Компютерні мережі

Технологія комутації сегментів Ethernet була запропонована фірмою Kalpana у 1990 році у відповідь на зростання потреб у підвищенні пропускної здатності зв'язків високопродуктивних серверів із сегментами робочих станцій. Структурна схема комутатора EtherSwitch, запропонована фірмою Kalpana, показана на рис. 1.4.5.

Рис. 1.4.5. Структура комутатора EtherSwitch компанії Kalpana. 
 
Кожний з 8 портів 10Base-T обслуговується одним процесором пакетів Ethernet - EPP (Ethernet Packet Processor). Крім того, комутатор має системний модуль, який координує роботу всіх процесорів ЕРР. Системний модуль веде загальну адресну таблицю комутатора і забезпечує керування комутатором по протоколу SNMP. Для передачі кадрів між портами використовується комутаційна матриця, подібна тим, які працюють у телефонних комутаторах або у мультіпроцесорних комп'ютерах, з'єднуючи декілька процесорів із декількома модулями пам'яті. 
Комутаційна матриця працює за принципом комутації каналів. Для 8 портів матриця може забезпечити 8 одночасних внутрішніх каналів за напівдупліксного режиму роботи портів і 16 - за повнодупліксного, коли передавач і приймач кожного порта працюють незалежно один від одного.  
При надходженні кадру у деякий порт процесор ЕРР буферизує декілька перших байт кадру, щоб прочитати адресу призначення. Після отримання адреси призначення процесор відразу ж приймає рішення про передачу пакета, не очікуючи надходження інших байт кадру. Для цього він переглядає свій власний кеш адресної таблиці, а якщо не знаходить там потрібної адреси, звертається до системного модуля, який працює у багатозадачному режимі, паралельно обслуговуючи запити всіх процесорів ЕРР. Системний модуль виконує перегляд загальної адресної таблиці і повертає процесору знайдений рядок, який той буферизує у своєму кеші для наступного використання. 
Після знадходження адреси призначення процесор ЕРР знає, що потрібно далі робити з кадром, який надходить (під час перегляду адресної таблиці процесор продовжував буферизацію байтів кадру, що надходить). Якщо кадр треба відфільтрувати, процесор просто припиняє запис у буфер байти кадру, звільнює буфер і очікує надходження нового кадру. 
Якщо ж кадр треба передати на інший порт, то процесор звертається до комутаційної матриці і робить спробу налагодити в ній шлях, який зв'язує його порт з портом, через який йде маршрут до адреси призначення. Комутаційна матриця може це зробити тільки у тому випадку, коли порт адреси призначення в цей момент вільний, тобто не з'єднаний з іншим портом. 
Якщо ж порт зайнятий, то, як і в будь-якому пристрої з комутацією каналів, матриця у з'єднанні відмовляє. В цьому випадку кадр повністю буферизується процесором вхідного порту, після чого процесор очікує вивільненя вихідного порту і утворення комутаційною матрицею потрібного шляху. 
Після того як потрібний шлях встановлено, в нього направляються буферизовані байти кадру, які приймаються процесором вихідного порту. Як тільки процесор вихідного порту отримує доступ до підключеного до нього сегменту Ethernet по алгоритму CSMA/CD, байти кадру водночас починають передаватися у мережу. Процесор вхідного порту постійно зберігає декілька байтів кадру, що приймається, у своєму буфері. Це дозволяє йому незалежно і асинхронно приймати та передавати байти кадру. 
При вільному у момент прийому кадру стані вихідного порту затримка між прийомом першого байта кадру комутатором і появою цього ж байта на виході порту адреси призначення складала у комутатора компанії Kalpana всього 40 мкс, що було значно менше затримки при його передачі мостом. 
Описаний спосіб передачі кадру без його повної буферизації отримав назву комутації "на льоту" ("on-the-fly") або "напрольот" ("cut-througt"). Цей спосіб є не що інакше, як конвейєрна обробка кадру, коли частково поєднуються в часі декілька етапів його передачі. 
Однак головною причиною підвищення продуктивності мережі при використанні комутатора є паралельна обробка декількох кадрів. 
Зручність використання комутатора складається ще в тому, що це пристрій, який сам обучається і, якщо адміністратор не навантажує його додатковими функціями, конфігурувати його не обов'язково - треба тільки правильно підключити з'єднувачі кабелів до портів комутатора, а далі він буде працювати самостійно і ефективно виконувати поставлену перед ним задачу підвищення продуктивності мережі.

