Размещено на http://www.allbest.ru/

Оборудование для информационных систем

1. Аппаратные средства информационных систем

Управление, обработка и анализ информации в информационных системах (ИС) производится с помощью компьютера. Компьютер для информационных систем состоит из:

* системного блока;

* терминала (клавиатуры и дисплея, иногда двух дисплеев);

* мыши и (или) графического планшета.

Дигитайзер	Аналитический плоттер	Сканер	Измерительные приборы
Магистраль компьютера, порты ввода вывода
	Вычислительное устройство Дисплей Клавиатура Мышь
Магистраль компьютера, порты ввода вывода
Жесткий диск	Сетевой адаптер	Принтер	Плоттер

ИС работает с различными категориями компьютеров. Начиная от персонального компьютера (PC), графической рабочей станции и миникомпьютера. Заканчивая при больших объемах данных спецпроцессором банка данных - крупной вычислительной единицей (Mainframe). В редких случаях пространственного моделирования может использоваться и суперкомпьютер.

В настоящее время практически любой компьютер является частью вычислительного комплекса и входит в локальную (LAN) и глобальные сети (Internet). Благодаря сети информационные потоки могут разделяться и обрабатываться на специализированных программно-аппаратных комплексах - серверах.



Рисунок 1.1 Суперкомпьютер. Nec Earth Simulator Center производительность 40 TFlops

Таблица 1-1 Категории компьютеров (условные)

Тип компьютера	Цена т. $	Gflops	Число CPU
Суперкомпьютер	>1000	>100g (~40 000)	>1024c
Большой компьютер (MainFrame)	100-1000	10g-100g (50)	4c-256c
Миникомпьютер	20-100	3g -10g (10)	c-16c
Рабочая станция	2-20	g-4g (6)	c-4c
Персональный компьютер	<2	<g (3)	<=c (1)

Как вычислительное устройство чаще всего выступает персональный компьютер или рабочая станция.

Определение 1.1. Персональным компьютером называется компьютер, рассчитанный на работу с одним пользователем.

Определение 1.2. Рабочая станция - это компьютер, рассчитанный на многозадачный многопользовательский режим работы, функционирует обычно под системами типа UNIX или NT семейства и, как правило, базируется на самых мощных процессорах для ПК или на 64-разрядных процессорах RISС - семейства.

Графическая рабочая станция имеет 64-битовое CPU и 64, 128, 256 битовую шину данных, графический дисплей высокого разрешения (FullHD) с 2 млн. пикселей и диагональю экрана 21 дюйм, а также запоминающее устройство объемом, по крайней мере, 1 ТБайта.

Определение 1.3. Суперкомпьютер - мощный компьютер с близкой к предельно-возможной на текущем технологическом уровне производительностью. Суперкомпьютер представляет собой многопроцессорный и/или многомашинный комплекс, работающий на общую память и общее поле внешних устройств.

1.1 Архитектура персональных компьютеров

Персональные компьютеры кроме процессора содержат еще материнскую плату, устройство хранения информации, устройства ввода и отображения информации, устройства создания твердых копий и устройства сетевого взаимодействия.

Рисунок 1.2 Архитектура материнской платы на микросхемах Intel 875

Особенности архитектуры материнской платы для IA-32 это использование 2 микросхем (северный и южный мост). Северный связывает процессор, память с поддержкой нескольких каналов (для i875), видеокарту, сетевую карту.

Южный связывает контролеры жестких дисков (с параллельным и последовательным интерфейсом) контролеры портов USB, контролер поддержки PCI и звуковой контроллер (интегрированный или внешний).

В персональном компьютере в настоящее время используют следующие внутренние и внешние компьютерные шины:

1. PCI- (Peripheral Component Interconnect - соединение внешних компонент);

2. PCI-X новый стандарт PCI (4,3 ГБ/с);

3. AGP- (Advanced Graphics Port ) 2 ГБ/с (с новыми микросхемами не выпускают - 2004 г.);

4. IEE1394 (Fire Ware) - поток до 400 Мбит/с;

5. USB - Universal Serial Bus до 127 устройств 12 мегабит/секунду общий поток и 480 Мбит/с (60МБ/с) для версии 2.0;

6. SATA - Serial ATA (Serialized Advanced Technology Attachment) (150MB/c) последовательный интерфейс доступа к внешним накопительным устройствам. Является заменой более раннего Parallel ATA (PATA) интерфейса.

1.2 Процессор

Определение 1.4. Процессор, центральное устройство ЭВМ, выполняющее заданные программой преобразования информации и осуществляющее управление всем вычислительным процессом и взаимодействием устройств вычислительной машины.

Процессор характеризуется следующими основными характеристиками:

1. Производительностью (МIPS), GFLOPS, специальные тесты SPEC CPU2000 (SPECint2000, SPECfp2000);

2. Разрядностью (количеством бит отводимых на каждый операционный регистр) (8, 16, 32, 64, 128 и т.п. бит);

3. Тактовой частотой (1-999МГц, 1-10 ГГц и т.п.);

4. Типом набора инструкций (RISC, CISC, MISC).

Определение 1.5. RISC архитектура это Reduced Instruction Set Computer - компьютер с сокращенным набором инструкций, CISC архитектура это Complex Instruction Set Computer - компьютер с комплектным набором инструкций.

Известным процессором семейства RISC является, например процессор SPARC (Scalable Processor ARChitecture - масштабируемая процессорная архитектура) фирмы Sun.

Рисунок 1.3 Рейтинги производительности некоторых процессоров (2003 г.)

Таблица 1.2 Характеристики процессоров применяемых в персональных компьютерах и рабочих станциях фирм AMD, Intel (2003 г.)

