Хитросплетения сети№29(148)/16.07.2001

Игорь ОБОЖИН sonet@sonet.kiev.ua
Ну вот, теперь мы живем уже в третьем тысячелетии! Нет никаких
сомнений в том, что и в нем мы по-прежнему будем свидетелями, а
кое-кто из нас и активными участниками, бурного развития
информационных технологий.
Домашним компьютером теперь никого уже не удивишь, а объемы
информации, хранящиеся на таких ПК, исчисляются не килобайтами, как
это было в «далеких» 80-х, а десятками гигабайт! При этом
характерный размер файлов, используемых стандартными компьютерными
программами, с которыми обычному пользователю приходится иметь дело
в повседневной жизни, зачастую намного превышает заветные 1.44 Mб.
Так что популярный когда-то способ обмена информацией между
компьютерами при помощи флоппи-дискет безнадежно устарел. Кроме
того, в ряде случаев (например, для организации компьютерных игр с
несколькими участниками) необходимо обеспечить обмен информацией
между машинами в реальном времени. Как известно, наиболее
цивилизованным способом решения таких проблем является объединение
их в компьютерные сети. Самый простой вид таких сетей — это
локальная сеть (LAN — Local Area Net), т. е. соединенные вместе
скоростным (чаще всего цифровым) каналом компьютеры и другие
устройства, расположенные на незначительном удалении друг от друга.
Например, речь может идти об объединении нескольких машин, стоящих в
одной комнате или, скажем, в одном подъезде жилого дома. Локальная
сеть позволяет совместно использовать как физические ресурсы
подключенных к ней ПК: дисковые накопители, принтеры, сканеры,
модемы, приводы CD-ROM и другие периферийные устройства, — так и
информационные ресурсы: каталоги, файлы, прикладные программы, игры,
базы данных и т. д.
Организация сети и работа в ней, возможно, покажется сложной для
неискушенного пользователя. Однако на самом деле это совсем не так.
Небольшую сеть можно создать даже собственными силами, используя
специально предназначенное для этого оборудование и программное
обеспечение.
С точки зрения пользователя работа в сети организована так, что
обращаться с сетевыми ресурсами можно будет точно так же, как и с
локальными, т. е. с ресурсами, имеющими отношение только к данному
компьютеру. Например, если сетевые каналы достаточно скоростные, вы
даже можете не заметить, на какой диск были записаны используемые
вами данные — на локальный или на сетевой. К удобствам человек
обычно привыкает очень быстро, поэтому, поработав в сети некоторое
время, вы уже вряд ли захотите от нее отказаться и будете
удивляться, как это раньше могли обходиться без этого.
Устроена компьютерная сеть довольно просто. Тем не менее, существует
большое многообразие различных схем соединения компьютеров в сеть.
Начнем рассмотрение с самого примитивного способа. Речь идет о
соединении двух компьютеров при помощи так называемого
нуль-модемного кабеля . При этом COM-порт одного компьютера
соединяется с COM-портом другого (возможно и соединение через
LPT-порты, причем даже более скоростное. — Прим. ред.) Разъемы
COM-портов бывают 25- и 9-контактные, расположены они на задней
стороне системного блока компьютера и выглядят так, как это показано
на приведенных ниже рисунках 1 и 2.
Для того, чтобы обеспечить нуль-модемное соединение, необходимо при
помощи многожильного кабеля и соответствующих разъемов соединить
контакты COM-портов так, как это показано на приведенной ниже
таблице 1.
Лучше всего при этом использовать кабель на основе так называемых
витых пар. О такого рода кабелях мы поговорим более подробно ниже.
Максимальная теоретически возможная скорость обмена информацией
между COM-портами при подобном соединении для современных
компьютеров составляет величину в 115200 бит/с. Однако на практике
такие скорости возможны лишь при условии, что нуль-модемный кабель
очень короткий (меньше метра), т. е. когда системные блоки
компьютеров расположены в непосредственной близости друг от друга.
При увеличении длины кабеля скорость обмена будет быстро
уменьшаться, так что нуль-модемное соединение с длиной кабеля более
десятка метров практически не используется. В качестве программного
обеспечения, осуществляющего поддержку нуль-модемного соединения,
можно использовать стандартную утилиту «Прямое кабельное соединение»
(Direct Cable Connection), входящую в состав операционных систем
Windows 9x (либо воспользоваться старым добрым Norton Commander,
который работает с гораздо большим количеством ОС. — Прим. ред.).
