12
В зависимости от основной области применения, волоконно-оптические
кабели разделяют на три вида:
- оптоволоконный кабель для внешней прокладки (Outdoor cables) для
создания внешней магистрали между двумя зданиями;
- оптоволоконный кабель внутренней прокладки (Indoor cables) для
организации передачи данных внутри здания;
- оптоволоконный кабель для шнуров для горизонтальной разводки.
Среди беспроводных технологий передачи данных можно выделить
персональные, сенсорные беспроводные каналы передачи данных и локальные
беспроводные сети. Также беспроводные технологии получили свое применение
для организации спутниковой сети.
Персональные беспроводные сети основаны на таких технологиях как
IRDA, Bluetooth и Wireless USB. Персональная беспроводная сеть, основанная на
поддержке протокола передачи данных IRDA, предусматривает использование
инфракрасного диапазона световых волн для передачи данных при прямом
подключении к приемнику.
Беспроводные сети Bluetooth получили распространение для передачи
данных на небольшое расстояние до 200 м. Особенностью этого вида передачи
данных является то, что диапазон частот свободен и не требует лицензирования.
Персональные беспроводные сети основаны на технологии Wireless USB
являются аналогом USB провода и применяются для организации обмена между
персональным компьютером и дополнительным оборудованием (принтерами
или камерами) [11].
Сенсорные беспроводные сети включают в свой состав различные
автономные датчики, которые могут быть представлены в виде температурных
датчиков, датчиков движения и других. Для организации беспроводных
сенсорных сетей свое распространение получил стандарт 802.15.4/ZigBee [1].
Основным назначением беспроводных локальных сетей является
ускорения процесса обмена данными внутри предприятия за счет поддержки
работы с мобильными приложениями и портативными персональными
компьютерами.
13
Характеристика различных видов беспроводных локальных сетей
приведена в таблице 1.2.
Таблица 1.2
Характеристика различных видов беспроводных локальных сетей
Виды беспроводной
сети
Описание
Infrastructure Mode
Беспроводная сеть, которая позволяет организовать обмен
через отдельную точку доступа. Для подключения
используется индикатор
Ad-hoc
Беспроводная локальная сеть без использования точки
доступа с организацией принципа «равный к равным»
Access Point Bridge
Беспроводная локальная сеть, где можно подключиться к
точке доступа или напрямую к коммутатору,
поддерживающему беспроводные технологии
Point to Point
Беспроводная сеть для соединения двух сегментов
проводных сетей
Среди беспроводных технологий свое распространение получил стандарт
4G, который относится к технологии LTE. Сети 4G относятся к сетям четвертого
поколения и позволили заменить устаревающий стандарт 3G. Среди
преимуществ организации сетей с поддержкой технологии 4G следует отметить
стабильность связи и возможность исключения установления проводных
соединений ADSL.
1.4 Топология сетей, виды архитектуры построения
В настоящее время компьютерные сети по топологии построения могут
быть представлены в виде шиной, звездообразной и кольцевой архитектуры.
Шинная архитектура сети предусматривает выделение общего кабеля или
магистрали, который подключается к рабочей станции. На концах кабеля
размещаются устройства, позволяющие поглощать энергию и тем самым
обеспечивать равномерную нагрузку на канал [25].
В данном случае сообщение, переданное одной рабочей станцией,
распространяется на другие. При этом каждая рабочая станция производит
проверку адресации сообщения и ее обработку.
14
С целью исключения дублирования сообщений применяется несущий
сигнал или выделяется компьютер с назначением большего приоритета, чем
других рабочих станций в сети.
Магистраль допускает идентичность сетевого оборудования, а также
равноправие всех рабочих станций, подключённых к ней. При таком соединении
рабочие станции могут передавать сообщения последовательно, поскольку
магистраль одна. В противном случае передаваемые пакеты могут искажаться и
накладываться друг на друга. Это позволяет реализовать в компьютерной сети
режим полудуплексного обмена, в основе которого находится передача в двух
направлениях, но в различные интервалы времени.
Схема шинной архитектуры компьютерной сети приведена на рис. 1.5.
Рис. 1.5. Схема шинной архитектуры компьютерной сети
Добавление новых рабочих станций производится без остановки процесса
обмена передачи данных. В большинстве случаев использование шинной
структуры позволяет выполнить экономию канала передачи данных при
проектировании сети.
Шинная архитектура сети имеет следующие преимущества:
- экономия кабеля при проектировании сети;
- простота настройки;
- отказ работы одной рабочей станции не оказывает влияния на общий
обмен в сети.
Недостатками шинной архитектуры сети являются возможные обрывы
кабеля, сложность выявления неисправностей и масштабирование сети. Отказ
работы сетевого оборудования при шинной архитектуре сети достаточно сложно
определить, потому что сетевые адаптеры подключены параллельно.
В настоящее время наиболее распространенной является звездообразная
топология компьютерной сети, основой которой является выделение
центрального узла и подключение к нему рабочих станций.
