Телекоммуникационные_системы_и_сети_Т_1_Современные_технологии_620

10 Мбит/с, среднескоростные до 100 Мбит/с, высокоскоростные выше 100 Мбит/с; по типу метода доступа – на случайные, пропорцио-

нальные, гибридные; по типу физической среды передачи – на витую пару, коаксиальный и оптоволоконный кабель, инфракрасный канал, радиоканал.

Краткая историческая справка. Наибольшую известность в мире локальных сетей получили Arcnet, Ethernet и Token-Ring. Главное различие между ними заключается в методах доступа к каналам передачи данных и скоростях передачи информации. На сегодняшний день широко распространяются и высокоскоростные технологии FDDI, Fast-Ethernet, ATM и Gigabit Ethernet. Среди перечисленных сетей ли-

дирующее положение занимает Ethernet. Эта сеть работает со скоростью 10 Мбит/с, имеет низкую стоимость, она несложна в установке и эксплуатации, для нее разработан широкий спектр оборудования. Первоначальная версия Ethernet была разработана в середине 70-х годов ХХ в. фирмой «Xerox», ей и принадлежит это название. В нача-

ле 80-х годов фирмы «Digital Equipment», «Intel» и «Xerox» совместно подготовили и опубликовали спецификации Ethernet (именуемые стандартом DIX по первым буквам названий фирм), в которых ис-

пользовался метод доступа CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, что переводится как множественный доступ

сконтролем несущей и обнаружением конфликтов). В соответствии

сэтими спецификациями многие фирмы начали производить сетевое оборудование, тем самым дав мощный импульс к внедрению локальных сетей. Накопленный опыт в 1985 г. был обобщен в международ-

ном стандарте IEEE 802.3 [13].

Метод CSMA/CD означает, что все станции имеют равные права на использование канала. Большую часть времени каждая станция находится в состоянии «прослушивания» канала, определяя, не ей ли предназначены передаваемые по нему данные. Когда какой-то станции надо самой передать сообщение, она делает это, убедившись, что канал никем не занят. Несколько станций могут начать передачу сообщений одновременно. Обнаружив такую ситуацию (конфликт), конфликтующие станции прекращают передачу и возобновляют ее через интервал времени, определяемый случайным образом.

Структуры сетей. Способ соединения компьютеров называется структурой, или топологией сети. Сети Ethernet могут иметь топологию «шина» и «звезда» (рис. 13.6). В первом случае все компьютеры подключены к одному общему кабелю (шине), во втором имеется специальное центральное устройство (хаб), от которого идут «лучи» к каждому компьютеру, т.е. каждый компьютер подключен к своему кабелю.

Рис. 13.6. Структуры локальных компьютерных сетей

Структура типа «шина» проще и экономичнее, так как для нее не требуется дополнительное устройство и расходуется меньше кабеля. Но она очень чувствительна к неисправностям кабельной системы. Если кабель поврежден хотя бы в одном месте, то возникают проблемы для всей сети. Место неисправности трудно обнаружить.

Вэтом смысле «звезда» более устойчива. Поврежденный кабель – проблема для одного конкретного компьютера, на работе сети в целом это не сказывается. Не требуется усилий по локализации неисправности.

Всети, имеющей структуру типа «кольцо», информация передается между станциями по кольцу (рис. 13.6) с переприемом в каждом сетевом контроллере. Переприем производится через буферные накопители, выполняемые на базе оперативных запоминающих устройств, поэтому при выходе из строя одного сетевого контроллера может нарушиться работа всего кольца.

Достоинство кольцевой структуры – простота реализации устройств, а недостаток – низкая надежность.

Все рассмотренные структуры неиерархические. Однако благодаря использованию мостов, специальных устройств, объединяющих локальные сети с разной структурой, из вышеперечисленных типов структур могут быть построены сети со сложной иерархической структурой. Последнее может быть продиктовано, например, целями модернизации уже существующих сетей.

