Среди топологических схем наиболее популярными являются (рис. 2.1):
шина;
звезда;
кольцо;
многокаскадные и многосвязные сети.
Рис. 2.1. Примеры сетевых топологий
К первым трем типам топологии относятся 99% всех локальных сетей. Деление сетей на локальные и региональные достаточно условно. Под локальной сетью подразумевается сеть предприятия, конторы, учреждения или кампуса, имеющая, как правило, одного администратора. Такая сеть обычно имеет шлюз, который соединяет ее с региональной сетью. Наиболее популярный тип локальной сети физического уровня — Ethernet — может строиться по схемам 1 и 2. Сети Token Ring и FDDI применяют кольцевую топологию, где каждый узел должен иметь два сетевых интерфейса. Эта топология удобна для оптоволоконных каналов, где сигнал может передаваться только в одном направлении (но при наличии двух колец, как в FDDI или 802.17, возможна и двунаправленная передача). Нетрудно видеть, что кольцевая топология строится из последовательности соединений "точка-точка". Именно эта топология используется для построения каналов на базе оптических волокон. В настоящее время разработана технология двунаправленной передачи данных по одному волокну.
Применяется и немалое количество других топологий, которые являются комбинациями уже названных. Примеры таких топологий даны на рис. 2.2. Вариант А представляет собой схему с полным набором связей (все узлы соединены со всеми), такая схема используется только в случае, когда необходимо обеспечить высокую надежность соединений. Эта версия требует для каждого из узлов наличия N-1 интерфейсов при полном числе узлов N. Вариант Б является примером нерегулярной топологии, а вариант В – иерархический случай связи (древовидная топология).
Рис. 2.2. Различные сетевые топологические схемы
Если топологии типа В чаще применимы для локальных сетей, то топологии типа А и Б более типичны для региональных и глобальных сетей. Выбор топологии локальной или региональной сети существенно сказывается на ее стоимости и рабочих характеристиках. Так, многосвязность в сочетании с динамическими протоколами маршрутизации делает Интернет достаточно надежным и устойчивым.
Компьютерная сеть состоит из трех основных аппаратных компонент и двух программных, которые должны работать согласованно. Для корректной работы устройств в сети их нужно правильно инсталлировать и установить рабочие параметры.
Основными аппаратными компонентами сети являются следующие:
Абонентские системы:
· компьютеры (рабочие станции или клиенты и серверы);
· принтеры;
· сканеры и др.
Сетевое оборудование:
· сетевые адаптеры;
· концентраторы (хабы);
· мосты;
· маршрутизаторы и др.
Коммуникационные каналы:
· кабели;
· разъемы;
· устройства передачи и приема данных в беспроводных технологиях.
Основными программными компонентами сети являются следующие:
Сетевые операционные системы (например, Windows NT, NetWare, Unix, Linux и др.).
Сетевое программное обеспечение (Сетевые службы):
· клиент сети;
· сетевая карта;
· протокол;
· служба удаленного доступа.
ЛВС (локальная вычислительная сеть) – это совокупность компьютеров, каналов связи, сетевых адаптеров, работающих под управлением сетевой операционной системы и сетевого программного обеспечения.
В ЛВС каждый ПК называется рабочей станцией, за исключением одного или нескольких компьютеров, которые предназначены для выполнения функций файл-серверов. Каждая рабочая станция и файл-сервер имеют сетевые карты (адаптеры), которые посредством физических каналов соединяются между собой. В дополнение к локальной операционной системе на каждой рабочей станции активизируется сетевое программное обеспечение, позволяющее станции взаимодействовать с файловым сервером.
Компьютеры, входящие в ЛВС клиент – серверной архитектуры, делятся на два типа: рабочие станции, или клиенты, предназначенные для пользователей, и файловые серверы, которые, как правило, недоступны для обычных пользователей и предназначены для управления ресурсами сети.
Аналогично на файловом сервере запускается сетевое программное обеспечение, которое позволяет ему взаимодействовать с рабочей станцией и обеспечить доступ к своим файлам.