Розділ 2. Основи передачі дискретних даних.

Зміст. 
2.1. Лінії зв'язку. 
2.2. Методи передачі дискретних даних на фізичному рівні. 
2.3. Методи передачі даних канального рівня. 
2.4. Методи комутації. 
 
Засобом транспортування інформації від абонента до абонента у комп'ютерних мережах є мережі передачі даних. Під час розгляду найпростішої мережі, що складається всього з двох комп'ютерів, можна побачити багато проблем, притаманних будь-якій обчислювальній мережі, у тому числі проблем, пов'язаних із передачею сигналів через фізичне середовище, яке для локальних обчислювальних мереж - це лінії зв'язку та мережні адаптери. Передача даних на великі відстані у глобальних мережах потребує, крім ліній зв'язку, додаткового проміжного обладнання, яке відповідає за підтримку необхідних параметрів сигналів і обладнання, що відповідає за транспортування даних по фізичному середовищу і складає, так звані, вузли комутації. Лінії зв'язку та вузли комутації складають мережу передачі даних.

2.1. Лінії  зв'язку. 
Будь-яка технологія повинна забезпечити надійну та швидку передачу дискретних даних по лініях зв'язку. Лінії зв'язку складаються, у загальному випадку, з фізичного середовища, по якому передаються інформаційні сигнали, апаратури передачі даних, та проміжної апаратури. Синонімом терміну лінія зв'язку (line) є термін канал зв'язку (channel). 
Фізичне середовище передачі даних (medium) - це може бути кабель, тобто набір провідників, ізоляційних та захисних оболонок та з'єднувачів, а також земну атмосферу або космічний простір, через які розповсюджуються електромагнітні хвилі. 
Залежно від середовища передачі даних лінії зв'язку поділяються на:

• дротяні (повітряні);
• кабельні (мідні та волоконно-оптичні);
• радіоканали наземного та супутникового зв'язку.

Дротяні (повітряні) лінії зв'язку - це провідники без будь-якої ізоляції, протягнуті між стовпами і такі, що висять у повітрі. По таких лініях зв'язку традиційно передаються телефонні або телеграфні сигнали, але за відсутності інших можливостей ці лінії використовуються і для передачі комп'ютерних даних.  
 
Кабельні лінії представляють доволі складну конструкцію. Кабель складається з провідників, заточених у декілька шарів ізоляції: електричної, елктромагнітної, механічної, а також, можливо, кліматичної. Крім того, кабель може бути оснащений з'єднувачами, які дозволяють швидко виконувати під'єднання до нього різного обладнання. У комп'ютерних мережах використовуються три основних типи кабеля: кабелі на основі кручених пар мідних провідників, коаксіальні кабелі із мідним дротом, а також волоконно-оптичні кабелі. 
У комп'ютерних мережах застосовуються кабелі, які задовольняють визначеним стандартам, що дозволяє будувати кабельну систему мережі з кабелів та з'єднувальних пристроїв різних виробників. На сьогоднішній день найуживанішими стандартами у світовій практиці є такі.

• Американський стандарт ЕІА/ТІА-568А, який був розроблений спільними зусиллями кількох організацій: ANSI, EIA/TIA і лабораторією Underwriters Labs (UL). Стандарт ЕІА/ТІА-568А розроблений на основі попередньої версії стандарту ЕІА/ТІА-568 та доповнень до цього стандарту TSB-36 i TSB-40A).
• Міжнародний стандарт ISO/IEC 11801.
• Європейський стандарт EN50173.

