8. Сетевые технологии (Лекции по дисциплине "Управляющие ЭВМ и комплексы")

8. Сетевые технологииОдна из современных концепций построения систем управления - обеспечение оперативного доступа кдостоверной и точной информации из любой точки управления. Решение возникающих при этом задач базируется на сетевых технологиях, позволяющих интегрировать как компьютеры и программируемые контроллеры(ПРК), так и другие компоненты: датчики (ДЧ), исполнительные механизмы (ИМ), регуляторы и т.п.На верхних уровнях системы их взаимодействие реализуется на основе локальных вычислительных сетей.На уровне устройств, физически связанных с объектами управления (ОУ), сети имеют ряд отличительныхпризнаков и их называют локальными промышленными сетями.Сетевая технология - согласованный набор стандартных протоколов и реализующих их программноаппаратных средств, достаточный для построения сети. Сетевые технологии базируются на общих принципахпередачи данных.Сети характеризуются: топологией; физической средой передачи данных (СПД); методом доступа кСПД; программным обеспечением (ПО).Топология сети - способ объединения различных сетевых устройств.

Ее можно описать конфигурациейграфа, вершинам которого соответствуют источники и приемники данных (например, компьютеры), называемыеузлами, а ребрам – физические связи между ними (рис.1).Общая шинаЗвездаКольцеваяСмешаннаяРис. 1. Виды топологий сетейПрактически же топология – это конфигурация физических соединений компонентов сети, которая определяется электрическими соединениями узлов между собой и может отличаться от конфигурации логических связей между узлами сети, представляющих собой маршруты передачи данных в сети.Физическая среда передачи данных (СПД) - это совокупность сред и средств, с помощью которых осуществляется пересылка данных: каналы на основе коаксиального кабеля, витой пары, волоконной оптики, радиои инфракрасного каналов, а также телефонные и телеграфные линии.Метод доступа к физической СПД – это метод взаимодействия узла сети с СПД для обмена информацией с другими узлами.

Чаще всего СПД является общей для всех узлов, поэтому каждый узел должен руководствоваться некоторой процедурой, обеспечивающей упорядоченную, корректную передачу данных.Программное обеспечение (ПО) сети - на его основе реализуется взаимодействие между узлами илимежду локальными подсистемами путем передачи друг другу данных. Это решается с помощью специальныхуправляющих программ и правил - протоколов, стандартизующих обмен данными в сети.Основные топологии физических связей в сетиОбщая шина«Шина» (bus) - очень распространенная топология (рис.1,2,3), здесь СПД - это обычно один коаксиальный кабель (КК), к которому присоединены все узлы.

Каждое сообщениераспространяется по всей длине СПД и, следовательно, поступает ко всем узлам; данные, передаваемые любым узлом, одновременно становятся доступными для всех других узлов (широковещательность). Т.к. данные следуют в обоих направлениях одновременно, то для гашения отраженногосигнала на концах кабеля необходимо размещать так называемые терминаторы (заглушки для гашения сигнала).Преимущества: Применение общей шины унифицирует подключение различных модулей, обеспечиваетпростоту расширения сети (масштабирование) - все узлы подсоединяются напрямую к общей СПД.Недостатки: а) по шине может передаваться в определенные момент времени только 1 кадр;б) низкая надежность (при повреждении кабеля хотя бы в одном месте или какого-нибудь из многочисленных разъемов происходит разрыв единственного физического канала, парализуется вся сеть);в) невысокая производительность, т.к.

в каждый момент времени только один узел может передаватьданные в сеть.Звезда«Звезда» (star). Каждый узел подключается отдельным кабелем к общему устройству (рис.1,2) - концентратору (hub).Тип соединения: “точка-точка”. Прямые соединения между двумя терминальнымиузлами отсутствуют, информация передается через концентратор. Выход из строя терминального узла или одного канала связи отключает только один узел и не влияет на работоспособность остальной сети.1Однако концентратор должен отличаться повышенной надежностью, т.к. выход его из строя останавливает всю сеть.

Кроме того, наращивание числа узлов в сети ограничивается числом портов концентратора.Важно, что концентратор может играть роль интеллектуального фильтра информации, поступающей отузлов, и при необходимости блокировать запрещенные передачи.«Кольцо» (ring). Сеть образует неразрывное кольцо (Token Ring), поэтому отпадаетнеобходимость в использовании терминаторов. Тип соединения: “точка-точка”. Кольцеваяконфигурация удобна для организации обратной связи и контроля процесса доставки данКольцоных адресату (рис.

1,3). Данные, сделав полный оборот, возвращаются к узлу-источ-нику,который удалит их из кольца. Это свойство используется для тестирования связности сети ипоиска узла, работающего некорректно.Приемный узел выступает в роли повторителя, регенерируя полученную информацию. К передатчикам и приемникам здесь предъявляются более низкие требования, чем в широковещательныхконфигурациях, где передаваемые данные получают все узлы сети. На различных участках сети могут быть разные виды физической СПД.Недостаток - отказ в работе хотя бы одного узла (сегмента) приводит к нарушению работы всего кольца.Необходимо обеспечивать «безразрывность» сети.

