Timeweb.Cloud

Приветствую, коллеги! Меня зовут @ProstoKirReal Мне бы хотелось с вами обсудить как работает интернет от кабелей на витой паре, соединяющие простые локальные сети до подводных коммуникационных кабелей соединяющие между собой континенты и основные операторские сети.

В предыдущей статье я рассказывал о коммутаторах, маршрутизаторах, их основных различиях и назначении, а также разбирал работу простых сетей на примере сетей с сетевым концентратором (хабом) и коммутаторами.

Рекомендую, перед прочтением, ознакомится с предыдущей статьей: Сложно о простом. Как работает интернет. Часть 1. Что такое коммутатор, маршрутизатор и примеры работы простых сетей

В этом цикле статей я не стану учить вас настраивать оборудование и проектировать сети. Я расскажу об основных (и не только) принципах построения сети, а также о функционировании сети и сетевых протоколов в стеке TCP/IP.

Я буду часто ссылаться к предыдущим статьям, где уже описывал сетевые протоколы. Это позволит мне сократить объемный текст.

❯ Зачем нужна эта статья?

Данная статья нужна нам для того, чтобы разобраться в базовых знаниях и разобрать:

• что такое сеть, подсеть, маска подсети;

• что такое сегментация сети с помощью маски, VLAN;

• примеры работы сети с разделением на сегменты.

❯ Что такое сеть, подсеть и маска подсети?

Сеть — это группа устройств, соединенных между собой для обмена данными. Примером может служить домашняя Wi-Fi-сеть, где ваш смартфон, ноутбук и умная колонка подключены к одному маршрутизатору.

Подсеть (subnet) — это часть более крупной сети. Она позволяет логически разделять сеть на меньшие сегменты, чтобы уменьшить трафик и повысить безопасность. Например, в офисе можно создать подсети для отделов: бухгалтерия, ИТ, ИБ, HR.

Маска подсети — это параметр, определяющий, какая часть IP-адреса относится к сети, а какая — к хосту.

Пример:

• IP-адрес: 192.168.1.10;

• маска подсети: 255.255.255.0.

Маска подсети указывает, что первые три октета (192.168.1) — это адрес сети, а последний (10) — идентификатор устройства.

IP-адрес можно представить как почтовый адрес: первая часть (адрес сети) — это как название улицы, общая для всех домов на этой улице, а вторая часть (адрес узла) — как номер дома или квартиры, уникальный для каждого дома на одной улице.

Если смотреть на IP-адрес слева направо, то сначала идет адрес сети до определенного символа, а затем адрес хоста. Граница перехода является плавающей и настраивается с помощью маски.

Одинаковые с виду IP-адреса могут оказаться адресами разных компьютеров в разных сетях.

Для того чтобы не было путаницы, придумали маску подсети. Маска подсети представляет собой набор единиц и нулей, в котором слева направо единицы идут подряд до какого-то символа, а потом до конца идут только нули.

При наложении IP-адреса на маску единицы указывают на то, что в адресе данные биты не будут меняться, а нули показывают, что данные биты будут уникальными и будут изменяться в зависимости от количества хостов.

Если перевести маску 11111111.11111111.11111111.00000000 в десятичную систему, то получится число 255.255.255.0, которое мы указываем в настройках сетевой карточки. Иногда мы говорим, что это 24-я маска, или в некоторых настройках IP-адреса вводим префикс /24. Это, простыми словами, означает количество единиц в маске: сначала идут 24 единицы, а затем 8 нулей.

❯ Почему IP-адреса так выглядят?

IP-адреса, которые мы видим, например, 192.168.1.1, — это их десятичное представление, удобное для человека. Но компьютеры работают с адресами в двоичном формате, где каждое число заменяется последовательностью из нулей и единиц.

Пример перевода в двоичный формат:

• число 0 → 00000000;

• число 1 → 00000001;

• число 2 → 00000010;

• число 3 → 00000011;

  ...

• число 255 → 11111111.

Каждый IP-адрес состоит из четырех частей, называемых октетами. Октет — это 8 бит, или 8 нулей и единиц.

Логика изменения чисел:

• при увеличении значения на 1, изменяется младший бит;

• если младший бит уже равен 1, изменяется следующий более старший бит.

Например:

• число 3: 00000011;

• число 4: 00000100.

Всего в одном октете может быть 256 значений: от 0 до 255.

❯ Как связаны IP-адрес и маска подсети?

Чтобы понять, какая часть IP-адреса относится к сети, а какая — к хосту, IP-адрес и маска подсети переводятся в двоичный вид.

Пример для 192.168.1.0/24:

• IP-адрес: 11000000.10101000.00000001.00000000

• маска:11111111.11111111.11111111.00000000

Первые три октета (24 бита, что соответствует маске /24) обозначают сеть. Последний октет используется для идентификации устройства.

❯ Сегментация сети: зачем она нужна и как работает

Сегментация сети — это процесс разделения сети на логические или физические части. Основные причины сегментации:

1.  Уменьшение трафика. В сегментированной сети пакеты данных отправляются только в нужный сегмент, а не ко всем устройствам;

2.  Сокращение широковещательного трафика. Повышаем производительность всей сети, путем сокращения широковещательных пакетов (ARP, DHCP) в сегментах сети;

3.  Повышение безопасности. Чувствительные данные можно изолировать в отдельном сегменте (Wi-Fiгостевой сети отделить от всей остальной сети);

4.  Упрощение управления. Легче управлять небольшими подсетями, чем одной большой сетью;

5.  Построение независимой логической сети. Логическая структура сети не зависит от физической структуры;

6.  Повышение эффективности общей сети. В совокупности всех факторов, повышается эффективность всей сети.

Пример

В компании используются две подсети:

• 192.168.1.0/24 — для отдела разработки;

• 192.168.2.0/24 — для отдела продаж.

Каждая подсеть изолирована, и данные между ними не пересекаются, если это не настроено вручную через маршрутизатор.

❯ Как разделить сеть на подсети?

Предположим, что нам выделили одну сеть — 192.168.1.0/24, но её необходимо разделить на несколько независимых подсетей.

Для этого нужно изменить префикс маски. Маска подсети определяет, как делится диапазон адресов на части.
Сеть можно представить как круг, который мы делим на части с помощью маски подсети.

Например, в сети 192.168.1.0/24 есть 256 адресов (от 0 до 255).

Если требуется разделить эту сеть на 4 независимые подсети, каждая из которых содержит по 60 адресов, нужно разделить 256 адресов на 4 равные части.

Результат:

• первая подсеть: от 0 до 63;

• вторая подсеть: от 64 до 127;

• третья подсеть: от 128 до 191;

• четвертая подсеть: от 192 до 255.

Каждая подсеть состоит из 64 адресов. Теперь нужно определить префикс маски для этих диапазонов.

❯ Определение маски подсети

Адреса подсетей в двоичном виде:

От 0 до 63 это:

• число 0 →  00|000000;

• число 1 →  00|000001;

  ...

• число 63 → 00|111111.

От 64 до 127 это:

• число 64 →  01|000000;

• число 65 →  01|000001;

  ...

• число 127 → 01|111111.

От 128 до 191 это:

• число 128 → 10|000000;

• число 129 → 10|000001;

  ...

• число 191 → 10|111111.

От 192 до 255 это:

• число 192 → 11|000000;

• число 193 → 11|000001;

  ...

• число 255 → 11|111111.

Из двоичного представления видно, что первые 2 старших бита определяют номер подсети, а оставшиеся 6 бит — уникальные адреса в ней.

Маска подсети:

• два старших бита фиксируются для определения подсети, а 6 младших бит используются для адресов внутри подсети;

• это соответствует маске /26, где 26 бит — часть сети, а оставшиеся 6 бит — для хостов.

Для определения маски лучше воспользоваться таблицей масок подсети, ее легко можно найти в интернете.

Правила деления сети

В сети 192.168.1.0/24 можно разделить адреса следующим образом:

• на 2 части (/25) — по 128 адресов в каждой подсети;

• на 4 части (/26) — по 64 адреса;

• на 8 частей (/27) — по 32 адреса;

• на 16 частей (/28) — по 16 адресов;

• на 32 части (/29) — по 8 адресов;

• на 64 части (/30) — по 4 адреса.

Дальнейшее деление невозможно, так как маска /31 оставляет только 2 адреса: один для сети и один для широковещательной рассылки. Уникальных адресов для устройств не остается.

❯ Формула расчета адресов

Количество доступных адресов в подсети можно рассчитать по формуле:
2^n - 2, где n — количество бит, оставшихся для хостов.

Пример:

• для маски 255.255.255.192 (или /26) остается 6 бит на адреса;

• всего: 26=6426=64 адреса;

• из них:

  • один адрес используется для обозначения подсети (192.168.1.0);

  • один адрес зарезервирован для широковещательной рассылки (192.168.1.63).

Таким образом, доступно 62 адреса для хостов.

❯ Разберем пример работы на коммутаторах

Я уже рассказывал в предыдущей статье, как работает сеть при подключении нескольких устройств к одному или нескольким коммутаторам.

В нашей сети есть несколько компьютеров:

• 192.168.0.1/26 — из сети 192.168.0.0;

• 192.168.0.2/26 — из сети 192.168.0.0;

• 192.168.0.65/26 — из сети 192.168.0.64;

• 192.168.0.66/26 — из сети 192.168.0.64.

Поведение коммутатора:

• коммутатор на уровне 2 (канальный уровень) не анализирует IP-адреса или маски. Он работает с MAC-адресами и будет передавать трафик между портами, основываясь на своей таблице MAC-адресов;

• при широковещательном ARP-запросе, он будет передаваться каждому компьютеру в общей сети.

Если компьютер 192.168.0.1/26 захочет обменяться пакетами с хостом (конечным устройством) 192.168.0.2/26, то между ними произойдет ARP и ICMP обмен без проблем, так как эти устройства находятся в одной подсети.

Но если компьютер 192.168.0.1/26 захочет обменяться пакетами с хостом 192.168.0.66/26, то ARP-запрос поступит на этот узел, но ARP-ответа не будет, так как 192.168.0.66/26 находится в другой подсети.

Для того чтобы устройства из разных подсетей могли обмениваться информацией между собой, необходимо настраивать маршрутизацию пакетов через шлюз. Об маршрутизации расскажу в следующей статье.

❯ А что, если в нашей сети будут IP-адреса из разных подсетей?

В нашей сети есть несколько компьютеров:

• 192.168.0.1/24 — из сети 192.168.0.0;

• 192.168.0.2/24 — из сети 192.168.0.0;

• 192.168.0.65/26 — из сети 192.168.0.64;

• 192.168.0.66/26 — из сети 192.168.0.64.

Обзор ситуации:

• компьютеры с маской /24 (255.255.255.0) считают, что вся сеть 192.168.1.0 - 192.168.1.255 является одной подсетью;

• компьютеры с маской /26 (255.255.255.192) интерпретируют ту же сеть как четыре отдельных подсети:

  • 192.168.1.0 - 192.168.1.63;

  • 192.168.1.64 - 192.168.1.127;

  • 192.168.1.128 - 192.168.1.191;

  • 192.168.1.192 - 192.168.1.255.

Из-за этого компьютеры с разными масками «видят» разные границы сети и могут по-разному интерпретировать, куда направлять трафик.

Поведение сети

Обмен данными между устройствами с одинаковыми масками:

• компьютеры с маской /24 смогут общаться между собой без проблем, так как они считают, что находятся в одной и той же подсети;

• то же самое относится к компьютерам с маской /26, если они находятся в одном и том же диапазоне подсети (например, оба находятся в диапазоне 192.168.1.0 - 192.168.1.63).

Обмен данными между устройствами с разными масками:

• если компьютер 192.168.0.1/24 пытается отправить данные устройству 192.168.0.65/26, он будет считать это устройство частью своей подсети и отправит пакет напрямую (через ARP-запрос);

• однако компьютер с маской 192.168.0.65/26, интерпретируя свою подсеть, может считать, что отправитель находится в другой подсети. В этом случае он будет ожидать маршрут через шлюз. Если шлюз не настроен или отсутствует, связь не состоится.

Поведение коммутатора:

• коммутатор на уровне 2 (канальный уровень) не анализирует IP-адреса или маски. Он работает с MAC-адресами и будет передавать трафик между портами, основываясь на своей таблице MAC-адресов;

• коммутатор не сможет предотвратить конфликтов из-за разной интерпретации подсетей на устройствах.