Методы доступа к среде передачи в локальных сетях. Ключе-

вым звеном, определяющим производительность, надежность и эффективность применения пропускной способности физической среды передачи, является используемый в сети метод доступа. Среда передачи – общий ресурс в локальной сети. Этот ресурс разделяется множеством сетевых объектов, подключенных к нему. Для корректного разделения решается задача множественного доступа.

Множественный доступ – это механизм разделения во времени общего канала между коллективом рабочих станций и серверов, включенных в компьютерную сеть.

Цель использования одного высокоскоростного канала – достижение высоких технико-экономических показателей сети при минимизации затрат на средства связи и обеспечение требуемых характеристик по производительности сети и задержке передачи информации в ней.

Основная проблема систем с множественным доступом – возникновение одновременной передачи от двух и более станций, такое явление называется конфликтом. На сегодняшний день разработано множество алгоритмов, снижающих или вообще устраняющих возможность возникновения конфликтов в локальных сетях. Алгоритмы, защищающие пользователей при работе в сети от конфликтов, назы-

ваются методами доступа.

Случайные методы доступа допускают возможность возникновения конфликтов. Пропорциональные методы, в которых заранее заложен бесконфликтный алгоритм доступа станции в канал, не допускают конфликтов.

Достоинства бесконфликтных методов:

1)дают возможность гарантированной доставки сообщения в условиях высокой загрузки каналов;

2)время задержки передачи пакетов в таких сетях имеет верхний предел.

Гибридные методы являются комбинацией двух первых.

Физическая среда передачи в локальных сетях. Весьма важ-

ный момент – учет факторов, влияющих на выбор физической среды передачи (кабельной системы). Среди них можно перечислить следующие:

1)требуемая пропускная способность, скорость передачи в сети;

2)размеры сети;

3)требуемый набор служб (передача данных, речи, мультимедиа

ит.д.), который необходимо организовать;

4)требования к уровню шумов и помехозащищенности;

5)общая стоимость проекта, включающая покупку оборудования, монтаж и последующую эксплуатацию.

Для сетей Ethernet с топологией «шина» используется коаксиальный кабель, а с топологией «звезда» – витая пара. По степени распространения сейчас лидирует Ethernet на коаксиальном кабеле, по темпам распространения впереди витая пара. Рассмотрим сначала Ethernet на коаксиальном кабеле, а потом на витой паре [7].

Основная характеристика коаксиального кабеля – величина волнового сопротивления. Для Ethernet применяют кабель с волновым сопротивлением 50 Ом. Для его измерения предназначены специальные сетевые тестеры.

Существуют два варианта реализации Ethernet на коаксиальном кабеле: так называемые тонкий и толстый Ethernet (точнее Ethernet на тонком кабеле – 0,2 дюйма и Ethernet на толстом кабеле – 0,4 дюйма).

Для тонкого Ethernet рекомендуется использовать кабель RG-58A/U (именно он имеет диаметр 0,2 дюйма). Вообще, выбор марки кабеля – очень ответственный момент. Для маленькой сети подойдет любой кабель с сопротивлением 50 Ом. Но с ростом сети и увеличением общей протяженности кабеля значительная часть проблем будет связана именно с кабельной системой. Нельзя использовать в одном сетевом сегменте кабели разных марок, несмотря на, казалось бы, одинаковое волновое сопротивление.

Коаксиальный кабель прокладывается от компьютера к компьютеру. У каждого компьютера оставляют небольшой запас кабеля на случай возможности его перемещения.

После присоединения всех отрезков кабеля с BNC-коннекторами (Bayonet-Neill-Concelnan) к Т-коннекторам (название обусловлено формой разъема, похожей на букву «Т») получится единый кабельный сегмент. На его обоих концах устанавливаются терминаторы («заглушки»). Терминатор конструктивно представляет из себя BNCконнектор (он также надевается на Т-коннектор) с впаянным сопротивлением. Значение этого сопротивления должно соответствовать значению волнового сопротивления кабеля, т.е. для Ethernet нужны терминаторы с сопротивлением 50 Ом.

