Сетевые технологии1

Представленные в таблице характеристики позволяют выполнить предварительную оценку кабельных коммуникаций и их применимость для решения конкретных задач.

3.3. Методы передачи информации

Существует два метода передачи информации по среде передачи – цифровой и аналоговый. В соответствии с этими методами все сети передачи данных делятся на два класса:

–узкополосные сети (Baseband network);

–широкополосные сети (Broadband network).

Узкополосные сети. При цифровом, или узкополосном методе передачи данные по сети передаются в их естественном виде на единой частоте. Схема передачи информации в таких сетях изображена на рис.3.1.

Рис. 3.1. Передача информации в узкополосных сетях

Узкополосные сети обладают следующими основными характеристиками:

• в каждый момент времени разрешена только одна передача, поэтому в каждый момент времени только два сетевых пользователя используют среду передачи;

61

•позволяют иметь высокую скорость передачи;

•позволяют передавать только цифровые данные;

•имеют ограниченную длину кабеля;

•имеют меньшую стоимость по сравнению с широкополосными;

•просты в установке, легко реконфигурируемы.

Подавляющее большинство локальных сетей являются узкополосными (Ethernet, Arcnet, IBM Token Ring Network и др.).

Единственным способом коллективного использования базовой частоты узкополосной сети является мультиплексирование сетевых ресурсов путем разделения времени (Time Division Multiрlexing – TDM). TDM-сети могут быть синхронными и асинхронными.

Асинхронные TDM-сети используют централизованное управление сетью, осуществляемое специальным узлом. Однако большинство сетей поддерживает децентрализованное управление - более экономичное и надежное.

Широкополосные сети. При аналоговом, или широкополосном методе передачи используется принцип частотной модуляции, позволяющий нескольким потребителям одновременно передавать информацию на разных частотах (каналах) по одному и тому же кабелю. Схема передачи информации в таких сетях изображена на рис. 3.2.

. . .

Рис. 3.2. Передача информации в широкополосных сетях

Широкополосные сети обладают следующими основными характеристиками:

•позволяют вести несколько одновременных передач без взаимных коллизий;

•позволяют передавать большое количество информации;

•поддерживают более длинные расстояния;

•позволяют передавать не только цифровые данные, но и звук, видеоизображения;

•относительно дороги, используют специфическое оборудование;

62

• более сложны в эксплуатации и реконфигурации, чем узкополосные сети. При передаче/приеме информации каждый частотный канал использует свой собственный модем.

Широкополосные сети используются в очень специфических системах (например, если по сетевому кабелю необходимо передавать не только цифровые данные, но и звук и видеоизображения). Такие сети дороги и используют специальную технику кабельного телевидения.

Вкачестве примера широкополосной сети можно привести сеть MITRENET французской фирмы MITRE. Эта сеть передает данные со скоростью 1.2 Мбит/с и имеет специальный контрольный узел, осуществляющий измерение трафика и сбор статистических данных о каждом пользователе сети. Другим примером таких сетей может служить ЛВС WANGNET фирмы WANG Labs. В этой сети обеспечивается работа одного магистрального канала со скоростью 12 Мбит/с, 16 каналов со скоростью 64 Кбит/с, 32 каналов постоянной связи (9.6 Кбит/с), 265 каналов, работающих в пакетном режиме (9.6 Кбит/с), и сети телевизионных каналов.

3.4.Методы доступа

Всвязи с тем, что передача является единым и общим ресурсом переноса информации для всех узлов сети, необходим некий регламент или совокупность правил, по которым узлы будут иметь доступ к этому общему ресурсу. Такой метод называется методом доступа. Методы доступа можно разделить на два класса:

– детерминированный;

– недетерминированный.

При детерминированном методе доступа передающая среда распределяется между узлами с помощью специального управляющего механизма, гарантирующего передачу данных узла в течение достаточно малого интервала времени.

При недетерминированном (или случайном) методе доступа все узлы сети функционируют в режиме конкуренции за среду передачи. Возможны одновременные попытки передачи нескольких различных станций, в результате которых наступает коллизия, разрешаемая теми или иными способами.

Детерминированные методы доступа. Наиболее известными детерминированными методами доступа в ЛВС являются:

– метод опроса;

– метод передачи права;

– метод кольцевых слотов.

Метод опроса (Polling) используется чаще всего (но необязательно)

взвездообразных сетях, так как он базируется на наличии центрального

63

узла сети. При этом методе узел сети получает к ней доступ по следующим правилам:

–все узлы сети могут осуществлять передачу информации только тогда, когда получат разрешение от центрального узла;

–центральный узел последовательно опрашивает каждый периферийный узел на наличие у него информации для передачи;

–если у опрашиваемого в данный момент узла есть информация для передачи, он извещает об этом центральный узел;

–в ответ на заявку передачи центральный узел предоставляет станции монопольное право на использование среды передачи. По завершении передачи центральный узел возобновляет опрос периферийных узлов.

