3.1.3.Архитектура и стандарты локальных сетей эвм
Под архитектурой сети ЭВМ понимается совокупность сетевых аппаратных и программных решений, методов доступа к сетевым ресурсам и используемых протоколов [3].
Архитектура локальных сетей ЭВМ базируется на принципе многоуровневого управления процессами, реализуемого иерархической совокупностью протоколов и интерфейсов, и практически полностью соответствует семиуровневой архитектуре эталонной модели взаимодействия открытых систем (моделиOSI).
Основное отличие архитектур заключается в реализации физического и канального уровней. Эти уровни в наибольшей степени отражают специфику локальных сетей. Физический уровень определяет тип используемого кабеля, электрических разъемов, форму и способ кодирования дискретных сигналов. Канальный уровень обеспечивает передачу информационных кадров (пакетов) между абонентскими системами, входящими в состав одной сети.
В архитектуре локальных сетей канальный уровень делится на два подуровня (рис. 3.1):
— управления логическим каналом передачи данных (Logical Link Control, LLC);
— управления доступом к среде (Media Access Control, MAC).
Подуровень МАС управляет доступом к разделяемому моноканалу. Он преобразует разделяемый физический моноканал в виртуальные каналы типа «точка-точка» между парами абонентских систем.
6. Представительный уровень
Рис. 3.1. Архитектура локальных сетей ЭВМ
В современных локальных сетях получили распространение несколько протоколов MAC-уровня, реализующих различные алгоритмы доступа к разделяемой среде. Эти протоколы полностью определяют специфику таких сетевых технологий, как Ethernet, Token Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN.
Подуровень LLC обеспечивает достоверную передачу информационных кадров между абонентскими системами, а также реализует функции интерфейса с прилегающим к нему сетевым уровнем. Для подуровня LLC также существует несколько вариантов протоколов, отличающихся наличием или отсутствием на этом подуровне процедур восстановления кадров в случае их потери или искажения, то есть отличающихся качеством транспортных услуг этого уровня. Проектирование и построение локальных сетей осуществляется на основе стандартов, разработанных рабочей группой 802 IEEE (Института инженеров по электротехнике и электронике США). Стандарты, получившие наибольшее распространение (IEEE 802.x), приведены в табл. 3.1.
Для каждого из этих стандартов определены спецификации физического уровня, определяющие среду передачи данных (коаксиальный кабель, витая пара или оптоволоконный кабель), ее параметры, а также методы кодирования информации для передачи по данной среде.
Основные понятия и определения, общие характеристики и требования к локальным сетям
Определяет подуровень управления логическим каналом LLC
Описывает коллективный доступ с опознаванием несущей и обнаружением конфликтов (Carrier sense multiple access with collision detection -CSMA/CD), прототипом которого является метод доступа стандарта Ethernet
Определяет метод доступа к шине с передачей маркера (Token bus network), прототип — ArcNet
Описывает метод доступа к кольцу с передачей маркера (Token ring network), прототип — Token Ring
Определяют принципы построения и функционирования беспроводных локальных сетей
9. Стандарты локальных вычислительных сетей
В 1980 году в институте IEEE был организован комитет 802 по стандартизации локальных сетей, в результате работы которого было принято семейство стандартов IEEE 802-х, которые содержат рекомендации по проектированию нижних уровней локальных сетей. Позже результаты работы этого комитета легли в основу комплекса международных стандартов ISO 8802-1. 5. Эти стандарты были созданы на основе очень распространенных фирменных стандартов сетей Ethernet, ArcNet и Token Ring.
Помимо IEEE в работе по стандартизации протоколов локальных сетей принимали участие и другие организации. Так, американским институтом по стандартизации ANSI был разработан стандарт FDDI, обеспечивающий скорость передачи данных 100 Мб/с.
Стандарты семейства IEEE 802.X охватывают только два нижних уровня семиуровневой модели OSI — физический и канальный. Это связано с тем, что именно эти уровни в наибольшей степени отражают специфику локальных сетей. Старшие же уровни, начиная с сетевого, в значительной степени имеют общие черты, как для локальных, так и для глобальных сетей.
Стандарты IEEE 802 имеют достаточно четкую структуру. Пример структурного деления приведен на рис. 10.
Рисунок 10. Структура стандартов IEEE 802.
Эта структура появилась в результате большой работы, проведенной комитетом 802 по выделению в разных фирменных технологиях общих подходов и общих функций, а также согласованию стилей их описания. В результате канальный уровень был разделен на два упомянутых подуровня. Описание каждой технологии разделено на две части: описание уровня MAC и описание физического уровня. Практически у каждой технологии единственному протоколу уровня MAC соответствует несколько вариантов протоколов физического уровня.
Над канальным уровнем всех технологий изображен общий для них протокол LLC, поддерживающий несколько режимов работы, но независимый от выбора конкретной технологии. Стандарт LLC курирует подкомитет 802.2. Даже технологии, стандартизованные не в рамках комитета 802, ориентируются на использование протокола LLC, определенного стандартом 802.2, например протокол FDDI, стандартизованный ANSI.