Сеть на толстом коаксиальном кабеле (толстый Ethernet), имеющем диаметр 0,4 дюйма и волновое сопротивление 50 Ом, по основным показателям, например связанным с защитой от электромагнитного излучения, значительно превосходит сеть на тонком кабеле. Максимальная длина кабельного сегмента 500 м.

Прокладка самого кабеля почти одинакова для всех типов коаксиального кабеля. Однако соединение кабеля с компьютером производится по-разному.

Для подключения компьютеров к толстому кабелю используется дополнительное устройство, называемое трансивером. Трансивер подсоединен непосредственно к сетевому кабелю. От него к компьютеру идет специальный трансиверный кабель, максимальная длина

которого 50 м. На обоих его концах находятся 15-контактные DIXразъемы (Digital Intel и Xerox). С помощью одного разъема осуществляется подключения к трансиверу, с помощью другого – к сетевой плате компьютера.

Трансиверы освобождают от необходимости подводить кабель к каждому компьютеру. Расстояние от компьютера до сетевого кабеля определяется длиной трансиверного кабеля. Получается меньше ненужных кабельных петель.

Создание сети при помощи трансивера очень удобно. Он может

влюбом месте в буквальном смысле «прокусить» кабель. Эта простая процедура занимает мало времени, а получаемое соединение оказывается очень надежным. Если компьютер переносят в другое помещение, кабель «прокусывается» трансивером в новом месте (прежний «прокус» надо замотать изоляционной лентой).

Кабель не режется на куски, его можно прокладывать, не заботясь о точном месторасположении компьютеров, а затем устанавливать трансиверы в нужных местах. Крепятся трансиверы, как правило, на стенах, что предусмотрено их конструкцией.

При необходимости охватить локальной сетью площадь большую, чем это позволяют рассматриваемые кабельные системы, применяются дополнительные устройства – репитеры (повторители). Для Ethernet на тонком кабеле максимальная длина сегмента составляет 185 м. К сегменту должно быть подключено не более 30 компьютеров. Традиционно репитер имеет 2-портовое исполнение, т.е. он может объединять 2 сегмента по 185 м. Сегмент подключается к репитеру через Т-коннектор. К одному концу Т-коннектора подключается сегмент, а на другом ставится терминатор. Репитер может находиться

влюбом месте сегмента, не обязательно в конце.

Всети может быть не больше четырех репитеров. Это позволяет получить сеть максимальной протяженностью 925 м.

Существуют репитеры с числом портов больше 2, например, 4-портовые. К одному такому репитеру можно подключить сразу четыре сегмента.

При использовании многопортовых репитеров общее их число в сети может быть больше четырех, но надо подключать их по такой схеме, чтобы между любыми двумя станциями не оказывалось более четырех репитеров (т.е. максимальное расстояние между любыми двумя станциями не превышало 925 м).

Длина сегмента для Ethernet на толстом кабеле составляет 500 м, к одному сегменту можно подключать до 100 станций. При наличии трансиверных кабелей до 50 м длиной, толстый Ethernet может одним сегментом охватить значительно большую площадь, чем тонкий. Тем не менее необходимость в репитерах существует и здесь. Эти репитеры имеют DIX-разъемы и могут подключаться

трансиверами как к концу сегмента, так и в любом другом месте. Правила использования репитеров на толстом кабеле аналогичны правилам для тонкого кабеля.

Очень удобны совмещенные репитеры, т.е. подходящие и для тонкого, и для толстого кабеля. Каждый порт имеет пару разъемов: DIX и BNC, но они не могут быть задействованы одновременно. Если вы хотите объединять сегменты на разном кабеле, то тонкий сегмент подключается к BNC-разъему одного порта репитера, а толстый – к DIX-разъему другого порта.

Репитеры очень полезны, но злоупотреблять ими не стоит, так как они приводят к замедлению работы в сети.

Ethernet на витой паре. Как явствует из названия, витая пара – это два изолированных провода, скрученных между собой. Реальный кабель состоит, как правило, не из одной, а из нескольких витых пар. Для Ethernet используется 8-жильный кабель, т.е. состоящий физически из четырех витых пар. Для защиты от воздействия окружающей среды кабель имеет внешнее изолирующее покрытие. Кабель на витой паре считается дешевле коаксиального. Это справедливо для его наиболее распространенной разновидности: неэкранированной витой пары UTP (Unshielded Twisted Pair).

