Литература:
1. Пятибратов А. П. и др. “Вычислительные системы сети и телекоммуникации” М. Финансы и статистика, 1998 г. – 400 с. 2001 г., 2003 г.
2. Норенков И. П. и др. “Телекоммуникационные технологии и сети” М. изд. МГТУ им. Н. Э. Баумана 1998 г. – 230 с.
3. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы/ В.Г. Олифер, Н.А. Олифер. – СПб.: Питер, 2001. - 672
4. “Вычислительные системы сети и телекоммуникации”/ В.Л. Бройдо. - СПб.: Питер, 2001.
Введение
Компьютерная сеть - это совокупность компьютеров и различных устройств, обеспечивающих информационный обмен между компьютерами в сети без использования каких-либо промежуточных носителей информации.
Сети ЭВМ являются системами коллективного пользования. Сети принято делить на локальные и глобальные, в некоторой литературе выделен также класс корпоративных сетей, которые являются как бы промежуточным звеном между локальными и глобальными сетями.
Локальные вычислительные сети – ЛВС (LAN – Local Area Networks) – единая система компьютеров, расположенных в пределах небольшой ограниченной территории (комнате, здании, в соседних зданиях) (не более 10 – 15 км.) или принадлежащих одной организации, связанных между собой, имеющих единую специализированную базу данных, высокую пропускную способность (10, 16, 100 Мбит/с и более до нескольких Гбит/с) и функционирующих на единых программных принципах.
Глобальные (территориальные) сети (WAN – Wide Area Networks) – единая система компьютеров, охватывающая большую территорию (в пределах области, региона, страны, континента или всего земного шара) и обслуживающая большое число разнородных пользователей (используются телеграфные и телефонные линии 2400 бит/с – 64 Кбит/с, до 2 Мбит/с (магистральные линии)).
Сначала сети применялись для передачи цифровых данных между терминалом (дисплей и клавиатура) и компьютером. Современные сети способны передавать огромные объёмы информации, факсимильные сообщения, речь, динамические изображения.
Следует различать компьютерные сети и сети терминалов (терминальные сети).
Компьютерные сети связывают компьютеры, каждый из которых может работать и автономно. Терминальные сети обычно связывают мощные компьютеры (мэйнфреймы
), а в отдельных случаях и ПК с устройствами (терминалами), которые могут быть достаточно сложны, но вне сети их работа или невозможна, или вообще теряет смысл. Примером терминальных устройств и сетей может служить сеть банкоматов или касс продажи авиабилетов. Хотя терминальные сети достаточно распространены, строятся они на совершенно иных, чем компьютерные сети, принципах и даже на другой вычислительной технике.
Мэйнфрейм – крупный, мощный, надежный компьютер, универсального назначения.
Наряду с локальными сетями существуют распределенные сети,
или MAN (Metropolitan Area Net). По своей идеологии и назначению они близки к локальным, но отдельные компьютеры такой сети могут быть размещены на удаленном расстоянии и связываться специальными телефонными каналами. Распределенные сети используются, например, для связи центральных офисов или банков со своими филиалами (в том числе в других странах), в государственных информационных системах и др. Распределенная сеть, в которой организована специальная коммуникационная система обмена сообщениями (электронная почта, факс, совместная работа над документами), называется корпоративной.
(10-ки, 100-ни км, в пределах мах - страны)
Термин корпоративная сеть
также используется в литературе для обозначения объединения нескольких сетей, каждая из которых может быть построена на различных технических, программных и информационных принципах.
Существуют способы объединения локальных сетей с помощью радиоканалов
3) Связь с помощью локальной вычислительной сети (ЛВС).
Самая простая сеть (англ. Network) cостоит как минимум из двух компьютеров, соединенных друг с другом кабелем через сетевые адаптеры (называемые также сетевыми картами или платами). Это позволяет им использовать данные совместно. Все сети (независимо от сложности) основываются именно на этом простом принципе. Рождение компьютерных сетей было вызвано практической потребностью иметь возможность для совместного использования ресурсов.
Посредством ЛВС в систему объединяются персональные компьютеры, расположенные на многих удаленных рабочих местах, которые используют совместно оборудование, программные средства и информацию. Рабочие места сотрудников перестают быть изолированные и объединяются в единую систему.
Рассмотрим преимущества, получаемые при сетевом объединении персональных компьютеров в виде внутрипроизводственной вычислительной сети.
• Разделение ресурсов.
Разделение ресурсов позволяет экономно использовать ресурсы, например, управлять периферийными устройствами, такими как печатающие устройства, внешние устройства хранения информации, модемы и так далее со всех подключённых рабочих станций.
• Разделение данных.
Разделение данных предоставляет возможность доступа и управления базами данных с периферийных рабочих мест, нуждающихся в информации.
• Разделение программных средств.
Разделение программных средств предоставляет возможность одновременного использования централизованных, ранее установленных программных средств с других рабочих станций (РС – компьютер, подключенный к сети).
• Разделение ресурсов процессора.
При разделении ресурсов процессора возможное использование вычислительных мощностей для обработки данных другими системами, входящими в сеть.
• Многопользовательский режим.
Многопользовательские свойства системы содействуют одновременному использованию прикладных программных средств, обычно заранее установленных на сервере приложения (англ. Application server).
История стандартизации ЛВС.
В последние годы среди вычислительных комплексов и вычислительных сетей во всех развитых странах мира наиболее широкое развитие получили локальные вычислительные сети (ЛВС).
Их возможности и преимущества перед традиционными средствами передачи и обработки данных весьма многообразны: они позволяют объединить в единую сеть устройства самых разных типов от микро- и персональных до суперЭВМ; обеспечивают значительные скорости передачи данных. Любое из подключенных устройств может использовать сеть для отправления и получения информации.
К настоящему времени в различных странах мира созданы и находятся в эксплуатации многие десятки типов ЛВС с различными физическими средами, топологией, размерами, алгоритмами работы, архитектурной и структурной организацией.
К ЛВС предъявляют следующие требования:
1) Высокая скорость
. Скорость является важной характеристикой ЛВС - она позволяет быстро передавать данные. В идеале при посылке и получении данных через ЛВС время отклика должно быть почти таким же, как будто они получены от этой конкретной машины, а не из некоторого места вне сети . Для достижения такого небольшого времени отклика большинство ЛВС работают при скорости передачи данных от 1 Мбит/сек до нескольких Гбит/с.
2) ЛВС должны быть не только быстрыми, но и адаптируемыми
. Они должны иметь гибкую архитектуру, которая позволяла бы располагать станции на базе ПК там, где это потребуется. А у пользователей должна быть возможность добавлять и переставлять ПК или внешние устройства в сети или отключать их, не вызывая при этом прерывания работы сети .
3) ЛВС также должна быть надежной
. Одно из главных преимуществ автономного ПК состоит в том, что влияние его поломки или сбоя ограничено. Остальные работы в организации не прерываются. При объединении ПК в ЛВС система должна сохранять такую надежность.
4) И наконец, одной из существенных черт ЛВС является то, что она разработана для работы c интеллектуальными рабочими станциями. ПК, включенные в сеть, должны уметь использовать потенциальные возможности других интеллектуальных устройств. Однако в большинстве прикладных программ ПК используют только свои собственные вычислительные возможности.
Обычно термин локальная вычислительная сеть может использоваться в более широком смысле. ЛВС может обозначать все от больших корпоративных терминальных сетей до сетей, базирующихся на телефонных системах.
Эволюция локальных сетей в значительной степени способствовала появлению стандартов ЛВС. В начале появления сетей их пользователи и разработчики попытались подвести под стандарт сетевые аппаратные средства
Фирма Xerox одной из первых приняла участие в стандартизации локальных сетей. Ее участие заключалось в активном протежировании изготавливаемой ею сети Еthernet. Чтобы добиться превращения сети Ethernet в промышленный стандарт для возможно большего числа потенциальных клиентов, фирма Xerox учредила консорциум Ethernet, куда вошли фирма Intel и фирма Digital Equipment . В 1980 г. этот консорциум выпустил документацию на сеть Ethernet. С тех пор сеть Ethernet усиленно навязывается в качестве стандарта для локальных сетей.
В то время, как разработчиками отыскивался стандарт для аппаратных средств, пользователи стали замечать недостатки такого стандарта. Наличие стандарта означает, что все используют одинаковый тип кабеля, одну топологию, один метод доступа к кабелю, одинаковые коммуникационные устройства для построения различных сетей (от сетей на 2 компьютера до крупных корпоративных сетей). Если бы такой стандарт стал реальностью, то каждый бы использовал некоторый стандартный набор аппаратных средств, а все другие средства, не включенные в стандарт, исчезли бы.
Проблема заключается в том, что аппаратные средства для ЛВС не могут быть оптимизированы из-за наличия нескольких критериев (скорость, стоимость, качество и др.). Единственный набор аппаратных средств не может быть наилучшим во всех ситуациях.
Например, для офиса врача потребуется локальная сеть из трех или четырех ПК; в этом случае наилучшей будет система с кабелем со скрученными парами проводов. Такой кабель нельзя использовать для передачи данных на большие расстояния, но он недорогой. В этой ситуации использование многоканального коаксиального кабеля или оптической системы было бы расточительством. В то же время, крупное учреждение нуждается в больших скоростях передачи данных на большие расстояния; в этой ситуации кабель со скрученными парами проводов непригоден. Аналогично, в других ситуациях наилучшее решение проблемы дадут другие системы аппаратных средств ЛВС.
2. Эталонная модель взаимодействия открытых систем (ЭМ ВОС) – Open System Interconnection (OSI).
Появление стандартов на программные средства разрешило дилемму стандартизации. При помощи этих стандартов операционная система обеспечивает стандартное взаимодействие между аппаратными средствами и прикладными программами сетей. Международная Организация по Стандартам (ISO) учредила Эталонную модель взаимодействия открытых систем (OSI), которая является основой при проектировании большинства сетей.
Модель OSI делит коммуникационный процесс на иерархию функциональных уровней, которые зависят друг от друга:
Уровень 7. Прикладные программы Абонентская служба (лог. взаимодействие Уровень 6. Представление данных прикладных процессов)
Уровень 5. Сеансовый (уровень сессии)
Уровень 4. Транспортный Транспортная служба Уровень 3. Сетевой (передача информации между РС) Уровень 2. Канальный (уровень звена передачи данных)
Уровень 1. Физический
Каждый уровень имеет встроенный интерфейс для связи с примыкающими уровнями. Уровень 2 может передавать данные на Уровень 1 или Уровень 3, но Уровень 1 не может напрямую связываться с Уровнем 3 .
Модель OSI не учреждает и не поощряет какую-либо конкретную технику, методику связи (протокол). Ее определения достаточно широки, чтобы включить в себя множество протоколов.
Полное описание модели составляет более 1000 стр. текста.
Функции уровней
1. Физический уровень
отвечает за передачу данных по физическим каналам (в том числе - по кабелю). На этом уровне работают сетевые адаптеры, концентраторы (модемы, порты ПК).
Три подуровня:
1) интерфейс с устройством доступа;
2) подключение к физической среде;
3) передача физических сигналов.
Характеристики физ. сред: полоса пропускания, помехозащищенность, волнов. сопрот-ие и др.; характеристики эл. сигналов: крутизна фронтов, уровни U и I, тип кодирования, скорость. Тип разъемов, назначение выводов.
Пример протокола физического уровня – спецификация 10Base-T – неэкранированная витая пара категории 3 (Rволновое=100 Ом, RJ-45), максимальная длина физического сегмента – 100 м, манчестерский код для представления данных в кабеле.
2. Канальный уровень
обеспечивает доступ к среде передачи данных – к каналу (МАС - подуровень), обнаружение и коррекцию ошибок (по контрольной сумме, используется повторная передача) (исправления может и не быть (Ethernet, FR)), определение работоспособности сети (LLC- подуровень).
Протоколы канального уровня: Ethernet, Token Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN, PPP, LAP-B (протокол «точка-точка»), SNMP над Ethernet.
На этом уровне определено понятие «кадр данных» - данные с заголовками физического и канального уровней (контрольная сумма, нач. и кон. биты).
Сетевые адаптеры с драйверами и мосты/коммутаторы реализуют функции этого уровня.
3. Сетевой уровень
обеспечивает связь сетей с различными топологиями, передачу между ними информации с выбором оптимального маршрута.
Протоколы сетевого уровня: сетевые протоколы, протоколы маршрутизации (т. е. обмена маршрутной информацией), протоколы разрешения адресов (ARP), протоколы межсетевого взаимодействия (например, IP, IPX).
На этом уровне вводится понятие номер сети, номер узла, «пакет данных» - данные с заголовками физического, канального и сетевого уровней.
Функции этого уровня реализуют маршрутизаторы.
4. Транспортный уровень
обеспечивает исправление ошибок передачи: искажение, потерю, дублирование информации (пакетов) (используется контрольная сумма, нумерация пакетов, тайм-аут).
Поддерживает 5 классов сервиса, которые обеспечивают срочность доставки, возможность восстановления прерванной связи, наличие средств мультиплексирования нескольких соединений между различными прикладными протоколами через общий транспортный протокол, а главное – способность к обнаружению и исправлению ошибок. Классы сервиса реализуются с помощью средств сетевых операционных систем.
На этом уровне организуется деление сообщений на пакеты (см. п. Коммутация пакетов), обеспечение целостности блока данных во время передачи, предоставление приоритетов в передаче данных, подтверждение о принятых данных, ликвидация тупиковых ситуаций. Протоколы: TCP, UDP, SPX.
5. Сеансовый уровень
организует сеансы связи между прикладными процессами различных РС, обеспечивает выбор активной станции, поддерживает средства синхронизации приёмника и передатчика (для осуществления прерванной передачи с момента прерыва с помощью контрольных точек
), организует выбор способа связи (дуплексная, полудуплексная, симплексная), передачу данных в диалоговом режиме. 3 этапа: создание сеанса связи, управление передачей и приемом пакетов сообщений в течении сеанса, завершение сеанса.
6. Представительный уровень
обеспечивает представление данных от различных процессов в общем формате для разных систем (т.е. в понятном для получателя виде) - преобразование из внутреннего формата компьютера в формат сети – для объединения в сеть разнородных
компьютеров
, напр. IBM и Macintosh (определяет «открытость» систем, позволяя общаться независимо от внутр. языка), шифрование/дешифрование, синтаксис, сжатие/восстановления.
Протокол: SSL (Secure Socket Layer) – секретный обмен сообщениями для протоколов Различные кодировки символов (ASCII, EBCDIC) Заголовок ур. 6 содержит указания для протоколов ур. 6 адресата.
7. Прикладной уровень
(уровень пользователя) обеспечивает доступ к разделённым ресурсам, электронную почту; вычислительные, информационно-поисковые, справочные работы, осуществляет логическое преобразование данных.
Функции этого уровня реализуют шлюзы. Протоколы: NFS, FTP, TFTP (в TCP/IP).
На этом уровне вводится понятие «сообщение» - данные с заголовками всех семи уровней модели OSI. Заголовок ур. 7 содержит информацию о том, что необходимо сделать и с чем (напр., место нахождения файла и, что с ним необходимо сделать (локально или на сетевое устройство)).
Приложение может выполнять функции нескольких уровней, наприм. некот. СУБД со средствами удаленного доступа к файлам.
Модель OSI описывает только системные средства взаимодействия, реализуемые операционной системой, системными утилитами, системными аппаратными средствами.
На узле отправителе каждый уровень модели (вернее протокол каждого уровня) добавляет к исходным данным свои заголовки, т.е. свою служебную информацию. Таким образом, данные «обрастают» служебной информацией – заголовками, начиная от заголовков 7 уровня, кончая –1. На узле-приёмнике процесс идёт в обратном направлении – протокол более высокого уровня извлекает данные с заголовками, поступающие от протокола рядом находящегося нижестоящего уровня (т.е. информация поступает от уровня 1 к уровню 2, далее 3 и т. д. до 7).
Система «Клиент – сервер»
В вычислительных сетях программные и аппаратные связи являются еще более слабыми, а автономность обрабатывающих блоков проявляется в наибольшей степени — основными элементами сети являются стандартные компьютеры, не имеющие ни общих блоков памяти, ни общих периферийных устройств.
В вычислительных сетях связь между компьютерами чаще всего осуществляется с помощью сетевых адаптеров, соединенных относительно протяженными каналами связи. Каждый компьютер работает под управлением собственной операционной системы (а какая-либо «общая» операционная система, распределяющая работу между компьютерами сети, отсутствует). Взаимодействие
между
компьютерами сети происходит за счет передачи сообщений через сетевые адаптеры и каналы связи. С помощью этих сообщений один компьютер обычно запрашивает доступ к ресурсам другого компьютера.
Под ресурсами
ПК будет пониматься любой из следующих элементов:
• аппаратные
- логические диски (А, В, С, D и т.д.), включая накопители на жёстких дисках, CD-ROM, ZIP, DVD и другие аналогичные устройства, а также подключенные к ПК внешние устройства: принтеры, модемы, факс-аппараты и др.;
• информационные
- каталоги (папки) с подкаталогами (вложенными папками) или без них, а также содержащиеся в них файлы;
• программные
– сетевые прикладные программы (сетевые приложения).
Ресурс, доступный только с ПК, на котором он находится, называется локальным.
Ресурс ПК, доступный для других компьютеров сети, называется разделяемым
или сетевым (общим, совместно используемым).
Локальный ресурс можно сделать разделяемым, и, наоборот, разделяемому ресурсу можно вернуть статус локального, т. е. запретить доступ к нему других пользователей сети. Компьютер, предоставляющий разделяемый ресурс, называется сервером
(иногда хостом).
Термины сервер
и хост
также могут иметь и другое, рассмотренное далее значение. Потребители разделяемого ресурса называются клиентами
ПК, на котором находится этот ресурс.
Преобразование локального информационного ресурса в разделяемый осуществляется по специальным процедурам или командам, выполняющимся на ПК, которому принадлежит локальный ресурс. Эти процедуры специфичны для каждой операционной системы, однако, всегда включают следующие шаги, задающие параметры разделяемого ресурса:
выбор или пометку каким-либо образом локального ресурса, предоставляемого для использования
в сети (для дисков – выбрать диск или принтер, нажать правую кнопку мыши, выбрать – «доступ»); назначение сетевого имени (алиаса)
ресурсу, под которым он будет известен пользователям в сети. Сетевое имя может не совпадать с названием каталога, папки или устройства, но должно отражать его содержание или назначение. Синтаксис сетевого имени (символы, допустимые в имени, и их предельное количество) определяется используемой сетевой операционной системой; назначение прав доступа (привилегий) к
данному ресурсу, определяющих, что внешний пользователь может делать с данным ресурсом: только ли читать, изменять, удалять, исполнять конкретный файл или файлы в каталоге (папке) или подкаталогах (вложенных папках), создавать новые директории и файлы; возможно установление паролей
, по которым будет открыт доступ к данному ресурсу, при этом для ресурса может быть задано несколько паролей, каждый из которых будет открывать различные возможности (права) работы с ресурсом.
Способ создания разделяемого устройства зависит от вида устройства и операционной системы. Однако общая идея предоставления устройству статуса разделяемого сходна с описанным устройству назначается сетевое имя, под которым оно становится известно в сети, устанавливаются права, определяющие, в какой степени внешний пользователь может управлять сетевым устройством (например, может ли изменять очередь заданий к файлу и др.), и, возможно, определяется пароль на использование ресурса. Кроме того, определяется сетевой порт, через который устройство будет доступно. Имеются средства установки, при которой определенные локальные ресурсы ПК автоматически становятся разделяемыми при включении или перезагрузке компьютера.
Способ подключения компьютера к разделяемому ресурсу зависит от вида локальной сети и операционной системы.
Разделение локальных ресурсов каждого компьютера между всеми пользователями сети — основная цель создания вычислительной сети
.
Каким же образом сказывается на пользователе тот факт, что его компьютер подключен к сети? Прежде всего, он может пользоваться не только файлами, дисками, принтерами и другими ресурсами своего компьютера, но и аналогичными ресурсами других компьютеров, подключенных к той же сети. Правда, для этого недостаточно снабдить компьютеры сетевыми адаптерами и соединить их кабельной системой, необходимы еще некоторые добавления к операционным системам этих компьютеров. На тех компьютерах, ресурсы которых должны быть доступны всем пользователям сети, необходимо добавить программные модули, которые постоянно будут находиться в режиме ожидания запросов, поступающих по сети от других компьютеров. Обычно такие модули называются программными серверами
(server)
(так как их главная задача — обслуживать (serve) запросы на доступ к ресурсам своего компьютера). На компьютерах, пользователи которых хотят получать доступ к ресурсам других компьютеров, также нужно добавить к операционной системе некоторые специальные программные модули, которые должны вырабатывать запросы на доступ к ресурсам и передавать их по сети на нужный компьютер. Такие модули обычно называют программными клиентами (client).
При этом сетевые адаптеры и каналы связи решают в сети достаточно простую задачу — они передают сообщения с запросами и ответами от одного компьютера к другому, а основную работу по организации совместного использования ресурсов выполняют клиентские и серверные части операционных систем.
Пара модулей «клиент — сервер» обеспечивает совместный доступ пользователей к определенному типу ресурсов, например к файлам. В этом случае говорят, что пользователь имеет дело с файловой службой (service).
Обычно сетевая операционная система поддерживает несколько видов сетевых служб для своих пользователей — файловую службу, службу печати, службу электронной почты, службу Удаленного доступа и т. п.
ПРИМЕЧАНИЕ
В технической литературе англоязычный термин «service» обычно переводится как «служба», «сервис» или «услуга». Часто эти термины используются как синонимы. В то же время некоторые специалисты различают термин «служба», с одной стороны, и термины «сервис» и «услуга», с другой. Под «службой» понимается сетевой компонент, который реализует некоторый набор услуг, а «сервисом» называют описание того набора услуг, который предоставляется данной службой. Таким образом, сервис — это интерфейс между потребителем услуг и поставщиком услуг (службой). Далее будет использоваться термин «служба» во всех случаях, когда различие в значении этих терминов не носит принципиального характера.
Термины «клиент» и «сервер» используются не только для обозначения программных модулей, но и компьютеров, подключенных к сети. Если компьютер предоставляет свои ресурсы другим компьютерам сети, то он называется сервером, а если он их потребляет — клиентом. Иногда один и тот же компьютер может одновременно играть роли и сервера, и клиента.
Компьютер 1
Рис. Система «Клиент-сервер»
Распределенные программы
Сетевые службы всегда представляют собой распределенные программы. Распределенная программа —
это программа, которая состоит из нескольких взаимодействующих частей (в приведенном на рис. 1.5 примере — из двух), причем каждая часть, как правило, выполняется на отдельном компьютере сети.
До сих пор речь шла о системных распределенных программах. Однако в сети могут выполняться и распределенные пользовательские программы — приложения. Распределенное приложение также состоит из нескольких частей, каждая из которых выполняет какую-то определенную законченную работу по решению прикладной задачи. Например, одна часть приложения, выполняющаяся на компьютере пользователя, может поддерживать специализированный графический интерфейс, вторая — работать на мощном выделенном компьютере и заниматься статистической обработкой введенных пользователем данных, а третья — заносить полученные результаты в базу данных на компьютере с установленной стандартной СУБД. Распределенные приложения в полной мере используют потенциальные возможности распределенной обработки, предоставляемые вычислительной сетью, и потому часто называются сетевыми приложениями.
