Характеристика беспроводного оборудования

16.04.2013 Н.Г. Махров Гр. № М155

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

В условиях рыночной экономики информация выступает как один из важнейших товаров. Успех коммерческой и предпринимательской деятельности связан с муниципальными, банковскими, биржевыми информационными системами, информатизацией оптовой и розничной торговли, торговых домов, служб управления трудом и занятостью, созданием банка данных рынка товаров и услуг, развитием центров справочной и аналитико-прогнозной котировочной информации, электронной почты, электронным обменом данными и др. Как правило, работа этих систем базируется на локальных сетях различной архитектуры или их объединениях, получивших название корпоративных сетей.

Увеличение количества корпоративных сетей и возрастание  числа пользователей сети привело  к повышению требований, предъявляемых  к передаваемому трафику, пропускной способности и стоимости, которая является существенным показателем при построении сети. Помимо задачи увеличения пропускной способности, актуальной является задача построения сети доступа, основными требованиями к которой являются широкая инфраструктура, масштабируемость, невысокая стоимость.

Перед разработчиками и  создателями Вычислительных Компьютерных сетей передачи информации стоит  задача выбора передающей среды. В качестве передающей среды, в компьютерных сетях  используются: медный кабель, волоконно-оптический кабель, оптический канал, лазерный канал, радиоканал.

Выбор передающей среды  обусловлен требованиями, предъявляемыми к сети доступа системы передачи данных: при построении проводных  сетей затраты на развертывание  систем в большинстве случаев составляют немногим менее половины стоимости оборудования. В случае построения системы на базе технологии беспроводного доступа, как финансовые, так и временные затраты на развертывание существенно снижаются за счет быстроты развертывания самой системы, установка компонентов которой занимает в среднем несколько часов. Существует возможность мобильности: «переезда» терминалов на другое место.

Развитие систем Высокоскоростной Беспроводной передачи данных являются результатом эволюции компьютерных технологий. В течение нескольких лет Беспроводные технологии прошли процесс стандартизации. При этом повышалась скорость передачи данных в Беспроводных Локальных сетях (WLAN – Wireless Local Area Network). Последние достижения в радиочастотных технологиях и прогресс в области стандартов помогли сделать беспроводные сетевые технологии более привлекательными для создания сетей внутри здания и в удаленных зданиях (причем здания могут стоять друг от друга на расстоянии до 40 км).

Каждая сеть складывается из набора взаимосвязанных участков — структур. Каждая отдельная структура представляет собой несколько компьютеров с сетевыми адаптерами, каждый из которых соединен отдельным проводом (кабелем) с коммутатором. При необходимости развития к сети просто добавляют новую структуру.

Базовые компоненты и  технологии, связанные с архитектурой локальных сетей, могут включать в себя:

• Кабели
• Серверы и рабочие станции
• Сетевые адаптеры
• Концентраторы
• Мосты и коммутаторы

В качестве библиографии использовалась научная и техническая литература современных российских и зарубежных авторов.

Перейдем к рассмотрению основных характеристик существующего  оборудования локальных вычислительных сетей.

1. Кабели

Данные по кабелю передаются в виде пакетов, пересылающихся с  одного сетевого устройства на другое. Существует несколько типов кабелей, каждый из которых имеет свои преимущества.

1.1 Витая пара

Наиболее дешевым кабельным  соединением является витое двухжильное  проводное соединение часто называемое "витой парой" (TP, Twisted Pair) (рисунок 1). Она позволяет передавать информацию со скоростью до 100 Мбит/с и легко наращивается.

Рисунок 1 – Twisted Pair

Длина кабеля не может  превышать 1000 м при скорости передачи 10 Мбит/с. Кабель типа "витая пара" бывает двух видов: экранированная витая пара (STP, Shielded Twisted Pair) и неэкранированная витая пара (UTP, Unshielded Twisted Pair). Кабель типа "неэкранированная витая пара" стал наиболее популярным благодаря своей низкой стоимости, гибкости и простоте инсталляции. Единственным недостатком такого кабеля является уязвимость к электрическим помехам и "шумам" в линии. Для повышения помехозащищенности информации часто используют витую пару, помещенную в экранирующую оболочку, которая подобна экрану коаксиального кабеля. Это увеличивает стоимость витой пары и приближает ее цену к цене коаксиального кабеля. Кабели "витая пара" бывают разной категории (3, 4 или 5). Чем выше номер категории, тем большую скорость передачи поддерживает кабель.

