кадра из компьютера в кабель состоит из перечисленных ниже этапов (некоторые могут отсутствовать, в зависимости от принятых методов кодирования):

• Прием кадра данных LLC через межуровневый интерфейс вместе с адресной информацией МАС-уровня. Обычно взаимодействие между протоколами внутри компьютера происходит через буферы, расположенные в оперативной памяти. Данные для передачи в сеть помещаются в эти буферы протоколами верхних уровней, которые извлекают их из дисковой памяти либо из файлового кэша с помощью подсистемы ввода/вывода операционной системы.
• Оформление кадра данных МАС-уровня, в который инкапсулируется кадр LLC (с отброшенными флагами 01111110). Заполнение адресов назначения и источника, вычисление контрольной суммы.
• Формирование символов кодов при использовании избыточных кодов типа 4В/5В. Скрэмблирование кодов для получения более равномерного спектра сигналов. Этот этап используется не во всех протоколах — например, технология Ethernet 10 Мбит/с обходится без него.
• Выдача сигналов в кабель в соответствии с принятым линейным кодом — манчестерским, NRZ1. MLT-3 и т. п.

Прием кадра из кабеля в компьютер включает следующие  действия:

• Прием из кабеля сигналов, кодирующих битовый поток.
• Выделение сигналов на фоне шума. Эту операцию могут выполнять различные специализированные микросхемы или сигнальные процессоры DSP. В результате в приемнике адаптера образуется некоторая битовая последовательность, с большой степенью вероятности совпадающая с той, которая была послана передатчиком.
• Если данные перед отправкой в кабель подвергались скрэмблированию, то они пропускаются через дескрэмблер, после чего в адаптере восстанавливаются символы кода, посланные передатчиком.
• Проверка контрольной суммы кадра. Если она неверна, то кадр отбрасывается, а через межуровневый интерфейс наверх, протоколу LLC передается соответствующий код ошибки. Если контрольная сумма верна, то из МАС-кадра извлекается кадр LLC и передается через межуровневый интерфейс наверх, протоколу LLC. Кадр LLC помещается в буфер оперативной памяти.

     Распределение обязанностей между сетевым адаптером и его драйвером стандартами не определяется, поэтому каждый производитель решает этот вопрос самостоятельно. Обычно сетевые адаптеры делятся на адаптеры для клиентских компьютеров и адаптеры для серверов.

     В адаптерах для клиентских компьютеров значительная часть работы перекладывается на драйвер, тем самым адаптер оказывается проще и дешевле. Недостатком такого подхода является высокая степень загрузки центрального процессора компьютера рутинными работами по передаче кадров из оперативной памяти компьютера в сеть. Центральный процессор вынужден заниматься этой работой вместо выполнения прикладных задач пользователя.

     Поэтому адаптеры, предназначенные для серверов, обычно снабжаются собственными процессорами, которые самостоятельно выполняют большую часть работы по передаче кадров из оперативной памяти в сеть и в обратном направлении. Примером такого адаптера может служить сетевой адаптер SMS EtherPower со встроенным процессором Intel i960.

     В зависимости от того, какой протокол реализует адаптер, адаптеры делятся на Ethernet-адаптеры, Token Ring-адаптеры, FDDI-адаптеры и т. д. Так как протокол Fast Ethernet позволяет за счет процедуры автопереговоров автоматически выбрать скорость работы сетевого адаптера в зависимости от возможностей концентратора, то многие адаптеры Ethernet сегодня поддерживают две скорости работы и имеют в своем названии приставку 10/100. Это свойство некоторые производители называют авточувствительностью.

     Сетевой адаптер перед установкой в компьютер необходимо конфигурировать. При конфигурировании адаптера обычно задаются номер прерывания IRQ, используемого адаптером, номер канала прямого доступа к памяти DMA (если адаптер поддерживает режим DMA) и базовый адрес портов ввода/вывода. 

     Если сетевой адаптер, аппаратура компьютера и операционная система поддерживают стандарт Plug-and-Play, то конфигурирование адаптера и его драйвера осуществляется автоматически. В противном случае нужно сначала сконфигурировать сетевой адаптер, а затем повторить параметры его конфигурации для драйвера. В общем случае, детали процедуры конфигурирования сетевого адаптера и его драйвера по многом зависят от производителя адаптера, а также от возможностей шины, для которой разработан адаптер.

Классификация сетевых адаптеров

     В качестве примера классификации адаптеров используем подход фирмы 3Com, имеющей репутацию лидера в области адаптеров Ethernet. Фирма 3Com считает, что сетевые адаптеры Ethernet прошли в своем развитии три поколения.