Следует подчеркнуть, что не всякое приложение, выполняемое в сети, является сетевым. Существует большое количество популярных приложений, которые не являются распределенными и целиком выполняются на одном компьютере сети. Тем не менее, и такие приложения могут использовать преимущества сети за счет встроенных в операционную систему сетевых служб. Значительная часть истории локальных сетей связана как раз с использованием таких нераспределенных приложений. Рассмотрим, например, как происходила работа пользователя с известной в свое время СУБД dBase. Обычно файлы базы данных, с которыми работали все пользователи сети, располагались на файловом сервере. Сама же СУБД хранилась на каждом клиентском компьютере в виде единого программного модуля.
Программа dBase была рассчитана на обработку только локальных данных, то есть данных, расположенных на том же компьютере, что и сама программа. Пользователь запускал dBase на своем компьютере, и она искала данные на локальном диске совершенно не принимая во внимание существование сети. Чтобы обрабатывать с помощью dBase данные на удаленном компьютере, пользователь обращался к услугам файловой службы, которая доставляла данные с сервера на клиентский компьютер и создавала для СУБД эффект их локального хранения.
Большинство приложений, используемых в локальных сетях в середине 80-х годов, являлись обычными, нераспределенными приложениями. И это понятно — они были написаны для автономных компьютеров, а потом просто были перенесены в сетевую среду. Создание же распределенных приложений, хотя и сулило много преимуществ (уменьшение сетевого трафика, специализация компьютеров), оказалось делом совсем не простым. Нужно было решать множество дополнительных проблем — на сколько частей разбить приложение, какие функции возложить на каждую часть, как организовать взаимодействие этих частей, чтобы в случае сбоев и отказов оставшиеся части корректно завершали работу, и т. д., и т. п. Поэтому до сих пор только небольшая часть приложений является распределенными, хотя очевидно, что именно за этим классом приложений будущее, так как они в полной мере могут использовать потенциальные возможности сетей по распараллеливанию вычислений.
Трёхзвенная архитектура …..
Типы сетей и серверов
Существуют два типа компьютерных сетей: одноранговые сети и иерархические сети (сети с выделенным сервером).
Одноранговые сети
не предусматривают выделение специальных компьютеров, организующих работу сети. Все пользователи имеют равные права и подключаясь к сети, выделяют в неё какие-либо ресурсы (дисковое пространство, принтеры) и подключаются к ресурсам, предоставленными в сеть другими пользователями. Пользователи самостоятельно решают, какие данные и устройства на своём ПК сделать общедоступными. Каждый пользователь использует сетевые ресурсы, как свои собственные (если ему разрешен доступ к ним). Такие сети просты в установке, налаживании; они существенно дешевле сетей с выделенным сервером. Однако при подключении к сети более десяти пользователей сеть может оказаться недостаточно производительной.
В иерархических
локальных сетях имеется один или несколько специальных компьютеров - серверов, на которых «хранятся» ресурсы, совместно используемые различными пользователями и которые управляют работой сети.
Понятие сервера в иерархических сетях нельзя путать с аналогичным термином для одноранговых сетей, в которых сервер - понятие динамическое, т.е. это ПК, ресурсы которого доступны, возможно, временно, с другого компьютера. В одноранговых сетях сервер может быть одновременно и клиентом, в том числе клиентом своего клиента (т.е. использовать ресурсы того же ПК, которому он сам предоставляет ресурсы).
Сервер
в иерархических сетях - это постоянное хранилище разделяемых ресурсов. Сам сервер может быть клиентом только сервера более высокого уровня иерархии. Поэтому иерархические сети также иногда называются сетями с выделенным сервером
.
Серверы обычно представляют собой высокопроизводительные компьютеры, мини ЭВМ, большую ЭВМ или компьютер, специально спроектированный как сервер, возможно, с несколькими параллельно работающими процессорами, с несколькими винчестерами большой емкости, с высокоскоростной сетевой картой (100 Мбит/с и более). Компьютеры, с которых осуществляется доступ к ресурсам на сервере, называются рабочими
станциями
(РС) или клиентами.
Как указывалось, для доступа к ресурсам на сервере пользователь должен выполнить на рабочей станции операцию "входа на сервер", в процессе выполнения которой вводятся имя и пароль пользователя при загрузке операционной системы. При правильном указании обоих параметров обычно автоматически открывается доступ к ресурсам сервера, разрешенным данному пользователю. Для обращения к информационным ресурсам сервера пользователь должен использовать виртуальные имена, назначенные администратором сети для каждого ресурса. Разделяемые устройства сервера также указываются по их сетевому имени, определенному администратором. Обычно список доступных ресурсов (их сетевые имена выдаются на экран при "входе на сервер".
Серверы работают под управлением сетевой операционной системы, обычно мультизадачной (многозадачной). Рабочие станции имеют доступ к дискам серверов и совместно используемым принтерам, но, как правило, не могут работать непосредственно с дисками других рабочих станций.
Серверы могут быть выделенными
- и тогда они выполняют задачи управления сетью и не используется как рабочая станция - или невыделенными
- когда параллельно с задачей управления сетью выполняют пользовательские программы, при этом снижается производительность сервера и надежность работы всей сети из-за возможной ошибки в пользовательской программе, которая может привести к остановке работы сервера и сети.
Сети с выделенным сервером
, который функционирует только как сервер (исключая функции клиента и РС), несмотря на сложность настройки и относительную дороговизну, позволяют осуществлять централизованное управление.
Выделенные сервера специально оптимизированы для быстрой обработки запросов от сетевых клиентов, и для управления защитой файлов и каталогов от несанкционированного доступа.
На выделенном сервере выполняются только системные программы, и все его ресурсы используются для сети.
Преимущества выделенного сервера:
-никакая прикладная программа не может нарушить его работу
-вероятность несанкционированного доступа минимально. Доступ к серверу осуществляется путем установления соответствующих прав пользователя; в необходимом случае подтверждаемых паролями.
Производительность сети во многом определяется возможностями сервера. Один сервер может поддерживать работу до 1000 рабочих станций. Серверы могут быть объединены, т. е. несколько ПК объединены в один сервер.
В зависимости от способов использования различают серверы следующих типов.
Файловый сервер
. В этом случае на сервере находятся совестно обрабатываемые файлы
Сервер приложений
хранит совместно используемые программы. В этом случае на рабочих станциях находится только небольшая (клиентская) часть программ, требующая незначительных ресурсов.
Программы, допускающие такой режим работы, называются программами с возможностью инсталляции в сети. Требования к мощности сервера и пропускной способности сети при таком способе использования определяется количеством одновременно работающих рабочих станций и характером используемых программ.
Сервер базы данных.
На сервере размещается база данных (например. Консультант Плюс, Гарант, Счета клиентов банка и др.). База данных на сервере может изменяться с различных рабочих станций или (и) сервер может выдавать информацию по запросам с рабочих станций.
В последнем случае возможны три принципиально различающихся режима обработки запросов с рабочей станции или редактирования записей в базе данных:
• с сервера последовательно пересылаются записи базы данных на рабочую станцию, где производится собственно фильтрация записей и отбор необходимых. Такой способ обработки запросов снижает требования к серверу, но чрезвычайно увеличивает нагрузку на каналы сети. Требования к вычислительной мощности рабочих станций также возрастают;
• сервер сам отбирает необходимые записи из БД (реализует запрос) и пересылает их на рабочую станцию. В этом случае снижаются нагрузка на сеть и требования к рабочим станциям, но резко возрастают требования к вычислительной мощности сервера. Тем не менее именно такой способ обработки запросов является наиболее эффективным. Указанный способ удовлетворения запросов с рабочих станций называется режимом клиент-сервер,
его реализуют специальные средства работы с современными сетевыми базами данных;
• при маломощном сервере, рабочих станциях и сети используется режим, называемый на профессиональном жаргоне "слив-разлив".
Этот режим используется в основном для ввода новых записей или для их редактирования при условии, что запись БД может изменяться не более одного раза в день. В этом случае запись после ее ввода или редактирования остается на рабочей станции, и только в конце дня или в определенное время по специальной команде или программе все измененные или новые записи с рабочих станций переносятся в БД на сервере.
Принт-сервер (сервер печати).
К компьютеру небольшой мощности подключается достаточно производительный принтер, на котором может быть распечатана информация практически с любой из рабочих станций этой сети.
Программное обеспечение организует очередь заданий на печать, а также идентифицирует отпечатанную информацию специальными страницами (закладками), которые разделяют печатные материалы различных пользователей.
Почтовый сервер (сервер электронной почты).
На сервере хранится информация, отправляемая и получаемая как по локальной сети, так и извне (чаще всего - по модему). В любое удобное время пользователь может просмотреть поступившую на его имя информацию или отправить через почтовый сервер свою.
Архивационный сервер (сервер резервного копирования) (Storage Express System) –
применяются для резервного копирования в крупных многосерверных сетях, используют стриммеры с картриджами до 5 Гбайт.
Серверы-шлюзы –
используются в сети Интернет в роли маршрутизатора, почтового сервера, сетевого брандмауэра (сетевого экрана), обеспечивающего безопасность внутрисетевой информации.
Сервер удаленного доступа
– служит для обеспечения доступа к сети удаленных пользователей, устанавливающих коммутируемое соединение из дома или во время поездки. Это устройство позволяет нескольким пользователям подключаться к сети по телефонной линии (набирая один телефонный номер) и обращаться к сетевым ресурсам, как и при работе в офисе. + защита от несанкционированного доступа пользователей.
WEB-сервер
– компьютер в сети Internet, хранящий WEB-страницы и соответствующее программное обеспечение для работы с ними.
Отметим, что рабочие станции, входящие в иерархическую сеть, могут одновременно организовать между собой одноранговую сеть со всеми ее возможностями. Кроме того, существуют способы связи между различными сетями, обеспечивающие их взаимодействие.
Топология сетей
Топология сети определяется размещением узлов в сети и связей между ними. Термин “топология сети” относится к пути, по которому данные перемещаются в сети. Из множества возможных построений выделяют следующие структуры:
1. Топология «Звезда»
ОП - оконечный пользователь (рабочая станция ,ПК)
ЦУ – центральное устройство (сервер, концентратор)
Каждый компьютер (ПК) через сетевой адаптер подключается отдельным кабелем к (объединяющему устройству).
Все сообщения проходят через ЦУ, которое обрабатывает поступающие сообщения и направляет их к соответствующей РС.
Звёздообразная структура чаще всего предполагает нахождение в центральном узле специализированной ЭВМ. Радиально подключенные РС начинают передачу данных, только по разрешению ЦУ.
Большая часть технических средств может находиться в ЦУ и разделяться
ОП
между всеми РС. ЦУ – сервер, реализующий
оптимальный механизм защиты против ОП
ОП
несанкционированного доступа к информации.
Достоинства
«звезды»:
ОП (РС); - простота периферийного оборудования
ОП - каждый пользователь может работать
независимо от остальных пользователей;
- высокий уровень защиты данных;
- лёгкое обнаружение неисправности в кабельной системе. Недостатки
«звезды».
- выход из строя ЦУ ведёт к остановке всей сети;
- высокая стоимость ЦУ;
- уменьшение производительности сети с увеличением числа РС.
2. Топология «Кольцо
»
Все РС соединяются друг с другом в кольцо. Здесь пользователи сети – равноправные. Информация по сети передаётся всегда в одном направлении. Кольцевая сеть требует специальных повторителей, которые, приняв информацию, передают её дальше как бы по эстафете; копируют в свою память (буфер), если информация предназначается
им
; изменяют некоторые служебные разряды, если это им разрешено. Информацию из кольца удаляет тот узел, который её послал. Для кольцевой сети требуется узел- монитор, служащий для удаления искажённых пакетов данных, очистки мусора в кольце, запускающий работу сети при включении.
Достоинства «кольца»:
- отсутствие дорогого ЦУ;
ОП - лёгкий поиск неисправных узлов;
ОП ОП - (отсутствуеткуда послать проблема); маршрутизации
- пропускная способность сети
ОП ОП поэтомуразделяется все междупользователи всеми пользователямигарантированно, последовательно получают доступ к сети; - простота контроля ошибок.
Недостатки «кольца»:
- трудно включить в сеть новые РС (необходим повторитель, необходимо выключить и разомкнуть цепь)
- каждая РС должна активно участвовать в пересылке информации, для этого нужны ресурсы, чтобы не было задержек в основной работе этих РС.
- в случае выхода из строя хотя бы одной РС или отрезка кабеля вся сеть парализуется.
3. Шинная структура
(Топология «общая шина»
).
Общая шина наиболее широко распространена в ЛВС. Топология «ОШ «предполагает использование одного кабеля (шины), к которому непосредственно подключаются все компьютеры сети. В случае «ОШ» кабель используется всеми станциями по очереди, т.е. шину может захватить в один момент времени только одна станция. Доступ к сети (к кабелю) осуществляется путём состязаний между пользователями. В сети принимается специальные меры для того, чтобы при работе с общим кабелем
ОП компьютеры не мешали друг другу передавать данные. Возникающие конфликты разрешаются соответствующими протоколами. ОП
ОП Информация передаётся на все
станции сразу.
РС подсоединяется к шине посредством устройства ТАР (англ. Tetminal Access Point-точка подключения терминала). ТАР-специальный тип подсоединения к коаксиальному кабелю. Зонд игольчатой формы внедряется через наружную оболочку внешнего проводника к внутреннему проводнику и присоединяется
Достоинства «ОШ»:
- простота построения сети;
- сеть легко расширяется;
- эффективно используется пропускная
ОП ОП
способность- надёжность
канала; здесь выше, т.к. выход из строя отдельных РС не нарушит работоспособности сети в целом; Недостатки «ОШ»:
- ограниченная длина шины;
- нет автоматического подтверждения приёма сообщения;
- возможность возникновения столкновений (коллизий) на шине (на кабеле), когда пытаются передать информацию сразу несколько станций;
- низкая защита данных;
- выход из строя какого-либо отрезка кабеля ведёт к нарушению работоспособности сети.
4. Древовидная структура
Эта структура позволяет объединить несколько сетей, в том числе с различными топологиями или разбить одну большую сеть на ряд подсетей.
Разбиение на сегменты позволит выделить подсети, в пределах которых идет интенсивный обмен между станциями, разделить потоки данных и увеличить, таким образом, производительность сети в целом. Объединение отдельных ветвей (сетей) осуществляется с помощью устройств, называемых мостами или шлюзами.
Шлюз применяется в случае соединения сетей, имеющих различную топологию и различные протоколы. Мосты объединяют сети с одинаковой топологией, но может преобразовывать протоколы (т.е. разные протоколы на двух объединяемых участках). Разбиение сети на подсети осуществляется с помощью коммутаторов и маршрутизаторов.
Физическая среда для передачи данных.
Для передачи данных используются различные виды кабеля (кабель на основе экранированной и неэкранированной витой пары, коаксиальный кабель, оптоволоконные линии), инфракрасные излучения, радиолинии СВЧ-диапазона (КВ, УКВ). При выборе типа физической среды для передачи данных учитывают следующие критерии.
1. Стоимость монтажа и обслуживания (т.е. прокладки кабеля);
2. Скорость передачи информации;
3. Ограничения на величину расстояния передачи информации (без
дополнительных усилителей-повторителей (репитеров));
4. Безопасность и надёжность передачи данных.
Главная проблема заключается в одновременном обеспечении этих показателей, например, наивысшая скорость передачи данных ограничена максимально возможным расстоянием передачи данных, при которой еще обеспечивается требуемый уровень защиты данных. Легкая наращиваемость и простота расширения кабельной системы влияют на ее стоимость и безопасность передачи данных. Чаще всего стараются обеспечить один или два показателя.
Витая пара.
Наиболее дешевым кабельным соединением является витое двухжильное проводное соединение называемое “витой парой” (англ. twisted pair) (ВП). Она позволяет передавать информацию со скоростью до 1000 Мбит/с, легко наращивается, является помехозащищенной. Преимуществами являются низкая цена и беспроблемная установка. Для повышения помехозащищенности информации и для защиты от вредного излучения часто используют экранированную витую пару, т.е. ВП, помещенную в специальную металлическую оболочку (подобно экрану коаксиального кабеля). Это увеличивает стоимость витой пары и приближает ее цену к цене коаксиального кабеля. Экранированная витая пара используется только для передачи данных (не для голоса) на большие расстояния и поддерживает подключение большего количества узлов (применяется в основном для сетей IBM - TokenRing).
Кабель на основе неэкранированной витой пары (UTP) бывает категории 1-7 и использует 4 пары: две для передачи данных, две – для голоса.
Category 1 – поддерживает скорость до 20 Кбит/с и используется для цифровой и аналоговой передачи голоса, а также низкоскоростной передачи данных. До 1983 г. – основной тип телефонных линий.
Category 2 – пропускная способность – 1МГц, используется для кабельных систем фирмы IBM.
Category 3 – наиболее широкое распространение, до 10 Мбит/с (частота сигнала -16МГц), применяется для передачи данных и голоса.
Category 4 – применяется редко, в основном для сетей Token Ring, до 16Мбит/с (20 МГц), до 135 м.
Category 5 – до 100Мбит/с (100МГц) - применяется для сетей FDDI, FastEthernet, 100VG-AnyLAN;
155Мбит/с – сети АТМ; 1000Мбит/с – GigabitEthernet.
Category 5е, + -
Category 6 – до 200МГц.
Category 7 – до 600МГц, экранируются все пары и весь кабель, высокая скорость, большие расстояния, по цене равны оптоволокну, но по качеству хуже. Рис.
Кабель на основе экранированной витой пары (STP) бывает типов 1-9.
Type 1 – основной тип, соответствуют UTP Category 5, применяется в сетях Token Ring, 100VGAnyLAN, используемый для передачи данных. Каждый кабель состоит из двух пар проводов.
Type 2 – соответствует Type 1 плюс две неэкранированные витые пары для передачи голоса.
Сочетание четырех неэкранированных и двух экранированных одножильных проводов в единой оболочке. Неэкранированные провода (UTP) предназначены для передачи речевых сообщений (voice transmission), а экранированные (STP) - для передачи данных.
Тип 3. Состоит из четырех пар одножильных проводов, используемых для передачи речевых сообщений и данных.
Тип 6. Состоит из двух пар многожильных кабелей. Во многом подобен типу 1, однако вместо одножильного используется многожильный провод.
Тип 8. Специальный плоский кабель STP, что позволяет прокладывать его под коврами.
Тип 9. Состоит из двух экранированных пар STP, покрытых специальной оболочкой (plenum), а не поливинилхлоридом (PVC), поэтому его можно прокладывать в перекрытиях между этажами здания. При горении PVC выделяет токсичные газы, поэтому в соответствии с правилами пожарной безопасности используют иную оболочку
Для коммутации витых пар применяются розетки RJ-45.
Коаксиальный кабель -
устаревшая технология для ЛВС.
Коаксиальный кабель имеет среднюю цену, хорошо помехозащищен и применяется для связи на большие расстояния (несколько километров). Скорость передачи информации от 1 до 10 Мбит/с, а в некоторых случаях может достигать 50 Мбит/с. Применяются кабель RG-8, RG-11, называемый “толстым” Ethernet (10Base-5, волновое сопротивление 50 Ом, диаметр 0,5 дюйма); RG-58 (сплошной), RG-58U, RG-58A/U (многожильный), RG-58C/U (военный) – «тонкий» Ethernet (10Base-2, 50 Ом; 0,25 дюйма)- хуже, чем «толстый», но удобнее при монтаже. Разъём – BNC. RG-59 – применяется для кабельного телевидения (75 Ом); RG-62 – для сетей ArcNet (93 Ома). Рис.
Оптоволоконные линии
Наиболее дорогими являются оптопроводники, называемые также стекловолоконным кабелем. Скорость распространения информации достигает нескольких гигабит в секунду, за счёт того, что в качестве сигнала передаётся свет. Допустимое удаление- более 50 км. Внешнее воздействие помех практически отсутствует. Эти соединения применяются там, где возникают электромагнитные поля помех и/или требуется передача информации на очень большие расстояния без использования повторителей и/или требуется высокая скорость передачи. Они обладают противоподслушивающими свойствами, так как техника ответвлений в оптоволоконном кабеле очень сложна. Оптопроводники объединяются в сеть по топологии звезда или кольцо (с помощью разъёмов MIC, ST, SC). В качестве источников света используются светодиоды и лазер.
Различают многомодовое (∅62.5/125, 50/125 мкм - cо ступенчатым или с плавным изменением показателя преломления) (полоса пропускания 500-800МГц/км) и одномодовое волокно (∅= λ=5-10 мкм - центральный проводник соизмерим длине волны) (сотни гигагерц). Мода – угол отражения луча.
Свет проходит по тончайшей стеклянной или пластиковой нити, покрытой тонким изоляционным слоем, называемым оболочкой (cladding). Оболочка окружена покрытием, которое защищает непрочную нить.
Покрытие Изоляция Оболочка Сердцевина волокна
Как вы понимаете, оптоволокно - критический элемент среды передачи , конце волокна находится устройство, которое называется кодек
или код
отвечает за преобразование данных в световые импульсы и обратное их электрические импульсы, с которыми работает компьютер. ИК- диод (LED) или лазер, находящийся на одном конце оптоволокна, посылает по кабелю световые сигналы. Когда эти сигналы достигают другого конца кабеля, они преобразуются в исходную (электрическую) форму.
Одномодовые кабели дороже многомодовых и могут передавать сигнал на большие расстояния, не требуя усиления. Поэтому многомодовые кабели чаще прокладывают внутри зданий, а одномодовые - между зданиями.
Радиолинии и инфракрасное излучение
В качестве среды передачи данных в вычислительных сетях используют также электромагнитные волны различных частот и инфракрасное излучение (ИК).
Однако, пока в ЛВС радиосвязь используется только в тех случаях, когда оказывается невозможной прокладка кабеля, например, в зданиях – памятниках архитектуры, между кораблями, между офисными зданиями. Малая распространённость объясняется, прежде всего, недостаточной надёжностью сетевых технологий, построенных на использовании электромагнитного излучения.
Для построения глобальных каналов – радиолинии используется шире – на ней построены спутниковые каналы связи и наземные радиорелейные каналы, работающие в зонах прямой видимости в СВЧ-диапазонах (низкая секретность, возможен перехват).
ИК-излучение используется в ЛВС, в глобальных сетях – не используется. Качество связи зависит от климата, погодных условий, роста деревьев, жесткости опоры, пролетающих птиц (дождь, туман, снег пропускание атмосферырезонансное поглощение на молекулах газов (О2
, О3
, СО, СН4
, N2
O, CO2
, H2
O и др.)). Достаточно сложная настройка, однако затем все – ОК. Прямая видимость.
Скорость передачи для ИК – от 10 Мбит/с до 2,5Гбит/с (до 10Гбит/с при WDM); микроволновые радиоканалы – 12 - 274 Мбит/с. Спутниковые микроволновые радиоканалы – используются 4 полосы (4/6 ГГц, 12/14 ГГц). 2 гр. ИК-излучателей:
1. п/пр-ые ИК-диоды 1) до 1 км до 20 Мбит/с; 2) 622 Мбит/с >6 км
(коммерческие системы)
2. п/пр-ые лазерные ИК-диоды- большая дальность до 10 Гбит/с (опытные системы).
По существу, в Беспроводных сетях обеспечивается соединение двух устройств без прокладки кабеля между ними. Такие сети в наибольшей степени полезны в следующих случаях.
• Проводная связь невозможна либо стоимость прокладки обычного кабеля дороже организации беспроводного канала.
• Клиенты часто соединяются и отключаются от сети, либо не имеют доступа к персональному компьютеру, подключенному к сети.
• Клиенты сети часто перемещаются с места на место.
Методы доступа в ЛВС
Метод доступа в ЛВС - способ "захвата" передающей среды, способ определения того, какая из рабочих станций сети может следующей использовать ресурсы сети (в том числе и передавать свою информацию).
