Протоколы и технологии локальных сетей
В локальных сетях основная роль в организации взаимодействия узлов принадлежит протоколу канального уровня, который ориентирован на вполне определенную топологию ЛКС. Так, самый популярный протокол этого уровня — Ethernet — рассчитан на топологию «общая шина», когда все узлы сети параллельно подключаются к общей для них шине, а протокол Token Ring — на топологию «звезда». При этом применяются простые структуры кабельных соединений между РС сети, а для упрощения и удешевления аппаратных и программных решений реализовано совместное использование кабелей всеми РС в режиме разделения времени. Такие простые решения, характерные для разработчиков первых ЛКС во второй половине 70-х годов ХХ века, наряду с положительными имели и отрицательные последствия, главные из которых — ограничения по производительности и надежности.
Поскольку в ЛКС с простейшей топологией (общая шина, кольцо, звезда) имеется только один путь передачи информации — моноканал, производительность сети ограничивается пропускной способностью этого пути, а надежность сети — надежностью пути. Поэтому по мере развития и расширения сфер применения локальных сетей с помощью специ-альных коммуникационных устройств (мостов, коммутаторов, маршрутизаторов) эти ограничения постепенно снимались. Базовые конфигурации ЛКС (шина, кольцо) превратились в элементарные звенья, из которых формируются более сложные структуры локальных сетей, имеющие параллельные и резервные пути между узлами.
Однако внутри базовых структур локальных сетей продолжают работать все те же протоколы Ethernet и Token Ring. Объединение этих структур (сегментов) в общую, более сложную локальную сеть осуществляется с помощью дополнительного оборудования, а взаимодействие РС такой сети — с помощью других протоколов.
В развитии локальных сетей, кроме отмеченных, наметились и другие тенденции:
- отказ от разделяемых сред передачи данных и переход к использованию активных коммутаторов, к которым РС сети присоединяются индивидуальными линиями связи;
- появление нового режима работы в ЛКС при использовании коммутаторов — полнодуплексного (хотя в базовых структурах локальных сетей РС работают в полудуплексном режиме, т. к. сетевой адаптер станции в каждый момент времени либо передает свои данные, либо принимает другие, но не делает это одновременно). Сегодня каждая технология ЛКС приспособлена для работы как в полудуплексном, так и в полнодуплексном режимах. Стандартизация протоколов ЛКС осуществлена комитетом 802, организованном в 1980 в институте IEEE. Стандарты семейства IEEE 802.Х охватывают только два нижних уровня модели ВОС — физический и канальный. Именно эти уровни отражают специфику локальных сетей, старшие уровни, начиная с сетевого, имеют общие черты для сетей любого класса.
- логической передачи данных (LLC — Logical Link Control);
- управления доступом к среде (МАС — Media Access Control).
- номинальная пропускная способность — 10 Мбит/с;
- максимальное число РС в сети — 1024;
- максимальное расстояние между узлами в сети — 2500 м;
- максимальное число коаксиальных сегментов сети — 5;
- максимальная длина сегмента — от 100 м (для 10Base-T) до 2000 м (для 10Base-F);
- максимальное число повторителей между любыми станциями сети — 4.