1.2 Тонкий и толстый коаксиальный кабель

Эти типы кабеля аналогичны стандартному телевизионному кабелю. Коаксиальный кабель (рисунок 2) имеет среднюю цену, хорошо помехозащитен и применяется для связи на большие расстояния (несколько километров). Скорость передачи информации от 1 до 10 Мбит/с, а в некоторых случаях может достигать 50 Мбит/с¹. Коаксиальный кабель используется для основной и широкополосной передачи информации.

Рисунок 2 - Коаксиальные кабеля

Коаксиальный кабель подключается непосредственно к  сетевому адаптеру, поэтому не нужны трансивер и трансиверннй кабель.

На концах сегмента должны находиться терминаторы, которые подключаются к свободным концам Т-коннекторов. Один терминатор в сегменте должен быть заземлен.

Сети на тонком кабеле (приложение А) имеют худшие параметры по сравнению с сетями на базе толстого кабеля. Но стоимость сетевого оборудования, необходимого для создания сети на тонком кабеле, существенно меньше.

Каждая рабочая станция  через сетевой адаптер специальным  многожильным трансиверным кабелем подключается к устройству, называемому трансивером. Трансивер служит для подключения рабочей станции к толстому коаксиальному кабелю.

На корпусе трансивера имеется 3 разъема: два - для подключения  толстого коаксиального кабеля, и  один - для подключения трансиверного кабеля.

Длина одного сегмента ограничена, и для толстого кабеля не может  превышать 500 метров. Если общая длина сети больше 500 метров, ее необходимо разбить на сегменты, соединенные друг с другом через специальное устройство – репитер².

Общая длина сети может  достигать одного километра.

Между собой трансиверы соединяются отрезками толстого коаксиального кабеля с припаянными  к их концам коаксиальными.

1.3 Еthernet - кабель

Ethernet-кабель также  является коаксиальным кабелем  с волновым сопротивлением 50 Ом. Его называют еще толстый Ethernet (thick) или желтый кабель (yellow cable)³. Он использует 15-контактное стандартное включение. Вследствие помехозащищенности является дорогой альтернативой обычным коаксиальным кабелям. Максимально доступное расстояние без повторителя не превышает 500 м, а общее расстояние сети Ethernet - около 3000 м. Ethernet-кабель, благодаря своей магистральной топологии, использует в конце лишь один нагрузочный резистор.

1.4 Сheapernеt - кабель

Более дешевым, чем Ethernet-кабель является соединение Cheapernet-кабель (рисунок 3) или, как его часто называют, тонкий (thin) Ethernet. Это также 50-омный коаксиальный кабель со скоростью передачи информации в десять миллионов бит / с.

Рисунок 3 – Ethernet и Cheapernet – кабель

При соединении сегментов  Сhеарегnеt - кабеля также требуются повторители. Вычислительные сети с Cheapernet-кабелем имеют небольшую стоимость и минимальные затраты при наращивании. Соединения сетевых плат производится с помощью широко используемых малогабаритных байонетных разъемов (СР-50). Дополнительное экранирование не требуется. Кабель присоединяется к ПК с помощью тройниковых соединителей

(T-connectors).

Расстояние между двумя  рабочими станциями без повторителей может составлять максимум 300 м, а  общее расстояние для сети на Cheapernet-кабеля - около 1000 м. Приемопередатчик Cheapernet расположен на сетевой плате и как для гальванической развязки между адаптерами, так и для усиления внешнего сигнала.

1.5 Оптоволоконный кабель

Наиболее дорогими являются оптопроводники, называемые также стекловолоконным кабелем. Скорость распространения  информации по ним достигает нескольких гигабит в секунду. Допустимое удаление более 50 км. Внешнее воздействие помех практически отсутствует. На данный момент это наиболее дорогостоящее соединение для ЛВС. Применяются там, где возникают электромагнитные поля помех или требуется передача информации на очень большие расстояния без использования повторителей. Они обладают противоподспущивающими свойствами, так как техника ответвлений в оптоволоконных кабелях очень сложна. Оптопроводники объединяются в JIBC с помощью звездообразного соединения.