Существует два способа организации доступа: управляемый и случайный. При методе управляемого доступа
каждая рабочая станция (т. е. компьютер, подключенный к сети) может передавать свои сообщения, лишь получив специальное разрешение. К управляемым методам доступа относится опрос
и маркерный доступ.
При опросе центральное устройство последовательно опрашивает все станции в пределах сети, давая тем самым по очереди разрешение на передачу каждой станции. При маркерном доступе для начала передачи станция должна получить специальный кадр, названный маркером и разрешающий передавать данные. После того как данные поступают на приемную станцию, передающая станция освобождает маркер и передает его далее следующей станции. Так маркер последовательно проходит через все станции, подключенные к данной локальной сети, давая тем самым разрешение на доступ к сети.
Достоинства управляемого доступа:
1) каждой станции гарантируется доступ к сети
2) не требуется специального подтверждения об успешности приёма сообщения.
Недостаток: меньшая производительность канала из-за простоя PC, ждущих своей очереди.
При случайном доступе
попытку передачи данных станция может начать в любое время. Станции состязаются друг с другом за использование канала. При одновременной передаче сразу несколькими станциями в сети возникают конфликты между ними (коллизии). Известны различные алгоритмы для разрешения конфликтов. Существует несколько методов случайного доступа, некоторые из них приведены ниже.
Техника случайного доступа впервые была применена исследователями Гавайского университета при создании радиосети, объединяющей большое количество географически разнесенных пользователей с центральной ЭВМ. Эта первая система была названа системой Алоха. Основными продолжениями системы чистой (или простой) Алохи являются:
- синхронная Алоха;
- метод множественного доступа с проверкой несущей и обнаружением столкновений (CSMA/CD); - метод множественного доступа с проверкой несущей и предотвращением столкновений (CSMA/CA). Достоинства случайного доступа:
1) простота построения,
2) большая производительность канала.
Недостатки:
1) возможность возникновения коллизий (столкновений);
2) необходимость специальных подтверждений об успешной передаче
Основные программные и аппаратные компоненты сети
Вычислительная сеть — это сложный комплекс взаимосвязанных и согласованно функционирующих программных и аппаратных компонентов. Изучение сети в целом предполагает знание принципов работы ее отдельных элементов:
• компьютеров;
• коммуникационного оборудования;
• сетевых операционных систем;
• сетевых приложений (системные и прикладные).
Весь комплекс программно-аппаратных средств сети может быть описан многослойной моделью. В основе любой сети лежит аппаратный слой стандартизованных компьютерных платформ. В настоящее время в сетях широко и успешно применяются компьютеры различных классов - от настольных и наладонных компьютеров до мэйнфреймов и суперЭВМ. Набор компьютеров в сети должен соответствовать набору разнообразных задач, решаемых сетью.
Второй слой — это коммуникационное оборудование. Хотя компьютеры и являются центральными элементами обработки данных в сетях, в последнее время не менее важную роль стали играть коммуникационные устройства. Кабельные системы, повторители, мосты, коммутаторы, маршрутизаторы и модульные концентраторы из вспомогательных компонентов сети превратились в основные наряду с компьютерами и системным программным обеспечением как по влиянию на характеристики сети, так и по стоимости. Сегодня коммуникационное устройство может представлять собой сложный специализированный мультипроцессор, который нужно конфигурировать, оптимизировать и администрировать. Изучение принципов работы коммуникационного оборудования требует знакомства с большим количеством протоколов, используемых как в локальных, так и глобальных сетях.
Третьим слоем, образующим программную платформу сети, являются операционные системы (ОС). От того, какие концепции управления локальными и распределенными ресурсами положены в основу сетевой ОС, зависит эффективность работы всей сети. При проектировании сети важно учитывать, насколько просто данная операционная система может взаимодействовать с другими ОС сети, насколько она обеспечивает безопасность и защищенность данных, до какой степени она позволяет наращивать число пользователей, можно ли перенести ее на компьютер другого типа (совместимость с разными типами компьютеров) и многие другие соображения.
Самым верхним слоем сетевых средств являются различные сетевые приложения, такие как сетевые базы данных, почтовые системы, средства архивирования данных, системы автоматизации коллективной работы и др. Очень важно представлять диапазон возможностей, предоставляемых приложениями для различных областей применения, а также знать, насколько они совместимы с другими сетевыми приложениями, разными операционными системами и другими типами компьютеров.
Типовой состав оборудования локальной сети
Фрагмент вычислительной сети (рис. ) включает основные типы коммуникационного оборудования, применяемого сегодня для образования локальных сетей и соединения их через глобальные связи друг с другом. Для построения локальных связей между компьютерами используются различные виды кабельных систем, сетевые адаптеры, концентраторы-повторители, мосты, коммутаторы и маршрутизаторы. Для подключения локальных сетей к глобальным связям используются специальные выходы (WAN-порты) мостов и маршрутизаторов, а также аппаратура передачи данных по длинным линиям - модемы (при работе по выделенным или коммутируемым аналоговым линиям) или же устройства подключения к цифровым каналам (ТА - терминальные адаптеры сетей ISDN, устройства обслуживания цифровых выделенных каналов сетей TDM типа CSU/DSU и т.п.).
Рис. . Фрагмент сети
Структурированная кабельная система
Согласно зарубежным исследованиям (журнал LAN Technologies), 70% времени простоев обусловлено проблемами, возникшими вследствие низкого качества применяемых кабельных систем. Поэтому так важно правильно построить фундамент сети - кабельную систему. В последнее время в качестве такой надежной основы все чаще используется структурированная кабельная система.
Структурированная кабельная система
(Structured Cabling System, SCS) - это набор коммутационных элементов (кабелей, разъемов, коннекторов, кроссовых панелей и шкафов), а также методика их совместно использования, которая позволяет создавать регулярные, легко расширяемые структуры связей в вычислительных сетях. Преимущества структурированной кабельной системы:
• Универсальность.
Структурированная кабельная система при продуманной организации может стать единой средой для передачи компьютерных данных в локальной вычислительной сети, организации локальной телефонной сети, передачи видеоинформации и даже передачи сигналов от датчиков пожарной безопасности или охранных систем.
• Увеличение срока службы.
Срок старения хорошо структурированной кабельной системы может составлять 8-10 лет.
• Уменьшение стоимости добавления новых пользователей и изменения их мест размещения.
Стоимость кабельной системы в основном определяется не стоимостью кабеля, а стоимостью работ по его прокладке. Поэтому более выгодно провести однократную работу по прокладке кабеля, возможно с большим запасом по длине, чем несколько раз выполнять прокладку, наращивая длину кабеля.
• Возможность легкого расширения сети.
Структурированная кабельная система является модульной, поэтому ее легко наращивать, позволяя легко и ценой малых затрат переходить на более совершенное оборудование, удовлетворяющее растущим требованиям к системам коммуникаций.
• Обеспечение более эффективного обслуживания.
Структурированная кабельная система облегчает обслуживание и поиск неисправностей по сравнению с шинной кабельной системой.
• Надежность.
Структурированная кабельная система имеет повышенную надежность поскольку обычно производство всех ее компонентов и техническое сопровождение осуществляется одной фирмойпроизводителем.
Сетевые адаптеры
Сетевой адаптер
(сетевая плата или сетевая карта) (Network Interface Card, NIC) - это печатная плата, устанавливаемая в системный блок компьютера, непосредственно взаимодействующая со средой передачи данных, которая прямо или через другое коммуникационное оборудование связывает её с другими компьютерами
. (Это устройство решает задачи надежного обмена двоичными данными, представленными соответствующими электромагнитными сигналами, по внешним линиям связи.) Как
и
любой контроллер компьютера, сетевой адаптер работает под управлением драйвера операционной системы и распределение функций между сетевым адаптером и драйвером может изменяться от реализации к реализации. (Драйвер – программное обеспечение, управляющее работой какого-либо периферийного устройства компьютера.)
В первых локальных сетях сетевой адаптер с сегментом коаксиального кабеля представлял собой весь спектр коммуникационного оборудования, с помощью которого организовывалось взаимодействие компьютеров. Сетевой адаптер компьютера-отправителя непосредственно по кабелю взаимодействовал с сетевым адаптером компьютера-получателя. В большинстве современных стандартов для локальных сетей предполагается, что между сетевыми адаптерами взаимодействующих компьютеров устанавливается специальное коммуникационное устройство (концентратор, мост, коммутатор или маршрутизатор), которое берет на себя некоторые функции по управлению потоком данных.
Сетевой адаптер обычно выполняет функции физического и канального уровней:
• Оформление передаваемой информации в виде кадра определенного формата
(LLC-подуровень). Кадр включает несколько служебных полей, среди которых имеется адрес компьютера назначения и контрольная сумма кадра, по которой сетевой адаптер станции назначения делает вывод о корректности доставленной по сети информации.
• Получение доступа к среде передачи данных
(МАС-подуровень). В локальных сетях в основном применяются разделяемые между группой компьютеров каналы связи (общая шина, кольцо), доступ к которым предоставляется по специальному алгоритму (наиболее часто применяются метод случайного доступа, метод с передачей маркера доступа по кольцу).
• Преобразование информации из параллельной формы в последовательную и обратно
.
• Кодирование последовательности бит кадра последовательностью электрических сигналов
, при передаче данных и декодирование при их приеме. Кодирование должно обеспечить передачу исходной информацию по линиям связи с определенной полосой пропускания и определенным уровнем помех таким образом, чтобы принимающая сторона смогла распознать с высокой степенью вероятности посланную информацию.
• Синхронизация битов, байтов и кадров
. Для устойчивого приема передаваемой информации необходимо поддержание постоянного синхронизма приемника и передатчика информации. Сетевой адаптер использует для решения этой задачи специальные методы кодирования. Эти методы обеспечивают периодическое измерение состояния передаваемого сигнала, которое используется тактовым генератором приемника для подстройки синхронизма. Кроме синхронизации на уровне битов, сетевой адаптер решает задачу синхронизации и на уровне байтов, и на уровне кадров.
Сетевые адаптеры различаются по типу и разрядности используемой в компьютере внутренней
шины данных - ISA, PCI, USB.
Существуют сетевые платы для компьютеров-клиентов и серверов. В последнем случае они
снабжены встроенными процессорами (напр. SMS Ether Power с процессором L960).
Сетевые адаптеры различаются также по типу принятой в сети сетевой технологии - Ethernet, Token Ring, FDDI и т.п. Как правило, конкретная модель сетевого адаптера работает по определенной сетевой технологии (например, Ethernet/Fast Ethernet – адаптер 3Com Fast ЕtherLink XL 10/100). В связи с тем, что для каждой технологии сейчас имеется возможность использования различных сред передачи данных (тот же Ethernet поддерживает коаксиальный кабель, неэкранированную витую пару и оптоволоконный кабель), сетевой адаптер может поддерживать одновременно несколько сред.
В случае, когда сетевой адаптер поддерживает только одну среду передачи данных, а необходимо использовать другую, применяются трансиверы и конверторы.
Трансивер
(приемопередатчик, transmitter+receiver) - это часть сетевого адаптера, его оконечное устройство, выходящее на кабель. В первом стандарте Ethernet, работающем на толстом коаксиале, трансивер располагался непосредственно на кабеле и связывался с остальной частью адаптера, располагавшейся внутри компьютера, с помощью интерфейса AUI (attachment unit interface). В других вариантах Ethernet'a оказалось удобным выпускать сетевые адаптеры (да и другие коммуникационные устройства) с портом AUI, которому можно присоединить трансивер для требуемой среды (т.е. для каждой среды –свой трансивер).
Вместо подбора подходящего трансивера можно использовать конвертор,
который может
согласоватьданных (например выход, выходприемопередатчика на витую пару, преобразуетсяпредназначенного в выход для наодной коаксиальный среды, с другойкабель ).средой передачи
Физическая структуризация локальной сети.
Повторители и концентраторы
Для построения простейшей односегментной сети достаточно иметь сетевые адаптеры и кабель подходящего типа. Но даже в этом простом случае часто используются дополнительные устройства - повторители сигналов, позволяющие преодолеть ограничения на максимальную длину кабельного сегмента.
Основная функция повторителя
(repeater), (как это следует из его названия)- повторение сигналов, поступающих на один из его портов на всех остальных портах (Ethernet) или на следующем в логическом кольце порте (Token Ring, FDDI) синхронно с
сигналами
-оригиналами
. Повторитель улучшает электрические характеристики сигналов и их синхронность, и за счет этого появляется возможность увеличивать общую длину кабеля между самыми удаленными в сети станциями.
Многопортовый повторитель (8 - 72 порта) называется концентратором
(hub, concentrator), что отражает тот факт, что данное устройство реализует не только функцию повторения сигналов, но и концентрирует в одном — центральном устройстве функции объединения компьютеров в сеть. Практически во всех современных сетевых стандартах концентратор является необходимым элементом сети, соединяющим отдельные компьютеры в сеть.
0трезки кабеля, соединяющие два компьютера или какие либо два других сетевых устройства, называются физическими сегментами.
Таким образом, концентраторы и повторители, которые используются для добавления новых физических сегментов, являются средством физической структуризации сети.
Концентраторы, связывая отдельные физические отрезки кабеля, образуют общую среду передачи данных - логический сегмент
(рис. ). Логический сегмент – сеть, построенная на концентраторах.
Логический сегмент также называют доменом коллизий, поскольку при попытке одновременной передачи данных любых двух компьютеров этого сегмента, хотя бы и принадлежащих разным физическим сегментам, возникает блокировка передающей среды (коллизия).
Какую бы сложную структуру не образовывали концентраторы, например, путем иерархического соединения (рис. ), все компьютеры, подключенные к ним, образуют единый логический сегмент, в котором любая пара взаимодействующих компьютеров полностью блокирует возможность обмена данными для других компьютеров.
Рис. .Повторитель Ethernet синхронно повторяет биты кадра на всех своих портах
Рис. Логический сегмент, построенный с использованием концентраторов
Появление устройств, централизующих соединения между отдельными сетевыми устройствами, потенциально позволяет улучшить управляемость сети и ее эксплуатационные характеристики
(модифицируемость, ремонтопригодность и т.п.). С этой целью разработчики концентраторов часто встраивают в свои устройства, кроме основной функции повторителя, ряд вспомогательных функций, весьма полезных для улучшен качества сети.
Различные производители концентраторов реализуют в своих устройствах некоторые вспомогательные функции, но наиболее часто встречаются следующие:
• Объединение сегментов с различными физическими средами (например, коаксиал, витая пара и оптоволокно) в единый логический сегмент.
• Автосегментация портов - автоматическое отключение порта при его некорректном поведении (повреждение кабеля, интенсивная генерация пакетов ошибочной длины и т.п.).
• Поддержка между концентраторами резервных связей, которые используются при отказе основных.
• Защита передаваемых по сети данных от несанкционированного доступа (например, путем искажения поля данных в кадрах, повторяемых на портах, не содержащих компьютера с адресом назначения).
• Поддержка средств управления сетями протокола SNMP, баз управляющей информации MIB (Management Information on Base)
Существуют следующие группы концентраторов:
- Концентраторы с фиксированным количеством портов
– устройство в одном корпусе (от 4-8 до 24 портов);
- Модульные концентраторы
– отдельные модули на одном шасси, плюс модуль управления (для программирования через RS-232C), система терморегуляции, дополнительный источник питания (дорого)
- Стековые концентраторы
– несколько концентраторов (чаще всего до 8), установленных друг на друга, объединяются в один повторитель с помощью специальных портов и кабелей.
- Модульно
-стековые концентраторы –
объединяют функции модульных и стековых концентраторов.
Существуют также многосегментные концентраторы (например, System 500 фирмы Nortel Networks, Port Switch Hub фирмы 3Com) – содержат несколько несвязанных шин (чаще всего 3) для разных сегментов сети, сегменты объединяются друг с другом с мостов/коммутаторов или маршрутизаторов.
Логическая структуризация сети. Мосты и коммутаторы
Несмотря на появление новых дополнительных возможностей, основной функцией концентраторов остается передача пакетов по общей разделяемой среде. Коллективное использование многими компьютерами (30-100 узлов) общей кабельной системы в режиме разделения времени приводит к существенному снижению производительности сети при интенсивном потоке информации (при мультимедийном трафике). Общая среда передачи данных перестает справляться с потоком передаваемых кадров информации и в сети возникает очередь компьютеров, ожидающих
доступа
. Это явление характерно для всех технологий, использующих разделяемые среды передачи данных, независимо от используемых алгоритмов доступа (хотя наиболее страдают от перегрузок графика сети Ethernet с методом случайного доступа к среде).
Поэтому сети, построенные на основе концентраторов, не могут расширяться в требуемых пределах - при определенном количестве компьютеров в сети или при появлении новых приложений всегда происходит насыщение передающей среды, и задержки в ее работе становятся недопустимыми. Эта проблема может быть решена путем логической структуризации сети с помощью мостов, коммутаторов и маршрутизаторов.
Мост
(bridge), а также его быстродействующий функциональный аналог - коммутатор
(switching hub, switch) делит общую среду передачи данных на логические сегменты. Логический сегмент образуется путем объединения нескольких физических сегментов (отрезков кабеля) с помощью одного или нескольких концентраторов. Каждый логический сегмент подключается к отдельному порту моста/коммутатора (рис. ). При поступлении кадра данных на какой-либо из портов мост/коммутатор повторит этот кадр, но не на всех портах, как это делает концентратор, а только на том порту, к которому подключен сегмент, содержащий компьютер-адресат.
Разница между мостом и коммутатором состоит в том, что, при передаче информации нескольким адресатам одновременно, мост передаст кадр сначала на один порт, затем на другой и так далее (мост содержит один процессор), а коммутатор одновременно передаст данные на все порты, к которым подключены адресаты (на каждом порту – свой процессор). Другими словами, мост передает кадры последовательно (3-5 тыс. кадров/с), а коммутатор параллельно (несколько млн. кадров/с).
Следует отметить, что в последнее время локальные мосты полностью вытеснены коммутаторами. Мосты используются только для связи локальных сетей с глобальными, то есть как средства удаленного доступа, поскольку в этом случае необходимость в параллельной передаче между несколькими парами портов просто не возникает.
При работе моста/коммутатора среда передачи данных каждого логического сегмента остается общей только для тех компьютеров, которые подключены к этому сегменту непосредственно. Коммутатор осуществляет связь сред передачи данные различных логических сегментов он передает кадры между логическими сегментами только при необходимости, то есть только тогда, когда взаимодействующие компьютеры находятся в разных сегментах.
Рис. . Разделение сети на логические сегменты
Простейший вид таблицы маршрутизации
| Порт |
Адрес |
| 1 |
1 |
| 2 |
|
| 3 |
|
| 4 |
|
| 5 |
|
| 2 |
21 |
| 22 |
|
| 23 |
|
| 24 |
|
| 25 |
|
| 3 |
35 |
Деление сети на логические сегменты улучшает производительность сети, если в сети имеются группы компьютеров преимущественно обменивающиеся информацией между собой. Если же таких групп нет, то введение в сеть коммутаторов может только ухудшить общую производительность сети, так как принятие решения о том, нужно ли передавать пакет из одного сегмента в другой, требует дополнительного времени. Однако даже в сети средних размеров такие группы, как правило, имеются. Поэтому разделение ее на логические сегменты дает выигрыш в производительности - трафик локализуется в пределах групп, и нагрузка на их разделяемые кабельные системы существенно уменьшается.
Мосты/Коммутаторы принимают решение о том, на какой порт нужно передать кадр, анализируя адрес назначения, помещенный в кадре, а также на основании информации о принадлежности того или иного компьютера определенному сегменту, подключенному к одному из портов моста/коммутатора, то есть на основании информации о конфигурации сети. Для того, чтобы собрать и обработать информацию о конфигурации подключенных к нему сегментов, мост/коммутатор должен пройти стадию "обучения", то есть самостоятельно проделать некоторую предварительную работу по изучению проходящего через него трафика. Определение принадлежности компьютеров сегментам возможно за счет наличия в кадре не только адреса назначения, но и адреса источника, сгенерировавшего пакет. Используя информацию об адресе источника, мост/коммутатор устанавливает соответствие между номерами портов и адресами компьютеров. В процессе изучения сети мост/коммутатор просто передает появляющиеся на входах его портов кадры на все остальные порты, работая некоторое врeмя повторителем. После того, как мост/коммутатор узнает о принадлежности адресов сегментам, он начинает передавать кадры между портами только в случае межсегментной передачи. Мосты/коммутаторы копируют в свой буфер данные, если они передаются в другой сегмент, и пытается получить доступ к среде этого сегмента (например, используя метод CSMA/CD). Если, уже после завершения обучения, на входе коммутатора вдруг появится кадр с неизвестным адресом назначения, то этот кадр будет повторен на всех портах. Новая станция, подключаясь к сети рассылает широковещательные кадры, заявляя о своём существовании.
Мосты/коммутаторы, работающие описанным способом, обычно называются прозрачными
(transparent), поскольку появление таких мостов/коммутаторов в сети совершенно не заметно для ее конечных узлов. Это позволяет не изменять их программное обеспечение при переходе от простых конфигураций, использующих только концентраторы, к более сложным, сегментированным
Мост/коммутатор может также быть запрограммированным администратором сети (администратор настраивает таблицы маршрутизации) и тогда ему нет необходимости проходить стадию обучения.
За простоту принципа работы прозрачного моста/коммутатора приходится расплачиваться ограничениями на топологию сети, построенной с использованием устройств данного типа - такие сети не могут иметь замкнутых маршрутов – петель. Мост/коммутатор не может правильно работать в сети с петлями, при этом сеть засоряется зацикливающимися пакетами и ее производительность снижается.
Для автоматического распознавания петель в конфигурации сети разработан алгоритм покрывающего дерева
(Spanning Tree Algorithm, STA). Этот алгоритм позволяет мостам/коммутаторам адаптивно строить дерево связей, когда они изучают топологию связей сегментов с помощью специальных тестовых кадров. При обнаружении замкнутых контуров некоторые связи объявляются резервными. Мост/коммутатор может использовать резервную связь только при отказе какой-либо основной. В результате сети, построенные на основе мостов/коммутаторов, поддерживающих алгоритм покрывающего дерева, обладают некоторым запасом надежности, но повысить производительность за счет использования нескольких параллельных связей в таких сетях нельзя.
Существует и другой класс мостов/коммутаторов, передающих кадры данных между сегментами на основе полной информации о межсегментном маршруте, содержащемся в кадре. Эту информацию записывает в кадр станция-источник кадра, поэтому говорят, что такие устройства реализуют алгоритм маршрутизации от источника
(source routing). При использовании мостов/коммутаторов с маршрутизацией от источника конечные узлы должны быть в курсе деления сети на сегменты, и сетевые адаптеры, в этом случае, должны в своём программном обеспечении иметь компонент, занимающийся выбором маршрута кадров, - одношаговая маршрутизация (
распределённая маршрутизация).
Такие мосты/коммутаторы применяются для соединения колец Token Ring и FDDI.
Существуют также мосты/коммутаторы, объединяющие обе технологии работы - мосты/коммутаторы SRT
(Source Route Transparent).
Для увеличения безопасности данных можно использовать логические фильтры для отдельных пользователей, чтоб ограничить доступ к другим сегментам.
Существуют следующие группы коммутаторов:
- автономные коммутаторы с фиксированным количеством портов; - модульные коммутаторы на основе шасси;
- коммутаторы с фиксированным количеством портов, собираемые в стек, объединяемые с помощью высокоскоростных каналов (200-400 Мбит/с).
