Жергілікті желілер технологиялары
Ethernet-шиналы топологиялы желіге мысал
1. Ethernet тарихы.
Ethernet - өте танымал және кең пайдаланатын шина тополгиясын қолданылатын желілік технология. Ethernet технологиясы Xerox корпорациясының Поло Альто зерттеу ортасында 70 жылдар басында шығарылды. Кейінірек Digital Equipment, Intel және Xerox компаниялары өндіру стандартын өңдеуге өздерінің күшін қосып, DIX Ethernet- ті шығарды. Қазіргі уақытта Ethernet стандартын өңдеу ІЕЕЕ институтының бақылауында. Ethernet жергілікті желісінің бірінші версиясында (ether, эфир) атау бар бір коаксиальды кабель қолданды, ал оған бірнеше компьютерлер қосылатын. Мамандар Ethernet типті ұздіксіз коаксильді кабельді белгілеу үшін сегмент терминін пайдаланады. Әрбір Ethernetтің бөлек сегменті 500 метрден аспау керек; стандарт әрбір қос байланыс бір-бірінен үш метр қашықтықта болуын талар етеді. Ethernetтің алғашқы версияларында аппараттық құралдар 10Мбит/с жылдамдықта; Fast Ethernet атты келесі версиялар 100 Мбит/с жылдамдықта, ал ең қазіргі заманғы версия Gigabit Ethernet 1000 Мбит/с жылдамдықта немесе 1Гбит/с жылдамдықта жұмыс істейді.
Ethernet-те жіберу ортасын бірігіп қолдану. Ethernet желісінде қолданылатын шина топологиясы бірнеше компьютердің жіберу ортасына бірігіп кіруін қамтамасыз етеді. Жіберуші кабельдің екі түйініне таралатын сигналды жібереді. 6.6-суретте Ethernet желісі арқылы деректер жіберілуі көрсетілген.
6.6-сурет. Ethernet желісі
IBM Token Ring – сақиналы топология. Айтылып кеткендей сақиналы топология жергілікті желілерде барлық компьютерлер тұйық контурға қосылған. Сақина топологиясы қолданылатын көптеген жергілікті желілерде маркерді жіберу атты қатынас жасау механизмі қолданылады, немесе олар маркерлі сақина типті желі деп аталынады. Маркерлі сақина бөлінетін жіберу ортасы бірегей жұмыс істейтіндей болып табылады. Егер компьютерге деректер жіберу керек болса, ол алдымен желіге қатынас жасау рұқсатын алу керек. Рұқсат алған соң жіберуші компьютер сақинаға толық бақылауды алады: ешқандай басқа жіберу операция бұл кезде орындалмайды. Жіберуші компьютерден жіберілген фрейм келесі компьютерге барады, содан соң кезек бойынша тұрған басқа компьютерге жіберіледі және тағы сол сияқты, барлық сақина бойымен жүріп өтпейінше және жіберушіге қайта келмейінше қайталанады. Бұл принцип 6.8 - суретте көрсетілген.
Суретте көрсетілгендей, компьютер жібергіштен сигнал кабельдің екі соңғы түйініне таралады. Жергілікті жел ітехнологияларындағы бірігіп кіруде бірден бірнеше фрейм жіберіледі дегенді білдірмейтінін түсінген жөн. Ethernet-бір жіберу ортасын пайдаланатын бірнеше компьютерден тұратын шиналық топологиялы желі. Бір компьютер фреймді келесіге жібергенше, қалғандары күту керек.