15
Звездообразная архитектура сети достаточно устойчива к отказам рабочих
станций. Однако отказ центрального устройства приводит к
неработоспособности компьютерной сети [12].
Схема звездообразной архитектуры компьютерной сети приведена на рис.
1.6.
Рис. 1.6. Схема звездообразной архитектуры компьютерной сети
В сравнении с шинной архитектурой сети при звездообразной
используется две линии, одна из которых подключается к центральному узлу, а
другая к рабочей станции. Во многих случаях для передачи данных применяют
две линии связи, каждая из которых производит передачу данных только в
одном направлении.
Следовательно, на каждом канале предусмотрен один приемник и один
передатчик. Это снижает нагрузку на сетевое оборудование, в сравнении с
шиной структурой сети. При звездообразной архитектуре сети проблемы
затухания сигналов возникают реже, чем при шинной архитектуре, поскольку
каждый приемник всегда получает сигнал одного уровня.
Недостатком звездообразной архитектуры сети являются ограничения в
количестве подключаемых рабочих станций к центральному узлу. По правилам
проектирования к центральному устройству может быть подключено не более 16
станций.
В кольцевой архитектуре сети ни один из компьютеров не может
выполнять функции контроля компьютерной сети. На каждой линии установлен
только один приемник и передатчик, что исключает необходимость
использования терминаторов.
16
Отличительной характеристикой кольцевой архитектуры сети является то,
что каждый персональный компьютер в данном случае может выполнять
функции, как приемника, так и передатчика и работать в режиме репитера.
Наибольшие функции в кольце выполняет специальный компьютер,
отвечающий за контроль и обмен передачи данных. Создание управляющего
абонента снижает надежность сети, поскольку выход его из строя может
нарушить всю работу сети [20].
Можно сказать, что рабочие станции в кольцевой архитектуре в сети не
полностью равноправны в сравнении с шинной структурой. Одна из них
осуществляет прием данных от компьютера, выполняющего передачу. Именно
эта особенность приводит к последовательному обмену информацией между
рабочими станциями. Подключение новых станций в сеть предусматривает
остановку работу всей компьютерной сети.
Схема кольцевой архитектуры компьютерной сети приведена на рис. 1.7.
Рис. 1.7. Схема кольцевой архитектуры компьютерной сети
Как и в шинной структуре, количество абонентов в кольцевой архитектуре
сети не ограничено. Кроме этого данный вид структуры достаточно устойчивый
к перегрузкам, что позволяет передавать данные в большом объёме. Поскольку
сигнал кольцевой в структуре проходит через все рабочие станции, то выход из
строя хотя бы одной нарушает всю работу сети.
Среди достоинств кольцевой архитектуры сети следует отметить то, что в
данном случае возможна ретрансляция сигнала в каждом из абонентов, что
позволяет масштабировать сеть.
Среди недостатков кольцевой структуры сети следует отметить
необходимость подключения к каждому компьютеру двух каналов передачи
данных.
17
1.5 Соединения, протоколы сжатия и протоколы уровня 2
На втором уровне модели OSI или канальном уровне поддерживается
работа с асинхронными, синхронными, символьно-ориентированными, бит-
ориентированными, дейтаграммными протоколами, протоколами обнаружения
искаженных данных или потерянных данных.
В настоящее время вместо асинхронных протоколов, основанных на
наборах символов, применяются синхронные протоколы. В данном случае обмен
данными производится кадрами, каждый из которых имеет свой заголовок,
«концевик» и поле данных. Все биты кадра передаются в синхронном режиме,
что положительно влияет на производительность передачи данных.
Поскольку байты в этих протоколах не отделены друг от друга
служебными сигналами, то первой из задач приёмника является установление
границ для байта. После этого приёмник должен найти начало и окончание
кадра, установить границы для каждого поля и для каждого поля задать адрес
назначения, источника и другую служебную информацию. Большая часть
синхронно-символьных протоколов основана на вставку в кадре поля, имеющего
переменную длину. В некоторых случаях заголовок так же может иметь
переменную длину. Как правило, протокол устанавливает максимальное
значение, которое может иметь поле данных, получившее название
максимальной единицы передачи данных [8].
Синхронные протоколы второго уровня модели OSI могут быть бит-
ориентированными и символьно-ориентированными. Каждый из этих
протоколов применяет аналогичные методы синхронизации.
Символьно-ориентированные протоколы применяют для передачи блоки
символов (например, текстовых). Поскольку при синхронной передаче не
применяются стартовые и стоповые биты, то для синхронизации символов
используется другой метод. Синхронизация производится таким образом, чтобы
передатчик мог добавить два или несколько управляющих символов,
получивших название символов SYN перед каждым блоком символов. Символы
SYN позволяют обеспечить побитную синхронизацию, в результате которой
приемник распознаёт границы этих символов.