Маршрутизаторы
Мост/коммутатор имеет следующие недостатки: 1) не поддерживает резервные связи (отсутствие петель в сети); 2) не защищает от широковещательных штормов - при одновременной передаче пакетов информации нескольким пользователям (при наличии в сети петель) эти пакеты множатся на каждом порту моста/коммутатора, засоряя тем самым сеть; 3) сложно решается задача управления трафиком - используются только пользовательские фильтры, настраиваемые администратором; 4) одноуровневая адресация (MAC-адрес жёстко связан с сетевым адаптером); 5) трансляция протоколов существует не у всех мостов/коммутаторов – поэтому поля данных должны везде совпадать.
Для устранения перечисленных недостатков в сетях применяются маршрутизаторы.
Маршрутизатор
(router) – специализированное устройство или универсальный компьютер, работающий под управлением собственной специализированной операционной системы, оптимизированной для построения таблиц маршрутизации и продвижения пакета информации на их основе.
Маршрутизатор позволяет организовывать в сети избыточные (резервные) связи, образующие петли. Он справляется с этой задачей за счет того, что принимает решение о передаче пакетов на основании более полной информации о графе связей в сети, чем мост или коммутатор. Маршрутизатор имеет в своем распоряжении базу топологической информации, котоpaя говорит ему, например, о том, между какими подсетями общей сети имеются связи и в каком состоянии (работоспособном или нет) они находятся. Имея такую карту сети, маршрутизатор может выбрать один из нескольких возможных маршрутов доставки пакета информации адресату. В данном случае под маршрутом понимают последовательность прохождения пакетом маршрутизаторов. Например, на рисунке для связи станций L2 сети LAN1 и L1. сети LAN6 имеется два маршрута: М1-М5-М7 и М1-М6-М7.
В отличие от моста/коммутатора, который не знает, как связаны сегменты друг с другом за пределами eго портов, маршрутизатор видит всю картину связей подсетей друг с другом, поэтому он может выбрать правильный маршрут и при наличии нескольких альтернативных маршрутов. Решение о выборе того или иного маршрута принимается каждым маршрутизатором, через который проходит сообщение, причём только до ближайшего маршрутизатора – многошаговая маршрутизация.
Для того, чтобы составить карту связей в сети, маршрутизаторы обмениваются специальными служебными сообщениями (при этом используются протоколы маршрутизации), в которых содержится информация о связях между подсетями, о которых они знают (эти подсети подключены к ним непосредственно или же они узнали эту информацию от других маршрутизаторов). При этом в таблице маршрутизации записываются номера (адреса) сетей, непосредственно подсоединённых к данному маршрутизатору или расположенных поблизости - на тупиковых маршрутах, или записывается значение default (по умолчанию), указывающее на какой-либо ближайший маршрутизатор. Построение
графа
связей между подсетями и выбор оптимального по какому-либо критерию маршрута на этом графе представляют собой сложную задачу. При этом могут использоваться разные критерии выбора маршрута - наименьшее количество промежуточных узлов, время, стоимость или надежность передачи данных.
Ml, М2,..., М9,- маршрутизаторы
LAN1, LAN2, LAN3, WAN4, WAN5, LAN6, LAN7, WAN8 - уникальные
номера сетей в едином формате
LI, L2,... - локальные номера узлов (дублируются, разный формат) Рис. . Структура интерсети, построенной на основе маршрутизаторов
Маршрутизаторы позволяют объединять сети, подсети с различными принципами организации, в единую сеть, которая в этом случае часто называется интерсеть
(internet). Название интерсеть подчеркивает ту особенность, что образованное с помощью маршрутизаторов объединение компьютеров представляет собой совокупность нескольких сетей, сохраняющих большую степень автономности, чем несколько логических сегментов одной сети. В каждой из сетей, образующих интерсеть, сохраняются присущие им принципы адресации узлов и протоколы обмена информацией. Поэтому маршрутизаторы могут объединять не только локальные сети с различной технологией, но и локальные сети с глобальными.
Маршрутизаторы работают на сетевом уровне. Сетевой уровень добавляет к пакету свой заголовок: адрес сети, номер фрагмента пакета, время жизни пакета (для отсеивания старых), качество услуги (например, важна надёжность, а не время доставки). В локальных и глобальных сетях приняты разные схемы адресации: в LAN – используются MAC-адреса узлов (канальный уровень), а в WAN – номер сети (подсети) объединённый с номером узла (например, IP-адрес) (сетевой уровень).
Маршрутизаторы не только объединяют сети, но и надежно защищают их друг от друга. Причем эта изоляция осуществляется гораздо проще и надежнее, чем с помощью мостов/коммутаторов. Например, при поступлении кадра с неправильным адресом мост/коммутатор обязан повторить его на всех своих портах, что делает сеть незащищенной от некорректно работающего узла. Маршрутизатор же в таком случае просто отказывается передавать неправильный пакет дальше, изолируя дефектный узел от остальной сети. Кроме того, маршрутизатор предоставляет администратору удобные средства фильтрации потока сообщений за счет того, что сам распознает многие поля служебной информации в пакете и позволяет их именовать понятным администратору образом. Нужно заметить, что некоторые мосты/коммутаторы также способны выполнять функции гибкой фильтрации, но задавать условия фильтрации администратор сети должен сам в двоичном формате, что достаточно сложно.
Кроме фильтрации, маршрутизатор может обеспечивать приоритетный порядок обслуживания буферизованных пакетов, когда на основании некоторых признаков пакетам предоставляются преимущества при выборе из очереди.
В результате, маршрутизатор оказывается сложным интеллектуальным устройством, построенным
на базе одного, а иногда и нескольких мощных процессоров.
Каждый маршрутизатор поддерживает несколько сетевых протоколов и протоколов
маршрутизации.
Существуют следующие группы маршрутизаторов:
- магистральные маршрутизаторы
–применяются для центральной сети корпорации, обладают высокой скоростью (несколько сотен – несколько миллионов пакетов в секунду), имеют большое количество локальных и глобальных интерфейсов, систему терморегуляции и дополнительные источники питания; построены по модульной схеме - на одном шасси до 12-14 модулей; программное обеспечение магистральных маршрутизаторов строится по модульному принципу, поэтому можно докупать программные модули, реализующие недостающие протоколы; пример: Backbone Concentrator Node – BCN фирмы Nortel Networks; Cisco 7500; Cisco 12000
- маршрутизаторы региональных отделений
– применяются для объединения регионального отделения с центральной сетью или объединения нескольких ЛВС; скорость ниже; менее 4-5 модулей на шасси; интерфейсы локальных и глобальных сетей (пример: BLN, ASN ф. Nortel Networks; Cisco 2500; Cisco 3600; NetBuilder II ф. 3Com);
- маршрутизаторы удалённых офисов –
объединяют одну или две ЛВС удалённого офиса с центральной сетью или сетью регионального отделения по глобальной связи; интерфейс ЛВС – как правило Ethernet 10 Мбит/с, интерфейс глобальной сети – выделенная линия на 64 Кбит/с, 1.544 или 2 Мбит/с (плюс резерв – телефонная линия); от 5 до 20-30 тыс. пакетов в секунду (Nautika ф. Nortel Networks; Cisco 1000; Office Connect ф. 3Com; семейство Pepeline ф. Ascend);
- маршрутизаторы локальных сетей (коммутаторы 3-го уровня) –
для разделения крупных ЛВС на подсети; все порты – высокоскоростные 10 Мбит/с, 100 Мбит/с; это наиболее высокопроизводительные устройства за счёт перенесения операций маршрутизации на аппаратное обеспечение портов БИС/ASIC (пример: CoreBuilder 3500 ф. 3Com; Accelar 1200 ф. Nortel Networks; Waveswitch 9000 ф. Plaintree; Turboiron Switching Router ф. Foudry Networks)
Известно, что маршрутизатор затрачивает больше времени на обработку каждого пакета, чем коммутатор, поскольку он выполняет более сложную обработку трафика, включая интеллектуальные алгоритмы фильтрации, выбор маршрута. При современном состоянии сетей данная ситуация не устраивает пользователей - им необходимо передавать аудио, видео и другие виды информации из глобальных сетей или через них. Однако полный отказ от маршрутизаторов, значит и отказ от всех интеллектуальных возможностей обработки трафика, присущих им. Из этого следует, что в сети необходимо сохранять функции маршрутизации, увеличив её производительность.
Сложилось так, что самые активные действия в направлении увеличения производительности маршрутизаторов были предприняты производителями коммутаторов, наделявшими свои продукты некоторыми возможностями маршрутизаторов. Именно в модифицированных коммутаторах были впервые достигнуты скорости маршрутизации в 5-7 миллионов пакетов в секунду.
Термин “коммутатор 3-го уровня
” употребляется для обозначения целого спектра коммутаторов различного типа, в которые встроены функции маршрутизации пакетов.
Классический коммутатор 3-го уровня подобно обычному коммутатору захватывает все кадры своими портами независимо от их MAC-адресов, а затем принимает решение о коммутации или маршрутизации каждого кадра. Если кадр имеет МАС-адрес назначения, отличный от МАС-адреса порта маршрутизатора, то этот кадр коммутируется, т.е. просто передаётся. Если же кадр направлен непосредственно МАС-адресу какого-либо порта маршрутизатора, то он маршрутизируется обычным образом.
Например:
LANplex (CoreBuilder) 3500 ф. 3Com – до 4 млн. IP пакетов/с
2500 - 98 тыс.
6000 - до 2 млн.
Accelar 1200 ф. Nortel Networks - до 7 млн.
Ещё один тип коммутаторов 3-го уровня – это коммутаторы, которые ускоряют процесс маршрутизации за счёт выявления устойчивых потоков в сети и обработки по схеме маршрутизации (ищут для них маршрут) только нескольких первых пакетов потока, а остальные пакеты просто передаются по схеме коммутации (на основе МАС-адреса). Например: SmartSwitch ф. Cabletron; Catalyst 5000 ф. Cisco.
Локальные сети отделяются от глобальных маршрутизаторами или
удалёнными мостами.
Функциональное соответствие видов коммуникационного оборудования уровням модели OSI
Лучшим способом для понимания отличий между сетевыми адаптерами, повторителями, мостами/коммутаторами и маршрутизаторами является рассмотрение их работы в терминах модели OSI. Соотношение между функциями этих устройств и уровнями модели OSI показано на рисунке.
Повторитель, который регенерирует сигналы, за счет чего позволяет увеличивать длину сети, работает на физическом уровне.
Сетевой адаптер работает на физическом и канальном уровнях. К физическому уровню относится та часть функций сетевого адаптера, которая связана с приемом и передачей сигналов по линии связи, а получение доступа к разделяемой среде передачи, распознавание МАС-адреса компьютера - это уже функция канального уровня.
Уровни
модели OSI Шлюз
|
|
Прикладной
|
|
Представительный
|
|
Сеансовый
Маршрутизатор
|
|
|
|
||||
|
|
Транспортный
Сетевой
|
|
|
Канальный
Физический
Рис. 1.12. Соответствие функций коммуникационного оборудования модели
OSI
Мосты выполняют большую часть своей работы на канальном уровне. Для них сеть представляется набором МАС-адресов устройств. Они извлекают эти адреса из заголовков, добавленных к пакетам на канальном уровне, и используют их во время обработки пакетов для принятия решения о том, на какой порт отправить тот или иной пакет. Мосты не имеют доступа к информации об адресах сетей, относящейся к более высокому уровню. Поэтому они ограничены в принятии решений о возможных путях или маршрутах перемещения пакетов по сети.
Маршрутизаторы работают на сетевом уровне модели OSI. Для маршрутизаторов сеть - это набор сетевых адресов устройств и множество сетевых путей. Маршрутизаторы
анализируют все возможные пути между любыми двумя узлами сети и выбирают самый короткий из них. При выборе могут приниматься во внимание и другие факторы, например, состояние промежуточных узлов и линий связи, пропускная способность линий или стоимость передачи данных.
Для того, чтобы маршрутизатор мог выполнять возложенные на него функции ему должна быть доступна более развернутая информация о сети, нежели та, которая
доступна
мосту
. В заголовке пакета сетевого уровня кроме сетевого адреса имеются данные, например, о критерии, который должен быть использован при выборе маршрута, о времени жизни пакета в сети, о том, какому протоколу верхнего уровня принадлежит пакет.
Благодаря использованию дополнительной информации, маршрутизатор может осуществлять больше oпeраций с пакетами, чем мост/коммутатор. Поэтому программное обеспечение, необходимое для работы маршрутизатора, является более сложным.
На рисунке показан еще один тип коммуникационных устройств - шлюз, который может работать на любом уровне модели OSI. Шлюз
(gateway) - это устройство, выполняющее трансляцию протоколов. Шлюз размещается между взаимодействующими сетями и служит посредником, переводящим сообщения, поступающие из одной сети, в формат совершенно другой сети. Трансляция одного стека протоколов в другой представляет собой сложную интеллектуальную задачу, требующую максимально полной информации о сети, поэтому шлюз использует заголовки всех транслируемых протоколов всех семи уровней. Шлюз может быть реализован как чисто программными средствами, установленными на обычном компьютере, так и на базе специализированного компьютера.
Технологии локальных вычислительных сетей
Сетевая технология
– это согласованный набор стандартных аппаратнопрограммных средств достаточный для построения вычислительной сети.
Пример базовых технологий – Ethernet, Token Ring, FDDI – технологии локальных сетей (на их основе строятся ЛВС); Х.25 и frame relay – технологии территориальных сетей.
Для построения работоспособной сети достаточно приобрести программные и аппаратные средства, относящиеся к одной базовой технологии – сетевые адаптеры с драйверами, концентраторы, коммутаторы, кабельную систему и т. п., и соединить их в соответствии с требованиями стандарта на данную технологию.
Основными характеристиками для сравнения технологий ЛВС являются:
1) метод доступа;
2) скорость передачи данных;
3) физические среды передачи данных;
4) топологии сети;
5) формат кадров.
Технология Ethernet
Ethernet - это самый распространенный на сегодняшний день стандарт локальных сетей. Общее количество сетей, использующих в настоящее время Ethernet, - более 5 миллионов, а количество компьютеров, работающих с установленными сетевыми адаптерами Ethernet - более 50 миллионов.
Когда говорят Ethernet, то под этим обычно понимают любой из вариантов этой технологии. В более узком смысле, Ethernet - это сетевой стандарт, основанный на технологиях экспериментальной сети Ethernet Network, которую фирма Xerox разработала и реализовала в 1975 году (еще до появления персонального компьютера). Метод доступа был опробован еще раньше: во второй половине 60-х годов в радиосети Гавайского университета использовались различные варианты случайного доступа к общей радиосреде, получившие общее название Aloha. В 1980 году фирмы DEC, Intel и Xerox совместно разработали и опубликовали стандарт Ethernet версии II для сети, построенной на основе коаксиального кабеля. Поэтому стандарт Ethernet иногда называют стандартом DIX по заглавным буквам названий фирм.
На основе стандарта Ethernet DIX был разработан стандарт IEEE 802.3, который во многом совпадает со своим предшественником, но некоторые различия все же имеются. В то время, как в стандарте IEEE 802.3 различаются уровни MAC и LLC, в оригинальном Ethernet оба эти уровня объединены в единый канальный уровень. В Ethernet определяется протокол тестирования конфигурации (Ethernet Configuration Test Protocol), который отсутствует в IEEE
802.3. Несколько отличается и формат кадра, хотя минимальные и максимальные размеры кадров в этих стандартах совпадают.
В зависимости от типа физической среды стандарт IEEE 802.3 имеет различные
модификации (спецификации)– 10Base-5, 10Base-2, 10Base-T, 10Base-F.
Для передачи двоичной информации по кабелю для всех вариантов физического уровня технологии Ethernet используется манчестерский код.
Все виды стандартов Ethernet используют один и тот же метод разделения среды передачи данных -метод CSMA/CD. Топология – общая шина, звезда. Скорость передачи данных – 10 Мбит/с.
В сетях Ethernet используется метод доступа к среде передачи данных, называемый методом коллективного (множественного) доступа с опознаванием (проверкой) несущей и обнаружением коллизий (столкновений) - carrier-sense-multiply-access with collision detection, CSMA/CD.
Все компьютеры такой сети имеют непосредственный доступ к среде передачи данных (кабелю), поэтому она может быть использована для передачи данных между любыми двумя узлами сети. Говорят, что кабель, к которому подключены все станции, работает в режиме коллективного доступа (multiply-access,M А).
Все данные, передаваемые по сети, помещаются в кадры определенной структуры, снабжаются уникальным адресом станции назначения. Затем кадр передается по кабелю. Все станции, подключенные к кабелю, могут распознать факт передачи кадра, и та станция, которая узнает собственный адрес в заголовках кадра, записывает его содержимое в свой внутренний буфер (память), обрабатывает полученные данные и посылает по кабелю кадр-ответ. Адрес станции-источника также включен в исходный кадр, поэтому станция-получатель знает, кому нужно послать ответ.
При описанном подходе возможна ситуация, когда две станции одновременно пытаются передать кадр данных по общему кабелю (рис. ). Для уменьшения вероятности этой ситуации непосредственно перед отправкой кадра передающая станция слушает кабель (то есть принимает и анализирует возникающие на нем электрические сигналы), чтобы обнаружить, не передается ли уже по кабелю кадр данных от другой станции. Если опознается несущая частота (основная гармоника сигнала – 5..10 МГц в зависимости от передачи 0 или 1), то станция откладывает передачу своего кадра до окончания чужой передачи, и только потом пытается вновь его передать (после технологической паузы 9,6 мкс – для приведения сетевых адаптеров в исходное состояние). Но даже при таком алгоритме две станции одновременно могут решить, что по каналу в данный момент времени нет передачи, и начать одновременно передавать свои кадры. Говорят, что при этом происходит коллизия, так как содержимое обоих кадров сталкивается на общем кабеле, что приводит к искажению информации.
Чтобы корректно обработать коллизию, все станции одновременно наблюдают за возникающими на кабеле сигналами. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется обнаружение коллизии. Для увеличения вероятности немедленного обнаружения коллизии всеми станциями сети, ситуация коллизии усиливается посылкой в сеть станциями, начавшими передачу своих кадров, специальной последовательности битов, называемой jam-последовательностъю (32 бита).
После обнаружения коллизии передающая станция обязана прекратить передачу и ожидать в течение короткого случайного интервала времени (0 – 52,4 мс), а затем может снова сделать попытку передачи кадра.
Из описания метода доступа видно, что он носит вероятностный характер, и вероятность успешного получения в свое распоряжение общей среды зависит от загруженности сети, то есть от интенсивности возникновения в станциях потребности передачи кадров.
После обнаружения коллизии каждый узел, который передавал кадр и столкнулся с коллизией, после некоторой задержки пытается повторно передать свой кадр. Узел делает максимально 16 попыток передачи этого кадра информации, после чего отказывается от его передачи. Величина задержки между попытками передачи выбирается как равномерно распределенное случайное число из интервала, длина которого экспоненциально увеличивается с каждой попыткой. Такой алгоритм выбора величины задержки снижает вероятность коллизий и уменьшает интенсивность выдачи кадров в сеть при ее высокой загрузке.
А начинает передавать кадр
Рис. t
= ∆t
В начинает передавать кадр
Схема возникновения коллизии в методе случайного доступа CSMA/CD
(tp - задержка распространения сигнала между станциями А и В)
Четкое распознавание коллизий всеми станциями сети является необходимым условием корректной работы сети Ethernet. Если какая-либо передающая станция не
распознает коллизию и решит, что кадр данных ею передан верно, то этот кадр данных будет утерян, так как информация кадра исказится из-за наложения сигналов при коллизии, он будет отбракован принимающей станцией (скорее всего из-за несовпадения контрольной суммы
). Конечно, скорее всего, искаженная информация будет повторно передана каким-либо протоколом верхнего уровня, например, транспортным или прикладным, работающим с установлением соединения и нумерацией своих сообщений. Но повторная передача сообщения протоколами верхних уровней произойдет через гораздо более длительный интервал времени (десятки секунд) по сравнению с микросекундными интервалами, которыми оперирует протокол Ethernet. Поэтому, если коллизии не будут надежно распознаваться узлами сети Ethernet, то это приведет к заметному снижению полезной пропускной способности данной сети.
Все параметры протокола Ethernet подобраны таким образом, чтобы при нормальной работе узлов сети коллизии всегда четко распознавались. Именно для этого минимальная длина поля данных кадра должна быть не менее 46 байт (что вместе со служебными полями дает минимальную длину кадра в 72 байта или 576 бит). Длина кабельной системы выбирается таким образом, чтобы за время передачи кадра минимальной длины сигнал коллизии успел бы распространиться до самого дальнего узла сети. Поэтому для скорости передачи данных 10 Мб/с, используемой в стандартах Ethernet, максимальное расстояние между двумя любыми узлами сети не должно превышать 2500 метров.
С увеличением скорости передачи кадров, что имеет место в новых стандартах, базирующихся на том же методе доступа CSMA/CD, например. Fast Ethernet, максимальная длина сети уменьшается пропорционально увеличению скорости передачи. В стандарте Fast Ethernet она составляет 210 м, а в гигабитном Ethernet ограничена 25 метрами.
Независимо от реализации физической среды, все сети Ethernet должны удовлетворять двум ограничениям, связанным с методом доступа:
• максимальное расстояние между двумя любыми узлами не должно превышать 2500 м,
• в сети не должно быть более 1024 узлов.
Кроме того, каждый вариант физической среды добавляет к этим ограничениям свои ограничения, которые также должны выполняться.
Форматы кадров технологии Ethernet
Стандарт на технологию Ethernet, описанный в документе 802.3, дает описание единственного формата кадра МАС-уровня. Так как в кадр МАС-уровня должен вкладываться кадр уровня LLC, описанный в документе 802.2 (см. выше), то по стандартам IEEE в сети Ethernet может использоваться только единственный вариант кадра канального уровня, образованный комбинацией заголовков MAC и LLC подуровней. Тем не менее, на практике в сетях Ethernet на канальном уровне используются заголовки 4-х типов, что связано с длительной историей развития технологии Ethernet до принятия стандартов IEEE 802, когда подуровень LLC не выделялся из общего протокола и, соответственно, заголовок LLC не применялся. Затем, после принятия стандартов IEEE и появления двух несовместимых форматов кадров канального уровня, была сделана попытка приведения этих форматов к некоторому общему знаменателю, что привело еще к одному варианту кадра.
Различия в форматах кадров могут иногда приводить к несовместимости аппаратуры, рассчитанной на работу только с одним стандартом, хотя большинство сетевых адаптеров, мостов и маршрутизаторов умеет работать со всеми используемыми на практике форматами кадров технологии
Ethernet.
Ниже приводится описание всех четырех модификаций заголовков кадров Ethernet (причем под заголовком кадра понимается весь набор полей, которые добавляет канальный уровень к передаваемым данным). В связи с этим выделяют 4 формата кадров технологии Ethernet:
• Кадр 802.3/LLC (или кадр Novell 802.2)
• Кадр Raw 802.3 (или кадр Novell 802.3)
• Кадр Ethernet DIX (или кадр Ethernet II)
• Кадр Ethernet SNAP
Заголовок кадра 802.3/LLC является результатом объединения полей заголовков кадров, определенных в стандартах 802.3 и 802.2 (кадр LLC).
Стандарт 802.3 определяет восемь полей заголовка (кадр MAC-подуровня):
• Поле преамбулы
состоит из семи байтов синхронизирующих данных. Каждый байт содержит одну и ту же последовательность битов - 10101010. При манчестерском кодировании - эта комбинация представляется в физической среде периодическим волновым сигналом. Преамбула используется для того, чтобы дать время и возможность схемам приемопередатчиков (transceiver) прийти в устойчивый синхронизм с принимаемыми тактовыми сигналами.
• Начальный ограничитель
кадра состоит из одного байта с набором битов 10101011. Появление этой комбинации является указанием на предстоящий прием кадра.