Данные передаются с  помощью световых импульсов, проходящих по оптическому волокну. Хотя этот кабель гораздо дороже и сложнее в инсталляции, чем UTP, он часто применяется в центральных магистральных сетях, поскольку обеспечивает полную защиту от электрических помех и позволяет передавать информацию на очень большие расстояния. Кроме того, благодаря совершенствованию оптоволоконной технологии данный кабель становится все более приемлемым по цене.⁴

1.6 Выбор кабельной системы

Выбор кабельной системы  зависит от интенсивности сетевого трафика, требований к защите информации, максимального расстояния, требований к характеристикам кабеля, стоимости реализации. Кабельная система должна соответствовать условиям ее применения. К числу факторов, влияющих на стоимость и пропускную способность кабеля, относятся: простота монтажа, экранирование, перекрестные помехи, скорость передачи, стоимость кабеля, затухание сигнала, стоимость оборудования, необходимого для подключения кабеля. Сравнительные характеристики различных типов кабеля приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Сравнительные характеристики различных типов кабеля

2. Характеристика оборудования с использованием сетевого кабеля

2.1 Сервер и рабочие станции

Сервер является ядром  локальной сети. Этот компьютер (обычно высокопроизводительный мини-компьютер) запускает операционную систему и управляет потоком данных, передаваемых по сети. Отдельные рабочие станции и любые совместно используемые периферийные устройства, такие, как принтеры, - все подсоединяются к файл-серверу. Каждая рабочая станция представляет собой обычный персональный компьютер, работающий под управлением собственной дисковой операционной системы. Однако в отличие от автономного персонального компьютера рабочая станция содержит плату сетевого интерфейса и физически соединена кабелями с файлом-сервером. Кроме того, рабочая станция запускает специальную программу, называемой оболочкой сети, которая позволяет ей обмениваться информацией с файл-сервером, другими рабочими станциями и прочими устройствами сети. Оболочка позволяет рабочей станции использовать файлы и программы, хранящиеся на файл-сервере, так же легко, как и находящиеся на ее собственных дисках.

2.2 Сетевые адаптеры

Вне зависимости от используемого  кабеля для каждой рабочей станции необходимо иметь сетевой адаптер (рисунок 4). Сетевой адаптер - это плата, которая вставляется в материнскую плату компьютера.

Рисунок 4 - 10-гигабитные серверные адаптеры Intel® XF

Она имеет два разъема  для подключения к сетевому кабелю. На плате адаптера может располагаться микросхема постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) для создания так называемых бездисковых рабочих станций. Это компьютеры, в которых нет ни винчестера, ни флоппи-дисков. Загрузка операционной системы выполняется из сети, и выполнят ее программа, записанная в микросхеме дистанционной загрузки.

Перед тем как вставить сетевой адаптер в материнскую  плату компьютера, необходимо с помощью  переключателей (расположенных на плате  адаптера) задать правильные значения для портов ввода/вывода, канала прерывания, базовый адрес ПЗУ дистанционной загрузки бездисковой станции.

Сетевые адаптеры устанавливаются  на настольных и портативных ПК. Они служат для взаимодействия с  другими устройствами в локальной  сети. Существует целый спектр сетевых адаптеров для различных ПК, имеющих определенные требования требованиям к производительности. Характеризуются по скорости передачи данных и способах подключения к сети.

Если рассматривать  просто способ приема и передачи данных на подключенных к сети ПК, то сетевые платы (сетевые адаптеры) играют активную роль в повышении производительности, назначении приоритетов для ответственного трафика (передаваемой/принимаемой информации) и мониторинге трафика в сети. Кроме того, они поддерживают такие функции, как удаленная активизация с центральной рабочей станции или удаленное изменение конфигурации, что значительно экономит время и силы администраторов постоянно растущих сетей.

Главные операции, которые  выполняет сетевой адаптер совместно  с драйвером, - передача и прием кадров.