Ці стандарти, близькі між собою і по багатьох позиціях, пред'являють до кабелів  ідентичні вимоги. 
 
Радіоканали наземного та супутникового зв'язку утворюються за допомогою передавача та приймача радіохвиль. Існує велика кількість різних типів радіоканалів, які відрізняються як частотним діапазоном, що використовується, так і дальністю канала. Діапазони коротких, середніх та довгих хвиль (КВ, СВ, ДВ), які називаються ще діапазонами із амплітудною модуляцією по типу методу модуляції сигнала,що використовується в них, забезпечують дальній зв'язок, але за невисокої швидкості передачі даних. Більш скоростними є канали, які працюють на діапазонах ультракоротких хвиль, для яких характерна частотна модуляція, а також на діапазонах надвисоких частот. 
У комп'ютерних мережах сьогодні застосовуються практично всі описані типи фізичних середовищ передачі даних, але найбільш перспективними є волоконно-оптичні. На них сьогодні будуються як магістралі крупних територіальних мереж, так і високошвидкісні лінії зв'язку локальних мереж. Популярним середовищем є також кручена пара, яка характеризується відмінним співвідношенням якості до вартості, а також простотою монтажа. Супутникові канали та радіозв'язок використовуються найчастіше у тих випадках , коли кабельні зв'язки використати не можна.  
 
Апаратура передачі даних ((Data Circuit termination Equipment, DСE) безпосередньо зв'язує комп'ютери або локальні мережі користувача із лінією зв'язку і є, таким чином, прикордонним обладнанням. Традиційно апаратуру передачі даних включають у склад лінії зв'язку. Прикладами DCE є модеми, термінальні адаптери мереж ISDN, оптичні модеми, пристрої підключення до цифрових каналів. Звичайно DCE працюють на фізичному рівні, відповідаючи за передачу і прийом сигналу необхідної форми й потужності у фізичне середовище. 
Апаратура користувача лінії зв'язку, яка виробляє дані для передачі по лініях зв'язку і така, що підключається безпосередньо до апаратури передачі даних, узагальнено має назву кінцеве обладнання даних (Data Terminal Equipment, DTE). Прикладом DTE можуть слугувати комп'ютери або маршрутизатори локальних мереж. Цю апаратуру не включають до складу лінії зв'язку. 
Проміжна апаратура звичайно використовується на лініях зв'язку великої протяжності. Проміжна апаратура вирішує дві основні задачі:

• покращення якості сигналу;
• утворення постійного складеного каналу зв'язку між двома абонентами мережі.

У локальних  мережах проміжна апаратура може зовсім не використовуватися, якщо протяжність  фізичного середовища - кабелів або радіоефіра - дозволяє одному мережному адаптеру приймати сигнали безпосередньо від другого адаптера, без проміжного підсилення. Інакше використовуються пристрої типу повторювачів і концентраторів. 
У глобальних мережах необхідно забезпечити якісну передачу сигналів на великі відстані. Тому без підсилювачів сигналів, встановлених через визначені відстані, створити територіальну лінію зв'язку неможливо. 
Проміжна апаратура каналу зв'язку прозора для користувача, він її не помічає і не враховує у своїй роботі. Для нього важлива тільки якість отриманого каналу, яка впливає на швидкість передачі дискретних даних. В дійсності ж проміжна апаратура утворює складну мережу, яку називають первинною мережею, так як сама по собі вона ніяких високорівневих служб не підтримує, а тільки служить основою для побудування комп'ютерних, телефонних та інших мереж. 
Залежно від типу проміжної апаратури всі лінії зв'язку поділяються на аналогові та цифрові. 
В аналогових лініях проміжна апаратура призначена для підсилення аналогових сигналів, які мають неперервний діапазон значень. Такі лінії зв'язку традиційно використовувалися у телефонних мережах для зв'язку АТС між собою. Для створення високошвидкісних каналів, які мультиплексують декілька низькошвидкісних аналогових абонентських каналів, при аналоговому підході звичайно використовується техніка частотного мультіплексування (Frequency Division Multiplexing, FDM). 
У цифрових лініях зв'язку сигнали, що передаються, мають кінцеве число станів. Як правило, елементарний сигнал, тобто сигнал, що передається за один такт роботи передавальної апаратури, має 2 або 3 стани, які передаються у лініях зв'язку імпульсами прямокутної форми. За допомогою таких сигналів передаються як комп'ютерні дані, так оцифроване мовлення та зображення. Проміжна апаратура утворення високошвидкісних цифрових каналів (мультіплексори, демультіплексори, комутатори) працює за принципом часового мультіплексування каналів (Time Division Multiplexing, TDM), коли кожному низькошвидкісному каналові надається визначена доля часу (тайм-слот або квант) високошвидкісного каналу.  
 