Метод передачи права используется в сетях кольцевой топологии

(IBM Token Ring Network), шинной топологии (ARCnet-Bus), звездообразной топологии (ARCnet-STAR). Этот метод основан на последовательной циркуляции в сети специального пакета, называемого маркером (Token), который регламентирует право передачи в сети. Маркер имеет два состояния: "свободно" и "занято" и циркулирует по кругу от узла к узлу. Поэтому сети, использующие такой метод доступа, даже если они не кольцевой топологии, называют логическими кольцами.

Метод передачи права состоит из следующих этапов.

1. Станция, желающая передавать данные, ожидает свободный маркер, при получении которого устанавливает признак его занятости и добавляет к маркеру пакет данных (максимальная длина 2 Кбайт), содержащий сетевые адреса получателя и отправителя, и отправляет такой кортеж (маркер + пакет) в сеть.

2. Маркер + пакет последовательно передаются от узла к узлу. Каждый узел осуществляет проверку адресов пакета. Кортеж, адресованный другому узлу, отправляется дальше.

3. Принимающий узел распознает адресованный ему пакет и, если он может, принимает его, устанавливает специальный бит подтверждения приема в маркере и отправляет кортеж отправителю по оставшемуся пути кольца.

4. После того, как отправитель получит свой кортеж обратно, он освобождает маркер и посылает его в сеть.

Метод кольцевых слотов используется только в кольцевых топологиях. Другими альтернативными названиями этого метода являются: "метод сегментирования кольца", "метод кольцевых сегментов". Наиболее яркими его представителями являются английские сети Cambridge Ring и TransRing-3000.

В отличие от метода передачи права, данный метод разрешает одновременную передачу информации по сети более чем одному узлу. При этом методе вместо одного маркера в сети циркулирует некоторое количество слотов (обычно от 2 до 8) фиксированной длины. В отличие от управляющего маркера, к одному такому слоту можно присоединить очень

64

ограниченное количество информации (как правило, от 8 до 32 байт). Каждый слот, так же, как и маркер, имеет два состояния: "свободно" и "занято".

Алгоритм функционирования этого метода следующий.

1.Узел, желающий передать информацию, разделяет ее на пакеты с длиной, соответствующей длине, которую может принять слот.

2.Узел погружает пакет в каждый свободный слот (занимая его) до тех пор, пока не передаст всю информацию, при этом каждый занятый слот содержит адреса получателя и отправителя, а также признак завершения/продолжения передачи, т.е. последний ли это слот с информацией или надо ожидать следующего слота.

3.Принимающий узел распознает "свои" слоты, копирует в себя содержащуюся в них информацию и отмечает факт приема установкой специального бита в слоте; так он делает до тех пор, пока не придет слот с признаками завершения информации.

4.Обработанный слот возвращается к передавшему его узлу, который освобождает его, делая доступным для других узлов сети.

Случайный метод доступа. Наиболее распространенным недетерминированным методом доступа является множественный метод доступа с контролем несущей частоты и обнаружением коллизий –

CSMA/CD (Carrier-Sense Multiрle Access / Collision Detection).

Этот метод основывается на следующем алгоритме (рис. 3.3).

65

Рис. 3.3. Организация доступа в методе CSMA/CD

1.Узел, желающий передать информацию, прослушивает среду передачи, дожидаясь ее освобождения (если она занята, значит идет чужая передача). Это и есть контроль несущей.

2.Дождавшись освобождения канала, узел передает свой информационный пакет (в нем содержатся адреса получателя и отправителя), продолжая одновременно с передачей прослушивание передающей среды своим приемником.

3.Если приемник слышит только свой собственный пакет, акт передачи считается нормально завершенным.

4.Все другие узлы сети одновременно получают отправленный пакет, но воспринимает его только тот узел, которому он адресован. После этого с

66

помощью другого специального пакета получатель извещает отправителя о приеме пакета.

5.Если приемник начинает слышать не только свой собственный пакет, но и чей-то чужой, он воспринимает этот факт как коллизию передачи с другим узлом (решившим передавать в то же самое время) и немедленно останавливает свою передачу. Точно так же поступает другой узел (другие узлы), участвующий в коллизии. В этом случае вся переданная до коллизии информация воспринимается другими узлами сети как "шум" и игнорируется.

6.Узлы, участвовавшие в коллизии, выжидают случайный промежуток времени, по исчерпании которого им разрешается повторная попытка передачи.

Существует ряд разновидностей протокола CSMA/CD. Приведем только две их них.

Протокол CSMA – старая разновидность этого протокола, при котором сеть прослушивается только до начала передачи, а коллизия обнаруживается на логическом уровне получением или неполучением подтверждения на прием пакета от получателя. К сетям, использующим этот протокол, можно отнести IO-Net, PC NET.