18
После того как приемник отделил один символ от другого задаётся
граница начала кадра с использованием специального символа. Как правило, в
символьных протоколах используется символ STX (Start of Text). Другой символ
позволяет отметить окончание кадра ETX. Такой способ определения начала и
окончания кадра можно применять в том случае, если внутри кадра не
применяются символы STX и ETX. При подключении к персональному
компьютеру алфавитно-цифрового терминала такие проблемы возникают.
Поскольку синхронные протоколы в наибольшей степени применяют для связи
двух рабочих станций, то внутри кадра данные могут быть представлены в
любом виде [23].
Для повторной передачи данных применяют [29]:
- протокол с ожиданием и остановкой SWP (Stop and Wait Protocol), в
основе которого находится алгоритм «РОС-ОЖ»;
- протокол повторной передачи с возращение кадров назад GBN (Go Back
N);
- протокол повторной передачи с селективным повторением SRP (Selective
Repeat Protocol).
Схема организации протокола с ожиданием и остановкой SWP (Stop and
Wait Protocol) приведена на рис. 1.8.
Рис. 1.8. Схема организации протокола с ожиданием и остановкой SWP (Stop and
Wait Protocol)
19
Для необходимости повторной передачи отправителем производится
нумерация отправленных кадров и для каждого кадра устанавливается так
называемая положительная квитанция или служебный кадр, извещающий о том,
что исходный кадр был корректным и получен получателем. Время этого
ожидания ограничивается, поскольку при отправке запускается таймер и по его
истечению служебная информация отравляется получателю [15].
Существуют два подхода к организации обмена служебными
сообщениями: с простоем и с организацией окна. Метод простоев
предусматривает, чтобы отправитель ожидал получение отрицательной или
положительной квитанции от приёмника и только после этого отправляется
следующий кадр. Если квитанция не приходит в течение определенного
времени, кадр считается утерянным и производится его повторная передача, что
видно из рис. 1.9.
Рис. 1.9. Схема реализации метода простоев
Второй метод получил название метода «скользящего окна». В этом
методе для повышения коэффициента использования линии источник может
передать определённое количество кадров в непрерывном режиме и с высокой
скоростью.
20
Наиболее распространенными протоколами передачи файлов на
канальном уровне модели OSI выступают протоколы XMODEM, XMODEM-
CRC, XMODEM-LK, YMODEM, YMODEM-G, ZMODEM, Kermit.
Протокол передачи файлов между персональными компьютерами
XMODEM получил свое применение в справочных службах для связи
персональных компьютеров и модемов.
Последовательность действий, выполняемых при передаче файлов с
помощью протокола XMODEM, приведена на рис.1.10.
Рис. 1.10. Последовательность действий, выполняемых при передаче файлов с
помощью протокола XMODEM
В этом случае передающий персональный компьютер осуществляет
передачу только после приёма от принимающего персонального компьютера.
Принимающий персональный компьютер передает знак, пока не начнется
передача файла. Если передано 9 знаков «nak», а передача не началась, то
процесс осуществляется вручную [16].
Для исключения повторной передачи одного и того же блока из-за потери
сообщения в протоколе предусмотрена двукратная передача номера. В данном
случае принимающим компьютером ведётся контроль не повторяемости
принятого блока. Если блок передан повторно, то он сбрасывается.
21
После успешной передачи данных передающий персональный компьютер
посылает знак «eot», указывающий об окончании передачи файла.
Преимуществами данного протокола являются его доступность, простота
реализации и возможность передачи не только символьных кодов ASCII, но
исполняемых файлов COM и EXE. Однако он имеет низкое быстродействие,
высокую вероятность не обнаружения ошибок.
Протокол XMODEM-CRC предусматривает передачу двух поверочных
знаков, образующих поверочную комбинацию CRC-16, вместо одного знака
арифметической контрольной суммы. Проверка CRC-16 позволяет обнаружить
одиночные, двойные, нечётные ошибки всех пакетов, имеющих длину 16 знаков.
Протокол XMODEM-LK является модификацией протокола XMODEM-
CRC и работает с блоками длиной 1024 байта. При такой длине блоков
снижаются задержки в системах с разделением времени.
Протокол YMODEM применяется для групповой передачи данных, а
протокол YMODEM-G основан на передаче данных с очень высокой скоростью
и исключает вероятность ошибок. Наиболее часто протокол YMODEM-G
применяется в высокоскоростных модемах.
Протокол ZMODEM в настоящее время получил широкое
распространение и является развитием протоколов XMODEM-CRC, XMODEM-
LK, YMODEM, YMODEM-G.
Протокол ZMODEM производит динамическую адаптацию качества
каналов связи посредством изменения в широких пределах размера блока и
обеспечивает защиту управляющей информации, поскольку создает
возможность возобновления прерванной передачи с того места, на котором
наблюдается прерывание.
К основным протоколам сжатия относятся протоколы:
- V.42 bits с коэффициентом сжатия 4:1. В его основе находится принцип
Лемпела-Зива-Уэлча или LZW-алгоритм;
- V.44 с коэффициентом сжатия 6:1 для работы с гипертекстом и в его
основе находится механизм Лемпеля-Зива.