❯ Возможные проблемы

1. Проблемы с доступностью узлов. Устройства с разными масками могут не видеть друг друга или неправильно направлять пакеты.

2. ARP-конфликты:
   

   • устройства с маской /24 могут отправлять ARP-запросы на весь диапазон адресов 192.168.1.0 - 192.168.1.255, что приведет к ненужному трафику;

   • устройства с маской /26 будут игнорировать запросы, если считают отправителя из другой подсети.

3. Отсутствие маршрутизации. Если не настроен шлюз, устройства с разными масками не смогут обмениваться данными, даже если физически находятся в одной сети.

4. Сложности диагностики. Администратору будет сложно понять, почему некоторые устройства не видят друг друга.

Если не предпринять никаких действий, сеть будет работать нестабильно, и часть устройств не сможет взаимодействовать. Чтобы исправить это, нужно либо унифицировать маски, либо грамотно настроить маршрутизацию и VLAN.

❯ Что такое VLAN

VLAN (Virtual Local Area Network) — это технология, которая позволяет разделять устройства на разные логические сегменты внутри одной физической сети. Основное назначение VLAN — повышение безопасности, улучшение управляемости и оптимизация трафика в локальных сетях.

Пример использования VLAN

На коммутаторе можно создать VLAN для бухгалтерии, присвоив ему ID 10, и VLAN для IT с ID 20. Устройства в разных VLAN не видят друг друга, даже если они физически подключены к одному коммутатору. Это позволяет изолировать данные и уменьшить количество широковещательного трафика.

Основные преимущества VLAN

1.  Изоляция трафика. Устройства в разных VLAN не могут обмениваться данными без маршрутизации через Layer 3 устройства (маршрутизаторы или L3-коммутаторы).

2.  Безопасность. VLAN предотвращают случайный или намеренный доступ устройств из других сегментов сети.

3.  Оптимизация. Разделение на VLAN уменьшает нагрузку на сеть, так как широковещательные запросы остаются внутри VLAN.

4.  Гибкость. Устройства можно объединять в одну VLAN, даже если они подключены к разным физическим коммутаторам (при наличии транковых  соединений).

Технология 802.1Q

IEEE 802.1Q — это стандарт для тегирования кадров Ethernet, используемый для идентификации VLAN. Когда кадр проходит через коммутатор с поддержкой VLAN, в его заголовок добавляется специальный тег 802.1Q. Подробнее о структуре такого пакета я говорил в этой статье.

Взаимодействие VLAN через магистральные (транковые) порты

Для передачи трафика нескольких VLAN между коммутаторами используются магистральные порты. Магистральный порт помечает каждый кадр тегом 802.1Q, чтобы принимающая сторона знала, к какой VLAN он принадлежит. Это позволяет устройствам из одной VLAN, находящимся на разных коммутаторах, общаться друг с другом.

Пример: если два коммутатора соединены магистральным портом, и у обоих настроены VLAN с ID 10 и 20, то устройства VLAN 10 на первом коммутаторе смогут взаимодействовать с устройствами VLAN 10 на втором.

Внедрение и настройка VLAN

Процесс настройки VLAN обычно включает следующие шаги:

• создание VLAN на коммутаторе и присвоение ей уникального идентификатора (ID);

• назначение портов VLAN, в том числе выбор типа порта — access или trunk;

• настройка транковых портов для взаимодействия VLAN между коммутаторами;

• конфигурирование маршрутизации между VLAN (если требуется обмен данными между сегментами).

Примеры использования VLAN

1.  Сегментация сети по отделам. Бухгалтерия, ИТ, HR — каждое подразделение получает свой VLAN.

2.  Гостевой доступ. Создание изолированного VLAN для подключения гостей без доступа к основной корпоративной сети.

3.  Поддержка IP-телефонии. Выделение отдельного VLAN для VoIP-трафика для обеспечения качества связи.

4.  Сетевая безопасность. Разделение трафика для минимизации риска несанкционированного доступа.

❯ Примеры работы VLAN на коммутаторах

Для наглядности разберем работу VLAN в сети с несколькими устройствами и двумя коммутаторами.

Устройства в сети:

• компьютер №1: 192.168.0.1, VLAN ID № 2;

• компьютер №2: 192.168.0.2, VLAN ID № 2;

• компьютер №3: 192.168.1.1, VLAN ID № 3;

• коммутатор №1 и №2: MAC-таблица изначально пуста.

Шаг 1: ARP-запрос

Когда компьютер №1 отправляет «ping» на компьютер №2, он сначала формирует ARP-запрос для определения MAC-адреса получателя.

На стороне компьютера: ARP-запрос изначально не содержит VLAN ID и не имеет тега в заголовке.

На коммутаторе №1: Запрос поступает на access-порт, где ему присваивается VLAN ID 2 (так как этот VLAN настроен на порту).

Действия коммутатора №1:

• в MAC-таблицу добавляется информация о MAC-адресе Компьютера №1;

• поскольку MAC-адрес Компьютера №2 еще неизвестен, запрос отправляется на trunk-порт с добавленным VLAN ID 2.

Действия коммутатора №2:

• после получения пакета на trunk-порту, коммутатор добавляет MAC-адрес Компьютера №1 в свою MAC-таблицу;

• затем VLAN тег снимается, и запрос рассылается во все активные access-порты с VLAN ID 2.

Ответ от Компьютера №2:

• компьютер №2 отвечает на ARP-запрос, формируя ответный пакет. Этот пакет изначально не содержит VLAN тега.

Действия коммутаторов:

• на access-порту коммутатора №2 пакету снова присваивается VLAN ID 2;

• пакет передается через trunk-порт коммутатору №1, который снимает VLAN тег и направляет его на порт, соответствующий MAC-адресу Компьютера №1.

После завершения ARP-обмена начинается ICMP-обмен между Компьютером №1 и Компьютером №2

ICMP-запрос от Компьютера №1:

• формируется без VLAN тега;

• коммутатор №1 присваивает пакету VLAN ID 2 и отправляет его через trunk-порт;

• коммутатор №2 снимает VLAN тег и передает пакет Компьютеру №2.

ICMP-ответ от Компьютера №2:

• проходит тот же путь, но в обратном направлении.

Добавление нового устройства

Теперь добавим в сеть Компьютер №4 с IP-адресом 192.168.1.2 и VLAN ID 3. Он подключен к access-портукоммутатора №2.

Если Компьютер №3 отправляет «ping» на Компьютер №4, происходит следующий процесс:

1. ARP-запрос от Компьютера №3:
   

   • запрос не имеет VLAN тега;

   • коммутатор №1 присваивает пакету VLAN ID 3 и передает его через trunk-порт коммутатору №2;

   • Коммутатор №2 снимает VLAN тег и направляет запрос Компьютеру №4.

2. ARP-ответ от Компьютера №4. Ответ возвращается аналогичным образом, с добавлением и снятием VLAN тега на каждом коммутаторе;

3. ICMP-обмен.После ARP-обмена происходит ICMP-обмен между Компьютером №3 и Компьютером №4, используя тот же путь.

❯ Анализ MAC-таблиц

После завершения обмена ARP и ICMP, в MAC-таблицах коммутаторов можно заметить, что:

• У trunk-порта на каждом коммутаторе будут указаны несколько MAC-адресов, каждый из которых привязан к своему VLAN ID.

Важно: Trunk-порт должен быть правильно настроен для передачи трафика с несколькими VLAN ID. Ошибки в настройке могут привести к потере пакетов и некорректной работе сети.

❯ Заключение

В этой статье мы разобрали ключевые понятия: сеть, подсеть, маска подсети, сегментация сети с помощью маски и VLAN.

В следующей статье разберем как работает маршрутизация в сети.

Эти знания помогут вам лучше понимать, как проектировать и администрировать сети. Если у вас остались вопросы, пишите в комментариях, и я постараюсь на них ответить!

Немного важной информации

Коллеги, добрый день! Я создал Telegram-канал от сетевика для сетевиков.
Если ты сетевой инженер, системный администратор, разработчик, студент или просто увлекаешься сетями — тебе сюда.

Что тебя ждет?

• Разборы глобальных сбоев и неожиданных сетевых проблем.

• Мини-статьи с полезными фишками и объяснением сложных тем простым языком.

• Истории из жизни сетевиков — в том числе от подписчиков.

Ссылка на канал: https://t.me/ProstoKirReal

Написано специально для Timeweb Cloud и читателей Пикабу. Больше интересных статей и новостей в нашем блоге на Хабре и телеграм-канале.

Хочешь стать автором (или уже состоявшийся автор) и есть, чем интересным поделиться в рамках наших блогов — пиши сюда.

Облачные сервисы Timeweb Cloud — это реферальная ссылка, которая может помочь поддержать авторские проекты.

Я думаю, многие в курсе о том, что недавно в Париже торжественно открыли отреставрированный после большого пожара Собор Нотр-Дам-де-Пари. Однако знаете ли вы, что пожар не успели вовремя потушить, так как новый охранник получил от сигнализации код ZDA-110-3-15-1 (привет UX!) вроде как указывающий на точное место возгорания. Но охранник не смог его интерпретировать и 30 минут просто искал, где это место. За это время пожар успел разгореться и потушить его уже не получилось. На реставрацию потратили более 900 миллионов долларов. Хорошая цена за плохой UI/UX, не правда ли?

Я уже много лет пишу о дизайне и его необходимости для избегания ошибок, поэтому этот случай для меня стал хрестоматийным. Давайте чуть подробнее опишем события.

Как французское национальное достояние, Нотр-Дам имел собственную систему пожарной сигнализации. Это была довольно продвинутая система, которая была разработана и спроектирована специально для церкви. Поэтому, когда пожар начал развиваться — предположительно как тлеющий огонь — она подала сигнал тревоги.

Так исторически сложилось, система Собора не была подключена напрямую к службе пожарных, а подавала сигнал на пульт собственной охраны. Выдаваемый на пульте код в цифренно-буквенном формате, в представлении инженеров, проектировавших систему, однозначно определял расположение сработавшего датчика. Но это для обученных сотрудников. Для совсем уж клинических случаев предполагался небольшой талмудик с расшифровкой кодировки, который куда-то положили.

И все вроде бы работало. Но в тот день дежурил новый охранник — это был его 3-й день на посту — обучить которого интерпретации забыли или не успели (тут, кстати, кроется еще больший вопрос — умели ли это делать более опытные охранники или это знание было утеряно).

После срабатывания сигнализации в 18:20 сотрудник получил код «Attic Nave Sacristy ZDA-110-3-15-1 aspirating framework», но не смог его правильно истолковать. Взволнованный, он позвонил своему менеджеру, но тот не взял (!) трубку. Охранник как смог самостоятельно интерпретировал сигнал и послал стражу на чердак небольшой ризницы, которая находится рядом с самой церковью.

А пожар тем временем разгорался под крышей основного здания.

Прошло 25 минут, прежде чем ошибка была обнаружена (видимо перезвонил менеджер и люлями помог интерпретировать код). Все это время охрана склонялась к версии о ложном срабатывании.

После правильной интерпретации охранник немедленно отправился к потолку церкви. Обнаружив огонь, он быстро (ключевое слово во всей этой истории) дал указание собственному подразделению пожарной охраны церкви позвонить в пожарную службу. К этому моменту прошло уже 30 минут с момента срабатывания первой сигнализации, и 25 из них были потрачены впустую на поиски пожара не в том месте.

К чему это привело, мы знаем. Потушить пожар удалось лишь спустя более 12 часов, а от огня обрушился шпиль и провалилась крыша Собора. Также огонь уничтожил деревянный каркас и интерьер Нотр-Дам-де-Пари. Чтобы восстановить всю эту красоту, потребовались почти миллиард долларов (их собирали всем миром) и срок в 5,5 лет на строительные и отделочные работы. А все из-за человеко-не-читаемого кода, придуманного инженерами по пожарной безопасности и черти где лежащей инструкции. Ну и как написали у меня в комментариях в блоге — странно, что код не выводился в виде QR. Ну чтобы было совсем весело.

❯ Что дальше

Как пишут источники, во время восстановления Нотр-Дам оборудовали современной системой пожаротушения стоимостью 2 млн. евро. Она включает в себя резервуар на 625 куб. воды и более 1 километра труб с увеличенным диаметром для подачи почти 600 тыс. литров воды в час. Забавно, что и старая система, как мы видим, работала и даже точно указывала на место возгорания. Однако упоминаний про новую систему уведомлений на пожарном пульте я найти ничего не смог.

❯ К каким еще проблемам приводил плохой дизайн

Описанная выше история — хорошо действующий пример для случаев, когда приходится отстаивать важность UX-решений. Особенно в промышленности или производстве, где цена ошибки очень высока. Но если вам нужно больше аргументов, то вот еще один интересный пример: как плохой дизайн привел к скандалу на конкурсе «Мисс Вселенная 2015».

Дело в том, что во время подведения итогов из-за ошибки ведущего корона сначала была вручена мисс Колумбия, а затем, через две минуты, перешла к Филиппинам.

Казалось бы, все просто: вина полностью лежит на ведущем конкурса Стиве Харви, перепутавшем имена. Однако если посмотреть на размещение информации на карточке, то оказывается, что ведущий не так уж и невнимателен, а вина больше лежит на дизайнере карточки.

Посмотрите на этот снимок. Можете ли вы сразу найти имя победителя? Лично я бы назвал победителем Колумбию (1-е место), тогда как правильный ответ написан мелким шрифтом в правом нижнем углу под огромной надписью Miss Universe. В суматохе конкурса, находясь в немного взволнованном состоянии, Харви быстро выделил первое и второе место и назвал победителя. И только потом обнаружил дополнительную запись.

А какие истории, связанные с плохим UX знаете вы?

Написано специально для Timeweb Cloud и читателей Пикабу. Больше интересных статей и новостей в нашем блоге на Хабре и телеграм-канале.

Хочешь стать автором (или уже состоявшийся автор) и есть, чем интересным поделиться в рамках наших блогов (за вознаграждение) — пиши сюда.

Облачные сервисы Timeweb Cloud — это реферальная ссылка, которая может помочь поддержать авторские проекты.

📚 Читайте также:

• Полезные паровозики часть 1: введение в железнодорожный моделизм

• Как мы задумали небольшую выставку, а в итоге открыли два неизвестных советских компьютера

• Предательские фото: две истории о том, как ЦРУ по шакалистым фотографиям раскрывало ядерные секреты СССР

Кто из вас, дорогие читатели, не испытывал восторга, впервые увидев модельную железную дорогу — миниатюрные поезда, которые выглядят и, главное, ездят как настоящие? Кажется в любую эпоху это была топовая игрушка для тинейджеров и крутое хобби для взрослых. Но первым восторгом зачастую все и заканчивалось — старший брат или дядя говорил, что ни за что не отдаст (мой случай!), ценники в магазинах или на Авито поддерживали (красивый состав с хорошей детализацией даже без цифрового управления может потянуть на стоимость RTX4090!), да и места дома, казалось бы и нет.

И все же, я уверен, многим из вас будет интересен рассказ о столь классном хобби, а кто-то может быть даже захочет в него окунуться, ведь помимо красивых поездов, тут есть много интересного.

Для меня железная дорога началась лет пять назад, когда младший сын попросил в подарок на Новый год стартовый набор, а я решил, что раз у меня не было такого в детстве, то уж у сына точно должно быть. Модельки это для детей, говорили они… Я, конечно, уже догадывался, что нет — к тому моменту я уже собирал модельки машин любимой марки, но вы не понимаете, это другое)))

Начало было плавным — стартовый набор с тепловозом, товарными вагончиками, овалом путей и минимальным пультом управления. Годом позже добавился паровоз и пара пассажирских вагонов. Когда я покупал вагоны сыну, приглядел пару красивых вагонов и для себя, и завертелось… Я узнал про уровни моделей, взаимодействие девайсов различных производителей, эпохи и, наконец, про макеты и системы управления! Теперь терпите, я обо всем этом постараюсь рассказать!

В первой части я расскажу самую базу — окунусь в историю, покажу разные масштабы и кратко пройдусь по системам управления. Во второй начнем более глубокое погружение в теорию — рассмотрим направления в моделизме, интересные фичи моделей и полезные (или просто красивые) аксессуары, разные типы рельсового материала и пройдемся по ключевым производителям. Потом будет самое интересное — я расскажу, как я собирал цифровую систему управления. Какие компоненты выбирал, как настраивал и как из аналоговой модели сделать цифровую.

А теперь поехали!

❯ Немного истории

Уложиться в формат «немного» будет непросто, ведь история этого хобби насчитывает больше ста лет! Первые клубы моделистов появились еще в середине XIX века, но это были очень суровые ребята, которые все делали своими руками и стремились к максимальной реалистичности, а двигатели их моделей были механическими (заводными!) или паровыми, ведь электрическая эпоха только начиналась и не было ни доступных электродвигателей, ни источников питания.

Ближе к началу ХХ века стали появляться технические игрушки, моделями их назвать сложно, но они уже были относительно доступны — дороги и поезда, также с механическими, но иногда и паровыми двигателями. А вскоре добавились и электрические.

Одной из ключевых вех стало появление игрушек и моделей промышленного производства фирмы Märklin в 1891 году. По сей день, это компания остается одним из законодателей мод в мире моделизма, а ее изделия — желанными приобретениями многих коллекционеров.

Начинается бурное развитие этого вида хобби и на долгое время игрушечное и модельное направление практически сливаются — наборы заводского производства обеспечивали более высокий уровень реалистичности, чем большинство изделий энтузиастов. Пик популярности приходится 30-50-е года ХХ века, В это время появляется множество известных сегодня производителей, формируются привычные сегодня масштабы моделей и расширяется ассортимент аксессуаров.

Но вскоре мода меняется — автомобильные, авиационные и космические игрушки выходят на первый план. Но в то же время, стремясь сохранить клиентов и выйти на новые рынки, прежние производители железнодорожных игрушек начинают обращать внимание на коллекционеров и моделистов, усложняя системы управления и повышая уровень детализации и реалистичность моделей.

Интересно, что многие известные фигуры из истории ИТ тоже предавались этому увлечению. Интересные пример влияния хобби на индустрию приводит Кеннет Олсон из DEC в своем интервью от сентября 1988 года: «Мы использовали японские лампы для моделей железных дорог, по одной на каждый триггер. Мы шутили, что, вероятно, сбили с толку и озадачили наблюдателей за этой отраслью этим заказом!».

Также в 70х годах железная дорога на стыке игрушки и моделизма становится популярной и в СССР. Причем помимо наборов локального производства, зачастую довольно неплохих по своему уровню, но доступных в основном продвинутым моделистам, значительную часть рынка занимали восточногерманские PIKO и Berliner TT Bahnen.

К началу 80-х в Европе и Америке начинают появляться первые цифровые системы управления, они позволяли упростить управление большими и сложными макетами со множеством поездов и аксессуаров, а также добавить новые возможности, связанные дополнительными эффектами.

Впрочем, и аналоговые системы были к тому моменту весьма продвинуты — паровозы с парогенераторами, блок-участки, семафоры и светофоры, разнообразная подсветка и даже звуковые эффекты.

Развитие продолжается и сейчас — цифровые системы управления становятся все более доступными и популярными, детализация улучшается, появляются новые функции моделей и систем управления. Вот только в связи с ориентацией на обеспеченных энтузиастов большая часть фич, которые выходят за рамки базовых, популяризируются довольно медленно, а системы управления развиваются намного медленнее, чем идет технический прогресс. Но об этом — в отдельном материале про цифру в моделизме!

❯ Стандарты? Стандарты!

Что было для меня удивительно, в этом хобби имеют место официальные стандарты (и не только набор стандартных масштабов, как в случае автомоделизма). Еще в 1935 году в США, для выработки стандартов, связанных с этим хобби появилась ассоциация моделистов NMRA, к которой в 1954 году присоединилась европейская MOROP (нем. MOdellbahn + EuROPe), создавшая серию стандартов NEM. Благодаря им сейчас мы можем собрать в одном составе модели разных производителей, управлять ими одним пультом и даже совмещать цифровые компоненты разных марок!

Ключевые для нас стандарты:

• Масштабы — H0 (1:87), TT (1:120) и N (1:160) и их производные для узкой колеи, а также садовый масштаб G (1:22.5).

• NEM 362 — стандарт «шахты» (крепления) для сцепок, позволяющий собирать составы из вагонов разных производителей (например, у меня тепловоз М62 от PIKO водит вагоны от Евротрейн).

• DCC — самый популярный стандарт цифрового управления.

• RailCom, RailcomPlus — расширения DCC для возможности двунаправленного обмена данными с подвижным составом.

• NEM 652 и 658 — интерфейсы подключения декодеров 8-pin и PluX (на самом деле их больше, но эти самые популярные).

❯ Масштаб. Больше или меньше?

Масштаб — это то, с чего всегда начинается выбор пути моделиста. Если все остальное, даже систему управления можно сменить относительно разумными ресурсами, то смена масштаба — это замена почти всего модельного хозяйства. Рельсы и подвижной состав — это только начало, как правило приходится менять все «околопутевые» аксессуары и даже строения на макете. И если у вас в макете будут машинки — то и их тоже! Разве что систему управления можно оставить в большинстве случаев.

Поэтому выбор лучше сделать правильный изначально. И на самом деле выбор этот не такой сложный. Если сомневаетесь — выбирайте H0 (1:87) — он самый популярный и к нему всегда можно найти любые модели и аксессуары. С него и начнем.

1:87 (H0 / H0m / H0e)

Самый популярный масштаб для железнодорожного моделизма в мире. Половина (Half 0) от более раннего 1:43.5 (так же известный как просто 0), на основе которого вырос самый популярный масштаб у автомобилистов — 1:43.

При достаточно разумных габаритах моделей и макетов в целом, обеспечивает хорошую детализацию и функциональные возможности. В моделях не так сложно найти место для декодера, динамика и дополнительной подсветки. Также благодаря популярности, модели имеют и достаточно разумные цены.

Для моделей стандартной колеи (1435/1520 мм) ширина модельной колеи принимается равное 16.5 мм, для метровой — 12 мм (совпадает со стандартной для масштаба ТТ), для узкой — 9 мм (совпадает с N). Для остальных масштабов узкоколейные версии куда менее распространены.

Основной недостаток — даже простой макет потребует достаточно места, для чего-то более масштабного — отдельной комнаты. В моих планах — обустроить железнодорожное гнездо на чердаке.

Длина модельных вагонов зачастую достигает 300 мм и более, даже несмотря на уменьшенное в сравнении с реальными поездами количество вагонов в составах, длина поезда будет превышать метр (локомотив и три вагона).

В этом масштабе выпускается множество оживляющих макет вещей — дома, уличные предметы, машинки. Именно в этом масштабе построен самый известный макет России — «Гранд Макет».

1:120 (TT, TableTop)

Занимает второе место по популярности и имеет множество преданных фанатов по всему миру. Некоторые компании работают исключительно с этим масштабом. Ценится за компактность (ориентирован на настольные инсталляции) и сохраняет достойную детализацию, хотя и уступает H0. Использует колею 12 мм.

Был весьма распространен среди коллекционеров СССР. В наше время несколько потерял в популярности. Модели несколько дороже, ввиду меньших масштабов производства и сложности детализации в меньшем масштабе.

В макетах как правило используются строения соответствующего масштаба, но иногда уместно смотрятся и строения в 1:87. Модели машин в масштабе ТТ уже довольно упрощенные, но еще вполне узнаваемые.

1:160 (N)

Самый компактный из популярных масштабов. Использует 9 мм колею и позволяет сделать полноценный макет совсем небольшого размера, меньше чем метр на метр. Модели как правило (но не всегда!) имеют заметно упрощенную детализацию. Из-за маленьких колес — очень требователен к качеству пути, в противном случае возможны сход и плохой электрический контакт.

Модели в этом масштабе как правило дороже, чем в Н0 и ТТ, из-за сложности изготовления и меньших объемов производства.

Из-за компактных размеров весьма популярен в Японии, благодаря японским компаниям в нем доступно множество весьма любопытных моделей.

Для цифрового управления требует специальных миниатюрных декодеров. Требует строений и моделей авто соответствующего масштаба, причем модели машин уже весьма упрощены и узнаваемы в основном наиболее выделяющиеся по дизайну автомобили.

1:22.5 (G, Garden)

Этот масштаб стоит особняком. При достаточно больших размерах имеет несколько упрощенную детализацию (не всегда!), но это не так важно, ведь этот масштаб подразумевает использование на открытом воздухе. Исходя из этого и создаются модели, а несколько меньшая детализация обуславливается большим расстоянием наблюдения и более жесткими условиями эксплуатации.

Модели строений также выпускаются в этом масштабе. Модели автомобилей зачастую берутся масштаба 1:24. Но часто обходятся вовсе без них.

Из-за габаритов моделей увеличен и потребляемый ток, поэтому часто для систем управления используются усиленные компоненты, некоторые производители выпускают отдельные линейки систем для этого масштаба.

Микромасштабы (Z — 1:220, T — 1:450 и 1:480)

Масштабы с шириной колеи 6.5 мм и 3 мм — экзотика не только у нас, но и в всем мире. Вещь в себе, позволяющая носить свое хобби с собой, но не имеющее такой развитой экосистемы, как более крупные масштабы.

Масштаб Z был создан компанией Märklin в 1972 году для демонстрации возможностей. В многом схож с N, но позволяет строить еще более миниатюрные макеты. Как и более крупные масштабы позволяет использовать цифровые системы управления.

Масштаб T — создан в 2006 японскими компаниями и является примером экстремальной миниатюризации. Отлично сочетается при этом с моделями кораблей и самолетов для которых масштаб не является чем-то особенным. Цифровые системы на базе этого масштаба мне найти не удалось.

Мой выбор

Приведённым списком набор масштабов не ограничивается, но рассматривать другие стоит, если вы уже сделали первые шаги в этом хобби и понимаете, что дальше хотите чего-то особенного.

Как я уже говорил — выбор масштаба это личное дело каждого. Но я решил не идти каким-то особым путем, а выбрал популярный и визуально привлекательный масштаб — H0, сначала с простой аналоговой системой управления, но около года назад перешел на цифровую DCC.

Также у меня есть небольшой макет N, который мне достался в обмен на пару ставших неинтересными мне моделей автомобилей. Я взял его из интереса для знакомства с масштабом. В свою очередь моя супруга хоть и не особо приветствует мое хобби (ей больше по душе автомобили), хотела на придомовом участке построить дорогу масштаба G в качестве элемента ландшафтного дизайна. Но это дело не самого ближайшего будущего.

❯ Системы управления

Тут все как будто бы просто. Есть аналоговые системы и цифровые.

В аналоговой системе на рельсы подается напряжение, регулируемой ручкой на пульте управления («трансформаторе», хотя на самом деле он выпрямитель) и в зависимости от поданного напряжения все поезда на макете будут двигаться быстрее или медленнее, а изменением полярности меняется направление движения моделей. Для индивидуального управления потребуется разбить макет на участки, но сделать их достаточно много не удастся — попросту неудобно будет управлять множеством ручек. Другой недостаток —яркость света фар и подсветки салона будет также зависеть от напряжения. А вот зависимость производительности парогенератора от напряжения напротив добавляет реалистичности.

Стрелки и семафоры в аналоговой системе управляются кнопочными пультами. Это более сложно с точки зрения коммутации, но управление получается достаточно удобным. Поэтому часто «цифру» используют только для управления подвижным составом, а аксессуары подключают к аналоговым пультам.

Большинство макетов питаются постоянным током, используя пару рельс для передачи питания. Компоненты от Märklin традиционно использовали трёхрельсовую систему — боковые рельсы подключены к «земле», а вторым контактом является третий рельс, со временем превратившийся в едва заметные «грибочки» в середине шпал. Питание при этом выполняется переменным током.

Такая система позволяет более просто строить путевое развитие — в традиционной системе приходится избегать петель из-за опасности короткого замыкания и применять разбиение путей на отдельные блоки, но при этом требует использования специального (или модифицированного — большинство компаний выпускает модели в нескольких вариантах, а также наборы для переделки) подвижного состава со специальной «лыжей» для взаимодействия с контактным рельсом.

Цифровые системы управления свободны от основных недостатков аналоговых, но сложнее в освоении и дороже. В свою очередь они позволяют получить раздельное управление поездами, что удобно даже на первых шагах моделиста, а также в дальнейшем построить автоматику управления, благодаря которой макет станет более зрелищным, а процесс управления им — даже более увлекательным. Цифровые системы существуют как на базе традиционных двухрельсовых дорог с питанием постоянным током (в случае цифровой системы в него подмешан сигнал управления), так и на базе трёхрельсовых дорог переменного тока — такие решения сейчас набирают популярность.

Отдельной особенностью цифровых локомотивов является возможность озвучки движения и других активностей, связанных с поездом — использования дополнительного оборудования, гудков, объявлений и так далее. При этом большинство цифровых локомотивов могут быть использованы в аналоговом режиме. Будет работать озвучка движения и переключение света в зависимости от направления движения, но остальные функции останутся недоступны.

❯ Не совсем заключение

На этом, стоит сделать перерыв — очень уж много собралось информации. Лонгрид должен быть умеренно длинным. До встречи в продолжении!

❯ Полезные ссылки

Стандарты NEM — https://www.morop.org/index.php/en/nem-the-norms.html

Сайт NMRA — https://www.nmra.org/

Написано специально для Timeweb Cloud и читателей Пикабу. Больше интересных статей и новостей в нашем блоге на Хабре и телеграм-канале.

Хочешь стать автором (или уже состоявшийся автор) и есть, чем интересным поделиться в рамках наших блогов (за вознаграждение) — пиши сюда.

Облачные сервисы Timeweb Cloud — это реферальная ссылка, которая может помочь поддержать авторские проекты.

📚 Читайте также:

• Защита схемы от переполюсовки, что может быть проще?

• Как мы задумали небольшую выставку, а в итоге открыли два неизвестных советских компьютера

• Что показывает ваш мультиметр (напряжение или погоду на Марсе)?

Не могу сказать, что в ВУЗе я был закоренелым троечником, но единственное, что мне запомнилось из курса теории автоматического управления, что операционный усилитель с отрицательной обратной связью сам по себе уже является регулятором. Именно эту гипотезу я решил проверить, разрабатывая схему, которой посвящена статья.

Кроме регулятора на ОУ, схема содержит ШИМ-преобразователь на транзисторном источнике тока и компараторе для управления нагревателем и вентилятором, схему задержки на логических микросхемах, инфракрасный детектор дистанционного включения, схему индикации и, как обычно в моих проектах, ни одного микроконтроллера.

А если вы считаете, что регуляторы на операционных усилителях утратили свою актуальность, посмотрите современные методички некоторых вузов по ТАУ. ))

❯ Конструкция макета

Мое увлечение электроникой началось еще до того, как в широком обиходе появились радиоэлектронные компоненты для поверхностного монтажа (SMD). И их появление для меня стало манной небесной — это же сколько времени можно экономить радиолюбителю на сверлении бесконечного количества отверстий в печатной плате!

Достаточно давно я стараюсь обходиться без осевых компонентов. Но иногда находит тоска по былому и хочется помедитировать с пинцетом над формовкой гибких выводов и проволочных перемычек. Да и односторонние печатные платы не каждый день трассировать приходится. Именно это привело меня к разработке этой схемы.

Устройство представляет собой сушилку для рук, точно такую, как каждый может встретить во многих общественных местах. Общий вид печатной платы показан на фотографиях.

На фотографии можно заметить, что в качестве имитации нагревательного элемента использован мощный резистор, на корпус которого каптоновым скотчем приклеен датчик температуры. Вентилятор использовал обычный компьютерный. Датчик температуры — NTC-резистор на 10 кОм. В общем, механическая часть меня не очень интересовала, как-то обозначил ее наличие, и ладно.

Зато печатная плата получилась отлично. Собирать ее было одно удовольствие. Кстати, изготовлена она на специализированном фрезерном станке. Об этом есть запись в моем блоге, если интересно, можете посмотреть подробнее.

Функциональность устройства ничем не отличается от привычных всем бытовых приборов. Подносишь руки к инфракрасному датчику — включается поток теплого воздуха. Температура нагревателя настраивается «на глазок», но держится достаточно стабильно. Время включения можно выбирать положением перемычки, доступно три интервала. С помощью DIP-переключателя можно настраивать момент отключения нагревателя. Это сделано для исключения перегрева внутри прибора — нагреватель можно отключить заранее, а вентилятор его остудит и выгонит горячий воздух.

❯ Описание структурной схемы

Мы уже рассмотрели, как это должно функционировать. Теперь самое время погрузиться в схемы. Начнем со структурной схемы, которая показана на рисунке ниже.

Начало подачи теплого воздуха запускается ИК-сенсором B1. При его срабатывании схема включает нагревательный элемент F2 и вентилятор F1. Время включения вентилятора определяется положением перемычки в блоке делителя частоты А2. Время включения нагревательного элемента зависит от состояния DIP-переключателя E3. При каждом повторном срабатывании ИК-сенсора B1 схема управления E начинает отсчет времени включения вентилятора и нагревательного элемента с начала.

ИК-сенсор B1 управляется короткими импульсами с частотой 2 Гц от генератора A1. ФВЧ B2 необходим для того, чтобы отфильтровывать постоянную составляющую на выходе ИК-сенсора, вызванную фоновой засветкой датчика. Аналоговый компаратор B3 имеет регулировку для настройки дистанции срабатывания ИК-сенсора B1.

Схема управления E формирует сигналы включения нагревательного элемента и вентилятора. Импульс «START» сбрасывает счетчик E1, после чего он начинает счет 15 импульсов от опорного генератора A. После 15 импульсов счетчик игнорирует все последующие поступающие тактовые импульсы до поступления следующего импульса «START». Пока счетчик E1 ведет счет импульсов, сигнал «ENABLE_CULLER» принимает активное состояние. Сигнал «ENABLE_HEATER» принимает активное состояние, пока выход счетчика E1 имеет двоичное значение на выходе меньше, чем установлено на DIP-переключателе E3.

Схема измерения C предназначена для измерения температуры нагревательного элемента с помощью температурного сенсора C1, который установлен непосредственно на нагревательном элементе. На основе выходного сигнала «TEMPERATURE» схема регулирования D формирует сигнал ШИМ «PWM_HEATER» для схемы управления нагревателем.

Мощность, подаваемая на вентилятор схемой управления F1, определяется потенциометром D3. Уровень напряжения на нем определяет коэффициент заполнения ШИМ-сигнала «PWM_CULLER».
Формирование ШИМ-сигналов производится на основе пилообразных импульсов с частотой 160 Гц, формируемых генератором D1 и ГЛИН D2.

❯ Описание электрической схемы

В духе лучших традиций проектирования синхронных последовательностных схем, тактирование всей логики управления будет осуществляться от общего генератора на основе таймера NE555. Эта старая добрая микросхема всем хорошо известна и отлично подходит в моем случае из-за достаточно низкой требуемой частоты и отсутствия каких-либо особых требований к стабильности.

Тактовый сигнал CLK_2HZ через транзистор Т3 включает инфракрасный светодиод оптического датчика U1. Когда мы достаточно близко подносим руки, ИК-лучи переотражаются от них и засвечивают фототранзистор. Импульсы переменного тока проходят через фильтр верхних частот С20, С22, R25, а постоянная составляющая от фоновой засветки датчика отсекается. Из-за низкой частоты переключения светодиода фильтр должен иметь как можно более низкую частоту среза. Но в данной схеме этим вполне можно пожертвовать, зато практически не понадобилось подбирать его номиналы.

Далее тактовый сигнал продолжает гулять по схеме и попадает на вход делителя тактовой частоты IC13B. Счетчик двоичный и мог бы делить тактовые импульсы до 16 раз. Но я решил ограничиться всего тремя джамперами, импульсы при этом могут замедляться примерно до половины герца.

Следующая схема представляет собой счетчик интервала включения вентилятора и нагревательного элемента. Применение двоичного счетчика IC13A здесь позволяет получить отложенное время выключения до 8-ми секунд.

Досрочное отключение нагревательного элемента производится цифровым компаратором IC12. Микросхема 74НС85 по нынешним временам достаточно экзотическая, но их запасы еще имеются на радиорынках.

Для регулирования мощности нагревательного элемента и скорости вращения вентилятора используется отдельный генератор импульсов IC11A. Триггер я использовал исключительно для разнообразия в схемотехнике, тем более что для последующей генерации пилы необходимо подавать периодический сигнал с очень короткими импульсами в сравнении с его периодом. Частота импульсов составляет 160 Гц — это минимальная частота, на которой кулер начинает вращаться без рывков, и можно сильно не заморачиваться по поводу драйверов для силовых ключей. А с учетом характера нагрузки нет особой разницы, на какой частоте будет ШИМ.

Формирование линейного нарастания пилообразных импульсов осуществляется за счет заряда конденсатора С5 постоянным током через стабилизатор на транзисторе Т5. На самом деле форма пилы для данной схемы вообще не имеет значения, и заряжать конденсатор можно было бы через обычный резистор, но мне захотелось реализовать источник тока.

Для обеспечения максимально крутого обратного фронта пилы конденсатор С5 должен быстро разряжаться через транзистор Т1 в конце каждого периода импульсов с частотой 160 Гц. Это достигается за счет очень большой скважности тактирующего сигнала.

Формирование ШИМ-сигнала для регулирования скорости вращения вентилятора осуществляется операционным усилителем IC15B, выполняющим роль компаратора. Почему я не использовал компаратор? Потому что у меня скопилось очень много LM358, надо их куда-то использовать.

Компаратору на ОУ было бы неплохо иметь хотя бы положительную обратную связь. Но мощности в схеме небольшие, частоты низкие, да и сам LM358 очень медлительный. Так что о шумах при переключении можно особо не переживать, на практике фронт ШИМ-импульсов получается достаточно чистым.

Мощность, а следовательно, и скорость вращения вентилятора определяется положением переменного резистора R22. Резистор R24 нужен для более эффективного использования угла поворота резистора R22. А резистор R23 ограничивает минимальный коэффициент заполнения ШИМ и не позволяет полностью остановить вентилятор, что исключает перегрев нагревательного элемента.

Управление вентилятором выполняется с помощью транзистора Т2, который осуществляет коммутацию питания под воздействием ШИМ-сигнала, выработанного предыдущей схемой. Логический вентиль «И» IC2A в зависимости от состояния сигнала схемы счетчика интервала разрешает или запрещает работу вентилятора.

Светодиод D4 служит индикатором включения сушилки.

Для контроля температуры нагревательного элемента применяется NTC-резистор с сопротивлением 10 кОм. Он подключается к соответствующему разъёму в верхней части резистивного делителя напряжения.

Необходимая температура нагревательного элемента задаётся с помощью переменного резистора R17. Усилитель IC3A сравнивает напряжение, установленное R17, с напряжением, поступающим от датчика температуры, и формирует сигнал ошибки.

Второй усилительный каскад на IC3B регулирует усиление сигнала ошибки. Это позволяет достичь баланса между скоростью разогрева нагревательного элемента и точностью поддержания заданной температуры.

Формирование ШИМ-сигнала для нагревательного элемента происходит по аналогии со схемой управления вентилятором. Отличие заключается в том, что заполнение ШИМ-сигнала определяется сигналом усилителя датчика температуры.

Поскольку ток, потребляемый нагревательным элементом, является значительным, для его коммутации был использован полевой транзистор Q1. Драйвер затвора Q1 выполнен по полумостовой схеме на биполярных транзисторах Т4, Т6. Разрешение работы нагревателя осуществляет вентиль «И» IC2B.

Светодиод D3 служит индикатором состояния нагревательного элемента. При нормальной температуре он должен мигать. Напряжение на делителе R40, R41 приблизительно соответствует напряжению, которое установилось бы на выходе датчика температуры при перегреве нагревательного элемента. Следовательно, если температура воздуха станет слишком высокой, светодиод мигать перестанет.

Питание схемы осуществляется от блока питания на 12 В. Для формирования напряжения 5 В, необходимого для питания схемы управления, используется стабилизатор напряжения IC14.

На рисунке ниже я разместил общую электрическую схему. На мой взгляд, она получилась не такой сложной и вполне логичной, ну или как минимум понятной и предсказуемой в работе.

❯ Заключение

Конечно, если вы разрабатываете регулятор для узлов атомной электростанции или системы питания газовой турбины, стоит подойти к проектированию регуляторов более ответственно и, возможно, отказаться от использования операционных усилителей. Современный микроконтроллер подойдет для решения этой задачи значительно лучше. Но для понимания базовых принципов работы регуляторов эта схема вполне пригодна. А если учитывать, что проектировалась она больше с целью радиолюбительского хобби и организации досуга, она справилась с поставленной задачей на все сто. Надеюсь, что вам было так же интересно читать эту статью, как и мне над ней работать.

Написано специально для Timeweb Cloud и читателей Пикабу. Больше интересных статей и новостей в нашем блоге на Хабре и телеграм-канале.

Хочешь стать автором (или уже состоявшийся автор) и есть, чем интересным поделиться в рамках наших блогов (за вознаграждение) — пиши сюда.

Облачные сервисы Timeweb Cloud — это реферальная ссылка, которая может помочь поддержать авторские проекты.

📚 Читайте также:

• Сложно о простом. Как работает интернет. Часть 1. Что такое коммутатор, маршрутизатор и примеры работы простых сетей

• Вернер Бухгольц. Байт на Stretсh

• Комменты — наше все! История онлайн-комментариев.

По ходу работы с бесчисленными материалами и расшифровками аудиозаписей пришло осознание, что подачу статьи ни в коем случае нельзя делать похожей на десятки статей о DEC. В них сухими цифрами описывались только исторические вехи и сама деятельность в IT-сфере, а список технологических достижений разбавлялся лишь техническими подробностями.

DEC была гораздо большим, чем компанией, давшей человечеству мир мини-компьютеров и доступных систем реального времени. Это автор и постарается донести до читателя. Также было бы дилетантством пытаться рассказать историю DEC с её внутренней культурой, оставив в тени подробности об основавших её людях и личный опыт сотрудников.

В конце концов, процесс написания статей о DEC невозможно закончить, его можно только остановить.

❯ Транзисторы, люди и чувства

Пасмурным днем 9 июля 1957 года два молодых человека вошли на территорию бывшей Шерстяной фабрики по адресу 146 Main st. и проследовали в кабинет администратора. Еще совсем недавно фабрика была градообразующим предприятием и основным источников дохода для поколений большинства жителей небольшого городка Мейнард на протяжении сотни лет.

Ирвин Бёрг, на тот момент управляющий комплексом арендуемых зданий, встретил гостей без особого энтузиазма, так как желающих снять помещения хватало, а молодые люди своим несколько помятым видом не выглядели очень представительно.

— Большого выбора помещений я вам предложить не могу, 90% всех площадей уже сданы.
— Нас вполне устроит весь второй этаж Строения 12.
— Отлично! Вы, ребята, успели как раз вовремя: компания, которая была там до этого, только что закончила вывозить свои вещи.
— А что с ней случилось?
— Они обанкротились.

Так начиналась история DEC – самой яркой и успешной IT-компании XX века. Уход со сцены этой компании бывшие её сотрудники называют не иначе как «крупнейшее в истории Америки преступление, за которое никто не понёс наказания».

DEC была компанией, которая с самого начала основным своим активом называла человека, его способности и креативность. Одним из основных принципов было предоставление талантливым людям возможностей воплотить свои идеи, минуя бюрократию и все корпоративные формальности.

Оба молодых человека – Харлан Андерсон и Кеннет Олсен – были талантливыми и уверенными в себе выпускниками технических факультетов серьёзных вузов. Они имели внушительный для своего возраста опыт работы с передовыми разработками в вычислительной технике и внедрению её как в гражданские отрасли, так и на военные объекты.

Андерсон – выпускник Университета Иллинойса, 1947-1952; Инженерная физика – бакалавр, Физика – магистр (1951 и 1952 гг соответственно), по окончанию университета был приглашен в Цифровую Компьютерную Лабораторию при MIT, после – присоединился к Лаборатории Линкольна. В 1950 году впервые заинтересовался компьютерами, посещая курсы программирования для разрабатываемого компьютера Illiac I. Через 5 лет работы в Лаборатории Линкольна – ушел, чтобы стать соучредителем DEC. После ухода из корпорации в 1966 – занимал должность директора по технологиям в Time inc, участвуя еще в нескольких корпоративных советах – активно занимался в сфере малого венчурного капитала (о роли которого в судьбе DEC мы еще расскажем), помог в основании более 20-ти небольших фирм из компьютерной отрасли. Был ярым сторонником предоставления образования всем желающим, поощряя единомышленников и помогая всем, кто тянулся к знаниям. Из резюме Андерсона, май 1957-го:

…Моя первоначальная работа была связана с логическим проектированием высокоскоростного электронного цифрового компьютера, используемого для тестирования новой памяти на магнитных сердечниках. Затем работа по разработке схемы, связанной с высокоскоростным электронным переключателем для использования с магнитными барабанами... затем я стал членом офиса Лаборатории Линкольна, который отвечал за спецификации для производства IBM компьютера SAGE…

На личности же Кеннета Олсена стоит остановиться подробно, так как еще задолго до появления Digital Equipment Corporation в характере этого человека можно увидеть целый ряд черт, сильно повлиявших, а порой и предопределивших судьбу как самой компании, так и десятков тысяч ее сотрудников. Трудолюбие, упорство в достижении поставленной цели, доброта и человечность, понимание и сострадание, последовательность и верность своему слову – далеко не полный описательный список характера этого человека.

Олсен родился в Бриджпорт, Коннектикут, в семье выходцев из Норвегии и Швеции, но рос около Стратфорда. С ранней поры средней школы живо интересовался электротехникой и радио, ремонтируя и улучшая радиоприемники всем соседям, зачастую бесплатно. В старших классах отец Кеннета, инженер-механик, видя интересы сына и то, сколько времени тот отдает сидению в подвале с радио, решил предостеречь его от этого занятия, сказав, что радио – это интересно, это зов души, но заметных денег на этом не заработать, семью не прокормить и посоветовал посещать механический цех. В итоге Кен так и поступал: часто прогуливая занятия днем он много времени проводил в механическом цехе и магазине инструментов. Позже, в 80-х годах, Олсен скажет о своей несостоявшейся специальности:

К моменту основания DEC я был довольно близок к тому, чтобы стать инженером-инструментальщиком, но… не очень хорошим. Однако, несколько инструментов я все же сделал, мы потом использовали их для резки листового метала, так что… По крайне мере поддержать разговор на эту тему я могу.

В 1944 году, после школы, Кен был зачислен на службу в военно-морской флот, где находился до 1946-го года, на должности инженера электротехника. Именно в армии, около года проходя обучение в школе радиолокации, Олсен впервые познакомился с электроникой. Стоит отметить, что с отцом связан один из принципов Кеннета Олсона по работе с людьми в будущей корпорации. Еще будучи ребенком, он хорошо запомнил одно неприятное событие, когда отца сократили с работы прямо в канун Рождества, что поставило семью в сложное положение. Запомнил Олсен-младший это настолько, что уже основав корпорацию он поклялся себе, что пока находится во главе компании, не уволит ни одного сотрудника.

Целеустремленность и настойчивость Олсенa отлично читается из истории его личной жизни. В 1950 году, перед поступлением в аспирантуру Кен гостил у родителей в Коннектикуте. В доме по соседству гостила девушка по имени Aulikki, приехав на неделю из Финляндии.

Они успели пообщаться очень мало, так как каникулы закончились, и Алики вернулась в Финляндию, а Кен – в MIT, но он настолько был ей очарован, что написал письмо с вопросом может ли он ее навестить. Ответ был «Не беспокой». Не успокоившись на этом Олсен берет академический отпуск в институте, покупает билет и летит в Европу. В небольшом городе в Швеции он устраивается простым электриком на предприятии, затем снова пишет ей письмо: «Я сейчас в Швеции. Можно к тебе приехать?». На что получает ответ «Ну, хорошо». Олсен увольняется с работы и едет в Финляндию, прямиком к девушке, в дом ее родителей, стучит в дверь, они приглашают его к себе и он тут же, с порога, предлагает девушке руку и сердце. Родители Алики были немало возмущены (к тому же ее отец был католическим священником) и общим ответом всей семьи было решительное «Нет!». Но он не уехал в штаты, остался в городе, еще несколько раз приходил в гости, терпеливо ждал и после долгих разговоров с родителями и девушкой, в конце концов, через пару месяцев Алики приняла предложение и родители дали согласие на брак. Бракосочетание состоялось 12-го декабря 1950 года, после чего чета Олсен вернулась в штаты и обучение в MIT было продолжено.

В 1952-м году Олсен получает степень магистра по специальности Электротехника и далее в течение пяти лет работает все в той же Лаборатории Линкольна, причем команда Андерсона подчинялась непосредственно Олсену. Его магистерская диссертация привела к первой демонстрации улучшенной памяти на магнитных сердечниках. Схемы и методы, разработанные в ходе диссертации, далее широко использовались в большинстве больших цифровых компьютеров того времени.

В течение 13 месяцев Олсен был представителем MIT в IBМ, выполняя обязанности инженера по контролю качества во время производства и наладки первого компьютера SAGE, в интересах военно-воздушных сил. Важно отметить, что именно за эти 13 месяцев опыта близкого общения с IBM у Олсена вырабатывается абсолютное и стойкое неприятие внутренней «корпоративной этики» и способов управления в этой компании. В 1954-м году Олсен, используя как личные исследовательские наработки, так и опыт полученный при работе с одной из первых интерактивных компьютерных систем с разделением реального времени Whirlwind, активно участвует в разработке полностью полупроводникового (использовано 3500 транзисторов Philco L5122) компьютера реального времени TX-0, который является прямым предком и PDP-1 и весь опыт и подход к работе полученный при разработке TX-0 Олсен передавал вновь приходящим в компанию инженерам.

Мне поручили построить компьютер сразу после того как я закончил диссертацию. Он стоил миллион долларов. Тогда я был впечатлён тем, сколько труда нужно, чтобы потратить миллион. Теперь я впечатлён как мало нужно усилий, чтобы потратить миллион.

Я хотел по-своему похвастать тем, что я построил его в комнате, среди ряда стоек с консолью перед ним, где было лишь место, где фотограф мог стоять сзади и фотографировать его. Мы наивно хвастались, говоря: «Посмотрите, как это просто!». В первую ночь, когда он запустился, мы допоздна задержались в лаборатории. Все ушли домой, а я остался там и слушал, как он работает. Я подключил компьютер к громкоговорителю, и пока тон был постоянным, я знал, что он работает. Поэтому я пошел в женскую комнату отдыха, прилег на диван и заснул с открытой дверью, настроив слух на этот звук, поэтому я знал, что он работал всю ночь без сбоев. Это был важный тест… …TX-0 был разработан с целью демонстрации надежности и возможностей транзисторных схем, а также для создания быстрого, недорогого, маломощного компьютера. Он мог делать все то, что персональный компьютер делает сегодня, ограниченный только небольшим объемом памяти. Вы могли рисовать картинки на электронно-лучевой трубке, читать вашу программу, брать ее домой, играть в игры – все, что вы можете делать сегодня.

Из интервью Олсена для Смитсоновского центра, 1988 год.

Нельзя не отметить участие Гордона Белла в разработке периферии для TX-0, в частности устройства для ввода/вывода информации на магнитные ленты. Так же примерно в то же время Белл знакомится с талантливым инженером Беном Гёрли. (Benjamin Gurley). Все эти люди сыграют огромную роль в истории успеха будущей компании DEC. TX-1, компьютер на вакуумных лампах, который проектировали изначально для тех же целей проверки памяти на магнитных сердечниках (работы над памятью велись под руководством Джея Форрестера), – так и не был построен, так как TX-0 успешно выполнял те же цели и даже более, плюс к тому обходился в эксплуатации гораздо дешевле. Вместо этого в MIT приступили к проектированию TX-2, разработка и изготовление прототипа которого столкнулись с целым рядом технологических сложностей, да и сразу несколько сотрудников покинули проект, включая Харлана Андресона и Кеннета Олсена, решивших основать свою компанию.

После небольшой передышки от очень интересной, но выматывающей работы в MIT, молодые люди обратились в American Research and Development (далее – ARD), компанию, основанную в 1946 году Жоржом Дорио, Ральфом Фландерсом и Карлом Комптоном и занимавшуюся венчурным капиталовложением, или проще – предоставлением финансов молодым развивающимся фирмам в обмен на огромную долю в их бизнесе. Естественно, что лица, основавшие ARD, были не просто глубоко осведомлены о делах производственно-коммерческих, но и отлично знали технические подробности многих отраслей. Комптон - физик, президент MIT с 1930 по 1948 гг, Фландерс – инженер-механик, промышленник. Личность генерала Жоржа Дорио стоит рассмотреть более детально сразу по нескольким причинам:

1. Дорио неразрывно связан как с деятельностью DEC вообще, так и с семьей Олсен в частности, даже выйдя на пенсию он продолжил консультирование и проведение лекций для сотрудников корпорации, передавая огромный опыт и свой подход.

2. В англоязычном сегменте сети о нем 3 абзаца и, по сути, ничего о семье, истоках.

3. В русском сегменте сети о нем только период жизни и то, что он основал ARD. С разрешения добывшего документ человека, я приведу лишь мизерный отрывок из 18-ти страничной расшифровки интервью Жоржа Дорио, данного Аликки Олсен в апреле и мае 1980 года, которого в открытом доступе нет.

... в мою юность большинство жителей района были либо фермерами, либо работали на предприятии семьи Peugeot, производившей в то время сначала кухонную посуду, потом 2-х и 3-х колесные велосипеды. Все мужчины нашей семьи работали на том предприятии, а женщины, помимо работы по дому, при любой возможности и небольшом свободном времени брали тележки и привозили с фабрики разные инструменты, чтобы тоже выполнять посильную надомную работу. Мой отец был механиком и, видимо, очень хорошим. Примерно в 1887 году отец с его двоюрдным братом-инженером отправились в Германию и купили двигатель Даймлера, скорее всего это была Модель номер 2. Это был 2х цилиндровый v-образный двигатель, выдававший около 2.5 л.с. Они поместили его на трицикл и чуть не сломали себе шею, после чего добавили четвертое колесо. Это был один из первых квадрициклов, как тогда их называли, до слова «автомобиль». ... В западной части Парижа у семьи Пежо был дом, частично превращенный в гараж. Арман Пежо с супругой жили на первом этаже, а моя семья – на втором. Собственно, там я и родился. Позже отец отошел от дел Пежо и открыл свое производство.

... Еще в школе я стал немного механиком и довольно неплохим чертежником. Более всего мне нравилось читать американские журналы по теме механики, инструментов и металлообработке... В 1914 году началась война, на фабрике отца стали делать арт снаряды. … За год до окончания войны я ушел в армию, попав в полк дальнобойных 145-мм орудий, ремонтировали и обслуживали которые лучшие механики со всего Парижа. Благодаря знаниям я стал часто заменять капитана и мне подчинялись люди гораздо старше меня. Это были добрые и очень знающие люди, я получил массу знаний общаясь с ними и полезных знакомств, которые продлились на долгие годы. По окончанию войны я вернулся в школу. Друг моего отца сказал ему, что раз я заинтересован всем что касается механики и производства, то нужно подумать над тем, чтобы отправить меня на учебу в Америку, чтобы потом вернуться и получить хорошую работу. У отца был друг в образовательной сфере во Франции, он предложил направить меня в MIT. ... примерно в январе 1921 года я прибыл в Нью-Йорк, далее я приехал в Бостон, чтобы затем отправиться в MIT. Парижский друг отца, банкир, дал мне сопроводительное письмо на имя некоего Лоуренса Лоуела. Перед визитом в MIT я нашел мистера Лоуела и узнал, что это президент Гарварда. В моей семье о таком заведении даже не знали. Тем не менее Лоуел меня принял очень вежливо и спросил, что я хотел бы изучать, на что я сказал: «Как управлять фабрикой». Он улыбнулся и сказал, что это, вероятно, не к ним, а в Бизнес Школу Гарварда. Так что мои документы были перенаправлены и меня зачислили на учебу. В Бизнес Школе, среди прочего, я изучал управление пром. производством, статистику, работу с кадрами, решение проблем на производстве, бухгалтерию, трудовые отношения и корпоративные финансы…

Как видим, American Research and Development основали весьма серьезные и технически подготовленные люди. 27 мая 1957 года Андерсон и Олсен представили в ARD свое предложение по производству электронных компонентов и вычислительной технике. Компания собиралась производить и продавать электронное оборудования для тестирования и электронные цифровые компьютеры. Ударение было сделано на разработке и производстве электронной продукции, которая нашла бы применение в разных сферах. Планы по созданию Digital Computer Corporation были разделены на два этапа. Этап 1: разработать, произвести и продать транзисторное цифровое испытательное оборудование. Дополнительно нужно было разработать универсальный компьютер, который будет построен на этапе II, и получить контракты на военные исследования, а, следовательно, военные заказы. Этап 2 наступал после того, как бизнес по испытательному оборудованию начнет станет прибыльным или будет получен твердый заказ на закупку универсального компьютера. Те же схемы, которые будут использоваться в линейке испытательного оборудования, будут использоваться в компьютере. При этом мощность и скорость компьютера будут превышать компьютеры, доступные на тот момент, а цена его (около $400 тыс.) – значительно ниже.

Представленный Олсеном и Андерсоном план совершенно восхитил сотрудников ARD своей продуманной простотой и, перед тем как направить их на беседу с советом директоров, один из сотрудников дал им совет от себя: «… только обещайте им быструю прибыль, так как это люди уже весьма преклонного возраста. Так мы и сделали. Пообещали прибыль в течение года…» (K. Olsen). Помимо общеизвестной рекомендации руководства ARD избегать слова «компьютер» в названии компании (отсюда и название Digital Equipment Corp.), было дано краткое напутствие, или, скорее предостережение, что чрезвычайно активная область цифровых вычислений будет сталкиваться с «существенной конкуренцией в будущем... успешное выживание будет зависеть от выдающейся творческой технологической компетентности, агрессивных усилий по продажам, высококачественного точного производства и адекватной финансовой поддержки». В добавок к 70 тысяч долларов, грант в четверть миллиона, предоставленный ARD придавал еще большей уверенности молодым людям в формировании их «спекулятивного и смелого» предприятия. Несколько позже Дорио выскажется о тех событиях:

У Кена Олсена был продукт, который он мог сделать на следующий день, это было важно. Но у него было и видение будущего! Он планировал семейство продуктов. Кен шел на риск, но это был обдуманный риск, такой риск, который я предпочитаю. Меня впечатлило, что Кен обладал способностью чувствовать эволюцию рынка. В некоторых случаях перепроектировал или изобретал продукты, всегда следуя за рынком. У Кена было желание сделать что-то полезное, конструктивное и творческое.

Выше приведено начало 11-ти страничного развернутого предложения, с 5-ти летним прогнозом продаж продукции, представленного на следующий день после визита на Фабрику, куда мы с вами и возвращаемся.

К разговору об аренде Олсен и Андерсон вернулись 20-го августа 1957 года, согласившись арендовать 806 кв. м. за $300 в месяц. Неделя ушла на подготовку документов аренды и одобрения названия корпорации гос-комиссией Бостона, после чего 27 августа было подписано соглашение об аренде площади сроком на 3 года. Мебель для обстановки помещения покупалась либо в магазинах с уцененными товарами, либо на распродажах, либо бывшая в употреблении. Но и по помещению предстоял огромный фронт работ, от очистки пола и стен для покраски, до приведения в порядок уборных комнат и установки освещения.

В работе принимала участие вся семья Олсен, включая брата Кеннета Стэна. Управляющий комплексом долго вспоминал телефонный разговор с Говардом Прескотом, местным производителем красок. Прескот был в изумлении, когда Олсен позвонив ему за советом по краске заявил, что будет красить все сам. Но Кен, Стэн и Харлан работали все выходные и все свое свободное время, готовя помещение к покраске и через пару дней Олсен заказал Прескоту несколько банок краски, после чего последний позвонил управляющему Бёргу и спросил можно ли доверять его новым арендаторам. Получив положительный ответ о том, что планируется долгое сотрудничество – заказ был выполнен.

Менялись стекла, чистились и чинились обветшалые оконные кондиционеры, были даже попытки (впрочем, безуспешные) отучить местных голубей залетать в открытые окна, закупались столы и осветительные приборы для оборудования рабочих мест сборщиков и чертежников, а в местной прессе 10-го октября того же года впервые упомянули новую компанию и местные жители (которые после закрытия Шерстяного производства были рады любой работе) с любопытством и надеждой ожидали ее развития и успеха, – одним словом молодое предприятие полным ходом готовилось проектировать и выпускать логически модули, чтобы потом перейти к компьютеру, открывшему новую эру в вычислительной технике – PDP-1. Но обо всем этом и не только – в следующей статье…

Написано специально для Timeweb Cloud и читателей Пикабу. Больше интересных статей и новостей в нашем блоге на Хабре и телеграм-канале.

Хочешь стать автором (или уже состоявшийся автор) и есть, чем интересным поделиться в рамках наших блогов (за вознаграждение) — пиши сюда.

Облачные сервисы Timeweb Cloud — это реферальная ссылка, которая может помочь поддержать авторские проекты.

📚 Читайте также:

• Сложно о простом. Как работает интернет. Часть 1. Что такое коммутатор, маршрутизатор и примеры работы простых сетей

• Вернер Бухгольц. Байт на Stretсh

• Комменты — наше все! История онлайн-комментариев.

❯ Что такое коммутатор, маршрутизатор?

Когда мы задаем вопрос в поисковике: «Чем отличается коммутатор от маршрутизатора?», то один из самых распространенных ответов, который можно найти в интернете (например, на Mail.ru), звучит так:

в функционале. маршрутизатор - маршрутизирует, коммутатор - коммутирует. все просто:)))

Это, пожалуй, самый краткий и ёмкий ответ на данный вопрос.

Однако если подойти к вопросу серьезно, необходимо разобраться в понятиях коммутации и маршрутизации.

Коммутация — это процесс перенаправления данных (кадров) в пределах одной сети, основанный на анализе адреса назначения. Она работает на канальном уровне модели OSI (L2), используя MAC-адреса устройств.

Маршрутизация — это процесс определения пути для передачи данных между разными сетями. Работает на сетевом уровне модели OSI (L3), используя IP-адреса.

Коммутаторы (switch) и маршрутизаторы (router) — это два ключевых устройства в сетевых инфраструктурах, которые выполняют разные, хотя и пересекающиеся, задачи. Разберемся в их функциях, особенностях и причинах появления, а также рассмотрим современные реалии, в которых их функциональность все больше пересекается.

Зачем появились маршрутизаторы

Исторически маршрутизаторы появились для соединения сетей с разными технологиями передачи данных. В начале эры сетей существовало множество локальных сетей (LAN) с различными стандартами: Ethernet, Token Ring, модемные пулы и другие. Эти сети были физически и логически разобщены, поскольку каждая из них использовала свои протоколы адресации и методы передачи данных.

Для решения этой проблемы была введена абстракция в виде IP-адреса — универсального протокола, не привязанного к физическому носителю. Маршрутизаторы стали устройствами, способными связывать сети с разными технологиями передачи данных, обеспечивая маршрутизацию на основе IP-адресов.

Основные функции

1. Коммутаторы:

   • работают преимущественно на уровне 2 модели OSI (канальный уровень);

   • создают таблицы MAC-адресов, которые определяют, через какой физический порт отправлять трафик;

   • обеспечивают коммуникацию внутри одной локальной сети (LAN).

2. Маршрутизаторы:

   • работают на уровне 3 модели OSI (сетевой уровень);

   • используют таблицы маршрутизации для определения оптимального пути передачи данных;

   • обеспечивают связь между разными сетями, в том числе с разными технологиями (Ethernet, Frame Relay, ATM, DSL);

   • используют протоколы маршрутизации, такие как OSPF, BGP, IS-IS.

Совместная работа коммутаторов и маршрутизаторов

• Коммутаторы обеспечивают быстрый обмен данными внутри сети.

• Маршрутизаторы соединяют локальную сеть с другими сетями, например, с интернетом, обеспечивая связь с серверами.

❯ Современные тенденции

Раньше этих различий хватало для определения работы коммутатора и маршрутизатора, но в современных устройствах все эти функции часто объединяются в L3-коммутаторах, которые совмещают преимущества обоих типов устройств.
На данный момент различия между ними размыто, так как коммутаторы L3 и L3+ (Multiplayer switch) могут выполнять часть функционала маршрутизатора и маршрутизатор может иметь дополнительные физические порты для подключения локальных сетей.

❯ Рассмотрим различия между устройствами

L2-коммутаторы (канальный уровень)

❯ Особенности

• Рабочий уровень: работают на 2 уровне модели OSI (канальный уровень).

• Функциональность: обеспечивают передачу данных внутри одной локальной сети (LAN), используя таблицу MAC-адресов для маршрутизации кадров Ethernet.

• Ограничения: не способны маршрутизировать трафик между разными VLAN или подсетями.

❯ Плюсы

• Простая настройка.

• Высокая производительность для однорангового (peer-to-peer) соединения.

❯ Минусы

• Отсутствие поддержки IP-адресации.

• Не подходит для сложных сетевых структур с множеством VLAN.

L3-коммутаторы (сетевой уровень)

❯ Особенности

• Рабочий уровень: работают на 3 уровне модели OSI (сетевой уровень).

• Функциональность:

  • выполняют функции коммутатора (L2) и маршрутизатора (L3);

  • поддерживают маршрутизацию между VLAN через интерфейсы SVI (Switch Virtual Interface);

  • поддерживают IP-адресацию и статическую маршрутизацию.

❯ Плюсы

• Универсальность.

• Встроенная поддержка маршрутизации.

❯ Минусы

• Ограниченные возможности динамической маршрутизации (по сравнению с маршрутизаторами). Обычно используется «межвлановая» маршрутизация, когда ip-адрес назначается на VLAN, а не на саб-интерфейс.

• Более сложная настройка по сравнению с L2-коммутаторами.

L3+ коммутаторы (расширенные возможности сетевого уровня)

❯ Особенности

• Рабочий уровень: также работают на 3 уровне, но с функциями, приближенными к маршрутизаторам.

• Функциональность:

  • полноценная поддержка динамических протоколов маршрутизации (OSPF, BGP, EIGRP);

  • расширенные функции управления трафиком: ACL, QoS, NAT;

  • некоторые модели поддерживают MPLS для оптимизации передачи данных.

❯ Плюсы

• Возможности динамической маршрутизации.

• Более высокий уровень управления сетью.

❯ Минусы

• Стоимость.

• Сложность настройки.

Маршрутизаторы (Router)

❯ Особенности

• Рабочий уровень: работают на 3 уровне модели OSI и выше.

• Функциональность:

  • передача данных между разными сетями;

  • маршрутизация IPv4 и IPv6;

  • полноценная поддержка динамической маршрутизации (OSPF, BGP, RIP и др.);

  • поддержка VPN, NAT и часть функций межсетевого экранирования.

❯ Плюсы

• Поддержка работы в глобальных сетях (WAN).

• Высокий уровень безопасности.

❯ Минусы

• Не предназначены для высокоскоростного L2-коммутирования.

• Могут вызывать дополнительные задержки в локальных сетях.

❯ Сравнительная таблица

• L2-коммутаторы идеально подходят для небольших сетей, где маршрутизация не требуется.

• L3-коммутаторы — оптимальное решение для сетей с VLAN и умеренной сложностью.

• L3+ коммутаторы находят применение в крупных и сложных инфраструктурах с необходимостью динамической маршрутизации.

• Маршрутизаторы — необходимы для соединения локальных сетей с внешними сетями, но не заменяют коммутаторы внутри LAN.

Каждое устройство имеет свои уникальные сильные стороны и применяется в зависимости от масштабов и требований сети.

Хотя изначально коммутаторы и маршрутизаторы выполняли строго разные задачи, современное развитие сетевых технологий привело к значительному пересечению их функций.

Однако ключевые различия сохраняются: маршрутизаторы лучше подходят для связи между сетями с различными технологиями и для управления сложными топологиями, тогда как коммутаторы оптимизированы для высокой пропускной способности и коммутации в рамках одной сети. Выбор между этими устройствами зависит от конкретных задач и архитектуры сети.

❯ Что такое сеть?

Что же такое сеть? Если соединить два компьютера между собой, назначить им IP-адреса, будет ли это сетью? Ответ прост: да, это уже локальная сеть.

Сеть — это соединение двух и более компьютеров, устройств или других компонентов для обмена информацией.

Как только мы подключаем устройства к домашнему маршрутизатору, они становятся частью локальной сети. Маршрутизатор служит шлюзом по умолчанию для всех подключенных устройств и направляет пакеты данных для выхода в интернет.

Но пока не будем забегать вперед, начнем с самого простого — с двух соединенных между собой компьютеров.

❯ Рассмотрим самую простую сеть

Предположим, у нас есть два компьютера. Компьютер №1 имеет mac-адрес 00:00:00:00:00:0a, а компьютер №2 — 00:00:00:00:00:0b.

Мы назначаем компьютеру №1 IP-адрес 192.168.0.1, а компьютеру №2 — IP-адрес 192.168.0.2. Затем мы соединяем их сетевые карты «напрямую» с помощью витой пары.

Чтобы проверить доступность соседнего компьютера, можно использовать утилиту «ping» и отправить запрос на него.

Однако есть проблема: компьютер №1 не сможет сразу отправить ICMP-запрос компьютеру №2, так как он не знает его mac-адрес. Это можно проверить, введя команду «arp -a» в командной строке (для Windows) и убедившись, что таблица ARP пуста.

Как было сказано в предыдущей статье, ARP (Address Resolution Protocol) — это важнейший протокол в компьютерных сетях, который используется для определения MAC-адреса другого компьютера по известному IP-адресу.

Первым делом компьютер №1 отправит широковещательный запрос в сеть, чтобы узнать, кто такой 192.168.0.2.

Пакет будет выглядеть следующим образом:

• src mac-адрес 00:00:00:00:00:0a;

• dst mac-адрес ff:ff:ff:ff:ff:ff (широковещательный mac-адрес);

• IP-адресов не будет, так как ARP работает на уровне L2;

• в теле пакета будет информация: кто такой 192.168.0.2, спрашивает 192.168.0.1.

Подробнее о заголовках L3 уровня (ARP, ICMP и др.) я рассказывал в этой статье.

После того как ARP-ответ будет получен компьютером №2, он сохранит в своей ARP-таблице информацию о IP и mac-адресе компьютера №1.

Теперь компьютеру необходимо отправить ARP-ответ.

Пакет будет выглядеть следующим образом:

• src mac-адрес 00:00:00:00:00:0b;

• dst mac-адрес 00:00:00:00:00:0a;

• IP-адресов не будет, так как ARP работает на уровне L2;

• в теле пакета будет информация: у IP-адреса 192.168.0.2 mac-адрес - 00:00:00:00:00:0b.

После того как ARP-ответ поступит к компьютеру №1, он сохранит в своей ARP-таблице информацию о IP и mac-адресе компьютера №2.
Теперь для формирования ICMP-запроса известна вся информация, и от компьютера №1 будет сформирован следующий пакет:

• src mac-адрес 00:00:00:00:00:0a;

• dst mac-адрес 00:00:00:00:00:0b;

• src IP-адрес 192.168.0.1;

• dst IP-адрес 192.168.0.2

• в теле пакета будет служебная информация для ICMP-протокола (подробнее в этой статье).

После того как ICMP-запрос поступит на компьютер №2, тот отправит ICMP-ответ, так как уже знает mac-адрес соседнего устройства из своей ARP-таблицы.

Ответ будет выглядеть следующим образом:

• src mac-адрес 00:00:00:00:00:0b;

• dst mac-адрес 00:00:00:00:00:0a;

• src-IP-адрес 192.168.0.2;

• dst-IP-адрес 192.168.0.1;

• в теле пакета будет служебная информация для ICMP-протокола.

После того как все эти пакеты прошли свой не долгий путь, в утилите «ping» появится первое сообщение о доступности соседнего устройства.

❯ Три компьютера и сетевой концентратор (Hub)

❯ Что если нам нужно подключить больше компьютеров к одной сети?

Для этого в простых сетях используют сетевой концентратор, он же hub/хаб.

❯ Как работает хаб?

Хаб передает данные, поступающие на один из его портов, на все остальные порты, что позволяет устройствам в локальной сети обмениваться информацией без сложной настройки. Однако такой подход имеет свои плюсы и минусы.

❯ Плюсы и минусы использования хаба

Хаб — это недорогое сетевое устройство, которое подходит для соединения небольших локальных сетей. Однако, если в сети используется большое количество устройств, возникают проблемы.

1. Эффективность: хаб работает на уровне L1 модели OSI, что означает, что он не различает адреса. Все пакеты передаются всем устройствам, кроме отправителя, независимо от их назначения.

2. Конфликт пакетов: поскольку данные передаются одновременно всем устройствам, в сети могут возникать коллизии. Чем больше устройств подключено, тем выше вероятность коллизий.

3. Пропускная способность: каждый порт хаба делит общую пропускную способность сети, что приводит к её снижению по мере увеличения числа подключений.

Современные сети используют коммутаторы (switch), которые работают на уровне L2, что позволяет им направлять пакеты только устройствам-адресатам.

❯ Пример работы хаба

Предположим, у нас есть хаб и три компьютера с IP-адресами:

• компьютер №1: 192.168.0.1;

• компьютер №2: 192.168.0.2;

• компьютер №3: 192.168.0.3.

Все три компьютера подключены к хабу. Теперь, если мы с компьютера №1 отправим запрос «ping» на компьютер №2, то процесс будет происходить следующим образом.

Шаг 1. ARP-запрос

Компьютер №1 сначала отправит ARP-запрос в сеть, чтобы узнать MAC-адрес компьютера №2. Этот запрос будет выглядеть так:

• src MAC-адрес: 00:00:00:00:00:0a;

• dst MAC-адрес: ff:ff:ff:ff:ff:ff (широковещательный адрес);

• IP-адреса в пакете отсутствуют, так как ARP работает на уровне L2.

Действия хаба

Хаб получит этот пакет через порт, к которому подключен компьютер №1, и передаст его на все остальные порты, кроме порта-отправителя. Таким образом, ARP-запрос поступит как на компьютер №2, так и на компьютер №3. Компьютеры №2 и №3 сохранят в ARP-таблице запись о компьютере №1, так как запрос был широковещательным. Однако ответит на него только компьютер №2, так как IP-адрес в запросе соответствует его собственному.

Ответ от компьютера №2

Компьютер №2 отправит ARP-ответ, который пройдет через хаб и будет доставлен компьютеру №1. Компьютер №3 проигнорирует этот ответ, так как он не предназначен ему.

ARP-ответ будет выглядеть следующим образом:

• src MAC-адрес: 00:00:00:00:00:0b;

• dst MAC-адрес: 00:00:00:00:00:0a;

• IP-адреса в пакете отсутствуют, так как ARP работает на уровне L2.

Шаг 2. ICMP-запрос и ответ

После завершения ARP-обмена компьютер №1 сформирует ICMP-запрос и отправит его на компьютер №2. Запрос и последующий ответ будут переданы аналогичным образом через хаб, но пакеты также дойдут до всех устройств в сети, создавая дополнительную нагрузку.

❯ Особенности работы ARP в сети с хабом

В такой схеме:

1. Компьютеры №1 и №2 знают о существовании друг друга;

2. Компьютер №3 знает о компьютере №1, так как получил его ARP-запрос, но не знает о компьютере №2.

Небольшое пояснение почему:

Компьютер №3 знает о Компьютере №1 из своей ARP-таблицы, но не знает о Компьютере №2 по следующим причинам:

1. Обработка ARP-запросов.

   ARP-запросы обрабатываются операционной системой компьютера, а не сетевой платой. Однако, поскольку ARP-запрос имеет широковещательный MAC-адрес назначения (ff:ff:ff:ff:ff:ff), он достигает всех устройств в локальной сети и принимается сетевой платой;

2. Сохранение записи в ARP-таблице.

   Хотя Компьютер №3 получает ARP-запрос, адресованный другому IP-адресу (например, Компьютеру №1), он не отвечает на него. Однако информация из тела пакета (IP-адрес и MAC-адрес Компьютера №1) может быть сохранена в ARP-таблице Компьютера №3 как часть пассивного процесса обучения;

3. Отбрасывание ARP-ответа.

   ARP-ответ, отправленный Компьютером №1, также достигает Компьютера №3. Однако, поскольку MAC-адрес назначения в этом пакете не совпадает с MAC-адресом сетевой карты Компьютера №3, пакет отбрасывается сетевой платой на аппаратном уровне. В результате информация о Компьютере №2 не попадает в ARP-таблицу Компьютера №3.

Если мы попытаемся «пингануть» с компьютера №2 компьютер №3, произойдет ARP-обмен, как в примере выше. Однако если мы попытаемся с компьютера №3 «пингануть» компьютер №1, процесс будет следующим:

1. Компьютер №3, зная MAC-адрес компьютера №1 из своей ARP-таблицы, сразу отправит ICMP-запрос;

2. Компьютер №1, не имея записи о компьютере №3, отбросит запрос и отправит широковещательный ARP-запрос;

3. После получения ARP-ответа от компьютера №3 компьютер №1 сможет ответить на ICMP-запрос;

4. Компьютер №3 отправит новый ICMP-запрос, на который компьютер №1 успешно ответит.

Когда мы запускаем утилиту «ping», некоторые пакеты теряются. Это происходит из-за того, что требуется ARP-обмен данными между всеми промежуточными устройствами. Именно поэтому возникает необходимость в обмене данными с использованием протокола ARP между всеми устройствами, находящимися между источником и получателем данных.

❯ Три компьютера и L2 коммутатор

❯ Как обеспечить стабильность работы сети и исключить коллизии?

Ответ прост: использовать L2-коммутатор.

❯ Принцип работы L2-коммутатора

Коммутатор работает на канальном уровне модели OSI и использует MAC-адреса для пересылки данных. Рассмотрим на примере, как это происходит.

Устройства в сети:

• компьютер №1: 192.168.0.1;

• компьютер №2: 192.168.0.2;

• компьютер №3: 192.168.0.3;

• коммутатор №1: MAC-таблица изначально пуста.

Шаг 1. ARP-запрос

Когда компьютер №1 отправляет запрос «ping» на компьютер №2, он сначала формирует ARP-запрос для определения MAC-адреса получателя. Этот запрос поступает на коммутатор, который, не имея записей в MAC-таблице, рассылает его на все активные порты, кроме порта-отправителя.

Действия коммутатора:

• Коммутатор добавляет в свою MAC-таблицу запись о компьютере №1, связав его MAC-адрес с портом, через который пришел запрос;

• ARP-запрос доставляется компьютерам №2 и №3.

Ответы компьютеров:

• Компьютер №2, распознав свой IP-адрес, отправляет ARP-ответ;

• Компьютер №3 игнорирует запрос, но сохраняет запись о MAC-адресе компьютера №1 в своей ARP-таблице.

Коммутатор, получив ARP-ответ от компьютера №2, обновляет свою MAC-таблицу, добавляя запись о MAC-адресе компьютера №2.

Шаг 2. ICMP-запрос и ответ

После завершения ARP-обмена компьютер №1 отправляет ICMP-запрос компьютеру №2. Благодаря MAC-таблице, коммутатор направляет пакеты только в порт, подключенный к компьютеру №2, избегая лишней нагрузки на другие устройства.

❯ Особенности работы ARP в сети с коммутатором

1. Компьютеры №1 и №2 знают о существовании друг друга;

2. Компьютер №3 знает MAC-адрес компьютера №1, но не знает о существовании компьютера №2;

3. В MAC-таблице коммутатора нет записи о компьютере №3.

Если компьютер №3 отправит запрос «ping» на компьютер №1, процесс будет следующий:

1. Компьютер №3 сразу формирует ICMP-запрос, используя MAC-адрес из своей ARP-таблицы;

2. Коммутатор передает пакет на порт компьютера №1;

3. компьютер №1, не имея записи о компьютере №3, отправляет ARP-запрос;

4. после завершения ARP-обмена компьютер №1 отвечает на ICMP-запрос.

❯ Что будет если во время работы коммутатор перезагрузится?

Если коммутатор перезагрузится или его MAC-таблица очистится, он начнет временно работать как хаб, передавая пакеты на все порты, пока MAC-таблица не будет заполнена.

В этой ситуации происходит следующее:

1. Пакет, адресованный компьютеру №2, поступает на коммутатор. Поскольку MAC-таблица коммутатора пуста, чтобы обеспечить корректную работу сети, коммутатор передает эти пакеты на все порты, кроме того порта, через который они были получены. Затем в MAC-таблицу коммутатора добавляется первая запись о компьютере №1;

1. Затем коммутатор получит пакет, предназначенный для компьютера №2. Поскольку в MAC-таблице нет записи об этом компьютере, чтобы обеспечить корректную работу сети, коммутатор передаст эти пакеты на все порты, кроме того порта, через который они были получены. После этого в MAC-таблицу коммутатора будет добавлена первая запись о компьютере №2;

2. Далее сеть будет работать так же, как и до перезагрузки или очистки MAC-таблицы.

Ключевое отличие коммутатора от концентратора (хаба) заключается в следующем: хаб, независимо от обстоятельств, всегда будет пересылать пакеты во все порты, кроме того, из которого этот пакет был получен. В свою очередь, коммутатор передает пакеты на все порты до тех пор, пока в его MAC-таблице не появятся записи. Как только в таблице появляются записи, коммутатор направляет пакеты в соответствующие порты.

❯ Три компьютера и несколько L2 коммутаторов

Рассмотрим, как работает сеть с несколькими коммутаторами.

Устройства в сети:

• компьютер №1: 192.168.0.1;

• компьютер №2: 192.168.0.2;

• компьютер №3: 192.168.0.3;

• коммутатор №1 и №2: MAC-таблица изначально пуста.

Все три компьютера подключены к нескольким коммутаторам. Если с компьютера №1 отправить запрос «ping» на компьютер №2, ARP-запрос попадет на коммутатор и будет направлен во все активные порты, поскольку это широковещательный запрос.

Шаг 1. ARP-запрос

Когда компьютер №1 отправляет ARP-запрос компьютеру №2:

1. Коммутатор №1:
   

   • передает запрос на все порты, кроме порта-отправителя;

   • сохраняет в MAC-таблицу запись о компьютере №1.

1. Коммутатор №2:
   

   • получает запрос от коммутатора №1 и передает его на свои порты;

   • добавляет в MAC-таблицу запись о MAC-адресе компьютера №1.

Компьютеры №2 и №3 сохраняют запись о MAC-адресе компьютера №1.

Шаг 2. ICMP-запрос и ответ

Когда компьютеры начинают обмениваться ICMP-пакетами, каждый коммутатор использует свои MAC-таблицы для передачи пакетов только на целевые порты.

Если с компьютера №3 отправить запрос «ping» на компьютер №2, произойдет ARP-обмен данными между устройствами. Коммутаторы сохранят необходимые записи в своих MAC-таблицах, и ICMP-пакеты будут передаваться в соответствии с этими таблицами.

❯ Особенности работы с несколькими коммутаторами

• У каждого коммутатора своя уникальная MAC-таблица.

• Коммутатор №2 может иметь одну запись для порта с несколькими устройствами, подключенными через другой коммутатор.

Каждый коммутатор формирует свою MAC-таблицу, основываясь на трафике, проходящем через его порты. Чем больше устройств подключено за одним портом, тем больше записей будет ассоциировано с этим портом. Однако даже в сложных сетях коммутаторы эффективно справляются с передачей пакетов, минимизируя нагрузку на сеть.

❯ Заключение

Подводя итоги, мы рассмотрели ключевые устройства и их функции в сетях, такие как коммутаторы и маршрутизаторы, их различия и области применения. Также мы разобрали базовые принципы работы сетей на примере нескольких подключенных устройств, ARP-запросов, ICMP-протокола и их взаимодействия.

Важно отметить, что в этой статье мы не рассматривали работу маршрутизаторов в более сложных сетевых топологиях. В следующей статье мы разберем, как работают маршрутизаторы, как сегментировать сеть, зачем это нужно и как это влияет на масштабируемость и управление.

Эти знания помогут глубже понять основы проектирования сетей и взаимодействия их компонентов.

Написано специально для Timeweb Cloud и читателей Пикабу. Больше интересных статей и новостей в нашем блоге на Хабре и телеграм-канале.

Хочешь стать автором (или уже состоявшийся автор) и есть, чем интересным поделиться в рамках наших блогов — пиши сюда.

Облачные сервисы Timeweb Cloud — это реферальная ссылка, которая может помочь поддержать авторские проекты.

📚 Читайте также:

• Что на самом деле показало нашумевшее исследование о «сбежавших и обманывающих» больших языковых моделях

• Защита схемы от переполюсовки, что может быть проще?

• Комменты — наше все! История онлайн-комментариев.