Рабочая станция (workstation) – это абонентская система, специализированная для решения определенных задач и использующая сетевые ресурсы. К сетевому программному обеспечению рабочей станции относятся следующие службы:
· клиент для сетей;
· служба доступа к файлам и принтерам;
· сетевые протоколы для данного типа сетей;
· сетевая плата;
· контроллер удаленного доступа.
Сервер – это компьютер, предоставляющий свои ресурсы (диски, принтеры, каталоги, файлы и т.п.) другим пользователям сети.
Файловый сервер обслуживает рабочие станции. Но иногда в малых ЛВС файл–сервер используется еще и в качестве рабочей станции. На файловом сервере должна стоять сетевая операционная система, а также сетевое программное обеспечение. К сетевому программному обеспечению сервера относятся сетевые службы и протоколы, а также средства администрирования сервера.
Файловые серверы могут контролировать доступ пользователей к различным частям файловой системы. Это обычно осуществляется разрешением пользователю присоединить некоторую файловую систему (или каталог) к рабочей станции пользователя для дальнейшего использования как локального диска. По мере усложнения возлагаемых на серверы функций и увеличения числа обслуживаемых ими клиентов происходит все большая специализация серверов.
Сетевые операционные системы ( Network Operating System – NOS) – это комплекс программ, обеспечивающих в сети обработку, хранение и передачу данных.
Для организации сети кроме аппаратных средств, необходима такжесетевая операционная система. Операционные системы сами по себе не могут поддерживать сеть. Для дополнения какой-нибудь ОС сетевыми средствами необходима процедура инсталляции сети.
Сетевая операционная система необходима для управления потоками сообщений между рабочими станциями и файловым сервером. Онаявляется прикладной платформой, предоставляет разнообразные виды сетевых служб и поддерживает работу прикладных процессов, реализуемых в сетях. NOSиспользуют архитектуру клиент–сервер или одноранговую архитектуру.
NOSопределяет группу протоколов, обеспечивающих основные функции сети. К ним относятся:
· адресация объектов сети;
· функционирование сетевых служб;
· обеспечение безопасности данных;
· управление сетью.
Клиент для сетей обеспечивает связь с другими компьютерами и серверами, а также доступ к файлам и принтерам.
Сетевая карта является устройством, физически соединяющим компьютер с сетью. Для каждой сетевой карты устанавливаются свои драйверы, значение IRQ (требования к прерыванию) и адреса ввода/вывода.
Протоколы используются для установления правил обмена информацией в сетях.
Служба удаленного доступа позволяет делать файлы и принтеры доступными для компьютеров в сети.
Применение многопользовательских версий прикладных программ резко увеличивают производительность. Многие системы управления базами данных позволяют нескольким рабочим станциям работать с общей базой данных. Большинство деловых прикладных программ также являются многопользовательскими.
Защита данных от несанкционированного доступа при работе в ЛВС необходима по следующим причинам:
Необходимость обеспечения гарантии от разрушений. При работе в сети неопытных пользователей возможно уничтожение файлов и каталогов.
Необходимость защиты конфиденциальности. Далеко не всегда есть желание, чтобы частная информация была доступна всем;
Необходимость защиты от мошенничества. Некоторые расчетные ведомости несут в себе большие денежные суммы, и бывает, пользователи поддаются искушению выписать чек на свое имя.
Необходимость защиты от преднамеренных разрушений. В некоторых случаях раздосадованный работник может испортить какую-нибудь информацию.
Для построения локальных связей между компьютерами используются различные виды кабельных систем, сетевые адаптеры, концентраторы, повторители. Для связей между сегментами локальной вычислительной сети используются концентраторы, мосты, коммутаторы, маршрутизаторы и шлюзы.
Для подключения локальных сетей к глобальным связям используются:
специальные выходы (WAN–порты) мостов и маршрутизаторов;
аппаратура передачи данных по длинным линиям – модемы (при работе по аналоговым линиям);
устройства подключения к цифровым каналам (TA – терминальные адаптеры сетей ISDN, устройства обслуживания цифровых выделенных каналов типа CSU/DSU и т.п.).
Структура потока Е1
В цифровых системах передача сигнала идет в виде двоичных данных, так как параметр сигнала может принимать только два значения. Цифровые сигналы так же, как и аналоговые, подвержены ослаблению и воздействию шумов. Поскольку цифровые сигналы дискретны, то при прохождении их через канал необходимо отмечать только отсутствие или наличие сигнального импульса. Цифровые сигналы можно полностью реконструировать прежде, чем они исказятся настолько, что их точное восстановление будет выполнено с большой вероятностью ошибки. Для восстановления параметров сигналов используются регенераторы, устанавливаемые через определенные промежутки цифрового тракта.
Для передачи интегральной информации целесообразно использовать цифровые телефонные каналы, где полоса пропускания и скорость передачи спроектированы для передачи речевых сообщений. Для передачи данных, видео, высококачественного звука необходимо пользоваться объединением выделенных полос, или цифровой иерархией. Основой для цифрового телефонного сигнала является канал 64 кбит/сек, который возглавляет иерархию каналов передачи. Существует две принципиально разных структуры иерархии — американская и европейская. В европейской системе мультиплексирование производится всегда ступенями по четыре, в американской оно меняется.
Канал Е1 является основным каналом, используемым во вторичных сетях телефонии, передачи данных и ISDN. Этот канал имеет несколько особенностей, связанных с его использованием, а именно сверхцикловую структуру и канал сигнализации, используемый во вторичных сетях цифровой телефонии и ISDN.
Канал Е1 обычно является "пограничным" каналом между первичной и вторичными сетями. Структура систем передачи Е1 включают три уровня эталонной модели OSI: физический, канальный и сетевой. Физический уровень описывает электрический интерфейс потока Е1, а также параметры сигнала Е1.
Канальный уровень описывает процедуры мультиплексирования и демультиплексирования каналов более низкого уровня иерархии (ОЦК 64 кбит/с и каналов ТЧ) в поток Е1, цикловую и сверхцикловую структуру потока Е1, встроенные процедуры контроля ошибок и т.д. Наконец, сетевой уровень описывает процедуры управления каналами Е1 в первичной сети, а также контроль параметров ошибок на сетевом уровне. Этот уровень является относительно неполным и включает всего лишь несколько процедур. Основным же для рассмотрения систем передачи Е1 является структура канального уровня. Рассмотрим более подробно структуру каждого из трех уровней систем Е1.
Физический уровень Е1 включает в себя описание электрических параметров интерфейсов Е1 и параметров сигналов передачи, включая структуру линейного кода. Рассмотрим наиболее важные эксплуатационные параметры физического уровня Е1.
Основные характеристики интерфейса следующие:Скорость передачи - 2048 кбит/с ± 50 ppm (1 ppm (point per million) = 10-6), таким образом, допускается отклонение частоты передаваемого сигнала (2048 кГц) ± 102,4 Гц Используемые типы кодирования: HDB3, либо AMI. Использование кода AMI в настоящее время уже не рекомендуется, однако ряд старых цифровых систем передачи могут использовать этот код.
AMI - это наиболее простой формат линейного кодирования. AMI расшифровывается как инверсия альтернативного бита. Этот формат использует инверсию каждой следующей единицы. В большинстве случаев AMI не используется, поскольку этот формат линейного кодирования приводит к частым потерям синхронизации в случае длинных последовательностей нулей.
Формат линейного кодирования HDB3 был специально разработан для решения проблем синхронизации, возникающих в случае использования AMI. В формате HDB3 за последовательностью из четырех последовательных нулей следует двухимпульсная вставка "плюс импульс-минус импульс". Оборудование на удаленном конце принимает поток Е1 и заменяет двухимпульсные вставки на последовательность нулей, восстанавливая исходную последовательность данных. Таким образом, код HDB3 обеспечивает большую плотность импульсов в потоке, что дает лучшие параметры синхронизации по принимаемому сигналу.
Существуют два стандарта на параметры физического интерфейса Е1: симметричный интерфейс на 120 Ом и коаксиальный (несимметричный) интерфейс 75 Ом. Им соответствую значения пикового напряжения в 3 В и 2,37 В. Следует отметить, что оба типа интерфейсов могут реально встретиться в отечественной практике. Симметричный интерфейс 120 Ом получил наибольшее распространение в Европе и является официальным стандартом для России. Интерфейс 75 Ом получил широкое распространение на американо-канадском рынке. В России этот интерфейс не рекомендован к применению, тем не менее в практике эксплуатации оборудования цифровых систем передачи американских и канадских фирм-производителей он может встретиться.