2.2. Методи передачі даних на фізичному рівні. 
Однією з основних тенденцій розвитку мережних технологій є передача у одній мережі як дискретних, так і аналогових за своєю природою даних. Джерелами дискретних даних є комп'ютери та інші обчислювальні пристрої, а джерелами аналогових даних є такі пристрої, як телефони, відеокамери, звуко- та відеоапаратура.  
Дискретні способи модуляції засновані на дискретизації неперервних процесів як по амплітуді, так і у часі. 
Перетворення аналогових сигналів у цифрові і навпаки виконується за допомогою пристрою, який називається кодек (утвореного від слів кодер і декодер), основними елементами якого є аналого-цифровий і цифро-аналоговий перетворювачі. Процес перетворення аналогових сигналів у цифрові поєднує знімання значень аналогового сигналу, його квантування й кодування. У техніці засобів зв’язку перетворення аналогових сигналів у цифрові прийнято називати модуляцією сигналів. Існують різні методи модуляції, наприклад, імпульсно-кодова модуляція (рис. 2.2.1). В цьому випадку процес модуляції можна поділити на три етапи. Спочатку аналоговий сигнал подається у вигляді множини дискретних значень (відображень), кожне з яких називається сигналом у імпульсно-амплітудній модуляції.

 
Рис. 2.2.1. Перетворення аналогових сигналів у цифрові.

Далі кожному  сигналові залежно від вимагаємої точності перетворення привласнюється визначене числове значення у діапазоні від 1 до 128 або від 1 до 256. Цей процес називається квантуванням (оцифровуванням). Отримані числові значення переводяться у двійковий код. Для відображення значень у діапазоні від 1 до 128 треба 7 двійкових розрядів (2 в степіні 7=128), а у діапазоні від 1 до 256 – 8 двійкових розрядів (2 в степіні 8=256). 
Прийнята у промисловості частота відображень складає 8000 сигналів за секунду, що дозволяє точно відновити сигнал частотою 4 КГц. Як відомо, верхня частотна межа телефонної лінії складає 3,1 КГц. Таким чином, частота, яка застосовується для відображень, забезпечує зображення сигналів телефонних ліній без перекручувань. Однак для їх передачі у цифровому вигляді потребуються більш високошвидкісні канали, наприклад, за 7-бітового кодування швидкість передачі повинна бути 56 Кбіт/с (8000*7=56000), а за 8-бітового кодування – 64 Кбіт/с. 
Для високоякісного зображення акустичного сигналу необхідно 2048 кроків квантування або, відповідно 11 біт для кодування відображення, що потребує швидкості передачі 88 Кбіт/с. Тому бажано застосовувати спеціальні методи кодування, які зменшують кількість кроків квантування без зниження якості сигналу, що передається, таких як метод розширення сигналів і метод нелінійного кодування. 
Крім імпульсно-кодової модуляції у цифрових мережах застосовується ряд інших методів перетворення аналогових сигналів, які можна поділити на два класи: аналіз форми волни (що обгинає) і параметричне кодування. 
 