	Athlon 64	Athlon 64 FX	Opteron 100 series	Opteron 200 series	Pentium 4	Pentium 4 EE	Xeon DP	Xeon MP
сокет	Socket754	Socket940	Socket 940	Socket 940	Socket 478	Socket 478	Socket604	Socket603
Частота ядра, ГГц*	2,0	2,2	2,0	2,0	3,2	3,2	3,2	2,8
пропускная способность шины, ГБ/с	6,4	6,4	6,4	6,4	6,4	6,4	4,2	3,2
объем кэша L1	128 КБ	128 КБ	128 КБ	128 КБ	8 КБ + 12KmOPs	8 КБ + 12KmOPs	8 КБ +12K mOPs	8 КБ +12K mOPs
объем кэша L2	1 МБ	1 МБ	1 МБ	1 МБ	512 КБ	512 КБ	512 КБ	512 КБ
объем кэша L3	-	-	-	-	-	2 МБ	0-1 МБ	1-2 МБ
поддержка SMP	-	-	-	+ (2)	-	-	+ (2)	+ (4)
каналов контроллера DDR**	1	2	2	2	2	2	2	4
память**	DDR400	DDR400	DDR333	DDR333	DDR400	DDR400	DDR266	DDR200

Определение 1.6. MIPS расшифровывается как Millions of Instrucions per Second (миллионов команд в секунду) и характеризует производительность целочисленного блока вычислительного устройства. GFLOPS - Giga FLoating Operation Per Second (миллиардов операций с плавающей точкой в секунду) - характеризует производительность блока вещественных чисел процессора.

Кроме перечисленных выше характеристик: производительности, частоты, разрядности, набора инструкций процессоры также характеризуются:

* числом и объемами кэш памяти (до трех уровней кэш Level 1 - L1, Level 2 - L2 и т.п.);

* пропускной способностью шины (Гб/С);

* числом процессоров на кристалле (1, 2, 4 и т.п.);

* типом разъема (Socket 754, Socket 940, Socket 478, Socket 604, Socket 603 и т.п.);

* аппаратной поддержкой некоторых технологий (SMP, Hyper-Threading и т.п.).

1.3 Архитектуры IA-32 и IA-64

Особенностью реализации современных CISC архитектур, таких как IA-32 (Intel Architecture 32 bit), позволившим им вырваться вперед и даже обогнать RISC архитектуры является аппаратная трансляция внутри процессора исходных комплексных инструкций в микрокоманды - RICS подобные инструкции. После трансляции все микрокоманды попадают в кэш микрокоманд, где далее анализируются на предмет независимости и возможности одновременного выполнения. Если есть независимые инструкции, то они выполняются одновременно. Такое распараллеливание позволяет в среднем поднять производительность в два раза и сократить простои процессора (см. рисунок 1.6.).



Рисунок 1.6 Внутренне устройство процессора архитектуры IA-32

Основным препятствием на пути распараллеливания и одновременного выполнения нескольких инструкций являются условные переходы. Если есть условный переход, то до вычисления условия мы не можем сказать по какому направлению будет двигаться выполнение программы, т.е. какие инструкции можно одновременно выполнять, а следовательно не можем их предварительно загрузить в кэш команд. Нам нужно будет подождать вычисление условия при этом блоки процессора, которые могли бы выполнять параллельно другие команды, будут простаивать.

Решением, реализованным в процессорах архитектур CISC, стал алгоритм предсказания переходов. Код предварительно анализируется и по некоторым характеристикам предполагается наиболее вероятное его продолжение. И это продолжение загружается в кэш и выполняется еще до вычисления условия перехода. После вычисления условия в случае правильного предсказания результаты работы выполненного после условия кода принимаются и выполнение продолжается. В случае не правильного предсказания перехода все выполненные результаты отбрасываются, конвейер команд очищается и загружается новым кодом. Это приводит к большим задержкам, но в среднем все равно процесс ускоряется, так как вероятность правильного предсказания переходов в процессорах достигает 90% .

Рисунок 1.7 Технология Hyper-Treading

Еще одним ограничением для одновременного выполнения нескольких команд является не связанное использование одних и тех же регистров. Для решения этой проблемы используют алгоритм переименования регистров, т.е. одному и тому же логическому регистру ставят в соответствие несколько физических, каждому независимому участку кода выделяют свой физический регистр.

Желание загрузить простаивающие блоки процессора привело к появлению технологии аппаратной поддержки параллельных процессов - Hyper-Threading. В рамках этой технологии на одном и том же процессоре выполняются одновременно два процесса, по мере возможности используя не занятые блоки. Это конечно не так эффективно как использование двух параллельных процессоров (что очень дорого). Но на разнородных одновременно выполняющихся задачах удается достичь выигрыша 20-30%.

Дальнейшее развитие CISC архитектуры привело к архитектуре IA-64.

Итак, основные особенности современных процессоров CISC архитектуры IA-32 это

1. Использование сложных инструкций переменной длины;

2. Преобразование инструкций в микрооперации;

3. Переупорядочивание и оптимизация микроопераций во время выполнения;

4. Переименование регистров;

5. Попытки предсказания переходов;

6. Загрузка данных из памяти по мере необходимости, в первую очередь проверяя кэш;

7. Использование простаивающих блоков процессора для выполнения параллельных потоков (псевдомультипроцессорность Hyper-Threading для P4).

Архитектура IA-64, ключевые моменты:

1. Использование простых инструкций, сгруппированных по три, одинаковой длины;

2. Переупорядочивание и оптимизация во время компиляции;

3. Использование нескольких последовательностей команд одновременно без предсказания переходов;

4. Загрузка данных до того как они потребуются, кэш проверяется вначале.



Рисунок 1.8 Отличия архитектур IA-32 от IA-64

1.4 Классификация Флинна

Эта классификация вычислительных архитектур базируется на понятии потока, под которым понимается последовательность элементов, команд или данных, обрабатываемая процессором.

На основе числа потоков команд и потоков данных Флинн выделяет четыре класса архитектур: SISD,MISD,SIMD,MIMD.

SISD (single instruction stream / single data stream) - одиночный поток команд и одиночный поток данных. К этому классу относятся, прежде всего, классические последовательные машины.

SIMD (single instruction stream / multiple data stream) - одиночный поток команд и множественный поток данных. В архитектурах подобного рода сохраняется один поток команд, включающий, в отличие от предыдущего класса, векторные команды. Это позволяет выполнять одну арифметическую операцию сразу над многими данными - элементами вектора.

MISD (multiple instruction stream / single data stream) - множественный поток команд и одиночный поток данных. Определение подразумевает наличие в архитектуре многих процессоров, обрабатывающих один и тот же поток данных

MIMD (multiple instruction stream / multiple data stream) - множественный поток команд и множественный поток данных. Этот класс предполагает, что в вычислительной системе есть несколько устройств обработки команд, объединенных в единый комплекс и работающих каждое со своим потоком команд и данных.