Көп станциялық қатынас құру желілерде тасымалдау жиелігін бақылауы. Ethernetтің ең бір ерекшелігі болып жіберудің координациялау механизмі табылады. Бұл желіде әр компьютерге бөлінген кабельді қашан қолдану кезегін айтып отыратын орталықтанған контроллері болмайды. Ethernet-ке қосылған компьютерлер тасымалдаушы жиелігін бақылауы бар көп станциялық қатынас (CSMA — Carrier Sense Multiple Access) атты схемасында қатысады. Бұл желіде желі жағдайын анықтау үшін кабельдің электрлік белсенділігі қолданылады. Егер бір де бір компьютер фрейм жібермесе, эфирде электр сигналдары болмайды. Бірақ, фрейм жіберу кезінде жіберуші деректерді кодтау үшін қолданылатын электрлік сигналды жібереді. Бұл сигналдар аталған тасымалдау сигналдарынан ерекшелінеді, олар шартты тасымалдаушы деп аталады. Сондықтан, компьютерлер тасымалдаушы жиелігінің көмегімен қазіргі уақытта кабель қолданыла ма жоқ па соны анықтай алады. Егер тасымалдаушы жиелігі бар болса, компьютер жіберуші тасмалдауды аяқталмайынша күту керек, тек қана содан кейін ол басқа істерін орындай алады. Тасмалдау сигналының барын тексеру формальды түрде тасымалдау жиелігін бақылауы деп аталады, сондықтан сигналдың барын тексеру принципі көп станциялық қатынас және тасымалдау жиелігін бақылау (CSMA) деп аталады.
Коллизияны анықтау және CSMA/CD тәсілін пайдалануды кейінге қалдыру. CSMA тәсілі компьютерге кабель қолданыла ма жоқ па соны анықтауға мүмкіндік береді. Бірақ бұл тәсіл мүмкін ахуалды болдырмауға кедергі жасай алмайды. Ойлап көріңіз, егер бос емес кабельдің қарама қарсы түйіндеріндегі екі компьютер бір уақытта фреймдер жіберетін болса не болады? Олар тасымалдаушы жиелігінің бар жоғын тексереді, кабель бос екенін анықтап бір уақытта жіберуді бастайды. Сигнал кабель бойынша жарық жылдамдығының 70% құрайтын жылдамдықпен таралады және екі компьютермен жіберілген сигналдар кабельдің бір нүктесіне жеткенде коллизия орындалады.
Коллизия аппараттық құралдарға зиян келтірмейді, ол жіберуді бұзады, өткені соңында екі фреймнің біреуі де дұрыс қабылданбау мүмкін. Бір уақыттағы екі компьютердің қатар деректер жіберуін болдырмау үшін Ethernet стандарты жіберу станциясына кабельдегі сигналды бақылауға алуына талап етеді. Егер кабельдегі сигнал станция жіберген сигналдан өзгеше болса, онда коллизияның болғаны. Коллизияны бақылау кезінде жіберу станциясы жіберуді лезде тоқтатады. Жіберу кезінде кабельдегі сигналды бақылау коллизияны анықтау деп аталады және көрсетілген механизм Ethernetте тасмалдаушы жиелігін бақылау көп станциялық қатынас және коллизияны анықтау (CSMA/CD) деп аталады.
CSMA/CD тәсілі тек колизияны табуды ғана қарастырмайды олардың қателіктерін жоюды қарастырады. Коллизия пайда болуынан кейін компьютер кабельдің босауын күту керек және тек содан кейін фреймді жіберу керек. Бірақ егер екі компьютер де эфир босағаннан кейін лезде жіберуді жаңартса жаңа коллизия пайда болады. Қайталама коллизияны жаңарту үшін Ethernet стандарты компьютердің коллизия пайда болуынан кейін жіберуді қайта орындауын талап етеді. Стандарт максималды ұстап қалуды (d-ны) анықтайды және әрбір компьютерге d-дан аспайтын ұстап қалу кездейсоқ таңдалу керек. Кездейсоқ тәсілмен таңдалған ұстап қалулардың әр компьютерде айырмашылықтары болады. Минималды ұстап қалу таңдалған компьютер фреймді жіберуге кіріседі және желі дұрыс жұмысқа қайта оралады.