• Адрес получателя -
может быть длиной 2 или 6
• Адрес отправителя -
2-х или 6-ти байтовое поле, содержащее адрес станции отправителя.
Первый бит - всегда имеет значение 0.
• Двухбайтовое поле длины
определяет длину поля данных в кадре.
• Поле данных
может содержать от 0 до 1500 байт. Но если длина поля меньше 46 байт, то используется следующее поле - поле заполнения, чтобы дополнить кадр до минимально допустимой длины.
• Поле заполнения
состоит из такого количества байтов заполнителей, которое обеспечивает определенную минимальную длину поля данных (46 байт). Это обеспечивает корректную работу механизма обнаружения коллизий. Если длина поля данных достаточна, то поле заполнения в кадре не появляется.
• Поле контрольной суммы
- 4 байта, содержащие значение, которое вычисляется по определенному алгоритму (полиному CRC-32). После получения кадра рабочая станция выполняет собственное вычисление контрольной суммы для этого кадра, сравнивает полученное значение со значением поля контрольной суммы и, таким образом, определяет, не искажен ли полученный кадр.
Кадр 802.3 является кадром МАС-подуровня, в соответствии со стандартом 802.2 в его поле данных вкладывается кадр подуровня LLC с удаленными флагами начала и конца кадра. Формат кадра LLC был описан выше.
Результирующий кадр 802.3/LLC изображен в левой части рисунка . Так как кадр LLC имеет заголовок длиной 3 байта, то максимальный размер поля данных уменьшается до 1497 байт (поля DSAP, SSAP, Control).
Таблица 2 Форматы кадров
| Название полей |
Название кадра |
||||
| 802.3/LLC |
Ethernet 802.3 (Raw) |
Ethernet DIX |
Ethernet SNAP |
||
| Преамбула |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
| Адрес назначения |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
| Адрес источника |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
| Длина |
+ |
+ |
Type |
+ |
|
| Кадр LLC: |
Сервис назначения (DSAP) |
1 байт |
– |
– |
+ |
| Сервис источника |
1 байт |
– |
– |
+ |
|
| Управление |
1 байт |
– |
– |
+ |
|
| Данные |
46 – 1497 байт |
46 – 1500 байт |
+ |
+ |
|
| Контрольная сумма |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
| Идентификатор организации |
– |
– |
– |
+ |
|
«+» – данное поле присутствует в кадре; «–» – данное поле отсутствует в кадре.
Справа на этом рисунке приведен кадр, который называют кадром Raw 802.3 (то есть "грубый" вариант 802.3) или же кадром Novell 802.3. Из рисунка видно, что это кадр МАС-подуровня стандарта 802.3, но без вложенного кадра подуровня LLC. Компания Novell долгое время не использовала служебные поля кадра LLC в своей операционной системе NetWare из-за отсутствия необходимости идентифицировать тип информации, вложенной в поле данных - там всегда находился пакет протокола IPX, долгое время бывшего единственным протоколом сетевого уровня в ОС NetWare.
Теперь, когда необходимость идентификации протокола верхнего уровня появилась, компания Novell стала использовать возможность инкапсуляции в кадр МАС-подуровня кадра LLС, то есть использовать стандартные кадры 802.3/LLC. Такой кадр компания обозначает теперь в своих операционных системах как кадр 802.2, хотя он является комбинацией заголовков 802.3 и 802.2.
Кадр стандарта Ethernet DIX, называемый также кадром Ethernet II, похож на кадр Raw 802.3 тем, что он также не использует заголовки подуровня LLC, но отличается тем, что на месте поля длины в нем определено поле типа протокола (поле Type). Это поле предназначено для тех же целей, что и поля DSAP и SSAP кадра LLC - для указания типа протокола верхнего уровня, вложившего свой пакет в поле данных этого кадра. Для кодирования типа протокола используются значения, превышающие значение максимальной длины поля данных, равное 1500, поэтому кадры Ethernet II и 802.3 легко различимы.
Еще одним популярным форматом кадра является кадр Ethernet SNAP (SNAP - SubNetwork Access Protocol, протокол доступа к подсетям). Кадр Ethernet SNAP определен в стандарте 802.2Н и представляет собой расширение кадра 802.3 путем введения дополнительного поля идентификатора организации, которое может использоваться для ограничения доступа к сети компьютеров других организаций.
В таблице приведены данные о том, какие типы кадров Ethernet обычно поддерживают реализации популярных протоколов сетевого уровня.
Таблица
| Тип кадра |
Сетевые протоколы |
| Ethernet II |
IPX, IP, AppleTalk Phase I |
| Ethernet 802.3 |
IPX |
| Ethernet 802.2 |
IPX, FTAM |
| Ethernet_SNAP |
IPX, IP, AppleTalk Phase II |
Спецификации физической среды Ethernet
Исторически первые сети технологии Ethernet были созданы на коаксиальном кабеле диаметром 0.5 дюйма. В дальнейшем были определены и другие спецификации физического уровня для стандарта Ethernet, позволяющие использовать различные среды передачи данных в качестве общей шины. Метод доступа CSMA/CD и все временные параметры Ethernet остаются одними и теми же для любой спецификации физической среды.
Физические спецификации технологии Ethernet на сегодняшний день включают следующие среды передачи данных:
l0Base-5 -
коаксиальный кабель диаметром 0.5 дюйма (около 10 мм), называемый "толстым" коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента - 500 метров (без повторителей).
l0Base-2 - коаксиальный кабель диаметром 0.25 дюйма (около 5 мм), называемый
"тонким" коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента - 185 метров (без повторителей).
l0Base-T -
кабель на основе неэкранированной витой пары (Unshielded Twisted Pair, UTP). Образует звездообразную топологию с концентратором. Расстояние между концентратором и конечным узлом - не более 100 м.
l0Base-F - оптоволоконный кабель. Топология аналогична стандарту на витой паре. Имеется несколько вариантов этой спецификации - FOIRL, 10Base-;FL, IQBase-FB. Число 10 обозначает битовую скорость передачи данных этих стандартов - 10 Мб/с, а слово Base - метод передачи на одной базовой частоте 10 МГц (в отличие от стандартов, использующих несколько несущих частот, которые называются broadband - широкополосными).
Стандарт l0Base-5
Стандарт l0Base-5 соответствует экспериментальной сети Ethernet фирмы Xerox и может считаться классическим Ethenet'ом. Он использует в качестве среды передачи данных коаксиальный кабель с диаметром центрального медного провода 2,17 мм и внешним диаметром около 10 мм ("толстый" Ethernet – RG8,RG11).
Кабель используется как моноканал для всех станций. Сегмент кабеля имеет максимальную длину 500 м (без повторителей) и должен иметь на концах согласующие терминаторы сопротивлением 50 Ом, поглощающие распространяющиеся по кабелю сигналы, препятствующие возникновению отраженных сигналов и предотвращающие появление стоячих волн.
Различные компоненты сети, выполненной на толстом коаксиале, показаны на рисунке. Топология – общая шина.
Станция должна подключаться к кабелю при помощи приемопередатчика – трансивера, который устанавливается непосредственно на кабеле и питается от сетевого адаптера компьютера (рис. ). Трансивер может подсоединяться к кабелю как методом прокалывания, обеспечивающим непосредственный физический контакт, так и бесконтактным методом.
Трансивер соединяется с сетевым адаптером интерфейсным кабелем AUI (Attachment Unit Interface) длиной до 50 м, состоящим из 4 витых пар (адаптер должен иметь разъем AUI). Допускается
подключение к одному сегменту не более 100 трансиверов (99 РС), причем расстояние между
подключениями трансиверов не должно быть меньше 2.5 м. Вся сеть – до 4 повторителей, до 297 рабочих станций.
Рис. . Компоненты физического уровня сети стандарта 10 Base-5, состоящей из двух сегментов
При переходе с одного типа кабеля на другой достаточно заменить трансивер. Для соединения к интерфейсу AUI используется разъём DB-15.
Рис.. Структурная схема сетевого адаптера стандарта 10Base-5 ("толстый" Ethernet)
Трансивер - это часть сетевого адаптера, которая выполняет следующие функции:
• прием и передача данных с кабеля на кабель,
• определение коллизий на кабеле,
• электрическая развязка между кабелем и остальной частью адаптера,
• защита кабеля от некорректной работы адаптера.
Последнюю функцию часто называют контролем болтливости (jabber control).
При возникновении неисправностей в адаптере может возникнуть ситуация, когда на кабель будет непрерывно выдаваться последовательность случайных сигналов. Так как кабель - это общая среда для всех станций, то работа сети будет заблокирована одним неисправным адаптером. Чтобы этого не случилось, на выходе передатчика ставится схема, которая проверяет количество битов, переданных в пакете (1221 мкс). Если максимальная длина пакета превышается, то эта схема просто отсоединяет выход передатчика от кабеля (через 4 мс). К достоинствам
стандарта 10Base-5 относятся:
• хорошая защищенность кабеля от внешних воздействий,
• сравнительно большое расстояние между узлами,
• возможность простого перемещения рабочей станции в пределах длины кабеля AUI.
К недостаткам
следует отнести:
• высокую стоимость кабеля,
• сложность его прокладки из-за большой жесткости,
• необходимость использования специального инструмента для
заделки кабеля,
• при повреждении кабеля или плохом соединении происходит
остановка работы всей сети,
• необходимо заранее предусмотреть подводку кабеля ко всем
возможным местам установки компьютеров.
Стандарт 10Base-2
Стандарт 10Base-2 использует в качестве передающей среды коаксиальный кабель
с диаметром центрального медного провода 0,89 мм и внешним диаметром около 5 мм ("тонкий" Ethernet – RG-58, RG-59, RG-62, волновое сопротивление кабеля 50 Ом). Максимальная длина сегмента кабеля без повторителей составляет 185 м, сегмент должен иметь на концах согласующие терминаторы 50 Ом.
Станции подключаются к кабелю с помощью Т-коннектора (BNC), который представляет из себя тройник, один отвод которого соединяется с сетевым адаптером, а два других - с двумя концами разрыва кабеля. Максимальное количество станций, подключаемых к одному сегменту, - 30. Минимальное расстояние между станциями- 1 м. Вся сеть – максимум 3 нагруженных сегмента, 87 рабочих станций (реально), 925 м.
Этот стандарт очень близок к стандарту 10Base-5. Но трансиверы в нем объединены с сетевыми адаптерами за счет того, что более гибкий тонкий коаксиальный кабель может быть подведен непосредственно к выходному разъему платы сетевого адаптера, установленной в шасси компьютера. Кабель в данном случае "висит" на сетевом адаптере, что затрудняет физическое перемещение компьютеров. Топология сети стандарта 10Base-2 – общая шина.
Рис. . Сеть стандарта 10Base-2
Реализация этого стандарта на практике приводит к наиболее простому решению для кабельной сети, так как для соединения компьютеров требуются только сетевые адаптеры и Т-коннекторы. Однако этот вид кабельных соединений наиболее сильно подвержен авариям и сбоям: кабель восприимчив к помехам, в моноканале имеется большое количество механических соединений (каждый Т-
коннектор дает три механических соединения, два из которых имеют жизненно важное значение для всей сети), пользователи имеют доступ к разъемам и могут нарушить целостность моноканала. Кроме того, эстетика и эргономичность этого решения оставляют желать лучшего, так как от каждой станции через Т-коннектор отходят два довольно заметных провода, которые под столом часто образуют моток кабеля - запас, необходимый на случай даже небольшого перемещения рабочего места.
Общим недостатком стандартов 10Base-5 и 10Base-2 является отсутствие оперативной информации о состоянии моноканала. Повреждение кабеля обнаруживается сразу же (сеть престает работать), но для поиска отказавшего отрезка кабеля необходим специальный прибор - кабельный тестер. Стандарт 10Base-T
Стандарт принят в 1991 году как дополнение к существующему набору стандартов Ethernet и имеет , обозначение 802.3L
Использует в качестве среды передачи данных двойную неэкранированную витую пару (Unshielded Twisted Pair, UTP). Соединения станций осуществляются по топологии «звезда» ("точка - точка") со специальным устройством - многопортовым повторителем с помощью двух витых пар. Одна витая пара используется для передачи данных от станции к повторителю (выход Тх сетевого адаптера), а другая - для передачи данных от повторителя к станции (вход Rx сетевого адаптера). На рисунке показан пример трехпортового повторителя.
Концентратор осуществляет функции повторителя сигналов на всех отрезках витых пар, подключенных к его портам. При этом образуется единая среда передачи данных - моноканал (шина). Повторитель обнаруживает коллизию в сегменте в случае одновременной передачи сигналов по нескольким своим Rx входам и посылает специальный сигнал коллизии (jam-последовательность) на все свои Тх выходы. Стандарт определяет битовую скорость передачи данных 10 Мб/с и максимальная длина отрезка витой пары между двумя непосредственно связанными узлами (станциями и концентраторами) не более 100 м при использовании витой пары качества не ниже категории 3.
Рис. . Сеть
Концентратор 10 Base-T
Тх - передатчик, Rx - приемник
Возможно иерархическое соединение концентраторов в дерево (рис. ). 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.
Повторитель .
Повторители (концентраторы)
Общее количество станций в сети 10Base-T не должно превышать 1024.
Сети, построенные на основе стандарта 10Base-T, обладают по сравнению с коаксиальными вариантами Ethernet'a многими преимуществами. Эти преимущества связаны с разделением общего физического кабеля на отдельные кабельные отрезки (для каждой РС), подключенные к центральному коммуникационному устройству. И хотя логически эти отрезки по-прежнему образуют общий домен коллизий, 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.
Стандарт 10Base-F
Стандарт 10Base-F использует в качестве среды передачи данных оптоволокно. Функционально сеть стандарта 10Base-F состоит из тех же элементов, что и сеть стандарта 10Base-T - сетевых адаптеров, многопортового повторителя и отрезков кабеля, соединяющих адаптер с портом повторителя. Как и при использовании витой пары, для соединения адаптера с повторителем используется два оптоволокна - одно соединяет выход Тх адаптера со входом Rx повторителя, а другое - вход Rx адаптера с выходом Тх повторителя.
Стандарт FOIRL (Fiber Optic Inter-Repeater Link) - это первый стандарт комитета 802.3 для использования оптоволокна в сетях Ethernet. Он гарантирует длину оптоволоконной связи между повторителями до 1 км при общей длине сети не более 2500 м. Максимальное число повторителей - 4.
Стандарт 10Base-FL предназначен для соединения конечных узлов с концентратором и работает с сегментами оптоволокна длиной не более 2000 м при общей длине сети не более 2500 м. Максимальное число повторителей - 4.
Стандарт 10Base-FB предназначен для магистрального соединения повторителей. Он позволяет иметь в сети до 5 повторителей при максимальной длине одного сегмента 2000 м и максимальной длине сети 2740 м. Повторители, соединенные по стандарту 10Base-FB постоянно обмениваются специальными последовательностями сигналов (манчестерский код J и K: J-J-K-K-J-J-…), отличающимися от сигналов кадров данных, для обнаружения отказов своих портов. Поэтому, концентраторы стандарта 10Base-FB могут поддерживать резервные связи, переходя на резервный порт при обнаружении отказа основного, с помощью специальных тестовых сигналов. Концентраторы этого стандарта передают как данные, так и сигналы простоя линии синхронно, поэтому биты синхронизации кадра не нужны и не передаются. Стандарт 10Base-FB поэтому называют также синхронный Ethernet.
Стандарты 10Base-FL и 10Base-FB не совместимы между собой.
Правило 4-х повторителей
При описании топологии сети стандарта 10Base-5 приводились ограничения на длину одного непрерывного отрезка коаксиального кабеля, используемого в качестве общей шины передачи данных для всех станций сети. Отрезок кабеля, завершающийся на обоих концах терминаторами и имеющий общую длину не более 500 м, называется физическим сегментом сети. Однако при расчете окна коллизий общая максимальная длина сети 10Base-5 считалась равной 2500 м. Противоречия здесь нет, так как стандарт 10Base-5 (впрочем, как и остальные стандарты физического уровня Ethernet) допускает соединение нескольких сегментов коаксиального кабеля с помощью повторителей, которые обеспечивают увеличение общей длины сети.
Повторитель соединяет два сегмента коаксиального кабеля и выполняет функции регенерации электрической формы сигналов и их синхронизации (retiming). Повторитель прозрачен для станций, он обязан передавать кадры без искажений, модификации, потери или дублирования. Имеются ограничения на максимально допустимые величины дополнительных задержек распространения битов нормального кадра через повторитель, а также битов jamпоследовательности, которую повторитель обязан передать на все подключенные к нему сегменты при обнаружении коллизии на одном из них. Воспроизведение коллизии на всех подключенных к повторителю сегментах - одна из его основных функций. Говорят, что сегменты, соединенные повторителями, образуют один домен коллизий (collision domain).
Повторитель состоит из трансиверов, подключаемых к коаксиальным сегментам, а также блока повторения, выполняющего основные функции повторителя.
На рисунке показан пример сети, состоящей из двух сегментов, соединенных одним повторителем.
В общем случае стандарт 10Base-5 допускает использование до 4-х повторителей,
соединяющих в этом случае 5 сегментов
длиной до 500 метров каждый, если используемые повторители удовлетворяют ограничениям на допустимые величины задержек сигналов. При этом общая длина сети будет составлять 2500 м, и такая конфигурация гарантирует правильное обнаружение коллизии крайними станциями сети. Только 3 сегмента из 5 могут быть нагруженными, то есть сегментами с подключенными к ним трансиверами конечных станций.
Правила 4-х повторителей и максимальной длины каждого из сегментов легко использовать на практике для определения корректности конфигурации сети. Однако эти правила применимы только тогда, когда все соединяемые сегменты представляют собой одну физическую среду, то есть в нашем случае толстый коаксиальный кабель, а все повторители также удовлетворяют требованиям физического стандарта 10Base-5. Аналогичные простые правила существуют и для сетей, все сегменты которых удовлетворяют требованиям другого физического стандарта, например, 10Base-T или 10Base-F. Однако для смешанных случаев, когда в одной сети Ethernet присутствуют сегменты различных физических стандартов, правила, основанные только на количестве повторителей и максимальных длинных сегментов становятся более запутанными. Поэтому более надежно рассчитывать время полного оборота сигнала по смешанной сети с учетом задержек в каждом типе сегментов и в каждом типе повторителей и сравнивать его с максимально допустимым временем, которое для любых сетей Ethernet с битовой скоростью 10 Мб/с не должно превышать 575 битовых интервалов (количество битовых интервалов в пакете минимальной длины с учетом преамбулы).
Рис. Пример сети Ethernet, состоящей из сегментов различных физических стандартов
3.3. Технология Token Ring (IEEE 802.5)
3.3.1. Основы технологии
Сети стандарта Token Ring, также как и сети Ethernet, используют разделяемую среду передачи данных, которая состоит из отрезков кабеля (STP Type1, UTP Category 3, 6), соединяющих все станции сети в кольцо. Для доступа к нему используется не случайный алгоритм, как в сетях Ethernet, а управляемый (детерминированный), основанный на передаче станциями права (разрешения) на использование кольца в определенном порядке. Право на использование кольца передается с помощью кадра специального формата, называемого маркером или токеном [1, 2, 4].
Стандарт Token Ring был принят комитетом 802.5 в 1985 году. В это же время компания IBM приняла стандарт Token Ring в качестве своей основной сетевой технологии. В настоящее время именно компания IBM является основным законодателем моды технологии Token Ring, производя около 60% сетевых адаптеров этой технологии.
Сети Token Ring работают с двумя битовыми скоростями – 4 Мб/с и 16 Мб/с. Первая скорость определена в стандарте 802.5, а вторая является новым стандартом де-факто, появившимся в результате развития технологии Token Ring. Смешение станций, работающих на различных скоростях, в одном кольце не допускается.
Сети Token Ring, работающие со скоростью 16 Мбит/с, имеют и некоторые усовершенствования в алгоритме доступа по сравнению со стандартом 4 Мбит/с (рис.22).
1. Станция 1 получает маркер
2. Станция 1 (источник) передает данные в сеть
3. Данные передаются по сети
4. Данные приходят на станцию 4 (приемник) и копируются к ней в память
5. Данные передаются дальше по сети 6. Данные приходят на станцию-источник, которая удаляет их из сети
3. 7. Станция 1 передает маркер следующей станции 2 (освобождение маркера)
а)
1. Станция 1 получает маркер
2. Станция 1 (источник) передает данные в сеть
3. Станция 1 освобождает маркер
4. Данные передаются по сети
5. Данные приходят на станцию 4
(приемник) и копируются к ней в память
6. Данные передаются дальше по сети
4. 7 . Данныекоторая приходятудаляет их на из станцию сети -источник,
б)
Рис. 22. Маркерный метод доступа
а) маркерное кольцо; б) алгоритм раннего освобождения маркера
В сети Token Ring используется маркерный метод доступа – «маркерное кольцо».
Топология сети – кольцо, звезда.
В сетях с маркерным методом
доступа право на доступ к среде передается циклически от станции к станции по логическому кольцу. Кольцо образуется отрезками кабеля, соединяющими соседние станции. Таким образом, каждая станция связана со своей предшествующей и последующей станцией и может непосредственно обмениваться данными только с ними. Для обеспечения доступа станций к физической среде по кольцу циркулирует кадр специального формата и назначения – маркер
(токен
).
Получив маркер, станция анализирует его, при необходимости модифицирует и при отсутствии у нее данных для передачи обеспечивает его продвижение к следующей станции. Станция, которая имеет данные для передачи, при получении маркера изымает его из кольца, что дает ей право доступа к физической среде и передачи своих данных. 3атем эта станция выдает в кольцо кадр данных установленного формата последовательно по битам. Переданные данные проходят по кольцу всегда в одном направлении от одной станции к другой.
При поступлении кадра данных к одной или нескольким станциям назначения эти станции копируют для себя этот кадр и вставляют в этот кадр подтверждение приема. Станция, выдавшая кадр данных в кольцо, при обратном его получении с подтверждением приема изымает этот кадр из кольца и выдает новый маркер для обеспечения возможности другим станциям сети передавать данные (рис. 22а). В сетях Token Ring на 16 Мбит/с используется несколько другой алгоритм доступа к кольцу, называемый алгоритмом раннего освобождения маркера
(Early Token Release
).
В соответствии с ним станция передает маркер доступа следующей станции сразу же после окончания передачи последнего бита кадра
данных,
не дожидаясь возвращения по кольцу этого кадра с битом подтверждения приема (рис. 22б).
Для различных видов сообщений передаваемым данным могут назначаться различные приоритеты.
Сетевой адаптер с МА-узлом
Каждая станция имеет механизмы обнаружения и устранения неисправностей сети, возникающих в результате ошибок передачи или переходных явлений (например, при подключении и отключении станции).
Не все станции в кольце равны. Одна из станций обозначается как активный монитор,
что означает дополнительную ответственность по управлению кольцом. Активный монитор порождает новые маркеры (если необходимо), чтобы сохранить рабочее состояние и генерирует диагностические кадры при определенных обстоятельствах. Активный монитор выбирается, когда кольцо инициализируется (при включении РС сети), и в этом качестве может выступить любая станция сети. Если монитор отказал по какой-либо причине, существует механизм, с помощью которого другие станции (резервные мониторы) могут договориться, какая из них будет новым активным монитором.
3.3.2. Физическая реализация сетей Token Ring
Стандарт Token Ring фирмы IBM предусматривает построение связей в сети как с помощью непосредственного соединения станций друг с другом, так и образование кольца с помощью концентраторов.
На рис. 23 показаны основные аппаратные элементы сети Token Ring и способы их соединения.
В приведенной конфигурации показаны станции двух типов.