1.5 Специализированные процессоры

Чтобы эффективно обработать появляющиеся при работе с цифровыми изображениями большие объемы информации, иногда возникает необходимость в дополнении вычислительной системы специализированными модулями обработки, содержащими собственные процессоры, они классифицируются следующим образом:

? Фиксированные, "зашитые" компьютеры (Fixed Wired Hardware), с арифметическими операциями сложения, вычитания, умножения, деления и логическими операциями типа AND, OR, XOR. Содержатся во многих устройствах.

? Сигнальные процессоры (Signal Processor) предназначены для обработки сигналов и работают в 5 - 10 раз быстрее, чем обычные процессоры. Пример звуковые процессоры в звуковых платах.

? Процессоры потока данных (Data Flow Processors) комбинируют различные процессоры, чтобы решить жестко поставленную задачу. Они программируются на специальном функциональном языке, а затем трансформируются в граф потока данных.

? Новым направлением является использование сетей микрокомпьютеров, которые находятся в одном устройстве. Такой микрокомпьютер на одном кристалле называют - транспьютер (Transputer). Сети транспьютеров строятся не на классической архитектуре Фон Неймана, а на архитектурах нейронных сетей, с существенно большей производительностью, в которой могут параллельно работать тысячи вычислительных устройств.

? VLSI (Very Large Scale Integration - интеграция очень большого масштаба) - очень производительные, но дорогие интегрированные процессоры. Они применяются для построения вычислительных комплексов с большим количеством процессоров вплоть до суперЭВМ.

2. Устройства хранения информации

Обычно третичные устройства записи подключаются к компьютеру по интерфейсу SATA(150Мб/с) и PATA(11/33/66/100/133 Мб/с). Иногда для связи с внешними накопителями применяют IEEE1394 FireWare (400/800 Мб/с).

2.1 Жесткие диски

Для защиты от сбоев в современных серверных системах для хранения используют дисковые носители, организованные в группы. Эти группы называют RAID (redundant array of independent disks) массивами.

Избыточный массив независимых дисков позволяет организовывать хранение данных в различных моделях. Обычно используют RAID уровней 0,1, 3, 5.

Таблица 2-1 Уровни RAID

Уровень RAID	Надежность	Объем	Производительность	Стоимость
0	нет	100 %	высокая	средняя
1	зеркальные копии	50 %	средняя/высокая	высокая
2/3	контроль четности	80 %	средняя	средняя
4/5/6/7	контроль четности	80 %	средняя	средняя
10	зеркальные копии	50 %	высокая	высокая

Рассмотрим наиболее применяемые схемы.



Рисунок 2.1. RAID 0 (Stripping) ненадежный быстрый вариант, последовательная запись

Определение 2.1. RAID 0 - организация дисков для последовательной “поцилиндровой” записи (цилиндр одного, затем другого и т.д.). Увеличивает производительность за счет возможности одновременной записи и чтения со всех дисков в количество раз равное количеству дисков, но в это же количество снижает надежность системы.

Рисунок 2.2. RAID 1 - зеркалирование информации, дорогой вариант

Все надежные RAID системы основаны на хранении избыточной информации позволяющей восстановить данные, при выходе из строя любого диска, и на том факте, что вероятность выхода из строя одновременно более одного диска ничтожно мала. Вышедший из строя диск можно быстро заменить.

Определение 2.2. RAID 1 - зеркалирование, основано на дублирование информации на двух дисках, таким образом в два раза сокращается объем системы, но надежность возрастает. Производительность пары дисков как у одного обычного диска.

Рисунок 2.3. RAID 5 -блочная запись с генерацией блока четности

Определение 2.3. RAID 5 - запись информации с дополнительной информацией четности, позволяющей восстановить информацию при выходе из строя любого одного из дисков.

2.2 Оптические диски

Среди оптических дисков для PC различают:

· Обычные СD изготавливаются на фабриках, 800Мб;

· WORM CD-R, диски одноразовой записи, 800Мб;

· WMRM CD-RW, диски многоразовой записи, до 800Мб;

· WORM DVD(-R,+R), диски одноразовой записи, 4.7Гб;

· WMRM DVD(-RW,+RW, -RAM ) диски многоразовой записи, 4.7Гб.



Рисунок 2.4. Характеристики оптических дисков

2.3 Flаsh память

Определение 2.6. Flаsh память - энергонезависимый тип памяти, используется для переноса информации.

3. Сеть ЭВМ

Определение 3.1. Под сетью ЭВМ понимается - со стороны аппаратного обеспечения - соединение нескольких ЭВМ в единый блок, в котором они поддерживают друг друга в определенных функциях (программном обеспечении), дополняют или защищают друг друга.

Определение 3.2. Вычислительная сеть - вычислительный комплекс, включающий территориально распределенную систему компьютеров и их терминалов, объединенных в единую систему.

Вычислительная сеть состоит из трех компонент:

* сети передачи данных, включающей в себя каналы передачи данных и средства коммутации;

* компьютеров, связанных сетью передачи данных;

* сетевого программного обеспечения.

Пользователи компьютерной сети получают возможность совместно использовать ее программные, технические, информационные и организационные ресурсы.

В компьютерной сети выделяют совокупность узлов и соединяющих их ветвей.

По степени географического распространения вычислительные сети подразделяются на:

* локальные,

* городские,

* корпоративные,

* глобальные и др.

По масштабу производственного подразделения различают:

* сети отделов;

* сети кампусов;

* корпоративные сети.

По способу управления различают:

* сети «Клиент - сервер»:

* Клиент - объект (компьютер или программа),

запрашивающий некоторые услуги.

* Сервер - объект (компьютер или программа),

предоставляющий некоторые услуги.

* одноранговые сети.

Основные понятия для сетей: среда передачи, топология сети, сетевая технология, протокол, пакетный способ передачи.

3.1 Среда передачи

Определение 3.3. Информационная сеть состоит из множества устройств для генерирования, обработки и получения информации, называемых станциями данных или узлами сети, и физической среды, служащей для передачи информации между узлами, называемой средой передачи данных.

Определение 3.4. Линия передачи данных - часть среды передачи данных, используемая для распространения сигналов в нужном направлении.

Линии передачи данных могут быть:

* проводными: коаксиальный кабель, витая пара проводов, волоконно - оптическая линия связи (ВОЛС);

* беспроводными: радиорелейная линия, спутниковый канал, канал воздушной лазерной связи.

3.2 Топология сети

Определение 3.5. Топология сети описывает схему физического соединения компьютеров.