Передача кадра из компьютера в сеть включает следующие  этапы:⁵

• Прием кадра данных LLC вместе с адресной информацией МАС-уровня. В выполнении этого этапа участвует операционная система компьютера;
• Оформление кадра данных МАС-уровня, в который инкапсулируется кадр LLC-уровня, заполнение адресов отправителя и получателя, вычисление контрольной суммы;
• Формирование символов кодов при использовании избыточных кодов типа 4В/5В;
• Реализация цифрового кодирования в соответствии с принятым линейным кодом – манчестерским, NRZI и т.п. и выдача сигналов в кабель.

Прием кадра из сети в  компьютер включает такие действия:

• Прием из кабеля сигналов, кодирующих битовый поток;
• Выделение информационных сигналов на фоне шума (выполняется специализированными микросхемами);
• Проверка контрольной суммы кадра. Если она верна, то из МАС-кадра извлекается LLC-кадр и передается протоколу LLC и далее помещается в буфер оперативной памяти. Если контрольная сумма неверна, то кадр отбрасывается, а протоколу LLC передается соответствующий код ошибки.

В своем развитии наиболее распространенные адаптеры прошли четыре поколения:

Адаптеры первого поколения выполнялись на дискретных логических микросхемах и поэтому имели низкую надежность. Их структура была наиболее простой, в частности буферная память рассчитана только на один кадр, что приводило к низкой производительности адаптеров (все кадры передавались последовательно в сеть и из сети).

В адаптерах второго  поколения применялся метод многокадровой буферизации, что повысило их производительность: стало возможным одновременно взаимодействовать с оперативной памятью по передаче или приему кадра и с сетью.

Адаптеры третьего поколения строятся на специализированных интегральных схемах, обеспечивающих повышение их производительности и надежность. Производительность повышена и за счет конвейерной схемы обработки кадров: процессы приема кадра из оперативной памяти компьютера и передачи его в сеть совмещаются во времени (после приема нескольких байт в параллельном коде сразу же начинается их передача в последовательном коде). Это повышение производительности адаптера важно для повышения производительности сети в целом.

2.3 Концентраторы

В структурированной  кабельной конфигурации все входящие в сеть ПК взаимодействуют с концентратором (рисунок 5).

Рисунок 5 - Концентратор

Hab (хаб; концентратор) – устройство множественного доступа, выполняющее роль центральной точки соединения в топологии "физическая звезда". Наряду с традиционным названием "концентратор" в литературе встречается также «хаб».⁶

Хаб — является коммутационным элементом  сети. Каждый хаб имеет от 8 до 30 разъемов (портов) для подключения либо компьютера, либо другого хаба. К каждому порту подключается только одно устройство. При подключении компьютера к хабу оказывается, что часть электроники сетевого интерфейса находится в компьютере, а часть — в хабе. Такое подключение позволяет повысить надежность соединения. В обычных ситуациях, помимо усиления сигнала, хаб восстанавливает преамбулу пакета, устраняет шумовые помехи и т.д.

Хабы являются сердцем системы  и во многом определяют ее функциональность и возможности. Даже в самых простых  хабах существует индикация состояния  портов. Это позволяет немедленно диагностировать проблемы, вызванные  плохими контактами в разъемах, повреждением проводов и т. п. Существенным свойством такой структурированной сети является ее высокая помехоустойчивость: при нарушении связи между двумя ее элементами, остальные продолжают сохранять работоспособность. Задача соединения компьютерных сетей различных организаций, зачастую созданных на основе различных стандартов, вызвала появление специального оборудования (мостов, маршрутизаторов, концентраторов и т. п.), осуществляющего такое взаимодействие.

Соединенные с концентратором ПК концентраторы образуют один сегмент локальной сети. Такая схема упрощает подключение к сети большого числа пользователей, даже если они часто перемещаются. В основном функция концентратора состоит в объединении пользователей в один сетевой сегмент.