Инсталлировать коммуникационную программу нужно на каждом из
компьютеров, при этом одному из них нужно присвоить атрибут
«Ведомый» (Host), а другому — «Ведущий» (Guest). (При данном способе
соединения передача данных, например, файлов, в конкретном сеансе
связи возможна лишь в одном направлении — от «Ведомого» компьютера к
«Ведущему». — Прим. ред.).
Главным и, пожалуй, единственным преимуществом нуль-модемного
соединения является его малая стоимость. Главный недостаток —
слишком малая скорость обмена данными. Ее хватит для того, чтобы
играть при помощи соединенных друг с другом компьютеров в игры, но
ее вряд ли можно считать достаточной для пересылки файлов, имеющих
хоть сколько-нибудь значительные размеры. Данное обстоятельство, а
также постоянное уменьшение стоимости сетевых адаптеров и других
компонентов, необходимых для создания более современных компьютерных
сетей, к настоящему времени практически перевело нуль-модемное
соединение в разряд музейных экспонатов. С другой стороны, Direct
Cable Connection до сих пор входит в состав даже наиболее
современных версий операционных систем Windows (например, в Windows
Me). Поэтому справедливо предположить, что нуль-модемное соединение
и сегодня может представлять интерес для тех, для кого малая
стоимость является главным критерием выбора. А также, возможно, для
тех, кто, влекомый естественным человеческим любопытством желает
поэкспериментировать со своим компьютером. Правда, следует заметить,
что для подобного рода «экспериментов» необходимо иметь
соответствующие знания и опыт, и если вы никогда не держали в руках
паяльника и не знакомы даже с основами схемотехники, то лучше
обратиться за помощью в изготовлении нуль-модемного кабеля к
специалисту (или приобрести готовый — прим. ред. ).
Перейдем теперь к более цивилизованным способам подключения
компьютеров в сеть. Практически любая современная локальная сеть
состоит из трех основных компонентов:
• оборудование: сетевые адаптеры (сетевые карты) и, если это
необходимо, концентраторы (хабы), коммутаторы (свитчи);
• коммуникационные каналы: кабели и соответствующие им разъемы;
• операционная система, поддерживающая управление локальной
компьютерной сетью: далее будет подразумеваться использование
Windows 9x как наиболее распространенной ОС среди частных
пользователей.
Для решения задачи совместимости продукции, выпускаемой разными
производителями, все типы используемых компьютерных сетей строго
стандартизированы. Стандартизации подверглись: пассивное
оборудование (кабели, разъемы и соответствующая им топология сети),
активное оборудование (сетевые адаптеры, хабы и т. д.), а также
протоколы передачи данных от одного компьютера к другому и
используемое программное обеспечение. В дальнейшем мы будем
рассматривать только локальные сети, организованные по стандарту
Ethernet . Наиболее популярными реализациями Ethernet являются:
10Base2, 10BaseT и 100BaseTX, при этом о последнем варианте часто
говорят как о реализации Fast Ethernet.
Сетевой протокол определяет способ доступа узла к передающей среде
(кабелю) и способ передачи информации от одного узла к другому. В
названиях приведенных выше реализаций сетей Ethernet входит слово
Base . Это означает, что доступ узлов к передающей среде в них
осуществляется на основе технологии Baseband. Сеть Baseband — эта
такая сеть, которая предоставляет единственный канал для
коммуникаций в пределах сетевой среды, таким образом, одновременно
может передавать только одно устройство. Устройства в baseband сети
имеют право занимать всю доступную ширину канала для передачи. Для
того, чтобы избежать при этом одновременного использования канала
различными передающими устройствами, необходимо, чтобы каждый узел,
начав передачу, продолжал «прослушивать» сеть на предмет обнаружения
попытки одновременной передачи другим устройством — так называемой
коллизии. При возникновении конфликта, передача должна быть
незамедлительно прервана и может быть возобновлена по истечении
случайного промежутка времени. Поскольку такая задержка по времени
между моментом коллизии и следующей попыткой возобновления передачи
для каждого из «конфликтующих» устройств выбирается случайным
образом, вероятность того, что они оба опять начнут передачу
одновременно резко уменьшается. Правда, следует отметить, что
сказанное справедливо только для сетей, степень загрузки которых в
процентном отношении невелика. Ведь пока оба конфликтующих
устройства ожидают возможности возобновить передачу, может начать
передачу данных некое третье устройство. На практике уже при
загрузке 35-40 % в сети Ethernet коллизии возникают достаточно часто
и могут существенно замедлить работу. Поэтому эффективная работа
сети Ethernet возможна лишь при небольшом общем числе узлов в сети,
только в этом случае вероятность коллизий существенно снижается.