Существуют три типа сетевой топологии: топология шины, топология звезды, топология кольца.



Рисунок 3.1. Топология шины

информационный компьютер интернет вычислительный

Топология шины характеризуется самым простым методом разделения среды передачи данных. В рамках этой технологии каждое сетевое устройство, подключенное к общей шине, прослушивает сигналы этой шины. Если необходимо передать информацию, то устройство прослушивает шину на предмет не занятости в данный момент, и если шина свободна, передает свой блок информации (его называют кадр или frame).

Каждое устройство в этой сети имеет свой уникальный физический адрес (МАС - адрес). Каждый передаваемый кадр снабжается MAC адресом получателя.

Устройство, передающее кадр, передает его на шину. Все другие участники сети слушают шину, и если передаваемая информация (кадр) содержит их адрес, то принимают этот кадр, иначе игнорируют.

Такая схема не защищена от простого перехвата всей передаваемой информации злоумышленником. Просто он может принимать не только предназначенные его устройству кадры, но все кадры, проходящие по шине. Это может привести к перехвату паролей и другой ценной информации (если данные дополнительно не шифруются).

Может случиться так, что два сетевых устройства одновременно начнут передачу своих кадров, в этом случае возникает ошибка или сетевая коллизия.

Топология звезды аналогична топологии шины в простейшем случае. Все участники сети подключаются к специальному устройству - концентратору (hub). Концентратор это простой усилитель, который передаваемую ему информацию рассылает всем участникам сети, и сами устройства решают нужна она им или нет. Такая схема не защищена от прослушивания сети, как и предыдущая.

Но топология звезды может включать более интеллектуальные устройства - коммутаторы (switches)

Коммутаторы в отличии от концентраторов пересылают кадры только на тот порт на который нужно, а не рассылают всем.

Топология кольца в настоящее время мало используется, основной принцип этой топологии - передача кадров по кругу. Один компьютер передает блок информации (кадр) другому компьютеру, если это его информация он принимает ее, иначе отправляет дальше. Этот процесс повторяется пока кадр не достигнет адресата, либо не вернется отправителю (адресат не найден).

Элементами сети могут являться:

* Компьютеры: ПК; ноутбуки; мэйнфреймы.

* Коммуникационное оборудование: коммутаторы; маршрутизаторы.

* Сетевые приложения: сетевой принтер; сетевой стример; другие сетевые устройства

Внутри сети могут имеются следующие устройства:

* Усилители сигнала (Repeater), имеют два сетевых порта, между которыми далее копируется каждый бит. Они позволяют увеличить расстояние между соединяемыми ЭВМ.

* Концентратор (Hub) - многопортовый повторитель, копирует сигнал пришедший на любой из портов на все другие порты. Определяет наличие соединений на каждом из портов.

* Коммутатор (Switch) - “Умный” концентратор (smart Hub), хранит информацию о MAC адресах устройств, подключенных к каждому из портов. Пришедший сигнал направляет только на нужный порт, а не рассылает его всем как Hub. Если получателя еще нет во внутренней базе данных, то работает как Hub, рассылая информацию всем.

* Мост (Bridge) - это пара устройств, соединенных по принципу точка-точка, по собственному протоколу. Используются для экранирования местных сетей друг от друга, соединения подсетей и т.п. Внешние мосты - это специализированные ЭВМ с двумя сетевыми интерфейсами.

* Маршрутизаторы (Router) представляют собой соединения сетей с помощью того же протокола. Это обычные ЭВМ со специфическим заданием целевой передачи информации.

* Конвертер протоколов - шлюзы (Gateways) объединяют сети различных протокольных семейств, таких как TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol), DECNet и т.д. Это специализированные ЭВМ.

3.3 Сетевое оборудование

Ниже мы вкратце познакомимся с основным сетевым оборудованием для локальной сети.

Сетевые карты отвечают за передачу информации между ПК в сети. Каждая карта имеет свой индивидуальный Mac-адрес. MAC-адрес сетевой карты - это уникальный идентификатор, предоставленный ей изготовителем. В сетях Ethernet он позволяет идентифицировать каждый узел сети и доставлять данные только этому узлу.

Основные характеристики:

- установленная микросхема контроллера (микрочип);

- разрядность - имеются 32- и 64-битные сетевые карты (определяется микрочипом);

- скорость передачи - от 10 до 1000 Мбит/с;

- разъем под тип подключаемого кабеля (коаксиальный, витая пара, волоконно-оптический кабель) - рис. 1.8.



Рис. 1. Сетевые карты на коаксиал и витую пару

У сетевых карт возможно наличие следующих функций:

- поддержка Boot ROM (загрузка ПК без жесткого диска по сети)

- поддержка Wake On Lan (включение ПК по сети)

- поддержка режима Full Duplex (одновременные прием и передача информации, требуют поддержки этого режима от всего остального оборудования сегмента сети)

Когда речь идет о построении надежной и быстрой сети с богатыми возможностями мониторинга и управления, лидерами являются компании Intel и 3Com. Параметры сетевых карт определяются используемыми в них чипами. В современных картах обычно есть один большой чип, выполняющий функции контроллера шины и собственно сети. Среди других микросхем карты - приемопередатчик, энергонезависимая память, возможно ПЗУ для удаленной загрузки. Производителей чипов сетевых контроллеров гораздо меньше, чем производителей сетевых карт. При этом одни практически монополизируют выпуск карт на своих чипах (3Com, Intel), а другие (Realtek, Via) занимаются исключительно выпуском микросхем и их продажей.

Физический (MAC) адрес адаптера определяется в Windows XP (или Windows 7) по команде ipconfig/all которую необходимо ввести в меня Пуск-Все программы-Стандартные-Командная строка. Выведенный командой результат выглядит примерно так ( рис. 2).



Рис. 2. Физический адрес и есть МАС-адрес сетевого адаптера

Концентратор (хаб) и коммутатор (свитч). Концентратор (хаб) используется, если в сети участвует больше 2 компьютеров. К нему сходятся все сетевые кабели витой пары в топологии звезда. Сигнал хаба получают все ПК сети, а не только та сетевая карта, которой адресован пакет данных. В настоящее время концентраторы сняты с производства и встречаются редко. Внешне свитч или коммутатор (Switch) практически не отличается от Hub, но коммутатор (Switch) - более интеллектуальное устройство, где есть свой процессор, внутренняя шина и буферная память. Если концентратор просто передает пакеты от одного порта ко всем остальным, то Switch анализирует Mac адреса, откуда и куда отправлен пакет информации и соединяет только эти компьютеры, в то время как остальные каналы остаются свободными. Это позволяет намного увеличить производительность сети, так как уменьшает количество паразитного трафика и обеспечивает большую фактическую скорость передачи данных, особенно в сетях с большим количеством пользователей - рис. 2.