2.3. Методи передачі даних канального рівня.  
Канальний рівень забезпечує передачу пакетів даних, що надходять від протоколів верхніх рівнів, вузлу призначення, адресу якого також вказує протокол верхнього рівня. Протоколи канального рівня оформлюють передані їм пакети у кадри власного формату, розміщуючи вказану адресу призначення у одне з полів такого кадру, а також супроводжуючи кадр контрольною сумою. Протокол канального рівня має локальний зміст, він призначений для доставки кадрів даних, як правило, у межах мереж із простою конфігурацією зв'язків і однотипною або близькою технологією, наприклад, у односегментних мережах Ethernet, або ж у багатосегментних мережах Ethernet i Token Ring ієрархічної топології, розділених тільки мостами і комутаторами. У всіх цих конфігураціях адреса призначення має локальний зміст для даної мережі і не змінюється при проходженні кадру від вузла-джерела до вузла призначення. 
При передаванні кадрів даних на канальному рівні використовуються як дейтаграмні процедури, які працюють без встановлення з'єднання (connectionless), так і процедури із попереднім встановленням логічного з'єднання (connectionoriented).  
За дейтаграмної передачі кадр відправляється у мережу без "попередження", і ніякої відповідальності за його втрату протокол не несе. Передбачається, що мережа завжди готова прийняти кадр від кінцевого вузла. Дейтаграмний метод працює швидко, так як ніяких попередніх дій перед відправкою даних не виконується. Однак за такого методу важко організувати у рамках протоколу відслідкування факту доставки кадра вузлу призначення. Цей метод не гарантує доставку пакета. 
Передача із встановленням з'єднання надійніша, але потребує більше часу для передачі даних і обчислювальних витрат від кінцевих вузлів. В цьому випадку вузлу-отримувачеві відправляється службовий кадр спеціального формату із пропозицією встановити з'єднання. Якщо вузол-отримувач згоден з цим, то він надсилає у відповідь другий службовий кадр, що підтверджує встановлення з'єднання, і пропонує для цього логічного з'єднання деякі параметри. Вузол-ініціатор з'єднання може завершити процес встановлення з'єднання відправкою третього службового кадру, у якому повідомить, що запропоновані параметри йому підходять. На цьому логічне з'єднання вважається встановленим, і у його рамках можна передавати інформаційні кадри з користувацькими даними. Після передачі деякого закінченого набору даних, наприклад визначеного файлу, вузол ініціює розрив даного логічного з'єднання, надсидаючи відповідний службовий кадр. Логічне з'єднання забезпечує передачу даних як в одному напрямку - від ініціатора з'єднання, так і в обох напрямках.  
Канальний рівень повинен виявляти помилки передачі даних, пов'язані з викривленням біт у прийнятому кадрі даних або із втратою кадру, і по можливості їх корегувати. Більшість протоколів канального рівня виконує тільки першу задачу - виявлення помилок, вважаючи, що коригувати помилки, тобто повторно передавати дані, які містять викривлену інформацію, повинні протоколи верхніх рівнів. А взагалі протоколи розробляються під конкретну технологію і вирішення задачі виявлення помилок під час передачі даних та їх коригування розподіляється між протоколами різних рівнів.  
 