Концентраторы бывают разных видов и размеров и обеспечивают соединение разного числа пользователей - от нескольких сотрудников в небольшой фирме до сотен ПК в сети, охватывающей комплекс зданий. Функции данных устройств также различны: от простых концентраторов проводных линий до крупных устройств, выполняющих функции центрального узла сети, поддерживающих функции управления и целый ряд стандартов (Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, FDDI и т.д.). Существуют также концентраторы, играющие важную роль в системе защиты сети.⁷

Концентратор начального уровня (базовый  концентратор) - это простое, автономное устройство, которое может стать для многих организаций хорошей "отправной точкой".

Наращиваемые (стековые) концентраторы позволяют постепенно увеличивать размер сети. Такие концентраторы соединяются друг с другом гибкими кабелями расширения, ставятся один на другой и функционируют как один концентратор. Благодаря низкой стоимости в расчете на порт наращиваемые концентраторы стали особенно популярны.

При применении концентратора  все пользователи делят между  собой полосу пропускания сети. Пакет, принимаемый по одному из портов концентратора, рассылается во все другие порты, которые анализируют этот пакет (предназначен он для них или нет). При небольшом числе пользователей такая система превосходно работает. Между тем в случае увеличения числа пользователей начинает сказываться конкуренция за полосу пропускания, что замедляет трафик в локальной сети.

К числу дополнительных функций концентраторов относятся следующие: ⁸

• Отключение некорректно работающих портов и переход на резервное кольцо (для технологии Token Ring). Функция отключения портов называется автосегментацией. Причины отключения портов могут быть такими: ошибки на уровне кадра (неверная контрольная сумма, неверная длина кадра, неоформленный заголовок кадра), множественные коллизии, затянувшаяся передача кадра;
• Выполнение функций, облегчающих контроль и эксплуатацию сети;
• Реализация некоторых способов защиты данных в разделяемых средах от несанкционированного доступа. Наиболее простой из них – назначение портам концентратора разрешенных МАС-адресов. Компьютер с таким МАС-адресом нормально работает с сетью через данный порт. Если злоумышленник отсоединяет этот компьютер и присоединяет вместо него свой, концентратор это замечает, отключает порт и факт нарушения прав доступа фиксируется. Другой способ защиты данных – их шифрование.

Существует несколько  типов концентраторов, отличающихся конструктивным исполнением и выполняемыми функциями:

Традиционные концентраторы поддерживают только один сетевой сегмент, предоставляя всем подключаемым к ним пользователям одну и ту же полосу пропускания.

Концентраторы с коммутацией портов или сегментируемые концентраторы (такие как концентраторы семейства SuperStack II PS Hub) позволяют свести данную проблему к минимуму, выделив пользователям любой из четырех внутренних сегментов концентратора (каждый из этих сегментов имеет полосу пропускания 10 Мбит/с). Подобная схема дает возможность гибко распределять полосу пропускания между пользователями и балансировать нагрузку сети.

Двухскоростные концентраторы (dual-speed) можно с выгодой использовать для создания современных сетей  с совместно используемыми сетевыми сегментами. Они поддерживают существующие каналы Ethernet 10 Мбит/с и новые сети Fast Ethernet 10 Мбит/с, автоматически опознавая скорость соединения, что позволяет не настраивать конфигурацию вручную. Это упрощает модернизацию соединений - переход от сети Ethernet к Fast Ethernet, когда необходима поддержка новых приложений, интенсивно использующих полосу пропускания сети, или сегментов с большим числом пользователей.

Кроме того, концентраторы  служат центральной точкой для подключения  кабелей, изменения конфигурации, поиска неисправностей и централизованного управления, упрощая выполнение всех этих операций.

2.4 Мосты и коммутаторы

Мосты и коммутаторы  осуществляют передачу кадров на основе МАС-адресов (Media Access Control) канального уровня, а маршрутизаторы – на основе номера сети. Таким образом, логические сегменты, построенные на основе мостов и коммутаторов, являются строительными элементами более крупных сетей, объединяемых маршрутизаторами. Коммутаторы относятся к категории наиболее быстродействующих коммуникационных устройств. Они соединяют высокоскоростные логические сегменты без блокировки (уменьшения пропускной способности) межсегментного трафика.