Рис. 2. Свитч D-Link DES-1008D 8-port 10/100Mbps

Итак, концентратор обозначается значком и его основная функция - это повторение сигналов, поступающих на один из его портов, на всех остальных портах (Ethernet).

Сетевой коммутатор, или свитч, обозначается значком и в отличие от концентратора, который распространяет трафик от одного подключенного устройства ко всем остальным, коммутатор передает данные только непосредственно получателю. Это повышает производительность и безопасность сети, избавляя остальные сегменты сети от необходимости (и возможности) обрабатывать данные, которые им не предназначались.

Давайте рассмотрим принцип работы коммутатора более детально. Коммутатор хранит в памяти таблицу, в которой указывается соответствие MAC-адреса узла порту коммутатора. При включении коммутатора эта таблица пуста, и он работает в режиме обучения. В этом режиме поступающие на какой-либо порт данные передаются на все остальные порты коммутатора. При этом коммутатор анализирует кадры и, определив MAC-адрес хоста-отправителя, заносит его в таблицу. Впоследствии, если на один из портов коммутатора поступит кадр, предназначенный для хоста, MAC-адрес которого уже есть в таблице, то этот кадр будет передан только через порт, указанный в таблице. Если MAC-адрес хоста-получателя еще не известен, то кадр будет продублирован на все интерфейсы. Со временем коммутатор строит полную таблицу для всех своих портов, и в результате трафик локализуется.

Маршрутизатор - сетевое устройство, которое на основании информации о топологии сети и определённых правил принимает решения о пересылке пакетов между различными сегментами сети. Обозначается значком - рис. 3.

Рис. 3. Беспроводной маршрутизатор D-Link 300Мбит/с (DIR-615/E4B)

Принцип работы маршрутизатора таков: он использует адрес получателя, указанный в пакетах данных, и определяет по таблице маршрутизации путь, по которому следует передать данные. Маршрутизатор может выбрать один из нескольких маршрутов доставки пакета адресату.

Маршрут - последовательность прохождения пакетом информации узлов сети.

В отличии от коммутатора, маршрутизатор видит все связи подсетей друг с другом, поэтому он может выбрать наилучший маршрут и при наличии нескольких альтернативных маршрутов. Решение о выборе маршрута принимается каждым маршрутизатором, через который проходит сообщение. Если в таблице маршрутизации для адреса нет описанного маршрута, пакет отбрасывается.

Сетевой коммутатор на 48 портов (с гнездами для четырёх дополнительных портов)



24-портовый сетевой коммутатор

Сетевой коммутатор (жарг. свич от англ. switch -- переключатель) -- устройство, предназначенное для соединения нескольких узлов компьютерной сети в пределах одного или нескольких сегментов сети. Коммутатор работает на канальном (втором) уровне модели OSI. Коммутаторы были разработаны с использованием мостовых технологий и часто рассматриваются как многопортовые мосты. Для соединения нескольких сетей на основе сетевого уровня служат маршрутизаторы (3 уровень OSI).

В отличие от концентратора (1 уровень OSI), который распространяет трафик от одного подключённого устройства ко всем остальным, коммутатор передаёт данные только непосредственно получателю (исключение составляет широковещательный трафик всем узлам сети и трафик для устройств, для которых неизвестен исходящий порт коммутатора). Это повышает производительность и безопасность сети, избавляя остальные сегменты сети от необходимости (и возможности) обрабатывать данные, которые им не предназначались.

Далее в этой статье рассматриваются исключительно коммутаторы для технологии Ethernet.



Hirschmann Octopus 24M

Принцип работы коммутатора. Коммутатор хранит в памяти (т.н. ассоциативной памяти) таблицу коммутации, в которой указывается соответствие MAC-адреса узла порту коммутатора. При включении коммутатора эта таблица пуста, и он работает в режиме обучения. В этом режиме поступающие на какой-либо порт данные передаются на все остальные порты коммутатора. При этом коммутатор анализирует фреймы (кадры) и, определив MAC-адрес хоста-отправителя, заносит его в таблицу на некоторое время. Впоследствии, если на один из портов коммутатора поступит кадр, предназначенный для хоста, MAC-адрес которого уже есть в таблице, то этот кадр будет передан только через порт, указанный в таблице. Если MAC-адрес хоста-получателя не ассоциирован с каким-либо портом коммутатора, то кадр будет отправлен на все порты, за исключением того порта, с которого он был получен. Со временем коммутатор строит таблицу для всех активных MAC-адресов, в результате трафик локализуется. Стоит отметить малую латентность (задержку) и высокую скорость пересылки на каждом порту интерфейса.

Режимы коммутации. Существует три способа коммутации. Каждый из них -- это комбинация таких параметров, как время ожидания и надёжность передачи.

1. С промежуточным хранением (Store and Forward). Коммутатор читает всю информацию в кадре, проверяет его на отсутствие ошибок, выбирает порт коммутации и после этого посылает в него кадр.

2. Сквозной (cut-through). Коммутатор считывает в кадре только адрес назначения и после выполняет коммутацию. Этот режим уменьшает задержки при передаче, но в нём нет метода обнаружения ошибок.

3. Бесфрагментный (fragment-free) или гибридный. Этот режим является модификацией сквозного режима. Передача осуществляется после фильтрации фрагментов коллизий (первые 64 байта кадра анализируются на наличие ошибки и при её отсутствии кадр обрабатывается в сквозном режиме).

Задержка, связанная с «принятием коммутатором решения», добавляется к времени, которое требуется кадру для входа на порт коммутатора и выхода с него, и вместе с ним определяет общую задержку коммутатора.

Симметричная и асимметричная коммутация. Свойство симметрии при коммутации позволяет дать характеристику коммутатора с точки зрения ширины полосы пропускания для каждого его порта. Симметричный коммутатор обеспечивает коммутируемые соединения между портами с одинаковой шириной полосы пропускания, например, когда все порты имеют ширину пропускания 10 Мб/с или 100 Мб/с.