2.4. Методи комутації.  
Мережа передачі даних є основою глобальних і регіональних комп’ютерних мереж і являє собою сукупність каналів передачі даних і вузлів комутації. Історично склалося, що системи передачі даних перших комп’ютерних мереж, як і систем телеобробки, створювались на базі аналогових телефонних мереж. На сьогоднішній день для мереж даного типу розроблений достатньо великий об’єм програмного та апаратного забезпечення, є стандартні протоколи керування передачею даних, що визначає їх широке застосування у сучасних комп’ютерних мережах. Основним недоліком мереж даного типу є відносно низька швидкість передачі інформації. Для досягнення більш високих швидкостей передачі даних на великі відстані сьогодні знаходять застосування цифрові мережі передачі даних та супутникові системи зв’язку. 
Система передачі даних є складною системою, на яку покладається виконання достатньо великої кількості задач, пов’язаних з надійністю, перешкодозахищеністю передачі даних і довговічністю її роботи. Ці функції покладаються на спеціальну службу керування мережею передачі даних, яка здійснює контроль роботи та керування мережею. 
Всі мережі передачі даних підтримують деякий способ комутації своїх абонентів між собою. Цими абонентами можуть бути віддалені комп'ютери, локальні мережі, факс-апарати, або просто співрозмовники, які спілкуються за допомогою телефонних апаратів. Практично неможливо надати кожній парі взаємодіючих абонентів свою власну некомутуєму фізичну лінію зв'язку. Тому у будь-якій мережі завжди використовується деякий спосіб комутації. Абоненти з'єднуються з комутаторами індивідуальними лініями зв'язку, кожна з яких використовується у будь-який момент часу тільки одним, закріпленим за цією лінією абонентом. Між комутаторами лінії зв'язку поділяються декількома абонентами, тобто використовуються спільно. 
Однією з визначальних характеристик мережі передачі даних є спосіб комутації даних, залежно від якого відрізняють мережі передачі даних з комутацією каналів (circuit switching), комутацією повідомлень (message switching), комутацією пакетів (packet switching) і інтегровані мережі передачі даних. 
Найпростіший та природний спосіб передачі даних між двома абонентськими системами, названий комутацією каналів, базується на реалізації фізичного з’єднання між ними. За своєю сутністю мережі комутації каналів подібні телефонним мережам колективного користування, на базі яких вони, як правило, і реалізуються. Фізичне з’єднання між абонентами комп’ютерної мережі утворюється, як правило, тільки на час сеансу передачі інформації шляхом утворення об’єднаного каналу з послідовно з’єднаних каналів. При цьому зв’язок між відправником і отримувачем встановлюється шляхом надсилання відправником відповідного повідомлення, яке передається по мережі передачі даних від одного вузла комутації каналу до другого і керує комутацією каналів зв’язку, наче прокладаючи шлях від відправника до отримувача. Після утворення фізичного з’єднання з пункту призначенння відправнику передається відповідне повідомлення, яке підтверджує наявність необхідного з’єднання. Далі здійснюється передача інформації, для якої був створений канал передачі даних. На час сеансу обміну інформацією об’єднаний канал повністю стає недоступний для інших абонентів. Після завершення передачі відправник інформації видає відповідне керуюче повідомлення, яке передається по об’єднаному каналу, керуючи його роз’єднанням, а досягнувши адресату, інформує його про закінчення сеансу обміну інформацією. 
Загальний час сеансу складається з часу комутації, часу передачі і часу завершення сеансу зв’язку. Слід звернути увагу, що процес комутації може істотно впливати на час сеансу, наприклад, під час застосування низькошвидкісних вузлів комутації на основі релейних автоматичних телефонних станцій. Відносно тривалий час встановлення з’єднання (секунди) у поєднанні з низькою надійністю і високим рівнем шумів обмежує застосування телефонних каналів зв’язку у швидкодіючих комп’ютерних мережах. Використання сучасних електронних вузлів комутації каналів дозволяє приблизно на два порядки зменшити час комутації каналів і створити так звані комп’ютерні мережі із швидкою комутацією каналів. Крім того комутатори та канали, що їх з'єднують, повинні підтримувати яку-небудь техніку мультіплексування абонентських каналів. 
На сьогодні для мультіплексування абонентських каналів використовуються дві техніки: