13.3 Причини логічної структуризації локальних мереж

13.3.1 Обмеження мережі, побудованої на загальному поділюваному середовищі

При побудові невеликих мереж, що складаються з 10-30 вузлів, використання стандартних технологій на поділюваних середовищах передачі даних приводить до економічних й ефективних рішень. У всякому разі, це твердження справедливо для дуже великої кількості сьогоднішніх мереж, навіть тих, у яких передаються великими обсяги мультимедійної інформації, - поява високошвидкісних технологій зі швидкостями обміну 100 й 1000 Мбіт/с вирішує проблему якості транспортного обслуговування таких мереж.

Ефективність поділюваного середовища для невеликої мережі проявляється в першу чергу в наступних властивостях:

• простої топології мережі, що допускає легке нарощування числа вузлів (у невеликих межах);

• відсутності втрат кадрів через переповнення буферів комунікаційних пристроїв, тому що новий кадр не передається в мережу, поки не прийнятий попередній - сама логіка поділу середовища регулює потік кадрів і припиняє станції, що занадто часто генерують кадри, змушуючи їх чекати доступу;

• простоті протоколів, що забезпечила низьку вартість мережних адаптерів, повторювачів і концентраторів.

Однак справедливим є й інше твердження - великі мережі, що нараховують сотні й тисячі вузлів, не можуть бути побудовані на основі одного поділюваного середовища навіть такої швидкісної технології, як Gigabit Ethernet. І не тільки тому, що практично всі технології обмежують кількість вузлів у поділюваному середовищі; всі види сімейства Ethernet - 1024 вузлами, Token Ring - 260 вузлами, a FDDI - 500 вузлами. Навіть мережа середніх розмірів, що складається з 50-100 комп'ютерів й вкладається в дозволений максимум кількості вузлів, найчастіше буде погано працювати на одному поділюваному середовищі.

Основні недоліки мережі на одному поділюваному середовищі починають проявлятися при перевищенні деякого порога кількості вузлів, підключених до поділюваного середовища, і полягають у наступному. Навіть та частка пропускної здатності поділюваного сегмента, що повинна в середньому діставатися одному вузлу (тобто, наприклад, 10/N Мбіт/с для сегмента Ethernet з N комп'ютерами), дуже часто вузлу не дістається. Причина полягає у випадковому характері методу доступу до середовища, використовуваному у всіх технологіях локальних мереж. Найбільш важкі умови для вузлів мережі створює метод доступу CSMA/CD технології Ethernet, але й в інших технологіях, таких як Token Ring або FDDI, де метод доступу носить менш випадковий характер і навіть часто називається детермінованим, випадковий фактор доступу до середовища однаково є присутнім і робить свій негативний вплив на пропускну здатність, що дістається окремому вузлу.

На мал. 4.14 показана залежність затримок доступу до середовища передачі даних у мережах Ethernet, Token Ring і FDDI від коефіцієнта використання мережі р, що також часто називають коефіцієнтом навантаження мережі. Нагадаємо, що коефіцієнт використання мережі дорівнює відношенню трафіка, що повинна передати мережа, до її максимальної пропускної здатності. Для мережі Ethernet максимальна пропускна здатність дорівнює 10 Мбіт/с, а трафік, що вона повинна передати, дорівнює сумі інтенсивностей трафіка, який генерується кожним вузлом мережі. Коефіцієнт використання звичайно вимірюють у відносних одиницях або відсотках.

Мал. 4.14. Затримки доступу до середовища передачі даних для технологій Ethernet, Token Ring й FDDI

Як видно з малюнка, всім технологіям властиво експонентнціальне зростання величини затримок доступу при збільшенні коефіцієнта використання мережі, відрізняється тільки поріг, при якому наступає різкий перелом в поведінці мережі, коли майже прямолінійна залежність переходить у круту експоненту. Для всього сімейства технологій Ethernet це 40-50 %, для технології Token Ring - 60 %, а технології FDDI- 70%.

Кількість вузлів, при яких коефіцієнт використання мережі починає наближатися до небезпечного кордону, залежить від типу функціонуючих у вузлах додатків. Якщо раніше для мереж Ethernet вважалося, що 30 вузлів - це цілком прийнятне число для одного поділюваного сегмента, то сьогодні для мультимедійних додатків, що перекачують великі файли даних, цю цифру потрібно уточнювати за допомогою натурних або імітаційних експериментів.

Вплив затримок і колізій на корисну пропускну здатність мережі Ethernet добре відбиває графік, представлений на мал. 4.15.

Мал. 4.15. Залежність корисної пропускної здатності мережі Ethernet від коефіцієнта використання

При завантаженні мережі до 50 % технологія Ethernet на поділюваному сегменті добре справляється з передачею трафіка, який генерується кінцевими вузлами. Однак при підвищенні інтенсивності генерованого вузлами трафіка мережа усе більше часу починає проводитись неефективно, повторно передаючи кадри, які викликали колізію. При зростанні інтенсивності трафіка, що генерується, до такої величини, коли коефіцієнт використання мережі наближається до 1, імовірність зіткнення кадрів настільки збільшується, що практично будь-який кадр, що яка-небудь станція намагається передати, зіштовхується з іншими кадрами, викликаючи колізію. Мережа перестає передавати корисну інформацію, а працює "на себе", обробляючи колізії.

Цей ефект добре відомий на практиці й досліджений шляхом імітаційного моделювання, тому сегменти Ethernet не рекомендується завантажувати так, щоб середнє значення коефіцієнта використання перевершувало 30%. Саме в багатьох системах керування мережами граничний кордон для індикатора коефіцієнта завантаження мережі Ethernet за замовчуванням встановлюється на величину 30%.

Технологія Ethernet найбільш чутлива до перевантажень поділюваного сегмента, але й інші технології також досить страждають від цього ефекту, тому обмеження, пов'язані з виникаючими колізіями й більшим часом очікування доступу при значному завантаженні поділюваного сегмента, найчастіше виявляються більше серйозними, чим обмеження на максимальну кількість вузлів, певна в стандарті з міркувань стійкої передачі електричних сигналів у кабелях.

В результаті навіть мережу середніх розмірів важко побудувати на одному поділюваному сегменті так, щоб вона працювала ефективно при зміні інтенсивності трафіка, що генерується станціями. Крім того, при використанні поділюваного середовища проектувальник мережі зіштовхується із твердими обмеженнями максимальної довжини мережі, які для всіх технологій лежать у межах декількох кілометрів, і тільки технологія FDDI дозволяє будувати локальні мережі, довжина яких виміряється десятками кілометрів.