4. Архитектура локальных сетей

Сетевая архитектура соответствует реализации физического и канального уровня модели OSI. Она определяет кабельную систему, кодирование сигналов, скорость передачи, структуру кадров (фреймов), топологию и метод доступа. Каждой архитектуре соответствуют свои компоненты — кабели, разъемы, интерфейсные карты, кабельные центры и т. д.

1. Первое поколение архитектур обеспечивало низкие и средние скорости передачи: LocalTalk — 230 кбит/с, ARCnet — 2.5 Мбит/с, Ethernet — 10 Мбит/с и Token Ring — 16 Мбит/с. Исходно они были ориентированы на электрические кабели.

2. Второе поколение — FDDI (100 Мбит/с), АТМ (155 Мбит/с и выше). Fast Ethernet (100 Мбит/с) в основном ориентировано на оптоволоконный кабель (Fiber-based).

1. Ethernet

Ethernet — архитектура сетей с разделяемой средой и широковещательной передачей (все узлы получают пакет одновременно), метод доступа CSMA/CD, реализует два нижних уровня модели OSI. Стандарт определен документом IEEE802.3. По физической реализации различают:

• 10Basе5 — Thick («толстый») Ethernet;

• 10Base2 — Thin («тонкий») Ethernet;

• 10BaseT — Twisted-pair Ethernet — на витой паре;

• 10Broad36 — сеть на широкополосном 75-омном коаксиальном кабеле;

• 10BaseF — несколько вариантов сети на оптоволоконном кабеле;

• 100BaseT — 100 Мбит/с стандарты Ethernet, включающие 100BaseT4, 100BaseTX (наиболее распространенный Fast Ethernet), 100BaseFX

• Gigabit Ethernet

Первый элемент обозначения: скорость, Мбит/с. Второй элемент: Base — прямая (немодулированная) передача, Broad — использование широкополосного кабеля с частотным уплотнением каналов. Третий элемент: среда передачи или длина кабеля в сотнях метров.

«Толстый» Ethernet

Синонимы: ThickNet, Yellow (желтый кабель). Standard Ethernet, 10Base5. Классический вариант, введенный в 60-х годах, использует толстый коаксиальный кабель RG-8 с посеребренной центральной жилой и двойной экранной оплеткой. Кабель имеет волновое сопротивление 50 Ом, малое затухание и высокую помехозащищенность. Максимальная длина сегмента — 500 м, на концах сегмента устанавливаются разъемы и 50-омные терминаторы, один из которых заземляется. Кабель желтого цвета всегда имеет разметку в виде черных рисок через каждые 2.5 м, обозначающую возможные точки подключения или отреза. Отрезки кабеля могут соединяться разъемами, Т-образные ответвления недопустимы. Допускается соединение в линию через повторители до 5 сегментов (2500 м), из которых не более трех могут использоваться для подключения узлов (Trunk segments), остальные (Link segments) используются как удлинители. На каждом сегменте может быть до 100 узлов, считая и повторители.

На кабель устанавливается трансивер — MAU (Media Attachment Unit), активное устройство с питанием 12В от интерфейса устройств присоединения AUI (Attachment Unit Interface), обеспечивающий доступ к шине через импульсный трансформатор. Трансивер устанавливается либо между концевыми разъемами отрезков кабеля (как вставка или через Т-коннектор), либо с прокалыванием кабеля («вампир»). К сетевому адаптеру трансивер подключается специальным кабелем-спуском длиной до 50 м. Кабель содержит линии питания трансивера и экранированные витые пары для сигналов приема, передачи и обнаружения коллизии. Кабель имеет диаметр около 1 см, присоединяется 15-штырьковыми разъемами D-типа с защелками. Жесткость кабеля создает эксплуатационные неудобства.

Толстый кабель сложен в монтаже. Основное преимущество — высокая помехозащищенность кабеля и напряжение изоляции трансивера. Применяется для прокладки базовых сегментов (Backbone).

«Тонкий» Ethernet

Синонимы: ThinNet, 10Base2, CheaperNet (дешевая сеть). Популярный вариант, использует тонкий коаксиальный кабель RG-58, имеющий волновое сопротивление 50 Ом, среднее затухание и помехозащищенность. Максимальная длина сегмента — 185 м, для многих современных адаптеров — 300 м. На концах сегмента устанавливаются разъемы и 50-омные терминаторы, один из которых заземляется. Сеть с не 50-омными терминаторами неработоспособна. Применение кабеля с другим волновым сопротивлением приводит к образованию «черных дыр», в которых реальная скорость обмена может падать до нуля. Допускается соединение в линию через повторители до 5 сегментов (925 м или 1500 м), из которых не более трех могут использоваться для подключения узлов (Trunk segments), остальные (Link segments) используются как удлинители. На каждом сегменте может быть до 30 узлов, считая и повторители. Узлы подключаются с помощью Т-коннекторов, минимальное расстояние между коннекторами 0.5 м. Ограничение длины Т-образного ответвления (10 см) создает неудобства подключения настольных компьютеров, поскольку от каждого Т-коннектора, вставленного в сетевую карту, отходят кабели в обе стороны.