- структура физического уровня технологии Fast Ethernet — более сложная, что объясняется использованием трех вариантов кабельных систем: волоконно-оптический кабель, витая пара категории 5 (используются две пары), витая пара категории 3 (используются четыре пары). Отказ от коаксиального кабеля привел к тому, что сети этой технологии всегда имеют иерархическую древовидную структуру;
- диаметр сети сокращен до 200 м, время передачи кадра минимальной длины уменьшено в 10 раз за счет увеличения скорости передачи в 10 раз;
- технология Fast Ethernet может использоваться при создании магистралей локальных сетей большой протяженности совместно с коммутаторами (полудуплексный вариант работы для этой технологии является основным);
Таблица 17.1. Сравнение сетей различных топологий Характеристики Тип технологии FDDI Ethernet Token Ring Пропускная способность Мбит/с 100 10 16 Топология Двойное кольцо Шина, звезда Звезда, кольцо Метод доступа Маркерный, доля от времени оборота маркера CSMA/CD Маркерный, приоритетная система резервирования Среда передачи данных Оптоволокно, неэкранированная витая пара Толстый коаксиал, тонкий коаксиал, витая пара, оптоволокно Экранированная и неэкранированная витая пара, оптоволокно Максимальная длина сети (без мостов) 200 км (100 км на кольцо) 2500 м 4000 м Максимальное расстояние между узлами 2 км 2500 м 100 м Максимальное количество узлов 500 1024 260 - для всех трех спецификаций физического уровня, отличающихся типом применяемого кабеля, форматы кадров отличаются от форматов кадров технологий 10-мегабитного Ethernet;
- признаком свободного состояния передающей среды является не отсутствие сигналов, а передача по ней специального символа в кодированном виде;
- применяется метод кодирования 4В/5В, хорошо себя зарекомендовавший в технологии FDDI. В соответствии с этим методом каждые 4 бита передаваемых данных представляются 5 битами, т.е. из 32 комбинаций 5-битных символов для кодирования исходных 4-битных символов используются только 16 комбинаций, а из ос-тавшихся 16 комбинаций выбираются несколько кодов, которые используются как служебные. Один из служебных кодов постоянно передается в течение пауз между передачей кадров. Если он в линии связи отсутствует, то это свидетельствует об отказе физической связи;
- кодирование и синхронизация сигналов осуществляются с помощью биполярного кода NRZ;
- технология Fast Ethernet рассчитана на применение концентраторов-повторителей для образования связей в сети (то же самое имеет место для всех некоаксиальных вариантов Ethernet).
- на уровне протокола не поддерживаются (так же, как и у его предшественников): качество обслуживания, избыточные связи, тестирование работоспособности узлов и оборудования. Что касается качества обслуживания, то считается, что высокая скорость передачи данных по магистрали и возможность назначения пакетам приоритетов в коммутаторах вполне достаточны для обеспечения качества транспортного обслуживания пользователей сети. Поддержка избыточных связей и тестирование оборудования осуществляются протоколами более высоких уровней;
- сохраняются все форматы кадров Ethernet;
- имеется возможность работы в полудуплексном и полнодуплексном режимах. Первый из них поддерживает метод доступа CSMA/CD, а второй — работу с коммутаторами;
- поддерживаются все основные виды кабелей, как и в предшествующих технологиях этого семейства: волоконно-оптический, коаксиальный, витая пара;
- минимальный размер кадра увеличен с 64 до 512 байт, максимальный диаметр сети тот же — 200 м. Можно передавать несколько кадров подряд, не освобождая среду.
- возможность развертывания сети без прокладки кабеля, что уменьшает стоимость ее создания и расширения;
- Wi-Fi-устройства достаточно широко представлены на рынке, а устройства разных производителей могут взаимодействовать на базовом уровне сервисов;
- для клиентских станций возможно перемещение в пространстве;
- Wi-Fi — это набор глобальных стандартов, поэтому Wi-Fi-оборудование может работать в разных странах по всему миру.
- наличие ограничений в частотном диапазоне в различных странах;
- довольно высокое по сравнению с другими стандартами потребление энергии;
- ограниченный радиус действия (до 100 м);
- возможность наложения сигналов от различных точек доступа, что затрудняет связь клиентов друг с другом;
- недостаточно высокая информационная безопасность. Отметим, что Microsoft Windows полностью поддерживает Wi-Fi посредством драйверов.