Основной узел на витой паре – hub (который в переводе называется накопителем, концентратором или просто хаб). Каждый компьютер должен быть подключен к нему с помощью своего сегмента кабеля. Длина каждого сегмента не должна превышать 100 м. На концах кабельных сегментов устанавливаются разъемы RJ-45. Одним разъемом кабель подключается к хабу, другим – к сетевой плате. Разъемы RJ-45 очень компактны, имеют пластмассовый корпус и 8 миниатюрных контактных площадок.

Хаб – центральное устройство в сети на витой паре, от него зависит ее работоспособность. Он подключается к сети электропитания и должен находиться вблизи электрической розетки. Обычно он устанавливается на столах, вешается на стену или монтируется в специальные стойки. Располагать его надо в легкодоступном месте, чтобы легко можно было отключать (подключать) кабель и следить за индикацией портов.

Хабы выпускаются на разное количество портов – как правило, 8, 12, 16 или 24. Соответственно к нему можно подключить такое же количество компьютеров.

Хабы можно объединять, подключая их друг к другу через порт RJ-45 и получая сложные каскадные структуры. При этом надо придерживаться некоторых правил: во-первых, не должно получаться закольцованных путей, во-вторых, между любыми 2 станциями всегда должно оказываться не более 4 хабов.

Многие хабы имеют дополнительные выходы для тонкого или толстого кабеля Ethernet (соответственно, BNC и DIX-разъемы). Это позволяет объединять сеть на витой паре с коаксиальными сегментами. Задействован на одном хабе должен быть только один из двух коаксиальных разъемов (или BNC, или DIX).

Некоторые фирмы производят стековые хабы. Они могут объединяться в единое целое через специальные разъемы. С точки зрения станций, стек хабов – это один хаб с большим числом портов, что позволяет преодолевать ограничения на число хабов между станциями [7].

Сетевые контроллеры. Устройством, реализующим тот или иной метод доступа к среде передачи, является сетевой контроллер. Через него обеспечивается соединение компьютера с сетью. Конструктивно он представляет собой плату, устанавливаемую в один из свободных слотов системной платы. С обратной стороны контроллера находятся разъемы для подключения его к кабельной системе. На некоторых платах там же имеются индикаторы, т.е. разноцветные лампочки, по которым можно определить, что в данный момент происходит с платой контроллера.

Платы для Ethernet могут иметь три вида разъемов (портов): BNC, DIX (AUI) и RJ-45. На одной плате может быть один, два или три разнотипных разъема, но при этом плата подключается только к одной кабельной системе, т.е. используется только один разъем. Наиболее универсальной является плата со всеми тремя типами разъемов.

Как и любые другие платы, сетевые платы бывают 8-, 16- и 32разрядными и могут иметь исполнение для разных компьютерных ар-

хитектур: ISA, EISA, PCI, MCA.

Большинство сетевых плат предусматривает использование микросхемы ПЗУ удаленной загрузки (Remote Boot ROM). Это нужно для бездисковых станций (не имеющих ни винчестера, ни дисководов для дискет). Загрузка операционной системы в память таких компьютеров происходит через сеть. Эта микросхема инициирует процесс загрузки.

Если плата универсальная, на ней задается тип кабельной системы, т.е. то, какой разъем будет использоваться.

Некоторые платы с BNC-разъемами имеют собственный терминатор (On-board Terminator). Если компьютер будет стоять в конце кабельного сегмента, то подсоединять обычный терминатор к Т-кон- нектору не потребуется, но надо поставить соответствующий переключатель в положение «разрешить использование встроенного терминатора».

Параметры сетевых плат устанавливаются с помощью специальных перемычек (jumper) или с помощью специального программного обеспечения, поставляемого вместе с платой, – безджамперные (jum- per-less) платы.