Егер екі компьютерде коллизиядан кейін бірдей көлемдегі ұстап қалулар таңдалған болс, онда олар жіберуді бірдей уақытта бастайды, қорытындысында екінші коллизия пайда болады. Коллизияларды болдыртпау үшін Ethernet стандарты әрбір компьютерде ұстап қалу әрбір коллизиядан кейін ұстап қалу 0 мен d диапазонда кездейсоқ орнатылады, екінші коллизиядан кейін 0 мен 2d диапазонда, үшіншіден кейін 0 мен 3d және т.с.с. Бірнеше коллизиялардан кейін кездейсоқ мән таңдалатын диапазон үлкейеді және компьютердің бірі кішкене ұстап қалуды таңдайтыны ықтималдылығы бар және фреймді коллизиясыз жібереді.
Әрбір коллизиядан кейін кездейсоқ ұстап қалуды таңдау диапазонының екі еселенуі екілік экспоненциальды тыс қалдыру деп аталады. Экспоненциальды тыс қалдыру Ethernet желісі коллизиядан кейін дұрыс жұмысты тез қайта қалпына келтіре алады.
Ethernet желісі қосылған компьютерлерде CSMA/CD тәсілі қолданылады, ол кезде фрейм жібермес бұрын компьютер эфир босауын күтеді. Егер екі компьютер фреймді бір уақытта жіберсе коллизия пайда болады; сондықтан экспоненциальды тыс қалдыру компьютердің қайсысы қайта жіберуде бірінші болатынын анықтайды. Әрбір компьютерде қайта жіберу кезінде кездейсоқ таңдалған уақыт интервалында ұстап қалу орындалады, ал содан соң әрбір коллизиядан кейін ұстап қалу екі еселенеді.
802.11 сымсыз жергілікті желілер және CSMS/CA тәсілі. Сымсыз жергілікті желілер үшін CSMS/CD тәсілінің басқа форма қолданумен бірнеше технологиялар өңделген. Сәйкес желілік өнімдер бірнеше компаниялардың әртүрлі сауда маркерлерімен жібереді. Мысалы, Apple Computer корпорациясы Airport құрылғысын, Lucent корпарациясы Wave LAN, Solectek корпорациясы AirLAN және Proxim корпорациясы Range LANды ұсынады. Алғашқы түлектердің ұрылғыларына 900 МГц жиілік, олар 2 Мбит секунд жылдамдықпен деректер жіберуді қамтамасыз етеді; 801.11 IEEE стандарты сымсыз жергілікті желінің талаптарын анықтайды.
Сымсыз лоальды желінің аппараттық құрылғыларында басқа компьютерлер қабылдайтын радиосигналдарды жіберу үшін антендер қолданылады. Басқа жергіліктіқ желілердегідей сымсыз жергілікті желілерде біріккен кіру қарастырылған. Бұл дегеніміз сымсыз жергілікті желінің жұмысына қатысатын барлық компьютерлер бірдей радиожиілікті қолдануға бапталған. Сондықтан олар дестелер жіберу кезінде кезек сақтау керек.
Сымсыз жергілікті желілерде бірігіп кіруді басқарудың басқа тәсілі қолданылады, кабельдік жүйелермен салыстырғанда радиосигналдарды таратудың өзіндік ерекшелігі бар. Радиосигналдың электромагниттік энергиясы барлық жаққа таратылатындығына қарамастан сымсыз жергілікті желілер жібергіштері аз қуатты болып келеді, бұл дегеніміз сигнал қысқа қашықтыққа жіберілетінін білдіреді. Оған қоса, металдық шектеулер сигналды экрандау мүмкін. Сондықтан, шектеулден тым алыс немесе шектеуден кейін орналасқан сымсыз құрылғылар сигнал қабылдай алмауы мүмкін.
Толық байланыстың жоқтығы Ethernet желісіндегідей CSMS/CD механизмі сымсыз жергілікті желілерде қолданылатынын білдіреді. Неге екенін түсіну үшін сымсыз жергілікті желінің аппараттық құрылғылары бар бір бірінен алыс орналасқан үш компьютерді елестетіңіз (6.7-сурет)
6.7-сурет
Бұл суретте жіберу жақсы орындалу үшін үш компьютердің екеуі бір-бірінен алыс орналасқан. Осындай жағдайларда тасымалдауыш жиелікті бақылау тәсілі және коллизияны табу желінің үзіліссіз жұмысын қамтамасыз етеді. Мысалы, айталық, бір компьютер екінші компьютерге десте жіберсін. Үшінші компьютер оны қабылдамайтындықтан, ол өзі деректер жіберуге кірісе алады, қорытындысында коллизия пайда болады. Егер бірінші компьютер мен үшінші компьютер фреймді бір уақытта жіберсе, онда коллизияны тек екінші компьютер анықтай алады.