Лекция 7. Протоколы и стандарты локальных сетей §1. Общая характеристика протоколов локальных сетей
Первые локальные вычислительные сети появились в 70-х годах 20 века. Целью тогда было нахождение простого и дешевого способа объединения нескольких десятков компьютеров в пределах одного здания. Для упрощения и удешевления тогда остановились на совместном использовании кабелей всеми компьютерами сети в режиме разделения времени. В 1976 году в исследовательском центре Xerox была создана сеть Ethernet, в которой канал физически представлял собой неделимый коаксиальный кабель, а к нему с помощью приемопередатчиков (трансиверов) подключались компьютеры. Система называлась моноканалом, длина кабеля могла достигать 2,5 км (с повторителями через каждые 500 м), число компьютеров – до 256, скорость – 2,94 Мбит/с.
Со временем Ethernet развивался: были введены другие типы кабелей, наметился отказ от разделяемых сред и переход к применению активных коммутаторов, к которым конечные узлы присоединяются индивидуальными линиями связи.
В 1983 году появился стандарт IEEE 802.3, описывающий технологию Ethernet.
Ethernet – это не единственный стандарт ЛВС.
«Маркерная шина» (IEEE 802.4, предложена General Motors) повторяет линейную шину, но имеет особый способ определения очередности передачи. От компьютера к компьютеру пересылается специальный короткий пакет, называемый маркером. Начать передачу мог только тот, кто захватил маркер. Так решался вопрос коллизий в моноканале.
«Маркерное кольцо» (IEEE 802.5, разработана в IBM) – шина имеет кольцевую структуру, используется маркеры.
Однако, маркерная шина и маркерное кольцо не получили широкого распространения.
§2. Структура стандартов ieee 802.X
Стандарты семейства IEEE 802.x охватывают только два нижних уровня модели OSI – физический и канальный (уровень передачи данных). Это связано с тем, что именно эти уровни в наибольшей степени отражают специфику локальных сетей.
Канальный уровень в локальных сетях делят на два подуровня, которые часто также называют уровнями:
- логической передачи данных (Logical Link Control, LLC);
- управления доступом к среде (Media Access Control, MAC).
Протокол llc
В основу протокола LLC положен протокол HDLC, входящий в стандарт ISO (см. лекцию 3). Протокол LLC предоставляет верхним уровням три типа процедур: LLC1 – процедура без установления соединения и без подтверждения. Дает пользователю средства передачи данных с минимумом издержек. Используется, если восстановление от ошибок и упорядочение данных осуществляется на более высоких уровнях. LLC2– процедура с установлением соединения и с подтверждением. Протокол LLC2 работает в режиме скользящего окна. LLC3 – процедура без установления соединения, но с подтверждением. Используется, когда временные издержки на установление соединения неприемлемы, но подтверждение корректности приема данных необходимо (например, в системах реального времени, управляющими промышленными объектами). Все кадры уровня LLC, называемые блоками данных – Protocol Data Unit, PDU, подразделяются на информационные, управляющие, ненумерованные. Информационные кадры (Information) предназначены для передачи информации, поэтому обязательно содержат поле информации. Управляющие кадры (Supervisory) предназначены для передачи команд и ответов в процедурах с установлением логического соединения LLC2, в том числе запросов на повторную передачу искаженных информационных блоков. Ненумерованные кадры (Unnumbered) предназначены для передачи ненумерованных команд и ответов, выполняющих в процедурах без установления соединения передачу информации, идентификацию и тестирование, а в процедурах с установлением соединений – установление и разъединение соединения, а также информирование об ошибках. Все типы кадров имеют формат:
| Флаг 01111110 | Адрес точки входа службы назначения (DSAP) | Адрес точки входа службы источника (SSAP) | Управляющее поле (Control) | Данные (Data) | Флаг 01111110 |
Флаги используются на уровне MAC для определения границ кадра. Кадр LLC вкладывается в кадр уровня MAC: кадр Ethernet, Token Ring и т.д. Адресные поля DSAP (Destination Service Access Point) и SSAP (Source Service Access Point) занимают по 1 байту. Они позволяют указать, какая служба верхнего уровня пересылает данные с помощью этого кадра. Для всех протоколов введены адреса точек входа SAP. Поле данных может отсутствовать в управляющих кадрах и некоторых ненумерованных.