Оценить максимальное допустимое число узлов можно исходя, например,
из того факта, что для стандарта 10Base-2 существует ограничение в
30 машин на размер домена коллизий. Если же в сеть нужно объединить
большее число узлов, то такую сеть разбивают на отдельные сегменты,
которые соединяют между собой при помощи специального устройства —
им чаще всего становится так называемый коммутатор (Switch Hub).
Поскольку канал для передачи данных в сети является общим, то каждый
узел сети должен иметь возможность среди всех проходящих по ней
данных отличать те, которые предназначены именно для данного узла,
от остальных, т. е. для данного узла не предназначенных. Для того,
чтобы осуществить это, данные в сети распространяются в виде
пакетов, или по-другому фреймов (frames). Каждый такой пакет должен
содержать в себе представленную по специальному формату информацию о
том, какое сетевое устройство передало в сеть этот пакет, и для
какого сетевого устройства он предназначен. В каждом сетевом
устройстве (например, компьютере) необходимо установить сетевой
адаптер, или по-другому сетевую карту. Каждая должна иметь свой
собственный уникальный адрес в сети, так называемый MAC-адрес. При
этом она сможет эксклюзивно забирать из сетевого канала только те
пакеты (фреймы), которые предназначены именно для нее.
Устройства в сети просматривают сетевой трафик и ищут свой MAC-адрес
в каждом пакете, чтобы определить, должны ли они декодировать этот
пакет или нет. Если MAC-адрес устройства в сети не единственный, то
не будет возможности провести различие между двумя станциями сети,
имеющими совпадающие MAC-адреса. MAC-адрес представляет собой
шестнадцатиричный серийный номер, который для сетевых устройств
устанавливается во время их изготовления и обычно после этого не
изменяется. На тот случай, если по какой-либо причине MAC-адреса
разных устройств в сети окажутся совпадающими, они могут быть
изменены при помощи специальной программы.
Таким образом функцией сетевого адаптера является передача и прием
сетевых сигналов из кабеля. Адаптер воспринимает команды и данные от
сетевой ОС, преобразует эту информацию в один из стандартных
форматов и передает ее в сеть через подключенный к адаптеру кабель.
Выбирая тип компьютерной сети, мы прежде всего должны решить, какой
тип кабеля будет в ней использоваться. Ведь именно он обеспечивает
канал связи данного компьютера с остальными устройствами в сети.
Остановимся на рассмотрении только двух вариантов — коаксиального
кабеля и кабеля на основе витой пары. Устройство компьютерной сети
на основе волоконной оптики или с применением беспроводных
соединений (например, с использованием радиомодемов) вряд ли
подойдет для рядового пользователя ввиду их довольно высокой
стоимости.
Коаксиальный кабель (RG58) состоит из центрального проводника,
покрытого слоем полимерного изолятора, поверх которого расположен
другой проводник (экран). Экран представляет собой оплетку из
медного провода вокруг изолятора, а также обернутую вокруг оплетки
фольгу, поверх которой расположены внешний изолятор и защитная
оболочка. Коаксиальный кабель обеспечивает высокую
помехоустойчивость.
Типу сетевого кабеля соответствуют стандартные типы разъемов.
Для заделки концов коаксиального кабеля используют так называемые
разъемы BNC (смотри рисунок 3).
Они бывают разных видов. Например, есть разъемы под пайку, для
установки которых необходимо пропаивать электрические контакты.
Используют также так называемые обжимные разъемы на коаксиальный
кабель. Для их установки понадобится специальный инструмент. Проще
всего использовать разъемы, которые просто навинчиваются на кабель:
чтобы их установить, специального инструмента не требуется. На концы
кабельного сегмента обычно ставятся специальные заглушки
(терминаторы, рис. 4).