Таким образом, типичный уровень сигнала импульсов потока Е1 с импедансом интерфейса 75 Ом или ± 2.37 В (для сигнала бинарной 1) или 0 В (для 0), а для симметричного интерфейса 120 Ом - ±3В (для сигнала бинарной 1) или 0 В (для 0). Реальный сигнал обычно находится в пределах ±10% от этой величины. В идеальном случае передаваемый импульс является совершенно симметричным. Однако в реальной практике импульс сильно трансформируется при его генерации и передаче по каналу Е1.
Параметры канального уровня потока Е1 включают в себя цикловую и сверхцикловую структуру потока, описание процедур контроля ошибок по цикловому избыточному коду (CRC), а также описание процедур мультиплексирования и демультиплексирования каналов ТЧ в поток Е1. Последние включают в себя процедуры дискретизации, квантования и компандирования аналогового сигнала, описанные во всех учебниках по современным средствам связи и ниже описываться не будут. Рассмотрим цикловую структуру потока Е1 и встроенные процедуры контроля ошибок.
При передачи по первичной сети цифровой поток преобразуется в блоки стандартной логической структуры - циклы. Цикловая структура обеспечивает работу процедур мультиплексирования и демультиплексирования, передачу управляющей информации, а также встроенную диагностику по параметру ошибок в цифровой системе передачи. Существует три основных варианта цикловой структуры Е1: неструктурированный поток, с цикловой структурой и с цикловой и сверхцикловой структурой.
Неструктурированный поток Е1 используется в сетях передачи данных и не имеет цикловой структуры, т.е. разделения на каналы (обычно это мультиплексирование каналов ОЦК - 64 кбит/с).
Поток Е1 с цикловой структурой предусматривает разделение на 32 канала ОЦК по 64 кбит/с в форме разделения на канальные интервалы (Time Slot - TS) от 0 до 31. Для каждого канального интервала в составе цикла отводится 8 битов, таким образом длина цикла равна 256 битов, что при заданной скорости передачи Е1 составляет 125 мкс (длительность одного цикла). Нулевой канальный интервал отводится под передачу сигнала цикловой синхронизации FAS (Frame Alignment Signal).
Структура цикла FAS представлена на рис. 2.3. Различаются четные и нечетные циклы. В TS0 нечетных циклов передается сигнал FAS (на рисунке - первая строчка), который включает в себя последовательность цикловой синхронизации 0011011 и один служебный бит, зарезервированный под задачи международного использования. В TS0 четных циклов передается сигнал NFAS, не содержащий кодовую последовательность цикловой синхронизации.
Рис. 2.3. Структура цикла FAS
В составе сигнала NFAS передается бит Si, зарезервированный под задачи международного использования, бит А, используемый для передачи сигналов о неисправностях, а также пять служебных битов Sn4, Sn5, Sn6, Sn7, Sn8, используемые для передачи сигналов сетевого управления первичной сети Е1, диагностики и дополнительных процедур контроля ошибок.
В отечественной терминологии вариант потока Е1 с цикловой структурой получил название ИКМ-31. Он используется в ряде систем передачи данных, а также в некоторых приложения ОКС7, ISDN и B-ISDN. В ряде случаев аппаратура передачи/приема Е1 использует еще и шестнадцатый канальный интервал (TS-16) для передачи информации о сигнализации, связанной с разговорным каналом (сигнализации CAS).
В этом случае поток Е1 имеет дополнительно к цикловой структуре еще и сверхцикловую структуру (MFAS - Multi Frame Alignment Signal). В отечественной терминологии такой вариант цикловой структуры Е1 получил название ИКМ-30. При этом 16 циклов объединяются в сверхцикл размера 4096 битов и длительностью 2 мс. Когда идет передача/прием информации в виде сверхциклов MFAS, индивидуальная информация FAS каждого цикла теряет значимость. Необходимо рассматривать всю информацию FAS - 16 циклов.