Т.к. данные проходят через каждый узел, это затрудняет реализацию принципа ограничения доступа к информации (возможен перехват информации).Иногда сеть с топологией кольцо выполняется на основе двух параллельных кольцевых линий, передающих информацию в противоположных направлениях. Это позволяет увеличить скорость передачи информациипо сети. К тому же при повреждении одного из кабелей сеть может работать с другим кабелем.Физическая и логическая структура сетиФизическая структура сети не всегда решает проблему перераспределения потоков данных между различными сегментами сети. Поэтому иногда применяют логическую структуризацию сети - используют специальные методы и оборудование.Концентратор Ethernet (топология «общая шина») повторяет входные сигналы на всех своих портах, кроме того, с которого сигналы поступают (рис.

2,а). А концентратор Token Ring (топология «кольцо») повторяетвходные сигналы, поступающие с некоторого порта, только на одном порту – на том, к которому подключен следующий в кольце узел (рис. 2, б).Физическая топология – звездаКонцентраторКОМПКОМПКОМПКОМПКОМППортыКОМПКОМПКОМПсерверКОМПКОМПКОМПРис. 2. Концентраторы:а) Ethernet;б) Token Ring;КОМП - компьютерФизическое кольцо.АВЛогическое кольцо;Логическая топология – кольцоФизическая общая шинаб)Eб)Логическое кольцо;Са)DКонцентраторыа)Логическая топология – общая шинаАВСDEFFРис. 3. Логическая и физическая топологии: а – совпадают; б – не совпадаютНа рис. 3,а физическая и логическая топологии совпадают. Узлы получают доступ к кабелям кольца засчет передачи друг другу специального кадра – маркера, который передается последовательно от узла к узлу втом же порядке, в котором узлы образуют физическое кольцо, т.е.

узел А передает маркер узлу В, узел В – узлу Си т.д.На рис.3,б физическая и логическая топологии не совпадают. Физически узлы соединены по топологииобщая шина. Доступ же к шине происходит не по алгоритму случайного доступа, применяемому в Ethernet, а2путем передачи маркера в кольцевом порядке: от узла А - узлу В, от узла В – узлу С и т.д. Порядок передачи маркера уже не повторяет физические связи, а определяется логическим конфигурированием драйверов сетевогоадаптера (СА). Можно настроить СА так, чтобы узлы образовали кольцо в другом порядке: от В к А и т.д..

Приэтом физическая структура сети никак не изменится.В табл. 1 приведены сравнительные характеристики основных типов топологий.Табл. 1.Сравнительные характеристики основных топологийХарактеристикаРежим доступаНадежностьРасширяемостьЗвездаДоступ и управление черезцентральный узелКольцоДецентрализованное управление.Доступ от узла к узлуШинаЦентрализованный идецентрализованный доступСбой центрального узла – сбойвсей сетиОграничено число физическихпортов на центральном узлеРазрыв линии связи - сбойвсей сетиВозможно расширениечисла узловОшибка одного узла неприводит к сбою всей сетиВозможно расширениечисла узловФизические среды (линии связи) передачи данных (рис. 4, табл.

2)Физические среды передачи данныхБеспроводныеПроводные«Воздушные»КабельныеРадиоканалыПри длине < 50 мскорость 19,2 Кбит/сНаземныеВитая параСкин-эффект. При l<100 мскорость 1 Мбит/сЭкранированная(изолированная)9 типов(стандарт IBM)Коаксиальный кабель.Полоса пропускания350 МГц.Скорость 10 - 20 Мбит/сНеэкранированная5 категорий.Все – 4х-парноеисполнениеТолстый 12,5 ммИнфракрасные каналыСпутниковыеВолоконно-оптическийкабель. Полосапропускания - гигагерцыТонкий 6,25 ммОдномодовый от 5 до 15 мкмМногомодовый 62,5 / 125 мкмРис. 4. Физические среды передачи данных (СПД)Табл.2.Основные характеристики некоторых сред передачи данныхТип среды передачи данныхСкорость передачи, Мбит/сДлина сетевого сегмента, мВитая парадо 100100Тонкий коаксиальный кабельдо 10185Толстый коаксиальный кабельОптоволокнодо 100100 и выше5002-5 кмФизическая передача данных в сетях (рис.5)В зависимости от типа аппаратуры и способа представления информации электрическими сигналами каналы связи делятся на аналоговые и цифровые.Типы физического кодированияНа основе синусоидального несущего сигнала.Аналоговая модуляция: В компьютерах не используютсяамплитудная, частотная, фазоваяНа основе последовательности прямоугольных импульсов(цифровое кодирование); Используется и в компьютерахПотенциальныеПрименяют кодыИмпульсныеРис.

5. Типы физического кодирования3В аналоговых аппаратура предназначена для усиления аналоговых сигналов, имеющих непрерывный диапазон значений.В цифровых каналах сигналы имеют конечное число состояний. Элементарный сигнал, передаваемый за одинтакт работы передатчика, имеет 2 или 3 состояния, которые передаются в линию прямоугольными импульсами.В цифровых каналах для передачи данных применяют самосинхронизирующиеся коды, а для передачи аналоговых сигналов – кодово-импульсную модуляцию.Способы физического кодирования данных (в компьютере и в сети)Представление данных в виде электрических или оптических сигналов называют кодированием.

Существуют различные способы кодирования двоичных цифр 1 и 0, например:Потенциальный - единице соответствует один уровень напряжения, а нулю – другой;Импульсный – цифры представляются импульсами различной или одной полярности.При организации связи между компьютерами могут использоваться аналогичные подходы для кодирования данных, однако эти линии связи отличаются по своим электрическим характеристикам от тех, которые существуют внутри компьютера.Проблемы, которые необходимо решать при передаче сигналов1.