Мосты и коммутаторы, появившиеся позже выполняют  практически одни и те же функции: это устройства логической структуризации сетей на канальном уровне, осуществляющие продвижение кадров на основании одних и тех же алгоритмов. Основное отличие между ними заключается в том, что мост обрабатывает кадры последовательно (один кадр за другим), а коммутатор – параллельно (одновременно между всеми парами своих портов). Мост, работающий на базе одного процессора, соединяет два логических сегмента (отсюда и название – мост). Его производительность сравнительно небольшая – 3-5 тысяч кадров в секунду.

Switch (коммутатор):

1. Многопортовое устройство, обеспечивающее высокоскоростную коммутацию пакетов между портами.
2. В сети с коммутацией пакетов - устройство, направляющее пакеты обычно на один из узлов магистральной сети. Такое устройство называется также коммутатором данных (data PABX).

Коммутатор – устройство, соединяющее две или несколько физических сетей и передающее пакеты из одной сети в другую. Коммутаторы могут фильтровать пакеты, т.е. передавать в другие сегменты или сети только часть трафика, на основе информации канального уровня (MAC-адрес). Если адрес получателя присутствует в таблице адресов моста, кадр передается только в тот сегмент или сеть, где находится получатель. Похожими устройствами являются повторители (HUBs), которые просто передают электрические сигналы из одного кабеля в другой и маршрутизаторы (router), которые принимают решение о передаче пакетов на основе различных критериев, основанных на информации сетевого уровня. В терминологии OSI мост является промежуточной системой на уровне канала передачи данных (Data Link Layer).

Основной характеристикой  коммутатора является его производительность, которая определяется следующими показателями: скоростью фильтрации кадров, скоростью продвижения кадров, пропускной способностью, задержкой передачи кадра.

Скорость фильтрации – это скорость выполнения следующих операций: прием кадра в буфер коммутатора; просмотр адресной таблицы с целью нахождения порта, куда следует направить кадр; уничтожение кадра, если порт назначения и порт отправителя находится в пределах одного и того же логического сегмента (в этом случае передача кадров осуществляется без участия коммутатора).

У всех коммутаторов это  скорость является деблокирующей, т.е. кадр отфильтровываются в темпе их поступления.

Скорость продвижения  кадров – это скорость выполнения следующих этапов обработки кадров: прием кадра в буфер коммутатора, просмотр адресной таблицы с целью нахождения порта-получателя кадра, передача кадра в сеть через найденный порт назначения.

Единицей измерения для указанных скоростей является число кадров в секунду.

Пропускная способность коммутатора – это количество пользовательских данных (в мегабитах в секунду), переданных в единицу времени через его порты. Естественно поэтому, что максимальное значение пропускной способности коммутатора достигается при передачи кадров максимальной длины, для которых доля служебной информации гораздо меньше, чем для кадров минимальной длины.

Задержка передачи кадров – это период времени с момента прихода первого байта кадра на входной порт коммутатора до момента появления этого байта на его выходном порту. При полной буферизации кадров (для кадров минимальной длины) эта задержка колеблется от 50 до 200 мкс.

Повторители и концентраторы  локальных сетей реализуют базовые  технологии, разработанные для разделяемых  сред передачи данных. Коммутатор предоставляет каждому устройству (серверу, ПК или концентратору), подключенному к одному из его портов, всю полосу пропускания сети. Это повышает производительность и уменьшает время отклика сети за счет сокращения числа пользователей на сегмент. Как и двухскоростные концентраторы, новейшие коммутаторы часто конструируются для поддержки 10 или 100 Мбит/с, в зависимости от максимальной скорости подключаемого устройства. Если они оснащаются средствами автоматического опознавания скорости передачи, то могут сами настраиваться на оптимальную скорость - изменять конфигурацию вручную не требуется.

В отличие от концентраторов, осуществляющих широковещательную  рассылку всех пакетов, принимаемых  по любому из портов, коммутаторы передают пакеты только целевому устройству (адресату), так как знают MAC-адрес каждого подключенного устройства (аналогично тому, как почтальон по почтовому адресу определяет, куда нужно доставить письмо). В результате уменьшается трафик и повышается общая пропускная способность, а эти два фактора являются критическими с учетом растущих требований к полосе пропускания сети современных сложных бизнес приложений.