Жіберу ортасына бірігіп кіру компьютерлерінің ұйымына сымсыз жергілікті желілерде басқа схема қолданылады, ол көп станциялы тасымалдаушы бақылауы бар кіру және коллизияны болдырмау. CSMS/CА тәсілі қабылдағышпен десте жіберу арасындағы жібергіштен сигнал қабылдауын қарастырады. Айталық, 6.7-суретте көрсетілген бірінші компьютер екінші компьютерге фрейм жіберу керек. Бірінші компьютер фрейм жіберу алдында қысқа басқару ақпаратын жібереді. Екінші компьютер басқару ақпаратын қабылдап қабылдауға дайындығын жауап қылып қайтарады. Бірінші компьютер қабылдаушыдан жауап алғаннан кейін, ол фрейм жібере бастайды.
Бұл суретте үшінші компьютер бірінші компьютерден жіберуді алмайтындықтан ол екніші компьютерден жіберуді алады. Сондықтан екніші компьютер жауап қайтарғаннан кейін барлық компьютерлер десте жіберу болғанша күтеді.
CSMS/CА тәсілін қолдану кезінде басқару ақпараттарының коллизиясы пайда болу мүмкін. Мысалы, егер бірінші компьютер және үшінші компьютер бір уақытта екінші компьютерге десте жіберді десек, бұл дегеніміз олар басқару ақпараттарын жіберді дегеніміз. Бұл басқару ақпараттары екінші компьютерге бір уақытта түседі және коллизияны болдырады.
Local Tolk-шиналық топология. Apple Computer корпорациясы шина топологиясын қолданылатын жергілікті желі шығарды. Local Talk деп аталатын технология Apple дербес компьютерінде қолдануға арналған, және әсіресе көп Apple компьютерлері орналасқан ұйымдарда кеңінен қолданылады. Әрбір Apple Macintosh компьютерлері Local Talk желісіне қосу үшін қажет барлық аппараттардың құралдарды қамтиды, Local Talk аппараттардың қамтамасыз етуі басқа модель компьютерлерінде де қолданылады.
Local Talk желінің негізгі артықшылығы – оның төмен бағасы: компьютерлерді Local Talk желісіне қосу үшін қажет аппараттардың, құралдардың көп бөлігі компьютерлердің құрамына кіреді. Мысалы, Local Talk желісі компьютерлермен Macintosh-тың 2 компьютерін байланыстыру үшін бір кабель қажет. Одан басқа Local Talk желісінің орнатуы қиын емес: арнайы құралдарды қолданбай және арнайы білімді қажет етпей, желі конфигурациясын өзгертуге және компьютерлерді қосуға қолданушы қарапайым байланыстырғышты қолдана алады. Соңында Local Talk-тың аппараттарының құралдары көптеген принтирлерде орнатылған, ол желіге принтерді оңай қосуды мүмкін етеді және бірнеше компьютердің сол принтерге қатынас жасауна мүмкіндік береді.
6.8 – сурет. Маркерлік сақина
Суретте көрсеттілгендей жіберушіден басқа барлық станциялар сақина бойымен деректерді бірінен кейін бірі таратады. Сондықтан, жіберудің дұрыстығына сенімді болу үшін жіберуші компьютер жіберген ақпараттарды келіп түскен ақпаратпен салыстыруға мүмкіндік ала алады. Басқа станциялар барлық жіберулерді бақылайды. Сақина бойымен берілген фреймдің көшірмесі фрейм арналған компьютерде (қабылдаушы компьютерде) қалады.