Для соединения участков кабеля между собой используют специальные
«тройники» — Т-коннекторы (рис. 5),
а также прямые преходы — I-коннекторы (рис. 6).
К каждой сетевой карте компьютера коаксиальный кабель подсоединяется
при помощи Т-коннекторов, для этого на самой карте соответственно
должен быть в наличии BNC-разъем (мама).
Кабель на основе витых пар (UTP (Unshielded Twisted Pair) —
неэкранированная витая пара) содержит две или более пары проводов,
закрученных друг вокруг друга и одновременно вокруг других пар в
пределах одной оболочки по всей длине кабеля. Скручивание позволяет
повысить помехоустойчивость кабеля и снизить влияние каждой пары на
все остальные. Каждая паpа состоит из провода, именуемого Ring и
провода Tip (названия родом из телефонии), имеет в оболочке свой
номеp, таким обpазом, каждый пpовод можно идентифициpовать как
Ring1, Tip1, Ring2, Tip2 и т. д. В соответствии с такой нумерацией
пpоводов каждая паpа имеет свою уникальную цветовую схему. Когда
количество пар невелико (например, 4 пары), для каждой паpы пpоводов
Ring-пpовод окpашен в основной цвет, а Tip-пpовод — в белый цвет с
полосками основного. Hапpимеp, для паpы №1 Ring1-пpовод будет синим,
а Tip1 — белым с синими полосками, далее оранжевый и белый с
оранжевыми полосками, зеленый и белый с зелеными полосками,
коричневый и белый с коричневыми полосками (рис. 7).
Для заделки концов кабеля на основе витой пары применяются так
называемые разъемы RJ-45 (восьмиконтактный модульный соединитель,
напоминающий по внешнему виду разъем для подключения импортных
телефонов, но значительно больший по размерам, рис. 8).
На рисунке 9 представлено схематическое изображение RJ-45 со стороны
кабеля, а также обозначен способ нумерации проводов в таком разъеме.

Возможные стандартные варианты разводки проводов приведены ниже в
виде таблиц, где указано соответствие между номерами контактов в
разъеме и идентификационными номерами проводов в кабеле (о цветовой
маркировке отдельных проводов уже говорилось выше).
Для кабеля, содержащего только две пары , — см. таблицу 2.
Для восьмижильного кабеля (четыре пары) существуют два стандартных
способа заделки, называющиеся, соответственно, 568A и 568B,
приведенные в таблице 3.
Оба этих варианта эквивалентны, поэтому можно выбирать любой из них
(обычно используют 568A). Остановившись на чем-то одном, следует в
дальнейшем придерживаться этой методики и при изготовлении всех
остальных разъемов в данной локальной сети.
Для установки RJ-45 жгут на конце кабеля нужно расплести на
отдельные провода, после чего последние расположить в одной
плоскости, и в таком виде вставить внутрь заготовки для разъема. Для
удобства выполнения такой операции в комплект заготовки для
изготовления разъема RJ-45 обычно входит специальная пластмассовая
вставка (смотри рисунок 10).
Расплетенные и расположенные в соответствии с описанным выше
способом провода кабеля вставляются в гнездо до упора, лишний провод
обрезается, затем вставка вместе с кабелем устанавливается в
заготовку разъема.
На новой, не использованной заготовке 8 металлических контактов,
находящихся внутри корпуса разъема, несколько выступающих за пределы
корпуса. Чтобы осуществить электрическое соединение контактов
разъема с проводами в кабеле, необходимо выступающие части контактов
утопить внутрь корпуса разъема. При этом внутренние заостренные
части контактов прорежут изоляцию проводов и воткнутся в их
проводящие жилы. Кроме того, должен быть также утоплен в корпус
специальный пластмассовый фиксатор провода, расположенный в задней
части заготовки. Для того, чтобы проделать эту операцию, как
правило, заготовку разъема со вставленными в нее проводами обжимают,
используя специальный инструмент. Но в домашних условиях в случае
аналогичный эффект достигается с помощью подручных средств,
например, обычной отверткой. Как это сделать — лучше всего узнать у
того продавца, у которого вы будете покупать заготовки для разъемов.