Первый цикл содержит информацию MFAS о сверхцикле в шестнадцатом канальном интервале, а остальные 15 интервалов используются для передачи сигнальной информации. Структура MFAS показана на рис. 2.4. В данном примере: сигнал MFAS=0000XYXX; X- запасные биты (1 обычно не используется); Y- удаленная неисправность MFAS (равно 1 в случае, если потеряна сверхцикловая синхронизация).
Рис. 2.4. Структура сверхцикла MFAS
Передача потока Е1 с цикловой структурой ИКМ-30 имеет важный механизм - процедуру встроенной диагностики параметров ошибки. Для этой цели используется биты Si в составе циклового заголовка FAS и NFAS.
Процедура использует сверхцикловую структуру 16 циклов и механизм расчета параметра ошибки по контрольному избыточному коду CRC-4.
Принцип CRC-4 базируется на простом математическом расчете, производимом в каждом сверхцикле данных. Оборудование передачи Е1 производит расчет суммы CRC-4 и включает результаты суммы в сигнал следующего сверхцикла. Оборудование приемника принимает сигнал и производит аналогичный расчет и сравнение полученной суммы и переданной в следующем сверхцикле. Если в двух полученных суммах имеется расхождение, генерируется сигнал ошибки CRC-4. В настоящее время в линейное оборудование и системы самодиагностики цифровых каналов ИКМ встраивается функция анализа по CRC-4.
Стандартизация систем передачи Е1 охватывает также третий, сетевой уровень, где осуществляются процедуры управления первичной сетью. При работе процедур управления, они широко используют сигналы о неисправностях, генерируемые в современных цифровых системах передачи, а также сигналы о возникновении ошибок, фиксируемые встроенными средствами диагностики. Эта информация собирается в узлах системы управления и обрабатывается. Таким образом, сетевой уровень Е1 включает в себя набор определенных служебных сигналов и сообщений, используемых системой управления первичной сетью. Такие сообщения делятся на три категории:
сообщения о возникновении ошибок в системе передачи;
сообщения о неисправностях, возникающих в системе передачи;
сообщения, используемые для реконфигурации первичной сети и восстановлении плана синхронизации.
Сообщения о возникновении ошибок в системе передачи Е1 использует сообщения E1E2. Действительно, сообщения, передаваемые битами Е, служат подтверждением возникновения блоковой ошибки CRC и могут служить критерием качества цифровой системы передачи. Система управления анализирует значения битов Е и собирает информацию о возникающих в системе передачи Е1 ошибках.
Сообщения о неисправностях в системе передачи передаются в циклах NFAS, а также битами MFAS в случае, если поток Е1 имеет сверхцикловую структуру. Биты Sn образуют своего рода канал управления, ресурсы которого используются сетевым уровнем Е1. Помимо битов Sn для передачи сообщений о неисправностях могут использоваться биты XXYX MFAS.
Эти биты используются главным образом для передачи сигналов о неисправностях в сверхцикловой структуре Е1 (так бит Y непосредственно и определяется как индикатор неисправности MFAS на удаленном конце). Бит А (иногда он называется также Sn3) представляет собой бит оперативного сигнала о неисправности. В случае возникновения существенной неисправности, требующей оперативного вмешательства, бит А становится равным единице. Такую существенную неисправность называют RDI (Remote Defect Indication - Индикация дефекта на удаленном конце).
В случае возникновения так называемого "неоперативного" сигнала неисправности, система передачи генерирует NFAS с инверсией бита Sn4 с 0 на 1. Неоперативный сигнал о неисправности дает возможность получения информации о значительном увеличении параметра ошибки на стороне передатчика. Оборудования приемника обычно имеет установленные пороговые значения для генерации сигнала Sn4. В случае увеличения параметра ошибки более порога приемник генерирует сигнал "неоперативной" неисправности в направлении передатчика. При получении этого сигнала система управления может перевести передачу на резервный канал Е1, за счет чего достигается высокое качество связи.
Биты Sn5, Sn6, Sn7, Sn8 образуют служебный канал передачи данных емкостью 2 кбит/с, который может использоваться для передачи сигналов о неисправностях. В последнее время в связи с развитием систем управления (в частности платформы TMN) возможности этого канала используется довольно широко.