4.5. Типы локальных компьютерных сетей

Существует большое количество разновидностей ЛВС, таких как Ethernet, Token Ring, Fast Ethernet, FDDI, 100VG-AnyLAN, SNA и др., они существенно отличаются друг от друга по скорости передачи информации (от 10 до 100 Мбит/с), имеют различные правила работы и топологию.

В настоящее время наиболее широкое распространение получила сеть Ethernet фирмы Xerox, появившаяся в 1972 г. Данная сеть предназначена для объединения различных учрежденческих абонентских систем в локальную компьютерную сеть. В 1982 г. эта сеть была принята в качестве основного стандарта сначала комитетом 802 IEEE, а затем ассоциацией ЕСМА (European Computer Manufactures Association). Управление логическим каналом в сети Ethernet осуществляется в соответствии со стандартом IEEE 802.2, а управление доступом к передающей среде - по IEEE 802.3. Стандартами определена максимальная (1518 бит) и минимальная (512 бит) длина кадра.

В качестве физической среды стандартом IEEE 802.3 определены два типа коаксиального кабеля: витая пара проводников и оптоволоконный кабель. Соответственно различают четыре типа спецификации передающей среды: 10Base5, 10Base2, 10Base-T и 10Base-F. Одной из первых появилась спецификация 10Base5, определяющая использование толстого коаксиального кабеля с диаметром центрального медного провода 2,17 мм, спецификация 10Base2 - с диаметром центрального провода 0,89 мм (табл. 4.1).

Таблица 4.1.

Основные характеристики кабелей сети Ethernet

Параметры	Толстая Ethernet 10Base5	Тонкая Ethernet 10Base2
Скорость передачи, Мбит/с	10	10
Волновое сопротивление, Ом	50	50
Затухание в сегменте кабеля на частоте 10 МГц, дБ (дБ/км)	8,5 (18)	8,5 (18)
Требуемая скорость распространения сигнала, С=3х105 км/ч	0,77	0,65
Диаметр центрального проводника, мм	2,170,013	0,890,05
Диаметр экрана, мм внутренний внешний	6,15 8,280,178	2,950,15
Внешний диаметр оболочки, мм из поливинилхлорида из флуорополимера	10,297 9,525	4,9 4,8
Дальность передачи по кабелю без повторителей, м	500	185
Дальность передачи по кабелю с повторителями (репитерами), км	2,5	1
Максимальное допустимое количество подключаемых станций	100	30
Типы кабелей	РК-50-6-11 РК-50-6-13 RG-11	РК-50-3-11 RG58A|U

Типовые схемы соединения сетей Ethernet 10Base5, 10Base2 представлены на рис. 4.7 - 4.10.

Рис. 4.7. Сегмент сети Ethernet 10Base5

Рис. 4.8. Подключение абонентской системы к моноканалу

сети Ethernet 10Base5

Рис. 4.9. Сегмент сети Ethernet 10Base2

Рис. 4.10. Подключение абонентской системы к моноканалу

сети Ethernet 10Base2

Сети данного типа имеют топологию типа «шина». Метод доступа - недетерминированный, CSMA/CD. Используя специальные повторители (репитеры), можно объединять между собой до пяти сегментов сети, образуя сети различной конфигурации (линейная или разветвленная). Это ограничение связано с особенностями метода доступа. Узлы сети являются равноправными и подключаются к общему кабелю, благодаря чему все узлы практически одновременно “слышат” передаваемую по нему информацию, однако, получает ее только тот узел, которому она адресована.

Совершенствование сетевых средств предоставило возможность использовать в сети Ethernet витые пары проводников в качестве передающей среды. Спецификация 10Base-T определяет использование витой пары проводников категории 3 и длиной кабеля до 100 м. Для связи между устройствами сети используются две витые пары проводников, одна для передачи, а другая для приема информации. Основным структурным элементом сети является концентратор (Hub), к которому радиальным образом подключаются станции с помощью стандартных сетевых разъемов RJ 45 (рис. 4.11). С целью унификации сетевых адаптеров для коаксиального кабеля и витой пары 10Base5/2/-T на них устанавливают разъемы DB 15, BNS и RJ 45. Адаптер обычно устанавливается внутри компьютера на материнской плате.