Последние годы получила распространение новая разновидность этого протокола – CSMA/CA (Carrier-Sense Multiрle Access / Collision Avoidance), т.е. избежание коллизий. При этой разновидности протокола узел, который хочет передать данные, ожидает освобождения сети, но после этого передает не сами данные, а специальный сигнал (Intention), извещающий другие станции о его намерении передавать информацию. Если в сети нет искажения этого сигнала (что устанавливает прослушивание), значит, он воспринят другими станциями и можно без помех передавать данные. Таким образом, при этом методе возможна коллизия только специальных сигналов, а не информационных пакетов. Эта дисциплина используется, например в сети Omninet фирмы Corvus.

3.5. Топология вычислительных сетей

Схема объединения узлов сети друг с другом с помощью каналов передачи данных называется топологией сети. Существует очень большое количество различных вариантов топологии, но наиболее распространенными (базовыми) среди них являются "звезда", "кольцо" и "общая шина"

Топология типа "звезда". Концепция топологии сети в виде звезды пришла из области больших ЭВМ, в которой головная машина получает и обрабатывает все данные с периферийных устройств как активный узел обработки данных. Этот принцип применяется в системах передачи данных, например в электронной почте RELCOM. Вся информация между двумя периферийными рабочими местами проходит через центральный

67

узел вычислительной сети. Организация связей между ПК в этом случае показана на рис. 3.4.

Файловый

сервер

Рис. 3.4. Топология в виде звезды

Пропускная способность сети определяется вычислительной мощностью узла и гарантируется для каждой рабочей станции – коллизий (столкновений) данных не возникает. Кабельное соединение довольно простое, так как каждая рабочая станция связана с узлом, но затраты на прокладку кабелей высоки, особенно когда центральный узел географически расположен не в центре топологии. При расширении вычислительных сетей не могут быть использованы ранее выполненные кабельные связи: к новому рабочему месту необходимо прокладывать отдельный кабель из центра сети.

Топология в виде звезды является наиболее быстродействующей из всех топологий вычислительных сетей, поскольку передача данных между рабочими станциями проходит через центральный узел (при его хорошей производительности) по отдельным линиям, используемым только этими рабочими станциями. Частота запросов передачи информации от одной станции к другой невысокая по сравнению с достигаемой в других топологиях.

Производительность вычислительной сети в первую очередь зависит от мощности центрального файлового сервера. Он может быть узким местом вычислительной сети. В случае выхода из строя центрального узла нарушается работа всей сети. Центральный узел управления – файловый сервер может реализовать оптимальный механизм защиты против несанкционированного доступа к информации, а вся вычислительная сеть – управляться из ее центра.

Кольцевая топология. При кольцевой топологии сети рабочие станции связаны одна с другой по кругу, т.е. рабочая станция 1 с рабочей станцией 2, рабочая станция 3 с рабочей станцией 4 и т.д. Последняя рабочая станция связана с первой. Коммуникационная связь замыкается в кольцо. Пример организации связи показан на рис. 3.5.

68

адрес, по которому передается управление (от старшего к младшему и от самого младшего к самому старшему). Разрыв соединения происходит только для нижерасположенного (ближайшего) узла вычислительной сети, так что лишь в редких случаях может нарушаться работа всей сети.

Шинная топология. При шинной топологии (рис. 3.6) среда передачи информации представляется в форме коммуникационного пути, доступного для всех рабочих станций, к которому они все должны быть подключены. Все рабочие станции могут непосредственно вступать в контакт с любой рабочей станцией, имеющейся в сети. Рабочие станции в любое время без прерывания работы всей вычислительной сети могут быть подключены к ней или отключены. Функционирование вычислительной сети не зависит от состояния отдельной рабочей станции.

Рис. 3.6. Шинная топология

Встандартной ситуации для шинной сети Ethernet часто используют тонкий кабель или Cheapernet-кaбeль с тройниковым соединителем. Выключение и особенно подключение к такой сети требуют разрыва шины, что вызывает нарушение циркулирующего потока информации и зависание системы. Новые технологии предлагают пассивные штепсельные коробки, через которые можно отключать и/или включать рабочие станции во время работы вычислительной сети.

Благодаря тому, что рабочие станции можно включать без прерывания сетевых процессов и коммуникационной среды, очень легко прослушивать информацию (т.е. ответвлять информацию из коммуникационной среды).

Всетях с прямой (немодулируемой) передачей информации всегда может существовать только одна станция, ее передающая. Для предотвращения коллизий в большинстве случаев применяется временной метод разделения, согласно которому каждой подключенной рабочей станции в определенные моменты времени предоставляется исключительное право на использование канала передачи данных. Поэтому требования к пропускной способности вычислительной сети при повышенной нагрузке снижаются (в частности, при вводе новых рабочих станций). Рабочие станции присоединяются к шине посредством устройств ТАР (англ. Terminal Access Point – точка подключения терминала). ТАР

70