Асимметричный коммутатор обеспечивает коммутируемые соединения между портами с различной шириной полосы пропускания, например, в случаях комбинации портов с шириной полосы пропускания 10 Мб/с или 100 Мб/с и 1000 Мб/с.

Асимметричная коммутация используется в случае наличия больших сетевых потоков типа клиент-сервер, когда многочисленные пользователи обмениваются информацией с сервером одновременно, что требует большей ширины пропускания для того порта коммутатора, к которому подсоединён сервер, с целью предотвращения переполнения на этом порте. Для того чтобы направить поток данных с порта 100 Мб/с на порт 10 Мб/с без опасности переполнения на последнем, асимметричный коммутатор должен иметь буфер памяти.

Асимметричный коммутатор также необходим для обеспечения большей ширины полосы пропускания каналов между коммутаторами, осуществляемых через вертикальные кросс-соединения, или каналов между сегментами магистрали.

Буфер памяти. Для временного хранения фреймов и последующей их отправки по нужному адресу коммутатор может использовать буферизацию. Буферизация может быть также использована в том случае, когда порт пункта назначения занят. Буфером называется область памяти, в которой коммутатор хранит передаваемые данные.

Буфер памяти может использовать два метода хранения и отправки фреймов: буферизация по портам и буферизация с общей памятью. При буферизации по портам пакеты хранятся в очередях (queue), которые связаны с отдельными входными портами. Пакет передаётся на выходной порт только тогда, когда все фреймы, находившиеся впереди него в очереди, были успешно переданы. При этом возможна ситуация, когда один фрейм задерживает всю очередь из-за занятости порта его пункта назначения. Эта задержка может происходить даже в том случае, когда остальные фреймы могут быть переданы на открытые порты их пунктов назначения.

При буферизации в общей памяти все фреймы хранятся в общем буфере памяти, который используется всеми портами коммутатора. Количество памяти, отводимой порту, определяется требуемым ему количеством. Такой метод называется динамическим распределением буферной памяти. После этого фреймы, находившиеся в буфере, динамически распределяются выходным портам. Это позволяет получить фрейм на одном порте и отправить его с другого порта, не устанавливая его в очередь.

Коммутатор поддерживает карту портов, в которые требуется отправить фреймы. Очистка этой карты происходит только после того, как фрейм успешно отправлен.

Поскольку память буфера является общей, размер фрейма ограничивается всем размером буфера, а не долей, предназначенной для конкретного порта. Это означает, что крупные фреймы могут быть переданы с меньшими потерями, что особенно важно при асимметричной коммутации, то есть когда порт с шириной полосы пропускания 100 Мб/с должен отправлять пакеты на порт 10 Мб/с.

Возможности и разновидности коммутаторов. Коммутаторы подразделяются на управляемые и неуправляемые (наиболее простые).

Более сложные коммутаторы позволяют управлять коммутацией на сетевом (третьем) уровне модели OSI. Обычно их именуют соответственно, например «Layer 3 Switch» или сокращенно «L3 Switch». Управление коммутатором может осуществляться посредством Web-интерфейса, интерфейса командной строки (CLI), протокола SNMP, RMON и т. п.

Многие управляемые коммутаторы позволяют настраивать дополнительные функции: VLAN, QoS, агрегирование, зеркалирование. На данный момент многие коммутаторы уровня доступа обладают такими расширенными возможностями, как сегментация трафика между портами, контроль трафика на предмет штормов, обнаружение петель, ограничение количества изучаемых mac-адресов, ограничение входящей/исходящей скорости на портах, функции списков доступа и т.п.

Сложные коммутаторы можно объединять в одно логическое устройство -- стек -- с целью увеличения числа портов. Например, можно объединить 4 коммутатора с 24 портами и получить логический коммутатор с 90 ((4*24)-6=90) портами либо с 96 портами (если для стекирования используются специальные порты).

Сетевой концентратор.



4-портовый сетевой концентратор

Сетевой концентратор или хаб (от англ. hub -- центр) -- устройство для объединения компьютеров в сеть Ethernet c применением кабельной инфраструктуры типа витая пара. В настоящее время вытеснены сетевыми коммутаторами.

Сетевые концентраторы также могли иметь разъёмы для подключения к существующим сетям на базе толстого или тонкого коаксиального кабеля.

Принцип работы. Концентратор работает на первом (физическом) уровне сетевой модели OSI, ретранслируя входящий сигнал с одного из портов в сигнал на все остальные (подключённые) порты, реализуя, таким образом, свойственную Ethernet топологию общая шина, c разделением пропускной способности сети между всеми устройствами и работой в режиме полудуплекса. Коллизии (то есть попытка двух и более устройств начать передачу одновременно) обрабатываются аналогично сети Ethernet на других носителях -- устройства самостоятельно прекращают передачу и возобновляют попытку через случайный промежуток времени, говоря современным языком, концентратор объединяет устройства в одном домене коллизий.

Сетевой концентратор также обеспечивает бесперебойную работу сети при отключении устройства от одного из портов или повреждении кабеля, в отличие, например, от сети на коаксиальном кабеле, которая в таком случае прекращает работу целиком.

Преимущества и недостатки. Единственное преимущество концентратора -- низкая стоимость -- было актуально лишь в первые годы развития сетей Ethernet. По мере совершенствования и удешевления электронных микропроцессорных компонентов данное преимущество концентратора полностью сошло на нет, так как их стоимость вычислительной части коммутаторов и маршрутизаторов составляет лишь малую долю на фоне стоимости разъёмов, разделительных трансформаторов, корпуса и блока питания, общих для концентратора и коммутатора.

Недостатки концентратора являются логическим продолжением недостатков топологии общая шина, а именно -- снижение пропускной способности сети по мере увеличения числа узлов. Кроме того, поскольку на физическом уровне узлы не изолированы друг от друга, все они будут работать со скоростью передачи данных самого худшего узла. Например, если в сети присутствуют узлы со скоростью 100 Мбит/с и всего один узел со скоростью 10 Мбит/с, то все узлы будут работать на скорости 10 Мбит/с, даже если узел 10 Мбит/с вообще не проявляет никакой информационной активности. Ещё одним недостатком является вещание сетевого трафика во все порты, что снижает уровень сетевой безопасности и даёт возможность подключения снифферов.