Рис. 4.11. Структура сети Ethernet 10BASE-T

К преимуществам подобной сети относятся ее более высокая живучесть, так как выход из строя или отключение одного из сегментов не сказывается на работе остальных сетевых сегментов, сеть более проста в эксплуатации, ее структура позволяет достаточно быстро обнаружить неисправный участок.

Дальнейшее повышение эффективности сетей Ethernet связано с использованием коммутирующих концентраторов (switching hub), которые позволят рассматривать сегменты сети в качестве отдельных сетей, связанных вместе через интерфейс коммутации пакетов. Это позволит увеличить производительность сети и избежать столкновения пакетов. Такие сети получили название Switch Ethernet.

Также новым технологическим направлением развития сетей Ethernet является оптоволоконная сеть Ethernet 10Base-F со скоростью передачи 10 Мбит/с. В качестве передающей среды используется 50- или 100-микронный оптоволоконный кабель. Сеть характеризуется звездообразной топологией, которая поддерживается с помощью оптоволоконных концентраторов или многопортовых повторителей (например, IBM8224, IBM8271). Максимальная длина одного луча (сегмента) составляет 2100 м.

Наиболее распространенной среди кольцевых локальных сетей с маркерным методом доступа является сеть Token Ring. Международным стандартом ISO/DIS 8802/5 для этих сетей определена скорость передачи 4 Мбит/с. В настоящее время используются сети со скоростью 16 Мбит/с и кадром длиной 18 Кбайт, что в четыре раза больше стандартной длины. Основными особенностями сети Token Ring являются метод и протоколы управления доступом к передающей среде (кадр передается только в одном направлении с полным циклом его вращения). Получатель дополняет кадр информацией о результате его приема, после чего канал освобождается. Стандартом определено три типа кадров: кадр данных, кадр маркера, кадр прерывания.

Функционирование сети обеспечивается с помощью управляющих кадров централизованным способом посредством так называемого активного монитора, являющегося главным менеджером связи в кольце. Активным монитором может быть любая станция в каждый момент времени, и он отвечает за передачу управляющей информации.

Подключение станции к передающей среде осуществляется с помощью кабеля сопряжения со средой и специального блока подключения к среде (рис. 4.12). Кабель сопряжения со средой представляет собой две витых пары проводников, одна из которых служит для передачи, а вторая – для приема данных. В простейшем случае блок подключения представляет собой пассивное устройство, позволяющее подключать одну станцию к магистральному кабелю. Чаще используются устройства многостанционного доступа (MAU - Multistation Access Unit), обеспечивающие подключение нескольких станций радиальным способом (табл. 4.2).

Таблица 4.2

Характеристики блоков подключения в сети Token Ring

Тип блока подключения к среде	Кол-во подключаемых станций	Кол-во блоков в сети	Максимальное кол-во станций
Пассивный блок IBM 8228	1	20	20
Высокоинтеллектуаль-ный контроллер IBM 8230	от 2 до 20	4	80
Концентратор IBM 8230	16	8	128

Рис. 4.12. Сеть Token Ring

Другой способ организации кольцевой сети основан на стандарте ISO/DIS 8802/7, отличающийся протоколом доступа Cambridge Ring c методом тактируемого доступа. Физическая среда данной сети представляет собой коаксиальный кабель с набором активных повторителей, обеспечивающих скорость передачи до 10 Мбит/с. Абонентские системы к передающей среде подключаются с помощью блока подключения (вилки связности), кабеля сопряжения, повторителя и станции. Вилка связности замыкает кольцо при механическом отключении станции, повторитель осуществляет кодирование, декодирование, регенерацию, прием и передачу сигналов из кольца или станции.

Станция выполняет функции сетевого адаптера (управление передачей информации, обнаружение ошибок, параллельно-последовательные и обратные преобразования). Станция с повторителем образует узел. Для обеспечения нормальной работы сети в ее состав должны входить: монитор, регистрирующая станция, ретрансляторы и вторичные источники питания. Монитор представляет собой специализированную станцию, выполняющую функции инициализации и управления кольцом; регистрирующая станция осуществляет учет состояния сети. Автономный повторитель, выполняющий только функции регенерации сигналов, называется ретранслятором и служит для увеличения протяженности сети. Питание повторителей осуществляется с помощью специального вторичного источника с напряжением 28 В. Для одновременного подключения нескольких компьютеров используются различные узлы – мультиплексоры. Такая сеть может быть представлена в следующей конфигурации (рис. 4.13).