С 1, С2, СЗ – станции, подключенные к концентратору
А, В, D, Е, F, G, Н – станции, непосредственно подключенные к кольцу
Рис. 23. Конфигурация кольца Token Ring [4]
Станции C1, C2 и СЗ – это станции, подключаемые к кольцу через концентратор. Станции этого типа соединяются с концентратором ответвительным кабелем, который обычно является экранированной витой парой.
Остальные станции сети A, B, D – H соединены в кольцо непосредственными связями. Такие связи называются магистральными. Порты концентраторов, предназначенные для такого соединения, называются портами Ring-In и Ring-Out.
Для предотвращения влияния отказавшей или отключенной станции на работу кольца станции подключаются к магистрали кольца через специальные устройства, называемые устройствами подключения к магистрали (Trunk Coupling Unit, TCU). В функции такого устройства входит образование обходного пути, исключающего заход магистрали в станцию при ее отключении или отказе (станция В на рис.23).
При подключении станции в кольцо через концентратор, устройства TCU встраивают в порты концентратора.
Максимальное количество станций в одном кольце – 250.
Недавно компания IBM предложила новый вариант технологии Token Ring, называемый High-Speed Token Ring – HSTR. Эта технология поддерживает битовые скорости 100 и 155 Mбит/с, сохраняя основные особенности технологии Token Ring на 16 Мбит/с.
Radio Ethernet.
Радиосигналы для передачи самой различной цифровой информации в системах телеметрии, дистанционного управления и т. п. используются уже давно, однако с широким распространением локальных вычислительных сетей их роль многократно возросла. Ведь здесь во многих случаях целесообразно, а порой и просто необходимо заменить соединительные кабели каналами радиосвязи. Одна из технологий в этой области даже своим названием - Radio Ethernet - прямо указывает на то, что создавалась как радио-аналог традиционных проводных локальных сетей Ethernet.
Распространение WLAN в мире
Чтобы беспроводные локальные сети (Wireless Local Area Network, WLAN) стали широко доступными пользователям, необходимы, как минимум, налаженный выпуск оборудования для них и... сами сети. И вот здесь, несмотря на общий спад в последние годы в развитии электроники и телекоммуникации в мире, все сложилось настолько удивительным образом, что WLAN, можно сказать, переживают настоящий "бум".
Различные устройства для Wi-Fi (стандарт IEEE 802.11b, более известный под названием Wi-Fi (Wireless Fidelity)) сейчас производит большой ряд компаний, включая Apple, Dell, Cisco Systems, Compaq, IBM, Intel, Toshiba и др. Другими словами, все крупнейшие производители мобильных компьютеров уже предлагают ноутбуки со встроенными беспроводными адаптерами. По этому же пути идут и производители PDA. Выпускаются и отдельные Wi-Fi-устройства в формате PCMCIA и Mini-РСI (предназначены для установки в ноутбуки), РСI и CompactFlash (позволяют установить радиоадаптер в
КПК). На очереди — сотовые телефоны. Во всяком случае, финская Nokia и американские Motorola и Qualcomm уже объявили о планах по разработке телефонов стандартов GSM и CDMA с поддержкой технологии Wi-Fi для доступа с их помощью в беспроводные сети. Быстро снижаются и цены на устройства и сетевое оборудование WLAN.
В результате всего этого весной 2002 года в мире насчитывалось уже около 5,5 млн. пользователей беспроводных сетей. Ну, а перспективы, которые рисуют аналитики, вообще головокружительны! Например, ожидается, что к 2006 году число владельцев переносных компьютеров и PDA, пользующихся услугами высокоскоростного беспроводного доступа, только в Европе превысит 22 млн. человек, а к 2007 году доля мобильных компьютеров, снабженных встроенными средствами WLAN, составит более 90%.
С сетями ситуация ничуть не хуже. Темпы их развития таковы, что WLAN уже заслужили наименование «подрывной технологии». И не зря! Дело в том, что Wi-Fi-сети начинают "отбирать" пользователей у только еще разворачиваемых сотовых сетей третьего поколения (3G). Более того, если нынешние темпы развития WLAN сохранятся, то, по оценкам аналитиков, в США 3G-технология окажется просто не в состоянии конкурировать с более дешевой и быстрой Wi-Fi. В связи с этим операторы мобильной телефонии по всему миру уже начинают искать пути интеграции спутниковых, сотовых и WLAN-сетей. Например, компания British Telecom начала предоставление услуг по технологии Wi-Fi в июне 2002 года и к нынешнему лету планирует развернуть в Англии около 400 сетей WLAN общего пользования в таких оживленных местах, как аэропорты, вокзалы, деловые центры отели, крупные магазины и рестораны.
Каждая подобная сеть обычно содержит одну или несколько точек доступа, размещенных в обслуживаемой зоне и подключенных к сети оператора. Все, что нужно иметь пользователю для работы в таком месте, это ноутбук с картой беспроводного доступа или PDA с поддержкой 802.11b. Среди услуг, которые могут предложить операторы мобильной связи, - доступ в Интернет, пользование почтовым ящиком, чатом, просмотр видеофильмов, Интернет-телемаркетинг, доступ к корпоративной сети и т. п.
Сети WLAN с доступом в Интернет уже вовсю разворачивают у себя Китай, Финляндия, Швеция, Новая Зеландия. А крупные сотовые операторы США - AT&T Wireless, Cingular Wireless, Verizon jmmunications - вместе с IBM и Intel работают над проектом Rainbow (Радуга), нацеленным на развертывание большого числа точек беспроводного доступа по всей стране. Подобные тенденции есть и в Германии, Дании, Англии, Австрии, Швейцарии и многих других странах.
В некоторых случаях сотовые компании вообще могут отказаться от планов развертывания сетей 3G в пользу технологии Wi-Fi. Тем более что вразумительных ответов на простой вопрос "Кому нужен высокоскоростной Интернет посреди улицы?" получено не так уж и много, а в локальных зонах беспроводные сети обеспечивают такой доступ существенно лучше. Да и для подвижных объектов перспективы заманчивые. Например, Cisco Systems активно занимается разработкой оборудования для поддержки беспроводной связи в транспортных средствах (концепция "сетей в движении" - Networks-in-Motion). В результате целые локальные сети смогут пользоваться роумингом при переходе из одной беспроводной сети в другую, что весьма важно для поддержки связи в автомобилях и всех остальных видах транспорта.
Есть и другой вариант решения этой задачи - размещение оборудования точек доступа WLAN на аэростатах. Положительные результаты натурной проверки (мобильные компьютеры связывались по Wi-Fi с висящим в воздухе аэростатом в пределах зоны радиусом более 15 км) подтвердили возможность охвата таким способом всей территории США и прилегающих областей Канады и Мексики, А пока точки беспроводного доступа в различных общественных местах, включая школы, университеты, больницы, множатся по всему миру быстрее, чем грибы после дождя. Наибольшего развития такие сети достигли в США, где их счет уже давно идет на тысячи.
Есть, правда, и у этой медали обратная сторона. Кроме публичных беспроводных сетей существуют еще многочисленные корпоративные и домашние сети, причем последние нередко открываются для доступа всем желающим. Удивительный альтруизм владельцев таких домашних сетей объясняется бесплатностью пользования эфиром в диапазонах ISM и наличием у многих Интернет-провайдеров безлимитных тарифных планов, в которых абонентская плата не зависит от трафика. Другими словами, владелец домашней точки доступа, открывший с нее свободный доступ в Интернет фактически не несет никаких дополнительных расходов, кроме небольшой прибавки к счету за электроэнергию. А в результате во многих городах, прогулявшись всего несколько минут пешком, можно обнаружить сигнал подобной беспроводной сети и получить доступ в Интернет, просто стоя под окном какого-либо дома. Некоторые некоммерческие организации идут еще дальше и пытаются охватить Wi-Fi-связью целые городские районы, чтобы предоставить всем пользователям бесплатный доступ в Интернет. WLAN в России
Похвастаться широким распространением локальных сетей Wi-Fi наша страна пока не может. Системы класса Radio Ethernet используются у нас сегодня в виде беспроводных сетей с мощными передатчиками, охватывающими связью достаточно большие площади или даже целые города. Но и здесь лед тоже тронулся. Одно из свидетельств тому - решение Государственной комиссии по радиочастотам об упрощении процедуры получения разрешений на использование радиочастот для внутриофисных беспроводных сетей (май 2002 г.). Теперь для эксплуатации таких сетей не требуются согласования в различных организациях (Генштаб, ФАПСИ, ГСПИ РТВ). И результаты не замедлили сказаться - уже в ноябре 2002 года сотовый оператор "ВымпелКом" объявил о начале тестовой эксплуатации в Москве двух беспроводных сетей для своих абонентов. Особенность этих сетей - использование SIM-идентификации, благодаря чему абонент, попадая в зону действия WLAN и имея необходимое оборудование, может сразу начинать пользоваться сетью. В результате идентификации с помощью GSM SIM-карт процессы регистрации в сети и выставления счета полностью автоматизированы и не требуют каких-либо действий от пользователя.
Другое достоинство разворачиваемой системы - реализация межсетевого хендовера, что дает пользователям возможность переходить из сети WLAN в сеть GPRS и обратно прямо в процессе работы без прерывания связи (естественно, с изменениями скорости обмена данными).
"ВымпелКом" планирует развернуть в течение 2003 года 100 таких точек доступа, а впоследствии организовать и WLAN-роуминг. Отрадно отметить, что в Европе пока всего лишь три компании экспериментируют с SIM-идентификацией в сетях WLAN. Будем надеяться, что и по числу публичных беспроводных сетей Россия не сильно отстанет от других стран.
Перспективы беспроводных сетей
По данным аналитической компании Dataquest, число точек доступа для беспроводных локальных сетей (WLAN) семейства стандартов 802,11 в Европе увеличится с 73 в 2001 году до 34840 к 2007 году. Наиболее быстрый рост числа точек доступа - до 12250 к 2007 году - прогнозируется в Европе в жилых микрорайонах. При этом число регулярных пользователей WLAN в Европе вырастет со 154 тысяч в 2002 году до 11 миллионов в 2007 году Наиболее быстрый рост числа пользователей ожидается в Германии и Великобритании.
В 2002 году в Западной Европе! насчитывалось более 3 млн устройств с доступом во WLAN, из них 70% - ноутбуки. В 2003 году число таких устройств удвоится.
Табл. Размещение точек доступа к шлюзам WLAN no категориям в Европе в 2001-2007 гг.????????????????????
Табл. Число регулярных пользователей WLAN в европейских, странах в 2002-2007 гг., тыс. ????????????????????
Стандарт IEEE 802.11
Развитие этой технологии началось в 1990 году, когда Institute of Electrical and Electronical Engineers (IEEE) сформировал рабочую группу для создания соответствующего стандарта беспроводных локальных сетей. Разработка завершилась летом 1997 года выпуском его первой спецификации — IEEE 802.11. IEEE 802.11 стал базовым стандартом, определившим основные протоколы, необходимые для организации беспроводных локальных сетей (Wireless Local Area Network, WLAN). В нем предусмотрено два основных типа архитектуры сетей: Ad-hoc и Infrastructure Mode. Простейшим из них является вариант Ad-hoc, который называют также IBSS (Independent Basic Service Set), он же Рееr-to-Peer ("точка-точка"). В этом режиме связь устанавливается непосредственно между рабочими станциями пользователей по принципу "каждый с каждым", и создание какой-либо общей сетевой инфраструктуры не требуется.
Но значительно большими возможностями обладают сети, работающие в режиме Infrastructure Mode. Их основу составляет сотовая архитектура, подобная той, что используется в мобильной связи. Такие сети могут состоять как из одной, так и из множества ячеек. Каждая отдельная сота беспроводной сети управляется своей базовой станцией, называемой точкой доступа (Access Point), которая взаимодействует с находящимися в пределах ее радиуса действия пользовательскими устройствами. В этом режиме устройства пользователей напрямую друг с другом не связываются, а действуют через точку доступа. Сами же точки доступа соединяются между собой либо c пoмoщью кабельной сети, либо по специальным радиоканалам и могут иметь связь с другими сетями или выход в Интернет.
Теоретически, к каждой точке доступа может быть подключено до255 пользователей (это ограничение IР-протокола), однако на практике данное число оказывается существенно меньше, от 20 до 50 пользователей. Для совместной работы в сети большого количества пользовательских устройств без взаимных помех стандартом определен специальный механизм их перехода в режим передачи данных с предварительным уведомлением (метод доступа), получивший название Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA) - множественный доступ с обнаружением несущей и предотвращением коллизий. Для повышения надежности передачи, а также для совместной работы в единой полосе частот устройств самого разного назначения с минимальными взаимными помехами в стандарте 802.11 предусмотрено использование радиоканалов с широкополосными сигналами, формируемыми по методу псевдослучайной скачкообразной перестройки рабочей частоты (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS) или прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS).
Идея метода радиопередачи со скачкообразными перестройками частоты проста, он был опробован еще во время второй мировой войны при работе разведчиков на территориях противника. Передача радиограмм не целиком, а отдельными частями, по очереди на разных частотах, затрудняла их перехват и забивание помехами. Аналогичным образом и в современной технологии FHSS данные посылаются короткими пакетами с переходом с одной частоты на другую в соответствии с заранее заданными правилами. Для этого рабочий диапазон частот разделен на 79 каналов с шириной полосы каждого в 1МГц. При обмене информацией передатчики и приемники по заранее определенному алгоритму периодически (с интервалами в 20—400 мс) и синхронно переключаются на новый канал. Естественно, у разных пар - различные последовательности переключения частот (в общей сложности 22 варианта).
В технологии DSSS каждый бит передаваемой информации преобразуется по определенному алгоритму в последовательность из нескольких коротких импульсов ("чипов"- chip), образующих так называемый микрокадр. При приеме последовательность элементов декодируется с использованием того же алгоритма. Если в процессе передачи один или даже несколько элементов микрокадра окажутся искажены, то исходные данные во многих случаях все же можно восстановить по остальным принятым элементам. Разные пары "приемникпередатчик" в системе используют разные алгоритмы кодировки-декодировки, что обеспечивает возможность их одновременной работы без заметных взаимных помех (чужие кодовые последовательности будут восприниматься приемником как небольшой случайный шум).
Благодаря применению для передачи информации коротких импульсов-чипов частотный спектр сигнала становится довольно широким, что хорошо защищает передачу данных и от любых узкополосных помех, способных поразить лишь небольшую часть спектра.
В стандарте IEEE 802.11 при передаче данных на скорости 1 Мбит/с используется двоичная относительная фазовая модуляция (DBPSK). При этом единичный бит информации для расширения спектра сигнала по технологии DSSS передается 11-чиповой последовательностью Баркера, а нулевой бит - инверсной последовательностью Баркера.
Информационная скорость 1 Мбит/с в стандарте IEEE 802.11 является обязательной (basic access rate), но опционально возможна передача и на скорости
2 Мбит/с (enhanced гаtе). Для передачи данных на такой скорости используется уже квадратурная фазовая модуляция (DQPSK), что позволяет в два раза повысить информационную скорость передачи при той же ширине самого спектра - 22 МГц.
Согласно спецификации пакетирования данных они разбиваются на пакеты с контрольной и адресной информацией длиной в 30 байт, блоком данных длиной до 2048 байт и 4-байтным CRC-блоком (контрольная сумма), что гарантирует обнаружение сбойных кадров при приеме. Стандарт рекомендует использовать пакеты длиной 1500 или 2048 байт.
Дальность связи между отдельными устройствами сетей стандарта 802.11 обычно не превышает 300 м, однако при использовании усилителей мощности в передатчиках и направленных антенн расстояние может составить от 40 до 80 км. Кроме того стандартом предусмотрен внутрисетевой и межсетевой хендовер (handover, передача абонента) - переключение работающих мобильных устройств с одной точки доступа на другую без обрыва связи, а также роуминг из одной сети в другую
. При этом все основные настройки в пользовательском оборудовании остаются без изменений.
Для защиты передаваемой информации от перехвата стандартом предусмотрен комплекс мер безопасности под общим названием Wired Equivalent Privacy (WEP). Он охватывает средства противодействия несанкционированному доступу к сети (процедур аутентификации), а также шифрование информации по алгоритму RCА с 40-
или 128-битным ключом. Однако ввиду недостаточной реальной стойкости WEP специальной группой 802.11i разработаны и другие механизмы защиты на основе протокола аутентификации Extensible Authentication Protocol (EAP) с использованием сервера аутентификации, авторизации и учета RADIUS (Remote Access Dial-In User Service).
После создания базового стандарта работы в этом направлении не прекратились, и в настоящее время существует уже целое семейство стандартов IEEE 802.11, регламентирующих требования к различным сетям группы Radio
Ethernet.
IEEE 802.11 а, b, g и другие...
Наиболее популярным сегодня является стандарт IEEE 802.11b, более известный под названием Wi-Fi (Wireless Fidelity), присвоенным ему Ассоциацией Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA). Он был принят в 1999 году и именно его появление привело к нынешнему широкому распространению WLAN для организации локальных сетей и доступа в Интернет.
Сети Wi-Fi работают в частотном диапазоне от 2,4 до 2,4835 ГГц, который во многих странах предназначен для безлицензионного использования в промышленности, науке и медицине (диапазон ISM - Industrial, Scientific, Medical). В России данный диапазон выделен для тех же целей, но для его использования требуется разрешение Госкомитета по радиочастотам и Главгоссвязьнадзора РФ. Стандартом 802.11b предусмотрено применение только метода DSSS, поскольку он обеспечивает более устойчивую работу сети в условиях многократного отражения радиосигналов, а также более эффективен с позиций быстродействия (по методу FHSS на практике достигнута скорость передачи данных пока лишь порядка З Мбит/с).
В сравнении с базовым стандартом, в котором предусматривалась передача данных на скоростях 1 и 2 Мбит/с, в стандарте 802.11b обязательными являются также скорости
5,5 и
11
Мбит
/с
. При этом используется уже несколько иной способ расширения спектра - на основе кодирования с использованием комплементарных кодов (Complementary Code Keying, CCK). B общих чертах применение ССК-кодов позволяет кодировать 8 бит на один символ при скорости 11 Мбит/с и 4 бита на символ при скорости 5,5 Мбит/с. В стандарте 802.11 b используются комплексные комплементарные последовательности, содержащие элементы с четырьмя различными фазами. При этом сами кодовые последовательности являются 8-чиповыми, и при скорости передачи 11 Мбит/с кодирование 8 бит на символ соответствует символьной скорости 1,375 мегасимволов в секунду (11/8 = 1,375). Аналогичная символьная скорость и у режима 5,5 Мбит/с, так как при этом в одном символе кодируется только 4 бита.
Оборудование стандарта 802.11b выпускают многие компании, а совместимость изделий разных производителей гарантируется сертификатами Ассоциации WECA, в которую входит более 80 компаний, в том числе 3Com, AMD, Apple, Cisco Systems, Compaq, Dell, Fujitsu, IBM, Intel, Siemens, Sony и др.
В том же,1999 году был принят и еще один стандарт - IEEE 802.11а
. Он ориентирован на работу в другом ISM-диапазоне, 5 ГГц, и может обеспечить скорость передачи данных до 54 Mбит/c (с возможностью увеличения до100 Мбит/с и более). В 802.11а применена технология построения радиоканала на основе мультиплексирования с ортогональным разделением частот (Orthogonal Frequency Division Multiplexion, OFDM), уже хорошо проверенная в европейских системах цифрового радиовещания DAB и телевидения DVB. Ее суть заключается в том, что информация передается не по одному высокоскоростному каналу а с помощью ряда независимых радиосигналов. Такое разделение информации по нескольким "несущим" частотам с возможностью снижения скорости передачи на каждой из них гарантирует помехозащищенность связи при достаточно высокой общей пропускной способности.
Согласно стандарту 802.11 а весь выделенный спектр частот делится на каналы по 20 МГц. В одном таком канале содержится 53 "несущих" (каждая занимает полосу 300 кГц), которые вместе обеспечивают скорость передачи 54 Мбит/с. Из-за сложности производства высокочастотного оборудования реальный выпуск устройств стандарта 802.11а начался только в конце 2001 года.
Еще один стандарт этого семейства, 802.11g, предположительно будет принят в 2003 года, а пока утвержден только его проект (сентябрь 2002г.). Этот стандарт создавался как развитие стандарта 802,11b. Он использует тот же частотный диапазон 2,4 ГГц, но по технологии OFDM, что позволяет достичь такой же скорости передачи данных, как и в 802.11а - до 54 Мбит/с. Однако, несмотря на различие технологий, оборудование стандарта 802.11g будет совместимым со стандартомпредшественником, то есть пользователи, имеющие платы 802.11b, попадая в зоны действия 802,11g, по-
прежнему смогут пользоваться услугами беспроводного доступа, правда, только на "своей" скорости - до 11 Мбит/с. Аналогично будет обстоять дело и с устройствами стандарта 802.11g в сетях 802.11b.
В скором будущем должен появиться еще один стандарт - 802.11е, призванный решить вопросы качества сервиса (QoS), весьма актуальные при передаче аудио- и видеоинформации и, осо6енно,
потокового трафика. Для различных уровней QoS в спецификациях 802.11е предусматривается использование протокола резервирования ресурсов
(Resource Reservation Protocol, RSVP) и механизма приоритезации очередей. Кроме того, потоки данных разных видов,
могут передаваться разными методами, например, для пересылки чувствительного к задержкам видеопотока вместо механизма повторной передачи пакетов может быть задействован метод упреждающей коррекции ошибок.
Другие стандарты семейства 802.11 (с префиксами d, f, h, j и т. д.) определяют специфику взаимодействия оборудования WLAN в разных условиях. Так, спецификации 802.11f дописывают протокол обмена служебной информацией между точками доступа (Inter-Access Point Protocol, IAPP); 802.11h - средства управления частотным спектром (реагирование оборудования WLAN на интерференцию радиосигналов путем перехода на другой рабочий канал, снижения мощности передатчика и т.п.).
В нач. 2004 г. представлена технология WLAN – MIMO на 100Мбит/с (прототип 802.11 n) – многоканальная система на основе нескольких антенн, данные разбиваются на отдельные потоки (оборудование от Toshiba, Intel, Airgo).
3.2.4. Стандарт IEEE 802.16
«Беспроводной подход» к проблеме доступа постепенно оформился в концепцию беспроводной «последней мили» (Wireless Local Loop, WLL), именуемую также фиксированным беспроводным доступом.
Корпорация Іntel собирается начать снабжение чипа WіMax во втором квартале 2004 года. Это решение с поддержкой протокола 802.16а разрешит передавать данные со скоростью до 70 Мбит/с на расстоянии до 50 км. Среди партнеров Іntel в продвижении продукта – такие фирмы, как Askey, Zyxel и Ambіt, что собираются использовать его в собственных решениях.
В 1999 г. в стенах IEEE появилась рабочая группа 802.16, призванная навести порядок в этом хаотизированном секторе телекоммуникационного рынка и собрать производителей оборудования под знамена единой спецификации. Первоначально усилия нового подразделения IEEE были сосредоточены на частотных диапазонах 28 и 30 ГГц, однако затем в его составе была сформирована новая подгруппа, занявшаяся областью 2,5 ГГц. Эта «низкочастотная» часть спектра отведена под услуги беспроводного кабельного видео, которые не справляются с конкуренцией спутникового телевидения. Она вполне пригодна и для приложений доступа в Internet, а, возможно, и для цифрового видео. Задачей рабочей группы 802.16 является cтандартизация радиоинтерфейсов и дополнительных функций, необходимых для организации беспроводной «последней мили». Сформированные в ее стенах три подгруппы разрабатывают следующие стандарты [8]:
- IEEE 802.16.1, определяющий радиоинтерфейс для систем, работающих на частотах от 10 до 66 ГГц;
- IEEE 802.16.2, регламентирующий вопросы совместимости разных систем широкополосного беспроводного доступа;
- IEEE 802.16.3, определяющий радиоинтерфейс для систем, работающих в лицензируемых диапазонах от 2 до 11 ГГц.