Применяемые соединители: BNC-connector — на концах отрезков, BNC T-connector — для подключения узлов, BNC -connector — для соединения отрезков кабеля.

Оптимальное применение — для прокладки базовой сети между хабами.

Возможно сочетание толстого и тонкого кабеля в одном сегменте, для чего предусмотрены специальные переходные разъемы. Максимальная длина тонкого кабеля (в метрах) определяется по формуле MaxThinLen = (500-ThickLen)/3.28. Максимально допустимое количество узлов в сегменте — от 30 до 100.

Ethernet на витой паре (Twisted-Pair Ethernet)

Сюда относятся: 10BaseT, 100BaseTX, 100BaseT4. Среда передачи для 10BaseT, 100BaseTX — две неэкранированные витые пары DTP (Unshielded Twisted Pair) категорий 3, 4 или 5; для 100BaseT4 — четыре пары UTP категории 5 или экранированные витые пары STP (Shielded Twisted Pair).

Рис.8 Сеть стандарта 10Base-T

Физическая топология — звезда: каждый узел подключается к своему порту хаба лучом кабеля длиной до 100 м. Конечные узлы соединяются по топологии «точка-точка» со специальным устройством — многопортовым повторителем с помощью двух витых пар. Одна витая пара требуется для передачи данных от станции к повторителю (выход Т_х сетевого адаптера), а другая — для передачи данных от повторителя к станции (вход R_х сетевого адаптера). Для каждой пары сигналов (R_x+ , R_x- и Т_х+ , Т_х-) должны использоваться свитые вместе провода, один из которых, как правило, цветной другой - белый с полосками того же цвета. Кабель между хабом и адаптером узла прямой, между хабами — перекрестный. Два компьютера можно связать и без хаба перекрестным кабелем. На рис. 8 показан пример трехпортового повторителя. Повторитель принимает сигналы от одного из конечных узлов и синхронно передает их на все свои остальные порты, кроме того, с которого поступили сигналы.

Многопортовые повторители в данном случае обычно называются концентраторами (англоязычные термины —Hub или concentrator). Концентратор осуществляет функции повторителя сигналов на всех отрезках витых пар, подключенных к его портам, так что образуется единая среда передачи данных — логический моноканал (логическая общая шина). Повторитель обнаруживает коллизию в сегменте в случае одновременной передачи сигналов по нескольким своим R_х-входам и посылает jam-последовательность на все свои Т_х-выходы. Базовый стандарт 10Base-T определяет битовую скорость передачи данных 10 Мбит/с и максимальное расстояние отрезка витой пары между двумя непосредственно связанными узлами (станциями и концентраторами) не более 100 м при наличии витой пары качества не ниже категории 3. Это расстояние определяется полосой пропускания витой пары — на длине 100 м она позволяет передавать данные со скоростью 10Мбит/с при использовании манчестерского кода. Концентраторы 10Base-Т можно соединять друг с другом с помощью тех же портов, которые предназначены для подключения конечных узлов. При этом нужно позаботиться о том, чтобы передатчик и приемник одного порта были соединены соответственноственно с приемником и передатчиком другого порта.

Для обеспечения синхронизации станций при реализации процедур доступа CSMA/CD и надежного распознавания станциями коллизий в стандарте определено максимальное число концентраторов между любыми двумя станциями сети, а именно 4. Это правило носит название «правила 4-х хабов» и оно заменяет «правило 5-4-3», применяемое к коаксиальным сетям. При создании сети 10Base-Т с большим числом станций концентраторы можно соединять друг с другом иерархическим способом, образуя древовидную структуру.

Необходимо отметить, что петлевидное соединение концентраторов в стандарте 10Ваsе-Т запрещено, так как оно приводит к некорректной работе сети. Это требование означает, что в сети 10Base-Т не разрешается создавать параллельные каналы связи между критически важными концентраторами для резервирования связей на случай отказа порта, концентратора или кабеля. Резервирование связей возможно только за счет перевода одной из параллельных связей в неактивное (заблокированное) состояние.

Общее количество станций в сети 10Base-Т не должно превышать общего предела в 1024, и для данного типа физического уровня это количество действительно можно достичь. Для этого достаточно создать двухуровневую иерархию концентраторов, расположив на нижнем уровне достаточное количество концентраторов с общим количеством портов 1024. Конечные узлы нужно подключить к портам концентраторов нижнего уровня. Правило 4-х хабов при этом выполняется - между любыми конечными узлами будет ровно 3 концентратора.

Максимальная длина сети в 500 м здесь понимается как максимальное расстояние между любыми двумя конечными узлами сети (часто применяется также термин «максимальный диаметр сети»). Очевидно, что если между любыми двумя узлами сети не должно быть больше 4-х повторителей, то максимальный диаметр сети 10Base-Т составляет 5x100 = 500 м.