Как говорится: «Лучше один раз увидеть…». Следует иметь в виду, что
при установке разъемов на кабель расплетать жгут на отдельные
провода на конце кабеля нужно на как можно меньшее расстояние,
поскольку в месте нарушения оплетки в кабель могут попадать
нежелательные наводки от окружающего оборудования. Кроме того, такое
место на кабеле само является источником электромагнитных волн, что
будет приводить к дополнительным потерям энергии сигнала при его
распространении по кабелю, а значит, к чрезмерному затуханию
сигнала, что в конечном итоге ухудшит качество работы всей сети.
Чтобы подсоединить кабель на основе витой пары к сетевой карте
компьютера, на самой карте необходим разъем RJ-45 (мама). Для
удобства пользователя окончание кабеля, подводимое к сетевому
устройству, может быть оформлено в виде специальной розетки, по
внешнему виду напоминающей обычную телефонную. На ней имеется разъем
RJ-45 (мама), сетевое устройство при этом к розетке подключается с
помощью гибкого отрезка кабеля, имеющего на обоих концах разъемы
RJ-45 (папа) и называющегося патч-кордом.

Подключение разъемов RJ45 к сетевому оборудованию не отличается от
подсоединения (подключения) телефона к розетке. Вам нужно просто
вставить разъем в розетку до щелчка, таким образом он фиксируется и
вынуть его удастся, только нажав на фиксатор.
При покупке кабеля на основе витой пары, соответствующих ему
разъемов, розеток, патч-кордов, а также необходимого активного
оборудования (сетевых плат, хабов и т. д.), следует обратить особое
внимание на тот факт, что все эти элементы сетевого оборудования
подразделяются в зависимости от их физических характеристик на
несколько стандартных категорий. Так, для создания сети, позволяющей
осуществлять обмен информацией со скоростью до 10 Мбит/с, достаточно
использовать элементы оборудования категории 3. Для сети со
скоростью обмена до 100 Мбит/с необходимо, чтобы все элементы
оборудования имели категорию не ниже 5-й.
Выбор типа используемого кабеля на практике приводит также и к
однозначному выбору топологии сети. Топология сети (или скелет)
описывает схему физического соединения компьютеров. В настоящее
время используют два основных типа сетевой топологии.
Общая шина (Bus) — применяется при использовании коаксиального
кабеля (рис. 11).
В этом случае компьютеры соединяются в одну линию, по концам которой
устанавливают терминаторы, которые представляют собой резисторы,
подключаемые к обоим концам кабельного сегмента для согласования
волнового сопротивления кабеля. Сигнал, дошедший до конца сегмента,
поглощается терминатором — это позволяет избавиться от паразитных
отраженных сигналов в сети и избежать возбуждения в кабеле
нежелательных стоячих волн. Если терминаторы не устанавливать,
отраженный от конца кабеля сигнал вновь попадает в кабель — и в
данном случае он будет помехой и породит множество проблем вплоть до
полной неработоспособности сети. Преимущества шинной топологии
заключаются в простоте организации сети и низкой стоимости.
Недостаток — низкая устойчивость к повреждениям: при любом обрыве
кабеля вся сеть перестает работать, а поиск повреждения весьма
затруднителен.
Топология типа «Звезда» (Star) применяется при использовании кабеля
на основе витой пары (рис. 12).
Тут каждый компьютер подключается к специальному концентратору
(хабу).
Хаб (Hub) является усилителем-разветвителем сигнала, ретранслирующим
любой принятый с одного порта пакет на все остальные порты. То есть,
несмотря на звездообразность физической топологии сетки на витой
паре, построенной с помощью хаба, логически от коаксиала она не
отличается — та же самая общая шина со случайным доступом и
обнаружением коллизий.
Для сегментации сети вместо хаба может быть установлен свитч. Свитч
(Switch Hub) — это коммутатор пакетов, работающий по принципу
«запиши и передай дальше» (store & forward). То есть он строит в
специальном буфере памяти таблицу MAC-адресов всего сетевого
оборудования, которое подключено к его портам. Каждый принятый пакет
сначала помещается в эту буферную память, производится анализ адреса
получателя, и после этого пакет отправляется только в тот порт, к
которому подключен получатель пакета. Среди преимуществ
использования коммутатора — практически полное отсутствие коллизий,
а значит, возрастание пропускной способности сети при высокой
нагрузке.
(Продолжение следует)