Физический уровень модели OSI

3.3. Беспроводная среда

Беспроводная среда образуется совокупностью радиоканалов, сгруппированных в несколько частотных диапазонов. Три частотных диапазона: 900 МГц, 2,4 ГГц и 5 ГГц рекомендованы ITU для использования в промышленности, науке и медицине (Industrial, Scientific, Medical – ISM) и не требуют лицензирования. В указанных частотных диапазонах и строится большинство беспроводных локальных и глобальных сетей связи. Более низкий частотный диапазон увеличивает расстояние передачи и улучшает распространение радиоволн внутри зданий. Однако число каналов и, следовательно, пользователей при этом снижается.

Техника модуляции широкополосных сигналов позволяет повысить помехозащищенность при сосредоточенных помехах высокого уровня и низком уровне сигнала. На практике широко применяют технологии Прямое последовательное расширение спектра (Direct Sequence Spread Spectrum – DSSS ) и Ортогональное частотное мультиплексирование (Orthogonal Frequency Division Multiplexing – OFDM ). Устройства, использующие OFDM, имеют более высокую скорость передачи данных. Однако устройства с модуляцией DSSS – проще и дешевле. Мультиплексирование каналов производится на основе техники, называемой Множественным доступом с кодовым разделением (Code Division Multiple Access – CDMA ).

В настоящее время широко применяются беспроводные сети, которые реализуют соединения абонентов через беспроводные точки доступа (Wireless Access Point – WAP ). При этом абоненты (хосты) должны комплектоваться беспроводными сетевыми картами. В свою очередь, беспроводные точки доступа могут соединяться с другими сетевыми устройствами, например с коммутаторами или маршрутизаторами, посредством кабелей, образуя достаточно разветвленную сеть.

Беспроводная ( wireless ) среда регламентируется набором стандартов, которые различаются частотным диапазоном, скоростью передачи данных и расстоянием.

Стандарт IEEE 802.11 (Wi-Fi) является основным стандартом беспроводных локальных сетей (Wireless LAN – WLAN ). Параметры беспроводных сетей в значительной мере определяются используемой техникой модуляции. Основные параметры технологий стандарта 802.11 (Wi-Fi) приведены в таблице 3.2.

Стандарт IEEE 802.11a регламентирует работу WLAN-устройств в частотном диапазоне 5 ГГц. Скорость передачи – до 54 Мбит/с, а в некоторых случаях – до 108 Мбит/с. В производственных технологических сетях скорость передачи обычно оценивается в 20-26 Мбит/с. Использование высокочастотного диапазона 5 ГГц стандарта 802.11a ограничивает расстояние передачи и распространение радиоволн внутри зданий. Применяемый вид модуляции – OFDM. Устройства стандарта 802.11a не могут взаимодействовать с устройствами стандарта 802.11b и 802.11g, поскольку последние работают в диапазоне 2,4 ГГц.

В настоящее время устройства стандарта 802.11b и 802.11g получили широкое распространение. Устройства стандарта 802.11b функционируют в частотном диапазоне 2,4 ГГц и характеризуются скоростью передачи до 11 Мбит/с; вид модуляции – DSSS.

Устройства стандарта 802.11g являются совместимыми с устройствами 802.11b, поскольку работают в том же частотном диапазоне 2,4 ГГц. В устройствах этого стандарта может использоваться как техника модуляции OFDM, так и DSSS. При технике модуляции OFDM скорость передачи данных такая же, как в устройствах стандарта 802.11a (до 54 Мбит/с). При технике модуляции DSSS скорость передачи данных – до 11 Мбит/с. В настоящее время разработаны точки доступа, которые позволяют устройствам стандартов 802.11b и 802.11a сосуществовать в одной беспроводной сети WLAN. Точка доступа предоставляет услуги шлюза ( gateway ) для связи устройств двух разных стандартов. Более низкий частотный диапазон увеличивает расстояние передачи и улучшает распространение радиоволн внутри зданий по сравнению с 802.11a.

Достоинства частотного диапазона 2,4 ГГц обусловили большое количество пользователей, что приводит к его перегрузке и взаимному влиянию устройств.