Сети, построенные на основе стандарта 10Base-Т, обладают по сравнению с коаксиальными вариантами Ethernet многими преимуществами. Эти преимущества связаны с разделением общего физического кабеля на отдельные кабельные отрезки, подключенные к центральному коммуникационному устройству. И хотя логически эти отрезки по-прежнему образуют общую разделяемую среду, их физическое разделение позволяет контролировать их состояние и отключать в случае обрыва, короткого замыкания или неисправности сетевого адаптера на индивидуальной основе. Это обстоятельство существенно облегчает эксплуатацию больших сетей Ethernet, так как концентратор обычно автоматически выполняет такие функции, уведомляя при этом администратора сети о возникшей проблеме.

В стандарте 10Base-Т определена процедура тестирования физической работоспособности двух отрезков витой пары, соединяющих трансивер конечного узла и порт повторителя. Эта процедура называется тестом связности, и она основана на передаче каждые 16 мс специальных импульсов J и K манчестерского кода между передатчиком и приемником каждой витой пары. Если тест не проходит, то пoрт блокируется и отключает проблемный узел от сети. Так как коды J и K являются запрещенными при передаче кадров, то тестовые последовательности не влияют на работу алгоритма доступа к среде.

Звездообразная физическая топология имеет конструктивные преимущества по сравнению с шиной:

• к каждому узлу подходит только один гибкий кабель;

• повреждение одного лучевого кабеля приводит к отказу соединения только одного узла;

• несанкционированное прослушивание пакетов в сети затруднено.

Cуществуют переходные устройства с тонкого кабеля на витую пару, представляющие собой активные устройства - повторители или вырожденные (двухпортовые) хабы.

Появление между конечными узлами активного устройства, которое может контролировать работу узлов и изолировать от сети некорректно работающие, является главным преимуществом технологии 10Base-Т по сравнению со сложными в эксплуатации коаксиальными сетями. Благодаря концентраторам сеть Ethernet приобретает свойства отказоустойчивой системы.

Оптоволоконный Ethernet

Использование оптоволокна в качестве среды передачи принципиально позволяет реализовать как шинную, так и звездообразную физическую топологию. Реализация шины физически существенно сложнее, поэтому в настоящее время распространен вариант двухточечного подключения. При этом два узла связываются двумя нитками волокна, по которым сигнал передается во встречных направлениях, аналогично связи по витой паре. При существенном удалении узлов кабель состоит из трех частей: основного кабеля, возможно включающего в себя большое количество волокон и предназначенного для прокладки в различных климатических и эксплуатационных условиях, и двух пар оконечных отрезков, присоединяемых к аппаратуре с помощью оптических разъемов. Оконечные отрезки привариваются к волокнам основного кабеля с помощью специального оборудования. От качества среза и сварки сильно зависит затухание сигнала и, следовательно, надежность связи.

Оптоволоконная аппаратура имеет ряд преимуществ:

• нечувствительность к электрическим и электромагнитным помехам;

• исчисляемое километрами расстояние передачи без повторителей и тысячами километров — с промежуточными ретрансляторами;

• высокая степень конфиденциальности каналов

• широкополосность каналов.

Оптоволоконные стандарты в качестве основного типа кабеля для 10 мегабитного Ethernet рекомендуют дешевое многомодовое оптическое волокно, обладающее полосой пропускания 500-800МГц при длине кабеля 1 км. Допустимо и более дорогое одномодовое оптическое волокно с полосой пропускания в несколько гигагерц, но о применять специальный тип трансивера.

Функционально сеть Ethernet на оптическом кабеле состоит из тех же элементов; что и сеть стандарта 10Base-Т — сетевых адаптеров, многопортового повторителей и отрезков кабеля, соединяющих адаптер с портом повторителя. Как и в случае витой пары, для соединения адаптера с повторителем используются два оптоволокна – одно соединяет выход Т_х адаптера со входом R_х повторителя, а другое вход R_x адаптера с выходом Т_х повторителя (см. рис.8).

Базовые стандарты Ethernet на оптоволокне – это 10Base–FL и 10Base-FB. Стандарт 10Base–FL гарантирует длину оптоволоконной связи между повторителями до 2000 м при общей длине сети не более 2500 м. Максимальное число повторителей между любыми узлами сети - 4. Максимального диаметра в 2500 м здесь достичь можно, хотя максимальные отрезки кабеля между всеми 4 повторителями, а также между повторителями и конечными узлами недопустимы — иначе получится сеть длиной 5000 м.

10Base-FB предназначен только для соединения повторителей. Конечные узлы не могут использовать этот стандарт для присоединения к портам концентратора. Между узлами сети можно установить до 5 повторителей 10Base-FB при максимальной длине одного сегмента 2000 м и максимальной длине сети 2740 м.

Как и в стандарте 10Вазе-Т, оптоволоконные стандарты Ethernet разрешают соединять концентраторы только в древовидные иерархические структуры. Любые петли между портами концентраторов не допускаются.