Рис. 13.7. Формат маркера:

SD – начальный разделитель; AC – контроль доступа; ED – концевой разделитель

Наряду с платами существуют два других вида сетевых контроллеров: PCMCIA-карты – для подключения к сети портативных компьютеров и Pocket-адаптеры – для подключения к параллельному порту. Pocket-адаптер может применяться и для настольных компьютеров, если требуется кабельное подключение к сети без вскрытия корпуса. Настройка этих адаптеров идет с помощью специального программного обеспечения. Вместе с ними поставляются драйверы для различных сетевых операционных систем.

У Pocket-адаптеров обычно бывают один или два сетевых разъема (в этом случае это BNC и RJ-45, для DIX-разъема физически не остается места). PCIMCIA-карты вообще не имеют сетевого разъема. К ним подключается специальное переходное устройство [7].

Технологии локальных вычислительных сетей. Приведенные в качестве примеров стандарты для локальных сетей в п. 13.3 и рассмотренная в данном параграфе технология сетей Ethernet являются довольно распространенными, но далеко не единственными.

Технология Token Ring. Популярностью пользуются технологии с кольцевыми структурами сетей. Прежде всего это сети с методом доступа Token Ring (маркерное кольцо) [24]. Кроме кольцевых сетей маркерный метод доступа используется в сетях с топологией типа шина Token bus (маркерная шина) [25].

В сетях, соответствующих стандарту IEEE-802.5 циркулирует служебный пакет – маркер длиной 3 байта (рис. 13.7.) Пакет имеет начальный и конечный разделители и байт «контроль доступа». Последний служит для оповещения станций локальной сети о возмож-

Рис. 13.8. Формат пакета «данные» в сети Token Ring:

FC – контроль пакета, определяет тип пакета и контрольный код подуровня доступа к среде передачи; DA – адрес назначения; SA – адрес источника; DATA – собственные данные; FSC – остаток от деления на полином циклического кода 32 степени; FS – статус пакета; SFS – стартовая последовательность пакета; EFS – признак конца пакета; SD – начальный; ED – концевой разделитель

Рис. 13.9. Формат маркера FDDI

ности сформировать пакет данных и передать его смежной по кольцу станции. Если у станции есть потребность передать информацию, то она, получив маркер, преобразует его в пакет данных (рис. 13.8), имеющий в заголовке поле контроля доступа, аналогичное по назначению полю маркера, и передает следующей в кольце станции. В поле контроля доступа имеется бит, определяющий признак занятости.

Пакет распространяется по сети от адаптера к адаптеру, пока не найдет своего адресата, который установит в нем определенные биты для подтверждения того, что данные достигли адресата, и ретранслирует его вновь в кольцо. Пакет продолжит перемещение по кольцу до передавшей его станции. В ней производится проверка правильной доставки пакета адресату, уничтожается прошедший по кольцу информационный пакет и порождается новый свободный маркер.

Технология FDDI (CDDI). Оптоволоконный интерфейс распреде-

ления данных (FDDI – Fiber Distributed Data Interface, CDDI – Coaxial Distributed Data Interface) разработан в институте ANSI. Этот протокол во многом соответствует стандарту IEEE – 802.5 – Token Ring. В нем используется два типа пакетов «маркер FDDI» (рис. 13.9) и пакет

«данные FDDI» (рис. 13.10).

Преамбула используется для синхронизации. Начальный разделитель идентифицирует начало пакета. Поле «контроль пакета» определяет класс пакета, длину адреса пакета, принадлежность пакета подуровню МАС или LLC. Поле «статус пакета» имеет произвольную длину и содержит биты «обнаружена ошибка», «адрес опознан», «данные скопированы».

В FDDI маркер передается непосредственно после передачи пакета, не используются приоритеты и резервирование ресурсов системы и вводится понятие асинхронной и синхронной станции с определенными требованиями на интервалы времени между передачами в сети [8].

Рис. 13.10. Формат пакета данные FDDI:

Длина каждого поля в байтах. INFO – поле информации (ограничено общей возможной длиной кадра 4500 байт)