Қандай тәсілмен жіберуші сақина бойымен ақпарат жіберудің рұқсатын алады? Маркерлі сақинаның ақпараттық жабтықтауы жіберу ортасына қосылған барлық компьютерлердің қатынас жасау кезегін коорденациялайды. Коорденация үшін маркер атты арнайы резервтелген ақпарат қолданылады. Маркер қарапайым деректер фреймге қарағанда өзге биттер қатарынан тұрады. Қарапайым деректерді маркермен шатастырмау үшін маркерлі сақинаның кейбір технологияларында биттерді қосу әдісі қолданылады. Маркерлік сақинаның аппараттарының қамтамасыздануы тек осы типті бір маркері бар екеніне кепілдік бере алады.
Маркерді алу компьютердің бір фреймді жіберуге рұқсат алумен тең. Сондықтан фрейм жіберу үшін компьютер маркер алуды күту керек. Маркерді алып компьютер оны уақытша сақинадан өшіреді және деректер жіберуді орындайды. Егер компьютерге бірнеше фреймдерді жіберу қажет болса да ол алдымен тек қана біреуін жібереді, содан соң маркерді ары қарай жібереді.
Маркерді жіберу схемасы барлық желідегі барлық компьютерлер өз кезегін күтетінін және маркерді келесіге жібермес бұрын әрбір жіберуші бір фреймді жіберетінін кепілдейді. Маркерді жіберу желілік технологиялардың танымалының бірі IBM корпорациясымен өңделген. Бұл желі маркерлі сақина типінің бірінші желісі емес. IBM корпорациясының TokenRing желісі кең таралған. IBM корпорациясының TokenRing желісі 16 млн бит секундына жылдамдықпен жұмыс істейді және IBM компьютерінде қолданыла алады.
FDDI сақиналы желісі. Маркерлі сақина типті желісінің ең негізгі кемшілігінің бірі бас тартуға сезімталдылығы. Сақинаға қосылған әрбір компьютер келесі компьютерге фрейм жіберу керек болғандықтан бір компьютердің істен шығуы барлық желінің жұмысының бұзылуына әкеледі. Маркерлі сақинаның аппараттық жабдықталуы әдетте осындай бас тартуды болдырмау негізінде жобаланады. Мысалы, компьютерлерді желіге қосуға арналған желілік құрылғы программалық қамтамасызданудың бас тартуын бастан өткізуге дайын: ол программалық қамтамасызданудың бас тартуына қарамастан шығыс байланысқа кіріс биттерін жіберуді жалғастыра береді (мысалы, жүйе тоқтауына қарамастан). Бірақ маркерлі сақина типті желілердің көбі байланыстың үзілуімен жұмыс істей алмайды, мысалы, екі компьютер арасында кабельдің кездейсоқ зақымдануы.
Сақиналы желінің күрделі өзгерілмейтіндерді өткізетін кейбір технологиялары өңделген. Оларға мысалы, деректерді 100 млн бит секундына жіберуге мүмкіндік беретін технологиясы, ол яғни IBM Token Ring пен салыстырғанда сегіз есе тезірек жіберетін оптоволоконды арналар бойынша деректер жіберуінің таралымды интерфейсін (FDDI — Fiber Distributed Data Interface) қолдану жатады. FDDI желісінде осындай үлкен жыдамдықтыпен деректер жіберуді қамтамасыз ету үшін компьютерді байланыстыру үшін 10 оптоволоконды кабельдері қолданылады.
FDDI технологиясында бас тартуды өткізу үшін артықшылық қолданылады. FDDI желісі екі толық сақинадан тұрады: оның біреуі деректерді жіберу үшін қолданылады, егер барлық құрылғылар жақсы жұмыс істесе, ал екіншісі бірінші сақина бұзылған кезде жұмыс істейді. Екі компьютерді байланыстыратын екі оптоволоконның әрбіреуі жұмсақ пластмассмен қапталған, электроқұрылғынікі секілді. Сондықтан, оптоволокондар бір уақытта орнатыла алады.