Коммутаторы. Появившиеся позже интеллектуальные устройства, работающие на втором (канальном) уровне по модели OSI (в отличие от концентраторов, работающих только на первом (физическом) уровне) -- коммутаторы, способные обеспечивать независимую и выборочную передачу кадров Ethernet между портами за счёт вскрытия заголовков кадров и пересылки их по нужным портам в соответствии с MAC-адресом получателя (в отличие от концентраторов, пересылающих данные во все порты), работу в разных режимах и с различными скоростями, сначала использовались для разгрузки и оптимизации больших Ethernet-сетей, а затем полностью вытеснили концентраторы.

Характеристики сетевых концентраторов

· Количество портов -- разъёмов для подключения сетевых линий, обычно выпускаются концентраторы с 4, 5, 6, 8, 12, 16, 24 и 48 портами (наиболее популярны с 4, 8 и 16).

· Скорость передачи данных -- измеряется в Мбит/с, выпускаются концентраторы со скоростью 10, 100 и/или 1000 Mбит/c. Скорость может переключаться как автоматически (на наименьшую из используемых), так и с помощью перемычек или переключателей.

· Наличие портов для подключения кабелей Ethernet других типов -- коаксиальных или оптических.

3.3 Организация доступа к сети Интернет

В настоящее время вся передовая часть общества имеет доступ в Интернет Для получения такого доступа требуется организовать последнюю милю:

Типы доступа к провайдеру:

1. Беспроводной

* Спутниковый симметричный

* Спутниковый ассиметричный

* Радиорелейный

2. Наземный постоянный

* Оптоволоконный

* По выделенной телефонной линии

3. Наземный коммутируемый

* По коммутируемой телефонной линии

Наземный постоянный доступ (2003 г.):

1. Оптоволоконный

* Затраты

a. Прокладка оптоволокна 1800$/км

b. Два конвертора 2*450$ = 900$

* Скорость >100МБ, плата за трафик (50$/ГБ)

2. Выделенная телефонная линия

* Затраты

a. Получение линии 500$

b. Два модема 2*350 = 700$

* Скорость ~2МБ, плата за трафик

Наземный коммутируемый доступ (2003 г.):

1. Необходим модем

2. Скорость максимум:

* 33600 Бит/с (~3.3 Кбайт/с) симметричный режим

* 56КБит (~5.6 Кбайт/с) ассиметричный

3. Плата за время работы: ~0.6$ (20р)/ч

Типы модемов.

Модемы бывают:

1. Внешние

* Аппаратные (Обычно СОМ) >50$

* Программные (обычно USB) ~30-40$

2. Внутренние:

* Аппаратные ~40$

* Программные >15$

Кабели, используемые в сетях

Основные понятия

Кабель (нидерл. kabel) - один или несколько изолированных друг от друга проводников (жил),заключённых в оболочку.

Оконцовка медного многожильного шнура в ПВХ изоляции

Кабель информационный магистральный подземный

Плоский кабель, предназначен для подключения

Классификация кабелей

Кабели применяются для передачи электрической энергии (силовые кабели), для проводной связи и сигнализации (кабели связи), для передачи энергии и сигналов на радиочастотах (радиочастотные кабели) и в оптическом диапазоне (оптические кабели).

Стандарт ISO 11801 2002 детально описывает классификацию кабелей.

Зачастую «кабель» применяется как синоним слову «провод».

Материал проводников

Проводники в кабелях изготавливаются из следующих материалов:

* для передачи электрической энергии и сигналов:

o алюминий,

o медь,

o серебро,

o золото,

o сплавов различных металлов;

* для передачи оптических сигналов:

o стекло,

o пластмассы.

Материал оболочки

Оболочка кабеля может состоять из одного и более герметезирующих и армирующих слоёв, в качестве этих слоёв могут применяться различные материалы: ткань, пластмассы, металл, резина и проч.

Кабели, применяемые в компьютерных сетях

Еще сравнительно недавно с подключением к Интернету особого выбора не было - покупаешь модем, карточки и подключаешься. Сейчас для подключения к сети Интернет, наряду с подключением по телефонной линии с помощью модемов, поставщики услуг стали использовать альтернативные методы подключения по локальным сетям. Одной из основных характеристик, отличающих эти способы, является то, какой вид кабеля обеспечивает доступ в Интернет.

В этой статье я попробую рассказать о том, что такое локальная сеть, как она строится, и чем отличаются одни кабели от других. Это поможет, выбирая способ подключения, точнее определить преимущества и недостатки разных способов подключения.

Локальная вычислительная сеть (ЛВС) - это коммуникационная система, позволяющая совместно использовать ресурсы компьютеров, которые в данный момент подключены к сети. Для того чтобы состоять в сети, каждый входящий в нее компьютер должен иметь:

- сетевую карту (сетевой адаптер);

- сетевой кабель;

- операционную систему, которая поддерживает работу в сети (например, Windows, Linux и т.п.).

Сетевые карты и сетевые кабели - основная часть сетевого оборудования.

Большинство неполадок при работе в сети происходит по их вине, как правило, вследствие нарушения элементарных правил эксплуатации их пользователями. Поэтому стоит обращать особое внимание на их качество. На каждом компьютере, состоящем в сети, должен быть установлен сетевой адаптер. И адаптер, и кабель должны соответствовать выбранному типу сети.

Задача сетевого адаптера - передача и прием сетевых сигналов из кабеля. Адаптер воспринимает команды и данные от сетевой операционной системы, преобразует эту информацию в один из стандартных форматов и передает ее в сеть через подключенный к адаптеру кабель.

Кабель состоит из проводников, слоев экрана и изоляции. Также в состав кабеля входят разъемы для подключения его к сетевому оборудованию. Для удобства быстрого переподключения кабелей и сетевого оборудования используются разные электромеханические устройства, называемые кроссовыми коробками или шкафами.

В компьютерных сетях применяются кабели, которые удовлетворяют определенным стандартам. Это позволяет строить сеть из кабелей и соединительных устройств разных производителей, а не мучиться подбором всех компонентов одного производителя. Современные стандарты определяют характеристику не отдельно кабеля, а полного набора составляющих, которые нужны для создания кабельного элемента (например, соединительного шнура от рабочей станции до розетки, самой розетки, основного кабеля, жесткого кроссового соединения и шнура до сетевого концентратора).