Рис. 4.13. Конфигурация сети с тактируемым методом доступа

Информация в сети передается по кольцу до тех пор, пока не будет принята абонентом, каждый раз повторяясь с задержкой по времени. Основным преимуществом сети с тактируемым методом доступа является малое время ответа, которое достигается, однако, за счет очень низкой эффективности использования канала передачи данных. В большинстве случаев до 60 % общей пропускной способности канала затрачивается на передачу служебных и управляющих бит. Поэтому наиболее характерной областью применения подобных сетей следует считать системы оперативного контроля и управления технологическими процессами.

Высокоскоростные локальные сети. Сеть FDDI (Fiber distributed data interface) разрабатывалась на базе использования высокоскоростных (100 Мбит/с) оптоволоконных каналов передачи данных и усовершенствованных протоколов доступа к передающей среде (детерминированный метод доступа, исключающий конфликты). Высокая надежность сети FDDI обеспечивается способностью сети к динамической реконфигурации своей структуры за счет использования двойного кольца передачи данных (рис. 4.14) и специальных процедур управления конфигурацией. Изменение конфигурации осуществляется путем обхода или изоляции неисправного участка сети.

Рис. 4.14. Пример топологии сети FDDI

Для реализации этих возможностей определяется два типа станций (адаптеров):

одинарная станция (Single station) – станция с одним портом ввода-вывода для подключения двухволоконного оптического кабеля, с помощью которого может быть образовано только одно кольцо;

двойная станция (Dual station) – станция с двумя портами ввода-вывода оптоволоконных каналов передачи данных, с помощью которых образуется два кольцевых тракта передачи сигналов.

Двойные концентраторы используются на магистральном участке сети, а одинарные поддерживают древовидную структуру сети. Подключение абонентских систем к концентраторам может осуществляться как с помощью оптоволоконных каналов, так и с помощью витых пар проводников. Существующий набор устройств различных типов позволяет поддерживать сетевые структуры с достаточно разнообразной топологией: от простой кольцевой до сложной древовидно-кольцевой.

Передача информации между логическими объектами управления доступом к среде осуществляется в виде кадров (кадр данных и кадр маркера). Физический уровень протокола FDDI состоит из двух подуровней: подуровня физической среды (PMD), который определяет типы приемников и передатчиков, физическую среду для передачи цифрового сигнала и ее основные характеристики; подуровня передачи сигналов (PHY), обеспечивающего эффективное кодирование и декодирование сигналов, устранение ошибок при передаче данных.

Сеть 100VG-AnyLAN представляет собой локальную компьютерную сеть древовидной топологии. В качестве промежуточных узлов сети используются концентраторы (повторители), а оконечными узлами (абонентскими системами) являются рабочие станции и серверы. Концентраторы оснащаются портами двух видов:

• порты нисходящих связей – для подключения устройств нижележащих уровней (оконечные узлы и концентраторы);

• порт восходящей связи – для подключения к концентратору более высокого уровня.

В зависимости от месторасположения концентратор может быть корневым или концентратором уровня, на котором он расположен (рис. 4.15).

На физическом уровне технология сети 100VG-AnyLAN поддерживает стандарты, принятые в сетях Ethernet 10Base-T и Token Ring, что обеспечивает возможность эксплуатации существующих кабельных инфраструктур данных сетей. В качестве передающей среды могут использоваться:

• неэкранированный кабель категорий 3, 4, и 5 (четыре витых пары);

• экранированный кабель (две витых пары);

• оптоволоконный кабель.

Рис. 4.15. Структура сети 100VG-AnyLAN

Канальный уровень состоит из подуровней:

• управления логическим каналом;

• управления доступом к среде.

Подуровень управления логическим каналом определяет два класса управления передачей:

• Class I, поддерживающий передачу данных в режиме без установления соединения и подтверждения приема;

• Class II, определяющий режим передачи данных с установлением соединения.