FDDI желісінде қарама қарсы бағытқа деректер жіберетін сақиналар қолданылады; деректер неге қарама қарсы бағытқа жіберетінін түсіну үшін бас тартулар қалай орындалатынын қарастырған жөн. Біріншіден қос оптоволокондар әдетте бір физикалық жолмен жүреді, бір волокон жарылғанда әдетте екіншісі де зақымдалады. Екіншіден, егер деректер екі сақина бойымен жіберілсе, онда бір станцияның сақинадан үзілуі басқа да барлық станциялар арасындағ ы байланысты үзеді. Қарама қарсы бағытқа деректердің резервті сақина бойымен жүруі желі конфигурациясы басқа қарсы жол станциясын қолдануда өзгеруі мүмкін. Бұл принцип 6.9-суретте көрсетілген.
6.9. (а)-сурет-деректердің жүру бағыттары бағыттауыштарымен көрсетілген FDDI желісі; (б) – станцияның бас тартуынан кейінгі сол желі. Әдетте деректер бір бағытта жүреді. Бір станцияның бас тартуында тұйық сақинаны формалау үшін қарсы жол қолданылады.
31а) суретте деректер жіберетін екі бағыт та көрсетілгендіктен, қарама қарсы бағыттағы сақиналарда деректерді жіберу кезінде әдетте тек бір сақина қолданылады. Мысалы, станция әрқашан сыртқы сақинамен фреймді қабылдайды және жібереді, ал желілік аппараттық қамтамасыздандыру биттерді ішкі сақина бойымен кері бағыттайды. 31.б)-суретте деректердің бас тартудан кейінгі жолы көрсетілген. Бас тартқан учаске жақын станцияның аппараттық құралдарының үзілісін табады және кіріс биттері қарсы жолмен қайтатындай қайта бапталады. Сондықтан бас тартқан станция сақинадан өшіріледі, ал қалған станциялар үзіліссіз станцияға байланысады. Барлық желінің бас тартуын болдырмау мақсатындағы конфигурациялардың өзгеруі қайта орнату деп аталады, ал FDDI желісі өздігінен қайта орнатылу желісі деп аталады.
АТМ жұлдыз топологиялы желі. Телефондық компаниялар асинхронды жіберу режимі деп аталатын желілік (ATM — Asynchronous Transfer Mode) технологияны шығарды. АТМ желісінде негізгі элемент болып электронды коммутатор табылып, оған бірнеше компьютерлер жалғана алады. Мысалы, 6.10-суретте АТМ коммутаторына қосылған алты компьютер көрсетілген.
6.10-сурет. жұлдыз топологиясы негізінде алты компьютер жалғанған АТМ коммутаторы
Бұл сурет АТМ желісі неліктен жұлдыз топологиясының желісі екенін көрсетеді. Бір немесе бірнеше байланысқан коммутаторлар барлық компьютерлер жалғанған орталық концентраторды құрайды. Шиналы және сақина топологиясымен салыстырғанда жұлдыз топологиясының желісі ақпарат алмасатын екі компьютерден басқа компьютерге деректер жібермейді: концентратор жіберушіден кіріс деректерін қабылдайды және шығыс деректерін қабылдауға жібереді. Айта кететін жайт, жұлдыз топологиялы АТМ желісі байланысқа көп тәуелді емес. Егер компьютерлер және коммутаторлар арасындағы байланыс үзілсе, олардың әрбірі тек бір бағытта деректерді жіберуді іске асырады. (6.11-сурет)
6.11-сурет. АТМ және коммутатор арасындағы байланыс. Әрбір байланыс екі оптоволоконнан тұрады. Бір волокон компьютерге деректер жібереді, ал екіншісі компьютерге жібереді.
FDDI технологиясына қолданылатын оптоволокондағыдай АТМ коммутаторына компьютерлерді жалғау үшін қолданылатын екі волокон бірге қосылған. Әдетте бір волокон қабығы түрлі түсті лентадан тұрады немесе басқа да белгісі бар; маман байланыс кабелін орнату кезінде бұл белгіні коммутатор шығысын компьютер кірісіне жалғай алады және керісінше.