Новые устройства стандарта 802.11n способны работать в частотном диапазоне как 5 ГГц, так и 2,4 ГГц. Значение скорости передачи – от 100 до 210 Мбит/с.

Помимо сетей вышеприведенных стандартов создаются и эксплуатируются сети стандарта IEEE 802.15 (Wireless Personal Area Network – WPAN), или Bluetooth, которые являются примером персональных сетей (Personal Area Network – PAN). Кроме того, существуют сети стандарта IEEE 802.16 (Worldwide Interoperability for Microwave Access – WiMAX), которые обеспечивают широкополосную связь на значительно большее расстояние по сравнению с вышеприведенными технологиями.

3.4. Топология сетей

Объединение сетевых узлов и станций в сеть связи реализуется на основе различных топологий. Топологии локальных и глобальных сетей различаются.

Следует различать физическую и логическую топологии сети. Физическая топология представляет собой наиболее общую структуру сети и отображает схему соединения сетевых элементов кабелями связи. Логическая топология показывает, как по сети передаются определенные единицы информации.

В локальных сетях наибольшее распространение получили следующие физические топологии ( рис. 3.6): шина (bus), звезда (star), расширенная звезда (extended star), кольцо (ring), а также полносвязная топология, где все узлы связаны между собой (mesh topology) индивидуальными линиями.

Разделяемая (shared) линия, или среда передачи данных, когда пользователи делят линии связи между собой, снижает стоимость сети. Но в каждый момент времени линией может пользоваться только одна пара абонентов, из-за чего могут возникнуть очереди, а также коллизии.

Топология на основе шины (bus) характеризуется тем, что передачу данных в данный момент времени может вести только один узел. Ожидание своей очереди на передачу данных является недостатком этой топологии. При выходе какого-то узла из строя вся остальная сеть будет функционировать без изменений. Другими достоинствами топологии являются экономное расходование кабеля, простота, надежность и легкость расширения сети.

Топология "звезда" (star) требует применения центрального устройства. Выход из строя одного узла не повлияет на работоспособность остальной сети. Сеть легко модифицируется путем подключения новых узлов. Из недостатков можно отметить уязвимость центра и увеличенный расход кабеля по сравнению с шинной топологией.

При использовании топологии "кольцо" (ring) сигналы передаются в одном направлении от узла к узлу. При выходе из строя любого узла прекращается функционирование всей сети, если не предусмотрен обход вышедшего из строя узла.

Рис. 3.6. Физические топологии локальных сетей

Логическая топология сети определяет, как узлы общаются через среду, т. е. как обеспечивается управление доступом к среде. Наиболее известные логические топологии: "точка-точка" (point-to-point), множественного доступа (multi access), широковещательная (broadcast) и маркерная (token passing).

Логическая топология "точка-точка" обеспечивает передачу данных от одного узла до другого независимо от промежуточных устройств между ними. Протокол управления передачей данных при такой топологии может быть очень простым, поскольку другие адресаты отсутствуют. Следовательно, при использовании этой топологии не требуются физические адреса.

Топология множественного доступа характерна для Ethernet-сетей, реализованных на многопортовых повторителях (hub). Доступ к разделяемой общей шине имеют все узлы, но в каждый момент времени передавать данные может только один узел. При этом остальные узлы могут только "слушать".

Использование широковещательной топологии определяет, что каждый узел посылает свои данные всем другим узлам сетевой среды. При этом неизвестно, какие станции функционируют.

Маркерная логическая топология, так же как топология множественного доступа реализует разделение общей среды. Однако если в топологии multi access Ethernet-сетей доступ к среде случайный (не детерминированный), то в маркерной топологии доступ к среде детерминированный. Электронный маркер (token) последовательно передается каждому узлу, обычно по кольцу. Узел, получивший маркер, может передавать данные в сеть. Если в узле нет данных для передачи, то он передает маркер следующему узлу и процесс повторяется. Топологию token passing используют сети Token Ring и Fiber Distributed Data Interface (FDDI).