Подуровень управления доступом к среде включает протокол приоритетов запросов DPP и определяет функции по подготовке канала передачи данных и формированию кадра данных. Основной особенностью сети 100VG-AnyLAN является метод доступа, в качестве которого используется централизованный метод опроса – протокол приоритетов запросов DPP (Demand Priority Protocol), который обеспечивает сети отсутствие коллизий (заторов и задержек информации) и сокращение времени доступа. Сеть 100VG-AnyLAN предназначена для работы с кабелем 4-UTP и в тех же условиях, в которых функционируют сети 10Base-T и Token Ring.

Максимальная длина сегмента кабеля категории 3 составляет 100 м, категории 5-150 м. В состав канала сети входят экранированные витые пары проводов, концевые разъемы и соединительные устройства (коммутационные панели, стенные розетки). Оптоволоконный канал состоит из оптоволоконного кабеля, концевых разъемов и соединительных устройств (навесные панели). Для подключения к сети компьютер должен иметь сетевую интерфейсную плату 100VG-AnyLAN (LAN-адаптер).

Сеть Fast Ethernet является развитием Ethernet за счет увеличения в 10 раз тактовой частоты. Основные аспекты построения сети остаются неизменными, отличия касаются только передающей среды. Для разновидностей Fast Ethernet в зависимости от применяемого кабеля определены следующие три наименования: 100Base-TX, 100Base-T4 – для витой пары и 100Base-FX – для оптоволоконного кабеля.

Система 100Base-TX использует две пары проводов: одну для передачи, другую для приема данных. Стандарт допускает использование неэкранированной (UTP) категории 5 с волновым сопротивлением 100 Ом и экранированной (STP) с волновым сопротивлением 150 Ом витых пар максимальной длиной до 100 м.

Спецификацией 100Base-T4 допускается использование кабелей UTP категорий 3, 4, 5 максимальной длины до 100 м. При этом из четырех используемых пар две предназначены для однонаправленной передачи, а две другие - для двунаправленной передачи. Обе спецификации ограничивают размер сети - максимальное расстояние между двумя любыми абонентами величиной в 200 м.

Спецификация на оптоволоконный интерфейс 100Base-FX определяет длину сегмента до 100 м, однако допустимый диаметр сети равен 412 м. Для каждого соединения требуется двухжильный многомодовый волоконно-оптический кабель, в котором по одному волокну передается, а по другому принимается сигнал.

Наиболее часто используется многомодовый кабель MMF 62,5/125. Для подключения может использоваться один из коннекторов:

• дуплексный коннектор SC;

• FDDI-коннектор;

• штыковой ST-коннектор.

Несмотря на существенные различия между Ethernet со скоростью 10 Мбит/с и Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с, у них совпадают две важные характеристики:

• Обе сети имеют идентичный формат кадра. Размер кадра может колебаться от 64 до 1518 байтов, кадр имеет поля адресов получателя и отправителя, поле длины/типа, поле данных переменной длины и поле контрольной суммы. Это позволяет программному обеспечению одинаково работать как с Ethernet, так и с Fast Ethernet. Любой протокол или программное обеспечение, работающее с Ethernet, будет функционировать и с Fast Ethernet, потому что в них применяется одинаковый формат кадра.

• Обе сети используют один и тот же метод доступа к среде CSMA/CD. Хотя некоторые временные диаграммы для этих сетей и не совпадают точно, однако используемые в них алгоритмы абсолютно одинаковы. Это позволяет просто масштабировать интерфейс Mil между HY и MAC с 10 Мбит/с до 100 Мбит/с. В табл. 4.3 приведены сравнительные характеристики этих сетей.

Таблица 4.3

Сравнительные характеристики Ethernet и Fast Ethernet

Характеристики	Ethernet	Fast Ethernet
Скорость передачи данных, Мбит/с	10	100
Интервал между кадрами данных, мкс	9,60	0,960
Время передачи одного бита, мкс	100	10
Количество попыток передачи	16	16
Допустимый размер пробки, бит	32	32
Максимальный размер кадра, байт	1518	1518
Минимальный размер кадра, байт	64	64
Размер адреса, бит	48	48

В настоящее время ведется работа над созданием нового типа ЛВС Gigabit Ethernet со скоростью передачи данных 1 Гбит/с. Стандарт технологии Gigabit Ethernet для витой пары разрабатывается рабочей группой IEEE P802.3ab.