Специальные требования к широкополосным
услугам сформулированы в спецификациях 802.16.1. Здесь предусмотрено три типа услуг
: основанные на коммутации каналов, на пакетах переменной длины и на пакетах/ячейках фиксированной длины. Специфика услуг первого типа очевидна из самого названия. Услуги с пакетами переменной длины ориентированы на работу с трафиком IP, frame relay и MPEG-4. Третий тип услуг предусмотрен для совместимости с сетями ATM. При описании широкополосных услуг ключевыми параметрами являются поддерживаемая скорость передачи данных, частота ошибок передачи и максимальная задержка однонаправленной передачи.
Так может выглядеть сеть на основе WiMAX. WiMax (Worldwide Interoperability for
Microwave Access) – это коммерческое «имя» стандарта беспроводной связи 802.16, принятого в январе 2003 года и поддержанного промышленной группой, в состав которой входят не один десяток известных компаний. Целью этой организации является содействие разработке беспроводного оборудования для доступа к широкополосным сетям, скорейшее развертывание сетей во всём мире и сертификация оборудования 802.16.
Сети WWAN на основе протокола 802.16, а позднее и 802.20 покроют целые города и страны. В спецификациях, разработанных IEEE (Институт инженеров по электротехнике и электронике) указано, что радиус действия точек этого стандарта достигает 50 км, что позволит устанавливать их так же, как и соты для мобильной связи.
Протокол 802.16 разработан для организации беспроводного доступа на уровне мегаполисов, и призван решить провайдерскую проблему «последней мили», а также сократить финансовые расходы и временные затраты на разворачивание новых подключений, благодаря унификации решения. Если сегодня на подключение одного предприятия к сети может уходить несколько месяцев, то в будущем это будет возможно сделать за несколько часов или дней.
Точки доступа 802.16 будут устанавливаться на высотных зданиях и мачтах сетей сотовой связи. Работая в частотном диапазоне от 2 до 11 ГГц, они позволят развернуть беспроводной доступ с шириной канала до 70 Мбит в секунду на сектор одной базовой станции (до 6 секторов на одну точку доступа) и обеспечить передачу данных вне зоны прямой видимости
. Полоса пропускания, выделяемая клиентам, может контролироваться на стороне провайдера, что позволит, к примеру, обеспечить физическим лицам канал на уровне DSL, а организациям до уровня T1.
Также стоит отметить, что протокол 802.16 предусматривает не только передачу данных, но и голоса
, а также видео
(в виде тех же данных), что позволит организовать на основе этого протокола сотовые сети с возможностью видеофонии (параллельный обмен голосовыми данными и видео), а также доступ к Интернету и Интранету.
Широкополосная беспроводная связь уже давно рассматривается в качестве реальной альтернативы традиционным способам высокоскоростного абонентского доступа, в том числе и новым «проводным» технологиям, таким как DSL и кабельные модемы. Местные и многоканальные многоточечные
распределительные системы LMDS и MMDS (которые называют также «сотовым телевидением» и «беспроводным КТВ»), первоначально предназначавшиеся для трансляции телепрограмм в районах, не имеющих кабельной инфраструктуры, в последнее время все чаще используются для организации широкополосной беспроводной передачи данных на «последней миле». Радиус действия передатчиков MMDS, работающих в диапазоне 2,1 – 2,7 ГГц, может достигать 40 – 50 км, в то время как максимальная дальность передачи сигнала в системах LMDS, использующих значительно более высокие частоты в области 27 – 31 ГГц, составляет 2,5 – 3 км.
Массовому распространению этих систем до сих пор мешает отсутствие индустриальных стандартов и, как следствие, несовместимость продуктов разных производителей. Стандарт IEEE 802.16a
В начале 2003 года принят стандарт беспроводных городских сетей (WirelessMAN). В дополнение к спецификациям стандарта IEEE 802.16, утвержденному в апреле 2002 года, был введен стандарт IEEE 802.16a. Первый стандарт описывал спецификацию интерфейса модуляции с одной несущей (SC – Single Carrier), работающего на частотах от 10 до 66 ГГц. Cтандарт открывает возможности создания систем стационарного беспроводного широкополосного доступа, которые станут недорогой заменой оптоволоконным кабелям при создании городских сетей. По стандарту 802.16, операторы могут устанавливать базовые станции, подключенные к общей сети. Каждая из станций может поддерживать сотни абонентских станций.
802.16a учитывает тонкости распределения спектра в диапазоне 10 – 66 ГГц. Он определяет три режима «физического уровня» соединений. Предусмотрен режим с одной несущей для специальных нужд, но при этом добавлено OFDM – мультиплексирование с ортогональным разделением частоты на 256 каналов, которое разбивает радиоканал на множество каналов, что позволяет увеличить скорость обмена, за счет параллельной передачи данных. Дополнительно появляется возможность отстроиться от помех, возникающих в результате многолучевого распространения сигнала. Ортогональное размещение поднесущих обеспечивает передачу результирующего сигнала в более узком спектре по сравнению с другими методами мультиплексирования. Еще одно дополнение – мультиплексирование OFDMA на 2048 каналов, предоставляющее возможности улучшенного мультиплексирования в сетях с несколькими уровнями. 802.16 отнюдь не является конкурирующим стандарту 802.11, он предназначен для производительных беспроводных сетей, таких, как WMAN (Wireless Metropolitan Network).
В то время как устройства 802.11, по спецификации, действуют максимум на 300м, стандарт 802.16 позволит соединять компьютеры на расстоянии до 50 км. При этом используются частоты, не требующие лицензирования в США – 2 – 11ГГц, скорость передачи данных в такой сети – 70 Мбит/с.
В первой версии стандарта рассматривается диапазон частот 10 – 66 ГГц
(включающий лицензируемые диапазоны 10.5, 25, 26, 31, 38 и 39 ГГц) для которого предусмотрено использование указанных выше видов модуляции в одночастотном (single-carrier – SC) режиме. Особенности распространения радиоволн этого диапазона ограничивают возможности работы условиями прямой видимости. В типичных городских условиях это позволяет подключить около 50% абонентов, находящихся в пределах рабочей дальности от базовой станции. До остальных 50% прямой видимости, как правило, нет. Поэтому было разработано дополнение к стандарту 802.16a для диапазонов 2 – 11 ГГц, предусматривающее, помимо одночастотной передачи SC, еще и режимы ортогонального частотного мультиплексирования (Orthogonal Frequency Division Multiplexing – OFDM) и множественного доступа на основе ортогонального частотного
мультиплексирования (Orthogonal Frequency Division Multiply Access – OFDMA). В режиме OFDM предусмотрена одновременная передача на 256 поднесущих, что позволяет, за счет увеличения примерно в такое же число раз длительности элементарного символа, одновременно принимать прямой и отраженные от препятствий сигналы или вообще работать только по отраженным сигналам вне пределов прямой видимости. Режим OFDMA предусматривает работу на 2048 поднесущих сразу с несколькими абонентами в режиме OFDM. При стандартном количестве поднесущих – 256, обеспечивается одновременная работа с 8 абонентами.
В стандарте также описаны модели сред распространения радиоволн и на этой основе сформулированы требования к параметрам радиооборудования. Предусмотрены возможности автоматической регулировки усиления, динамического выбора частоты в нелицензируемых диапазонах. Помимо топологии точка-многоточка стандартом опционально предусмотрена полносвязная топология – Mesh Mode, позволяющая обеспечить прямую связь между пользователями, преодолеть помехи, характерные для безлицензионных диапазонов, за счет выбора направления приема, свободного от них, создавать хорошо масштабируемые сети и работать вне прямой видимости даже в одночастотном режиме SC, за счет ретрансляции сигналов абонентскими станциями.
Развитие технологии Ethernet
Технология Ethernet продолжила своё развитие по двум направлениям:
1. Fast Ethernet – Gigabit Ethernet, 2. 100VG-AnyLAN – Gigabit VG.
Технология
100VG-AnyLAN.
Разработчики: Hewlett-Packard, AT&T, IBM.
Ethernet
1. CSMA/CD
2. 10 Мбит/с
3. Витая пара, оптоволокно, коаксиал
4. Звезда, шина
Fast Ethernet 100VG-AnyLAN
1. CSMA/CD 1. Demand Priority
2. 100 Мбит/с 2. 100 Мбит/с
3. Витая пара, оптоволокно 3. Витая пара (неэкр.)
4. Звезда 4. Звезда
Gigabit Ethernet Gigabit VG
1. CSMA/CD 1. Demand Priority
2. 1000 Мбит/с 2. 1000 Мбит/с
3. Витая пара, оптоволокно 3. Витая пара (неэкр.)
4. Звезда 4. Звезда
Основные характеристики технологии:
Radio Ethernet
1. CSMA/CА
2. 1; 2; 11; 54 Мбит/с
3. Радиоволны
4. Полносвязная, звезда
1. Используется другой метод доступа – приоритетный доступ по требованию (Demand Priority
), который обеспечивает более справедливое распределение пропускной способности сети по сравнению с методом CSMA/CD (Ethernet’а). Кроме того, этот метод поддерживает приоритетный доступ для синхронных приложений.
2. Кадры информации передаются не всем станциям сети (как в классическом Ethernet), а только станции назначения.
3. Поддерживает кадры двух технологий – Ethernet и Token Ring.
4. Данные передаются одновременно по четырём неэкранированным парам UTP категории 3. По каждой паре данные передаются со скоростью 25Мбит/с, что в сумме даёт 100 Мбит/с.
5. В сетях 100VG-AnyLAN нет коллизий.
Метод доступа Demand Priority основан на передаче концентратору функций арбитра, решающего кому предоставить доступ к разделяемой среде передачи данных (к каналу).
Сеть 100VG-AnyLAN состоит из концентратора и соединённых с ним конечных узлов (РС) и других концентраторов по топологии “звезда”. Концентратор циклически выполняет опрос своих портов. Станция желающая передать свой кадр данных, посылает специальный сигнал низкой частоты концентратору, запрашивая разрешение на передачу и указывая её приоритет.
В сети 100VG-AnyLAN используется два уровня приоритетов – низкий и высокий. Низкий уровень имеют компьютерные данные (файлы, данные для печати и проч.), высокий мультимедиа (звук, видеоданные), т.е. чувствительные к временным задержкам. Станция с низким приоритетом, долго не имеющая доступа к сети, получает высокий приоритет. Если сеть свободна, то концентратор разрешает передачу данных. После анализа адреса получателя в передаваемом кадре, концентратор автоматически отправляет кадр станции назначения, а не всем станциям, как это осуществляется в классическом Ethernet. Если сеть занята, концентратор ставит полученный запрос в очередь, которая обрабатывается в соответствии с порядком поступления запроса и с учётом их приоритетов.
Технология Fast Ethernet (IEEE 802.3u)
Технология Fast Ethernet появилась в 1995 г. и является эволюционным развитием классической технологии Ethernet. Ее основными характеристиками являются:
• увеличение скорости передачи (пропускной способности сегментов сети) до 100 Мб/с;
• сохранение метода случайного доступа (как в Ethernet);
• сохранение звездообразной топологии сетей и поддержка традиционных сред передачи данных – витой пары и оптоволоконного кабеля; • отказ от коаксиального кабеля и общей шины;
• сокращение длины сети до 210 м.
Указанные свойства позволяют осуществлять постепенный переход от сетей 10Base-T - наиболее популярного на сегодняшний день варианта Ethernet - к скоростным сетям, сохраняющим значительную преемственность с хорошо знакомой технологией: Fast Ethernet не требует коренного переобучения персонала и замены оборудования во всех узлах сети. Официальный стандарт 100Base-T (802.3u) установил три различных спецификации для физического уровня семиуровневой модели OSI для поддержки следующих типов кабельных систем:
• 100Base-TX для двухпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP Category 5, или экранированной витой паре STP Type 1 (кабель на основе двух витых пар);
• 100Base-T4 для четырехпарного кабеля на неэкранированной витой паре
UTP Category 3, 4 или 5 (кабель на основе четырёх витых пар);
• 100Base-FX для многомодового оптоволоконного кабеля.
Сегодня все чаще и чаще возникают повышенные требование к пропускной способности каналов между клиентами сети и серверами. Это происходит по разным причинам:
• повышение производительности клиентских компьютеров;
• увеличение числа пользователей в сети;
• появление приложений, работающих с мультимедийной информацией, которая хранится в файлах очень больших размеров;
• увеличение числа сервисов, работающих в реальном масштабе времени.
Следовательно, имеется потребность в экономичном решении, предоставляющем нужную пропускную способность во всех перечисленных случаях. Ситуация усложняется еще и тем, что нужны различные технологические решения - для организации магистралей сети и подключения серверов одни, а для подключения настольных клиентов - другие.
10-Мегабитный Ethernet устраивал большинство пользователей на протяжении около 15 лет. Однако в начале 90-х годов начала ощущаться его недостаточная пропускная способность. Если для компьютеров на процессорах Intel 80286 или 80386 с шинами ISA (8 Мбайт/с) или EISA (32 Мбайт/с) пропускная способность сегмента Ethernet составляла 1/8 или 1/32 канала "память - диск", то это хорошо согласовывалась с соотношением объемов локальных данных и внешних данных для компьютера. Теперь же у мощных клиентских станций с процессорами Pentium и шиной PCI (133 Мбайт/с) эта доля упала до 1/133, что явно недостаточно. Поэтому многие сегменты 10-Мегабитного Ethernet'a стали перегруженными, реакция серверов в них значительно упала, а частота возникновения коллизий существенно возросла, еще более снижая номинальную пропускную способность.
Для повышения пропускной способности сети можно применить несколько способов: сегментация сети с помощью мостов и маршрутизаторов, сегментация сети с помощью коммутаторов и повышение пропускной способности самого протокола.
Сегментация сети с помощью мостов или маршрутизаторов может повысить пропускную способность сегментов сети за счет их разгрузки от трафика других сегментов только в том случае, когда межсегментный трафик составляет незначительную долю от внутрисегментного, поскольку и мосты, и маршрутизаторы не обладают высокой внутренней пропускной способностью.
В начале 90-х годов произошло два значительных события, которые дали возможность повысить пропускную способность сегментов локальных сетей, и в первую очередь сегментов технологии Ethernet.
Первое событие состояло в появлении мостов нового поколения - коммутаторов, которые в отличие от традиционного моста имели большое количество портов и обеспечивали передачу кадров между портами одновременно. Это позволило теперь эффективно применять коммутаторы и для тех сетей, в которых межсегментный трафик не очень отличался от внутрисегментного, будущее технологии Ethernet после появления коммутаторов стало более устойчивым, так как появилась возможность соединить низкую стоимость технологии Ethernet с высокой производительностью сетей, построенных на основе коммутаторов.
Второе событие заключалось в появлении экспериментальных сетей, в которых использовался протокол Ethernet с более высокой битовой скоростью передачи данных, а именно 100 Мб/с. До этого только технология Fiber Distributed Data Interface (FDDI)
обеспечивала такую битовую скорость, но она была специально разработана для построения магистралей сетей и была слишком дорогой для подключения к сети отдельных рабочих станций или серверов.
В 1992 году группа производителей сетевого оборудования, включая таких лидеров технологии Ethernet как SynOptics, 3Com и ряд других, образовали некоммерческое объединение Fast Ethernet Alliance
для разработки стандарта на новую технологию, которая обобщила бы достижения отдельных компаний в области Ethernet-преемственного высокоскоростного стандарта. Новая технология получила название Fast Ethernet.
Одновременно были начаты работы в институте IEEE по стандартизации новой технологии - там была сформирована исследовательская группа для изучения технического потенциала высокоскоростных технологий. За период с конца 1992 года и по конец 1993 года группа IEEE изучила 100-Мегабитные решения, предложенные различными производителями. Наряду с предложениями Fast Ethernet Alliance группа рассмотрела также и другую высокоскоростную технологию – 100VG-AnyLAN, предложенную компаниями Hewlett-Packard и AT&T.
В центре дискуссий была проблема сохранения соревновательного метода доступа CSMA/CD. Предложение по Fast Ethernet'y сохраняло этот метод и тем самым обеспечивало преемственность и согласованность сетей 10Base-T и 100Base-T. Коалиция HP и AT&T, которая имела поддержку гораздо меньшего числа производителей в сетевой индустрии, чем Fast Ethernet Alliance, предложила совершенно новый метод доступа, называемый Demand Priority.
Он существенно менял картину поведения узлов в сети, поэтому не смог вписаться в технологию Ethernet и стандарт 802.3, и для его стандартизации был организован новый комитет IEEE 802.12.
В мае 1995 года комитет IEEE принял спецификацию Fast Ethernet в качестве стандарта 802.Зu, который не является самостоятельным стандартом, а представляет собой дополнение к существующему стандарту 802.3 в виде глав с 21 по 30. Отличия Fast Ethernet от Ethernet сосредоточены на физическом уровне
Рис. Отличия-стека протоколов 100Base-T от стека, протоколов 10Base-T
Более сложная структура физического уровня технологии Fast Ethernet вызвана тем, что в ней используется три варианта кабельных систем - оптоволокно, 2-х парная витая пара категории 5 и 4-х парная витая пара категории 3, причем по сравнению с вариантами физической реализации Ethernet (а их насчитывается шесть), здесь отличия каждого варианта от других глубже - меняется и количество проводников, и методы кодирования. А так как физические варианты Fast Ethernet создавались одновременно, а не эволюционно, как для сетей Ethernet, то имелась возможность детально определить те подуровни физического уровня, которые не изменяются от варианта к варианту, и остальные подуровни, специфические для каждого варианта.
Спецификации физического уровня Fast Ethernet
Рис. . Структура физического уровня Fast Ethernet
Для технологии Fast Ethernet разработаны различные варианты физического уровня, отличающиеся не только типом кабеля и электрическими параметрами импульсов, как это сделано в технологии 10 Мб/с Ethernet, но и способом кодирования сигналов, и количеством используемых в кабеле проводников. Поэтому физический уровень Fast Ethernet имеет более сложную структуру, чем классический Ethernet. Эта структура представлена на рисунке . Физический уровень состоит из трех подуровней:
• Уровень согласования (reconciliation sublayer).
• Независимый от среды интерфейс (Media Independent Interface, MII).
• Устройство физического уровня (Physical layer device, PHY).
Устройство физического уровня (PHY) обеспечивает кодирование данных, поступающих от МАС-подуровня для передачи их по кабелю определенного типа, синхронизацию передаваемых по кабелю данных, а также прием и декодирование данных в узле-приемнике.
Интерфейс МII поддерживает независимый от используемой физической среды способ обмена данными между МАС-подуровнем и подуровнем PHY. Этот интерфейс аналогичен по назначению интерфейсу AUI классического Ethenet'a за исключением того, что интерфейс AUI располагался между подуровнем физического кодирования сигнала (для любых вариантов кабеля использовался одинаковый метод физического кодирования - манчестерский код) и подуровнем физического присоединения к среде, а интерфейс МII располагается между МАС-подуровнем и подуровнями кодирования сигнала, которых в стандарте Fast Ethernet три - FX, ТХ и Т4.
Подуровень согласования нужен для того, чтобы согласовать работу подуровня MAC с
интерфейсом MII.
Интерфейс MII
Существует два варианта реализации интерфейса МII: внутренний и внешний. При внутреннем варианте микросхема, реализующая подуровни MAC и согласования, с помощью интереса МII соединяется с микросхемой трансивера внутри одного и того же конструктива, например, платы сетевого адаптера или модуля маршрутизатора (рис. ). Микросхема трансивера реализует все функции устройства PHY.
Системная шина PC
Рис. . Сетевой адаптер с внутренним интерфейсом МII
Внешний вариант соответствует случаю, когда трансивер вынесен в отдельное устройство и соединен кабелем МII через разъем МII с микросхемой МАС-подуровня (рис. ). Разъем МII в отличие от разъема AUI имеет 40 контактов, максимальная длина кабеля МII составляет 1 метр. Сигналы, передаваемые по интерфейсу МII, имеют амплитуду 5 В.
Рис. . Использование внешнего трансивера с интерфейсом МII
Интерфейс МII может использоваться не только для связи PHY с MAC, но и для соединения устройств PHY с микросхемой повторения сигналов в многопортовом повторителеконцентраторе (рис. ).
Микросхема портов повторителя
Рис. . Повторитель со встроенными устройствами PHY
Передача данных через МII
МII использует 4-битные порции данных для параллельной передачи их между MAC и PHY. Канал передачи данных от MAC к PHY образован 4-битной шиной данных, которая синхронизируется тактовым сигналом, генерируемым PHY, а также сигналом "Передача", генерируемым МАС-подуровнем.
Аналогично, канал передачи данных от PHY к MAC образован другой 4-битной шиной данных, которая синхронизируется тактовым сигналом и сигналом "Прием", которые генерируются PHY.
Если устройство PHY обнаружило ошибку в состоянии физической среды, то оно может передать сообщение об этом на подуровень MAC в виде сигнала "Ошибка приема" (receive error). МАС-подуровень (или повторитель) сообщают об ошибке устройству PHY с помощью сигнала "Ошибка передачи" (transmit error).
Обычно, повторитель, получив от PHY какого-либо порта сигнал "Ошибка приема", передает на все устройства PHY остальных портов сигнал "Ошибка передачи".
В МП определена двухпроводная шина для обмена между MAC и PHY управляющей информацией. МАС-подуровень использует эту шину для передачи PHY данных о режиме его работы. PHY передает по этой шине информацию по запросу о статусе порта и линии. Данные о конфигурации, а также о состоянии порта и линии хранятся соответственно в двух регистрах: регистре управления (Control Register) и регистре статуса (Status Register).
Регистр управления используется для установки скорости работы порта, для указания, будет ли порт принимать участие в процессе автопереговоров о скорости линии, для задания режима работы порта - полудуплексный или полнодуплексный, и т.п. Функция автопереговоров (Auto-negotiation) позволяет двум устройствам, соединенным одной линией связи, автоматически, без вмешательства оператора, выбрать наиболее высокоскоростной режим работы, который будет поддерживается обоими устройствами.
Регистр статуса содержит информацию о действительном текущем режиме работы порта, в том числе и в том случае, когда режим выбран в результате проведения автопереговоров. Регистр статуса может содержать данные об одном из следующих режимов:
• 100Base-T4;
• 100Base-TX full-duplex;
• 100Base-TX half-duplex;
• 10Mb/s full-duplex;
• 10Mb/s half-duplex; • ошибка на дальнем конце линии.
Физический уровень 100Base-FX - многомодовое оптоволокно
Физический уровень PHY ответственен за прием данных в параллельной форме от МАСподуровня, трансляцию их в один (ТХ или FX) или три последовательных потока бит с возможностью побитной синхронизации и передачу их через разъем на кабель. Аналогично, на приемном узле уровень PHY должен принимать сигналы по кабелю, определять моменты синхронизации бит, извлекать биты из физических сигналов, преобразовывать их в параллельную форму и передавать подуровню MAC. Структура физического уровня lOOBase-FX
Рис. . Физический уровень PHY FX
Эта спецификация определяет работу протокола Fast Ethernet по многомодовому оптоволокну в полудуплексном и полнодуплексном режимах на основе хорошо проверенной схемы кодирования и передачи оптических сигналов, использующейся уже на протяжении ряда лет в стандарте FDDI. Как и в стандарте FDDI, каждый узел соединяется с сетью двумя оптическими волокнами, идущими от приемника (Rx) и от передатчика (Тх).