Физическая и логическая топологии сети могут быть одинаковыми или разными. Например, широко известная сетевая технология Ethernet может использовать концентраторы ( hub ) и кабель "витая пара" ( рис. 3.7).

Рис. 3.7. Топология: физическая – "звезда", логическая – "шина"

На практике широко используется комбинация топологий. Например, ( рис. 3.8) ядро сети содержит узлы коммутации (УК1,…УК5), объединенные для повышения надежности и отказоустойчивости по полносвязной топологии. В целом топология сети представляет собой расширенную звезду или радиально-узловой способ построения сети, когда оконечные пункты (ОП) подключены к узлам У, которые, в свою очередь, соединены с узлами коммутации УК ядра сети.

Рис. 3.8. Сеть связи с комбинированной топологией

Краткие итоги

1. В качестве среды передачи в сетях передачи данных используют коаксиальный кабель, неэкранированную (UTP) и экранированную (STP) витую пару (симметричный кабель), оптоволоконный кабель, беспроводные радиоканалы.
2. Кабель UTP содержит четыре пары скрученных медных проводов, поэтому используется разъем (коннектор) 8P8C, имеющий 8 контактов.
3. Кабель UTP широко используется в локальных сетях Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, обеспечивая передачу сигналов на расстояние до 100 м.
4. Для соединения устройств между собой используются прямой, кроссовый и консольный кабели.
5. Волоконно-оптические кабели характеризуются отсутствием перекрестных помех и электромагнитных помех от внешних источников. Это позволяет передавать сигналы на большее расстояние по сравнению с симметричным медным кабелем.
6. Одномодовое волокно оптических кабелей по сравнению с многомодовым имеет более высокую скорость передачи данных и большее расстояние.
7. Передача данных по оптическому волокну производится на длинах волн 850, 1310 или 1550 нм.
8. Беспроводная среда образуется совокупностью радиоканалов, сгруппированных в частотных диапазонах 900 МГц, 2,4 ГГц и 5 ГГц.
9. Стандарт IEEE 802.11 (Wi-Fi) является основным стандартом беспроводных локальных сетей.
10. Объединение сетевых узлов и станций в сеть связи реализуется на основе различных топологий. Следует различать физическую и логическую топологии сети.

Вопросы

1. Какие типы кабелей используются в локальных сетях передачи данных?
2. Какова скорость и дальность передачи кабеля UTP 3 категории?
3. Какова скорость и дальность передачи кабеля UTP 5 категории?
4. Для соединения каких устройств используется прямой кабель?
5. Для соединения каких устройств используется кроссовый кабель?
6. Для соединения каких устройств используется консольный кабель?
7. В чем преимущество волоконно-оптического кабеля перед медным?
8. На какое расстояние можно передавать сигналы в локальных сетях по оптическому кабелю?
9. На каких длинах волн производится передача сигналов по оптическому кабелю?
10. Какие частотные диапазоны рекомендованы для использования в промышленности, науке и медицине и не требуют лицензирования?
11. Какой стандарт является основным в беспроводных локальных сетях?
12. Какой стандарт предусматривает передачу данных в диапазоне 5 ГГц со скоростью до 54 Мбит/с?
13. Какой стандарт предусматривает передачу данных в диапазоне 2,4 ГГц со скоростью до 54 Мбит/с?
14. Какие топологии получили наибольшее распространение в локальных сетях?
15. Каковы достоинства и недостатки топологии "общая шина"?
16. Каковы достоинства и недостатки топологии "звезда"?
17. В чем различие физической и логической топологий?
18. К какому виду относится топология множественного доступа, для каких сетей она характерна?

Упражнения

1. Укажите скорости и дальность передачи симметричных медных кабелей.
2. Изобразите схемы прямого, кроссового и консольного кабелей.
3. Объясните условия, при которых возникает полное внутреннее отражение в волокне оптического кабеля.
4. Укажите основные параметры стандартов Wi-Fi беспроводной среды передачи.
5. Изобразите основные физические топологии локальных сетей.
6. Приведите пример, когда при одинаковой структурной схеме сети физическая и логическая топологии будут различны.