Наиболее употребительные стандарты на сегодняшний момент - американский стандарт EIA/TIA-568A, международный стандарт ISO/IEC 11801, европейский стандарт EN50173 и фирменный стандарт компании IBM.

Стандарты определены для 4-х типов кабелей:

- на основе неэкранированной витой пары,

- экранированной витой пары,

- коаксиального,

- волоконно-оптического кабелей.

Характеристики кабелей. В стандартах непосредственно кабелей оговаривается достаточно много характеристик, из которых ниже перечисляются самые главные:

- Затухание (Attenuation). Затухание измеряется в децибелах на метр для определенной частоты или диапазона частот сигнала.

- Перекрестные наводки на ближнем конце (Near End Cross Talk NEXT). Измеряется в децибелах на метр для определенной частоты сигнала.

- Импеданс (волновое сопротивление). Это полное (реактивное и активное) сопротивление в электрической цепи. Импеданс измеряется в омах. Это относительно постоянная величина для кабельных систем. Для коаксиального кабеля, используемого в стандарте Ethernet, импеданс должен составлять 50 Ом. Для неэкранированной витой пары наиболее часто используемое значение импеданса 100 и 120 Ом.

- Активное сопротивление. Это сопротивление постоянному току в электрической цепи. Оно не зависит от частоты, в отличие от импеданса, а увеличивается с увеличением длины кабеля.

- Емкость - свойство металлических проводников накапливать энергию. Два металлических проводника в кабеле, разъединенные диэлектриком, представляют из себя конденсатор, который способен накапливать заряд. Эта паразитная ёмкость - величина нежелательная, и поэтому стараются, чтобы она была как можно меньше. Чем больше ее значение в кабеле, тем сильнее искажение сигнала и меньше полоса пропускания данного кабеля. Чем больше частота сигнала и больше емкость кабеля, тем меньше сопротивление для тока при данном напряжении.

- Уровень защиты от внешнего электромагнитного излучения. Его еще называют электрическим шумом. Представляет собой появление наводки нежелательного переменного напряжения в проводнике. Электрический шум бывает фоновый и импульсный, а также низко-, средне- и высокочастотный. Измеряется в милливольтах. Источниками фонового электрического шума в диапазоне до 150 кГц выступают линии электропередачи, лампы дневного света и телефоны. В диапазоне от 150 кГц до 20 МГц электрический шум создает оргтехника: компьютеры, принтеры, ксероксы. В диапазоне от 20 МГц до 1 ГГц - телевизионные и радиопередатчики, СВЧ- печи. Импульсный электрический шум создают электродвигатели, переключатели и сварочные аппараты.

- Диаметр. Площадь поперечного сечения проводника. Для кабелей с медным проводником достаточно общеупотребительна американская система AWG (American Wire Gauge), вводящая условные типы проводников, например 22AWG, 24 AWG, 26 AWG. Чем выше номер типа проводника, тем меньше его диаметр. В вычислительных сетях чаще всего применяются вышеуказанные примеры проводников. В международных и европейских стандартах диаметр проводника указывается в миллиметрах.

Конечно, перечисленные здесь параметры далеко не все, которые применимы к различным видам кабелей. Кроме электромагнитных характеристик, представленных здесь, кабели имеют механические и конструктивные характеристики, которые определяют тип его изоляции, тип разъема и т.п. Также у каждого типа кабеля есть своя индивидуальная характеристика, например такой параметр, как шаг скрутки проводов, используется только для характеристики витой пары, а параметр NEXT применяется к многожильным кабелям на основе витой пары. Волоконно-оптические кабели различаются по размеру несущего волокна и оболочки - слоя стекла, отражающего свет. Кроме того, кабели различают по режиму передачи: одномодовые и многомодовые, а также по используемой длине волны (850-1550 нс) и применяемым источникам света (лазеры или светодиоды - LED).

Основными в современных стандартах кабелями являются кабели на основе витой пары и оптоволокна, также достаточно широко используется коаксиальный кабель.

Виды кабелей, применяемых в сетях

1. Витая пара

Витая пара (англ. twisted pair) -- вид кабеля связи, представляет собой одну или несколько пар изолированных проводников, скрученных между собой (с небольшим числом витков на единицу длины), для уменьшения взаимных наводок при передаче сигнала, и покрытых пластиковой оболочкой. Один из компонентов современных структурированных кабельных систем. Используется в телекоммуникациях и в компьютерных сетях в качестве сетевого носителя во многих технологиях, таких как Ethernet, ARCNet и Token ring.

В настоящее время, благодаря своей дешевизне и лёгкости в установке, является самым распространённым для построения локальных сетей.



Витая пара категории (между парами виден разделительный корд)

В зависимости от наличия защиты -- электрически заземлённой медной оплетки или алюминиевой фольги вокруг скрученных пар, определяют разновидности данной технологии:

* неэкранированная витая пара (UTP -- Unshielded twisted pair)

* экранированная витая пара (STP -- Shielded twisted pair)

* фольгированная витая пара (FTP -- Foiled twisted pair)

* фольгированная экранированная витая пара (SFTP -- Shielded Foiled twisted pair)

В некоторых типах экранированного кабеля защита может использоваться ещё и вокруг каждой пары, индивидуальное экранирование. Экранирование обеспечивает лучшую защиту от электромагнитных наводок как внешних, так и внутренних, и т. д. Экран по всей длине соединен с неизолированным дренажным проводом, который объединяет экран в случае разделения на секции при излишнем изгибе или растяжении кабеля.

В дополнение к этому кабель применяется одно- и многожильный. В первом случае каждый провод состоит из одной медной жилы, а во втором - из нескольких.

Одножильный кабель не предполагает прямых контактов с подключаемой периферией. То есть, как правило, его применяют для прокладки в коробах, стенах и т.д. с последующим оконечиванием розетками. Связано это с тем, что медные жилы довольно толсты и при частых изгибах быстро ломаются. Однако для "врезания" в разъемы панелей розеток такие жилы подходят как нельзя лучше.

В свою очередь многожильный кабель плохо переносит "врезание" в разъемы панелей розеток (тонкие жилы разрезаются), но замечательно ведет себя при изгибах и скручиваниях. Поэтому многожильный кабель используют в основном для изготовления патчкордов (PatchCord), соединяющих периферию с розетками. Кроме того, многожильный провод оказывает меньшее сопротивление высокочастотному сигналу (Скин-эффект).

...