Между спецификациями PHY FX и PHY TX есть много общего, поэтому общие для двух спецификаций свойства будут даваться под обобщенным названием PHY FX/TX.
Метод кодирования 4В/5В
10 Мб/с версии Ethernet используют манчестерское кодирование для представления данных при передаче по кабелю. Метод кодирования 4В/5В определен в стандарте FDDI, и он без изменений перенесен в спецификацию PHY FX/TX. При этом методе каждые 4 бита данных МАС-подуровня (называемых символами) представляются 5 битами. Использование избыточного бита позволяет применить потенциальные коды при представлении каждого из пяти бит в виде электрических или оптических импульсов. Потенциальные коды обладают по сравнению с манчестерскими кодами более узкой полосой спектра сигнала, а, следовательно, предъявляют меньшие требования к полосе пропускания кабеля. Однако, прямое использование потенциальных кодов для передачи исходных данных без избыточного бита невозможно из-за плохой самосинхронизации приемника и источника данных: при передаче длинной последовательности единиц или нулей в течение долгого времени сигнал не изменяется и приемник не может определить момент чтения очередного бита.
При использовании пяти бит для кодирования шестнадцати исходных 4-х битовых комбинаций, можно построить такую таблицу кодирования, в которой любой исходный 4-х битовый код представляется 5-ти битовым кодом с чередующимися нулями и единицами. Тем самым обеспечивается синхронизация приемника с передатчиком. Так как исходные биты МАСподуровня должны передаваться со скоростью 100Мб/с, то наличие одного избыточного бита вынуждает передавать биты результирующего кода 4В/5В со скоростью 125 Мб/с, то есть межбитовое расстояние в устройстве PHY составляет 8 наносекунд.
Так как из 32 возможных комбинаций 5-битовых порций для кодирования порций исходных данных нужно только 16, то остальные 16 комбинаций в коде 4В/5В используются в служебных целях.
Наличие служебных символов позволило использовать в спецификациях FX/TX схему непрерывного обмена сигналами между передатчиком и приемником и при свободном состоянии среды, что отличает их от спецификации lOBase-T, когда незанятое состояние среды обозначается полным отсутствием на ней импульсов информации. Для обозначения незанятого состояния среды используется служебный символ Idle (11111), который постоянно циркулирует между передатчиком и приемником, поддерживая их синхронизм и в периодах между передачами информации, а также позволяя контролировать физическое состояние линии (рис.
23).
JK_
ограничитель начала потока значащих символов (J-11000, K-10001)
Т _ ограничитель конца потока значащих символов
Рис. . Непрерывный поток данных спецификаций PHY FX/TX
Передача 5-битовых кодов по линии методом NRZI
После преобразования 4-битовых порций МАС-кодов в 5-битовые порции PHY их необходимо представить в виде оптических или электрических сигналов в кабеле, соединяющем узлы сети. Спецификации PHY FX и PHY TX используют для этого различные методы физического кодирования - NRZI и MLT-3 соответственно. Эти же методы определены в стандарте FDDI для передачи сигналов по оптоволокну (спецификация PMD) и витой паре (спецификация TP-PMD).
Рассмотрим метод NRZI - Non Return to Zero Invert to ones -
метод без возврата к нулю с инвертированием для единиц. Этот метод представляет собой модификацию простого потенциального метода кодирования, называемого Non Return to Zero (NRZ),
когда для представления 1 и 0 используются потенциалы двух уровней. В методе NRZI также используется два уровня потенциала сигнала, но потенциал, используемый для кодирования текущего бита зависит от потенциала, который использовался для кодирования предыдущего бита (так называемое, дифференциальное кодирование). Если текущий бит имеет значение 1, то текущий потенциал представляет собой инверсию потенциала предыдущего бита, независимо от его значения. Если же текущий бит имеет значение 0, то текущий потенциал повторяет предыдущий.
Из описания метода NRZI видно, что для обеспечения частых изменений сигнала, а значит и для поддержания самосинхронизации приемника, нужно исключить из кодов слишком длинные последовательности нулей. Коды 4В/5В построены так, что гарантируют не более трех нулей подряд при любом сочетании бит в исходной информации. На рисунке приведен пример кодирования последовательности бит методами NRZ и NRZI.
Рис.. Сравнение методов кодирования NRZ и NRZI
Основное преимущество NRZI кодирования по сравнению с NRZ кодированием в более надежном распознавании передаваемых 1 и 0 на линии в условиях помех.
Физический уровень lOOBase-TX - двухпарная витая пара
Максимальная длина – 100 м.
Структура физического уровня спецификации PHY ТХ представлена на рисунке .
Основные отличия от спецификации PHY FX - использование метода MLT-3 для передачи сигналов 5-битовых порций кода 4В/5В по витой паре, а также наличие функции автопереговоров (Auto-negotiation) для выбора режима работы порта.
Рис.. Структура физического уровня PHY ТХ
Метод MLT-3 использует потенциальные сигналы двух полярностей для представления 5битовых порций информации (рис.).
I I I Рис. . Метод кодирования MLT-З
Кроме использования метода MLT-3, спецификация PHY ТХ отличается от спецификации PHY FX тем, что в ней используется пара шифратор-дешифратор (scrambler/descrambler), как это определено в спецификации ANSI TP-PMD. Шифратор принимает 5-битовые порции данных от подуровня PCS, выполняющего кодирование 4В/5В, и зашифровывает сигналы перед передачей на подуровень MLT-3 таким образом, чтобы равномерно распределить энергию сигнала по всему частотному спектру - это уменьшает электромагнитное излучение кабеля.
Автопереговорный процесс
Спецификации PHY ТХ и PHY T4 поддерживают функцию Auto-negotiation,
с помощью которой два взаимодействующих устройства PHY могут автоматически выбрать наиболее эффективный режим работы.
Описанная ниже схема Auto-negotiation является теперь стандартом технологии 100Base-
T. До этого производители применяли различные собственные схемы автоматического определения скорости работы взаимодействующих портов, которые не были совместимы. Принятую в качестве стандарта схему Auto-negotiation предложила первоначально компания National Semiconductor под названием NWay.
Всего в настоящее время определено 5 различных режимов работы, которые могут поддерживать устройства PHY ТХ или PHY T4 на витых парах: • 10Base-T-2 пары категории 3;
• 10Base-T full-duplex - 2 пары категории 3;
• 100Base-TX - 2 пары категории 5 (или Type 1A STP); • 100Base-TX full-duplex - 2 пары категории 5 (или Type 1A STP);
• 100Base-T4 - 4 пары категории 3.
Режим 10Base-T имеет самый низкий приоритет при переговорном процессе, а режим 100Base-T4 -самый высокий. Переговорный процесс происходит при включении питания устройства, а также может быть инициирован и в любой момент модулем управления.
Для организации переговорного процесса используются служебные сигналы проверки целостности линии технологии 10Base-T - link test pulses, если узел-партнер поддерживает только стандарт 10Base-T. Узлы, поддерживающие функцию Auto-negotiation, также используют существующую технологию сигналов проверки целостности линии, при этом они посылают пачки таких импульсов, инкапсулирующие информацию переговорного процесса Autonegotiation. Такие пачки носят название Fast Link Pulse burst (FLP).
Устройство, начавшее процесс auto-negotiation, посылает своему партнеру пачку импульсов FLP, в котором содержится 8-битное слово, кодирующее предлагаемый режим взаимодействия, начиная с самого приоритетного, поддерживаемого данным узлом.
Если узел-партнер поддерживает функцию Auto-negotuiation и также может поддерживать предложенный режим, то он отвечает пачкой импульсов FLP, в которой подтверждает данный режим и на этом переговоры заканчиваются. Если же узел-партнер может поддерживать менее приоритетный режим, то он , указывает его в ответе и этот режим выбирается в качестве рабочего. Таким образом, всегда выбирается наиболее приоритетный общий режим узлов.
Узел, который поддерживает только технологию 10Base-T, каждые 16 миллисекунд посылает импульсы для проверки целостности линии, связывающей его с соседним узлом. Такой узел не понимает запрос FLP, который делает ему узел с функцией Auto-negotiation, и продолжает посылать свои импульсы, i
Узел, получивший в ответ на запрос FLP только импульсы проверки целостности линии, понимает, что его партнер может работать только по стандарту lOBase-T и устанавливает этот режим работы и для себя.
Полнодуплексный режим работы
Узлы, поддерживающие спецификации PHY FX и PHY ТХ, могут работать в полнодуплексном режиме (full-duplex mode). В этом режиме не используется метод доступа к среде CSMA/CD и отсутствует понятие коллизий - каждый узел одновременно передает и принимает кадры данных по каналам Тх и Rx.
Полнодуплексная работа возможна только при соединения сетевого адаптера с коммутатором или же при непосредственном соединении коммутаторов.
При полнодуплексной работе стандарты lOOBase-TX и lOOBase-FX обеспечивают скорость обмена данными между узлами 200 Мб/с.
Полнодуплексный режим работы для сетей lOOBase-T пока не принят комитетом IEEE в качестве стандарта. Тем не менее, многие производители выпускают как сетевые адаптеры, так и коммутаторы для этого режима. Из-за отсутствия стандарта эти продукты не обязательно корректно работают друг с другом.
В полнодуплексном режиме необходимо определить процедуры управления потоком кадров, так как без этого механизма возможны ситуации, когда буферы коммутатора переполнятся и он начнет терять кадры Ethernet, что всегда крайне нежелательно, так как восстановление информации будет осуществляться более медленными протоколами транспортного или прикладного уровней.
Ввиду отсутствия стандартов на полнодуплексные варианты Ethemet'a каждый производитель сам определяет способы управления потоком кадров в коммутаторах и сетевых адаптерах. Обычно, при заполнении буфера устройства до определенного предела, это устройство посылает передающему устройству сообщение о временном прекращении передачи (XOFF). При освобождении буфера посылается сообщение о возможности возобновить передачу (XON).
Физический уровень 100Base-T4 - четырехпарная витая пара
Спецификация PHY T4 была разработана для того, чтобы можно было использовать для высокоскоростного Ethemet'a имеющуюся проводку на витой паре категории 3. Эта спецификация использует все 4 пары кабеля для того, чтобы можно было повысить общую пропускную способность за счет одновременной передачи потоков бит по нескольким витым парам.
Структура физического уровня PHY T4 изображена на рисунке .
Вместо кодирования 4В/5В в этом методе используется кодирование 8В/6Т. Каждые 8 бит информации МАС-уровня кодируются 6-ю троичными цифрами (ternary symbols), то есть цифрами, имеющими три состояния. Каждая троичная цифра имеет длительность 40 наносекунд. Группа из 6-ти троичных цифр затем передается на одну из трех передающих витых пар, независимо и последовательно. Четвертая пара всегда используется для прослушивания несущей частоты в целях обнаружения коллизии. Скорость передачи данных по каждой из трех передающих пар равна 33.3 Мб/с, поэтому общая скорость протокола 100Base-T4 составляет 100 Мб/с. В то же время из-за принятого способа кодирования скорость изменения сигнала на каждой паре равна всего 25 Мбод, что и позволяет использовать витую пару категории 3.
Рис. . Физический уровень PHY T4
На рисунке показано соединение порта MDI сетевого адаптера 100Base-T4 с портом MDI-X повторителя. Из рисунка видно, пара 1-2 всегда используется для передачи данных от порта MDI к порту MDI-X, пара 3-6 всегда используется для приема данных портом MDI от порта MDI-X, а пары 4-5 и 7-8 являются двунаправленными и используются и для приема, и для передачи, в зависимости от потребности.
Сетевой адаптер Концентратор
Рис. . Соединение узлов по спецификации PHY T4
Технология Gigabit Ethernet, Gigabit VG
Технологии Gigabit Ethernet и Gigabit VG предложены соответственно Gigabit Ethernet Alliance и комитетом IEEE 802.12 в 1998 г.
Интерес к технологиям для локальных сетей с гигабитными скоростями повысился в связи с двумя обстоятельствами - во-первых, успехом сравнительно недорогих (по сравнению с FDDI) технологий Fast Ethernet и lOOVG-AnyLAN, вовторых, со слишком большими трудностями, испытываемыми технологией АТМ (асинхронной передачи данных) на пути к конечному пользователю.
Технология АТМ обладает многими привлекательными свойствами - масштабируемой скоростью передачи данных, доходящей до 10 Гб/с, отличной поддержкой мультимедийного трафика (видео, звук) и возможностью работы как в локальных, так и в глобальных сетях. Однако, стоимость технологии АТМ и ее сложность не всегда оправданы. Вот для таких применений, в которых нужна в первую очередь высокая скорость обмена, а без других возможностей, предлагаемых АТМ, можно прожить, и предназначены активно разрабатываемые сегодня гигабитные варианты Ethernet и VG.
За комитетом 802.12 стоит, естественно, компания Hewlett-Packard, сотрудница которой и возглавляет сегодня этот комитет. К энтузиастам перевода технологии VG на гигабитные скорости относятся также компании Compaq
Computer, Texas Instrument и Motorola.
В Gigabit Ethernet Alliance входят наряду с другими компании Bay Networks, Cisco Systems и ЗСоm.
Обе группы намерены широко использовать достижения технологии Fibre Channel, уже работающей с гигабитными скоростями. Во всяком случае. Fibre Channel со своим методом кодирования 8В/10В фигурирует как один из вариантов физического уровня для оптоволоконного кабеля.
Разрабатываемые предложения оставляют метод доступа в неизменном виде: CSMA/CD для технологии Gigabit Ethernet и Demand Priority для Gigabit VG.
В связи с ограничениями, накладываемыми методом CSMA/CD на длину кабеля, версия Gigabit Ethernet для разделяемой среды будет допускать длину связей до 25 метров на витой паре. В связи с такими серьезными ограничениями более популярны будут, очевидно, полнодуплексные (передача в обоих направлениях одновременно) версии гигабитного Ethernet'a, работающие только с коммутаторами и допускающие расстояние между узлом и коммутатором в 500 метров для многомодового кабеля и до 2 км для одномодового кабеля.
Первый проект стандарта Gigabit Ethernet был принят в 1997 году, а его окончательное принятие - в конце 1998 года.
Для технологии Gigabit VG реализована скорость 500 Мбит/с для витой пары и 1 Гбит/с для оптоволокна. Предельные расстояния между узлами следующие: для витой пары - 100 м, для многомодового оптоволокна - 500 м и для одномодового оптоволокна - 2 км.
3.4.3. Технологии Gigabit Ethernet, Gigabit VG
Технологии Gigabit Ethernet и Gigabit VG предложены соответственно Gigabit Ethernet Alliance (IEEE 802.3z) и комитетом IEEE 802.12 в 1998 г.
Интерес к технологиям для локальных сетей с гигабитными скоростями повысился в связи с двумя обстоятельствами: во-первых, успехом сравнительно недорогих (по сравнению с FDDI) технологий Fast Ethernet и l00VG-AnyLAN, во-вторых, со слишком большими трудностями, испытываемыми технологией АТМ (асинхронной передачи данных) на пути к конечному пользователю.
За комитетом 802.12 стоит, естественно, компания Hewlett-Packard, сотрудница которой и возглавляет сегодня этот комитет. К энтузиастам перевода технологии VG на гигабитные скорости относятся также компании Compaq Computer, Texas Instrument и Motorola.
В Gigabit Ethernet Alliance входят наряду с другими компании Bay Networks, Cisco Systems и 3Соm.
Разрабатываемые предложения оставляют метод доступа в неизменном виде:
CSMA/CD для технологии Gigabit Ethernet и Demand Priority для Gigabit VG. В связи с ограничениями, накладываемыми методом CSMA/CD на длину кабеля, версия Gigabit Ethernet для разделяемой среды будет допускать длину связей до 25 м на витой паре.
Первый проект стандарта Gigabit Ethernet был принят в 1997 году, а его окончательное принятие – в конце 1998 года.
Для технологии Gigabit VG реализована скорость 500 Мбит/с для витой пары и 1
Гбит/с для оптоволокна. Предельные расстояния между узлами следующие: для витой пары – 100 м, для многомодового оптоволокна – 500 м и для одномодового оптоволокна – 2 км.
Стандарт Gigabit Ethernet, носящий название 1000Base-X, предполагает использование трех типов среды передачи:
• 1000Base-SX 850 нм лазер на многомодовом оптоволокне
(S от слова «short» – коротковолновый);
• 1000Base-LX 1.300 нм лазер на одномодовом и многомодовом оптоволокне (L от слова «long» – длинноволновый);
• 1000Base-CX короткий кабель на экранированной витой паре (С от слова «copper» – медь);
• 1000Base-T короткий кабель на неэкранированной витой паре UTP.
В табл. 3 стандарты описаны более подробно.
Таблица 3
Стандарты и приложения
| Интерфейс физического уровня |
Тип кабеля |
Максимальная протяженность (в скобках диаметр волокна) |
Типичные приложения |
| 1000BaseSX |
Многомодовый кабель с коротковолновым лазером (850 нм) |
220 м (62,5 мкм); 500 м (50 мкм) |
Короткие магистрали |
| 1000BaseLX |
Многомодовый и одномодовый кабель с длинноволновым лазером (1300 нм) |
Многомодовый: 550 м (62,5 мкм); 550 м (50 мкм) Одномодовый: 5 км (9 мкм) |
Короткие магистрали Территориальные магистрали |
| 1000BaseCX |
Короткий медный кабель (STP/коаксиал) |
25 м |
Межсоединение оборудования в монтажном шкафу |
| 1000BaseT |
4-парный неэкранированный Категории 5 |
100 м |
Горизонтальные трассы |
В настоящее время появился стандарт и оборудование на 10 Гбит/с – Ethernet. Однако данная технология применяется только на магистральных линиях и поэтому в рамках данного пособия не рассматривается.
3.5. Технология FDDI
3.5.1. История создания стандарта FDDI
Технология Fiber Distributed Data Interface –
первая технология локальных сетей, которая использовала в качестве среды передачи данных оптоволоконный кабель
[1, 2, 4].
Попытки применения света в качестве среды, несущей информацию, предпринимались давно –
еще в 1880 году Александр Белл запатентовал устройство, которое передавало речь на расстояние до 200 м с помощью зеркала, вибрировавшего синхронно со звуковыми волнами и модулировавшего отраженный свет.
Работы по использованию света для передачи информации активизировались в 1960-е годы в связи с изобретением лазера, который мог обеспечить модуляцию света на очень высоких частотах, т. е. создать широкополосный канал для передачи большого количества информации с высокой скоростью. Примерно в то же время появились оптические волокна, которые могли передавать свет в кабельных системах, подобно тому, как медные провода передают электрические сигналы в традиционных кабелях. Однако потери света в этих волокнах были слишком велики, чтобы они могли быть использованы как альтернатива медным жилам. Недорогие оптические волокна, обеспечивающие низкие потери мощности светового сигнала и широкую полосу пропускания (до нескольких ГГц) появились только в 1970-е годы. В начале 1980-х годов началась промышленная установка и эксплуатация оптоволоконных каналов связи для территориальных телекоммуникационных систем.
В 1980-е годы начались также работы по созданию стандартных технологий и устройств для использования оптоволоконных каналов в локальных сетях. Работы по обобщению опыта и разработке первого оптоволоконного стандарта для локальных сетей были сосредоточены в Американском Национальном Институте по Стандартизации – ANSI, в рамках созданного для этой цели комитета Х3Т9.5. Начальные версии различных составляющих частей стандарта FDDI были разработаны комитетом Х3Т9.5 в 1986 – 1988 годах, и тогда же появилось первое оборудование – сетевые адаптеры, концентраторы, мосты и маршрутизаторы, поддерживающие этот стандарт.
В настоящее время большинство сетевых технологий поддерживают оптоволоконные кабели в качестве одного из вариантов физического уровня. Однако FDDI остается наиболее отработанной высокоскоростной технологией, стандарты на которую прошли проверку временем и устоялись, так что оборудование различных производителей показывает хорошую степень совместимости.
3.5.2. Основы технологии
Технология FDDI во многом основывается на технологии Token Ring, развивая и совершенствуя ее основные идеи. Разработчики технологии FDDI ставили перед собой следующие наиболее приоритетные цели:
• повысить битовую скорость передачи данных до 100 Мбит/с;
• повысить отказоустойчивость сети за счет стандартных процедур восстановления ее после отказов различного рода – повреждения кабеля, некорректной работы узла, концентратора, возникновения высокого уровня помех на линии и т. п.;
• максимально эффективно использовать потенциальную пропускную способность сети как для асинхронного, так и для синхронного трафиков. Сеть FDDI строится на основе двух оптоволоконных колец, которые образуют основной и резервный пути передачи данных между узлами сети. Использование двух колец – это основной способ повышения отказоустойчивости в сети FDDI, и узлы, которые хотят им воспользоваться, должны быть подключены к обоим кольцам. В нормальном режиме работы сети данные проходят через все узлы и все участки кабеля первичного (Primary) кольца, поэтому этот режим назван режимом Thru – «сквозным» или «транзитным». Вторичное кольцо (Secondary) в этом режиме не используется.
В случае какого-либо вида отказа, когда часть первичного кольца не может передавать данные (например, обрыв кабеля или отказ узла), первичное кольцо объединяется со вторичным (рис.25), образуя вновь единое кольцо. Этот режим работы сети называется Wrap, т. е. «свертывание» или «сворачивание» колец. Операция свертывания производится силами концентраторов и/или сетевых aдaптeрoв FDDI. Для упрощения этой процедуры данные по первичному кольцу всегда передаются против часовой стрелки, а по вторичному – по часовой. В стандартах FDDI отводится много внимания различным процедурам, которые позволяют определить наличие отказа в сети, а затем произвести необходимую реконфигурацию. Сеть FDDI может полностью восстанавливать свою работоспособность в случае единичных отказов ее элементов. При множественных отказах сеть распадается на несколько не связанных сетей.
Кольца в сетях FDDI рассматриваются как общая разделяемая среда передачи данных, поэтому для нее определен специальный метод доступа – алгоритм раннего освобождения маркера
.
В сетях FDDI отсутствует механизм приоритетов кадров.
Формат кадра FDDI близок к формату кадра Token Ring, основные отличия заключаются в отсутствии полей приоритетов.
Обрыв кольца
Рис.25. Реконфигурация колец FDDI при отказе
В качестве среды передачи данных сетей FDDI используется оптоволокно и реже неэкранированная витая пара категории 5.
В табл. 4 представлены результаты сравнения технологии FDDI с технологиями Ethernet и Token Ring [1 – 4].
Таблица 4
Сравнение технологий
| Характеристика |
Технология |
||
| FDDI |
Ethernet |
Token Ring |
|
| Битовая скорость |
100 Мб/с |
10 Мб/с |
4; 16 Мб/с |
| Топология |
Двойное кольцо |
Шина/звезда |
Звезда/кольцо |
| Метод доступа |
Алгоритм раннего освобождения маркера |
CSMA/CD |
Маркерное кольцо; алгоритм раннего освобождения маркера |
| Среда передачи данных |
Многомодовое оптоволокно, неэкранированная витая пара |
Толстый коаксиал, тонкий коаксиал, витая пара, оптоволокно |
Экранированная и неэкранированная витая пара, оптоволокно |
Окончание табл. 4
| Характеристика |
Технология |
||
| FDDI |
Ethernet |
Token Ring |
|
| Максимальная длина сети |
200 км (100 км на кольцо) |
2500 м |
1000м |
| Максимальное расстояние между узлами |
2 км |
2500м |
100м |
| Максимальное количество узлов |
500 (1000 соединений) |
1024 |
260 для экранированной |
| Характеристика |
Технология |
||
| FDDI |
Ethernet |
Token Ring |
|
| витой пары, 72 для неэкранированной витой пары |