Особняком стоят стандарты, разрабатываемые подкомитетом 802.1. Эти стандарты носят общий для всех технологий характер. В подкомитете 802.1 были разработаны общие определения локальных сетей и их свойств, определена связь трех уровней модели IEEE 802 с моделью OSI. Но наиболее практически важными являются стандарты 802.1, которые описывают взаимодействие между собой различных технологий, а также стандарты по построению более сложных сетей на основе базовых топологий. Эта группа стандартов носит общее название стандартов межсетевого взаимодействия. Сюда входят такие важные стандарты, как стандарт 802. ID, описывающий логику работы моста/коммутатора, стандарт 802.1Н, определяющий работу транслирующего моста, который может без маршрутизатора объединять сети Ethernet и FDDI, Ethernet и Token Ring и т. п. Набор стандартов, разработанных подкомитетом 802.1, продолжает расти, недавно он пополнился важным стандартом 802.1Q, определяющим способ построения виртуальных локальных сетей VLAN в сетях на основе коммутаторов.
Исходные фирменные технологии и их модифицированные варианты — стандарты 802.х в ряде случаев долгие годы существовали параллельно. Например, технология ArcNet так до конца не была приведена в соответствие со стандартом 802.4. Расхождения между технологией Token Ring и стандартом 802.5 тоже периодически возникают, так как компания IBM регулярно вносит усовершенствования в свою технологию и комитет 802.5 отражает эти усовершенствования в стандарте с некоторым запозданием. Исключение составляет технология Ethernet. Последний фирменный стандарт Ethernet DIX был принят в 1980 году, и с тех пор никто больше не предпринимал попыток фирменного развития Ethernet. Все новшества в семействе технологий Ethernet вносятся только в результате принятия открытых стандартов комитетом 802.3.
Более поздние стандарты изначально разрабатывались не одной компанией, а группой заинтересованных компаний, а потом передавались в соответствующий подкомитет IEEE 802 для утверждения. Так произошло с технологиями Fast Ethernet, l00VG-AnyLAN, Gigabit Ethernet. Группа заинтересованных компаний образовывала сначала небольшое объединение, а затем по мере развития работ к нему присоединялись другие компании, так что процесс принятия стандарта носил открытый характер.
Сегодня комитет 802 включает следующий ряд подкомитетов, в который входят как уже упомянутые, так и некоторые другие:
- 802.1 — объединение сетей;
- 802.2 — LLC — управление логической передачей данных;
- 802.3 — Ethernet с методом доступа CSMA/CD;
- 802.4 — локальные сети с методом доступа Token Bus;
- 802.5 — локальные сети с методом доступа Token Ring;
- 802.6 — сети мегаполисов;
- 802.7 — техническая консультационная группа по широкополосной передаче;
- 802,8 — техническая консультационная группа по волоконно-оптическим сетям;
- 802.9 — интегрированные сети передачи голоса и данных;
- 802.10 — сетевая безопасность;
- 802.11 — беспроводные сети;
- 802.12 — l00VG-AnyLAN — локальные сети с методом доступа по требованию с приоритетами.
2.Стандартные архитектуры локальных вычислительных сетей
Под архитектурой вычислительной сети принято понимать совокупность стандартов, топологий и протоколов, необходимых для ее функционирования.
Ранее уже отмечалось, что разработка стандартов локальных вычислительных сетей возложена на комитет 802 международного института IEEE, который почти за четверть века своего существования разработал и утвердил, по крайней мере, три наиболее распространенные на сегодняшний день стандартные архитектуры локальных вычислительных сетей (рис. 2.1):
Рисунок 2.1. — Стандартные локальные вычислительные сети
Архитектура Ethernet — IEEE 802.3
Общая характеристика архитектуры сетей стандарта IEEЕ 802.3 такова:
— информационный блок — кадр;
— размер кадра — до 1518 байт (без учета преамбулы (8 байт) и завершителя кадра (1 байт);
— обмен кадрами — широковещательный с проверкой адресата;
— среда передачи — коаксиальный кабель (тонкий, толстый), витая пара (3,4, 5-й категории), оптоволоконный кабель;
— доступ к среде передачи — множественный доступ с обнаружением несущей (CSMA/CD);
— скорость передачи данных — 10-1000 Мбит/с;
— физическая топология — «шина», «звезда»;
— логическая топология — «шина»;
— размеры сетей — от нескольких метров до нескольких километров (при использовании повторителей).
В зависимости от среды передачи данных IEЕЕ 802.3 определяет несколько различных стандартов физических подключений локальных сетей, каждый из которых имеет наименование, в котором отражены такие его важнейшие характеристики:
— 1 Base5 — неэкранированная витая пара категории 2;
— 10Base5 — толстый коаксиальный кабель;
— 10Base2 — тонкий коаксиальный кабель;
— 10 Base-T — неэкранированная витая пара категории 3;
— 10 Base-F — волоконно-оптический кабель.
Высокоскоростные сети класса Ethernet (Fast Ethernet и Gigabit Ethernet) определены стандартами IEEE 802.3u и IEEE 802.3z соответственно. В первом случае различают варианты 100 мегабитовых сетей:
— 100Base-TX — 2 неэкранированные витые пары категории 5;
— 100Base-T4 — 4 неэкранированные витые пары категории 5;
— 100 Base-FX — волоконно-оптический кабель.
Для Gigabit Ethernet стандартом определены следующие стандартные физические подключения сети:
— 1000Base-SX — многомодовый волоконно-оптический кабель с длиной волны 830 нм;
— 1000Base-LX — одномодовый (с длиной волны 1270 нм) или многомодовый волоконно-оптический кабель;
— 1000Base-CX-экранированная витая пара;
— 1000Base-T-неэкранированная витая пара категории 5.
2.1.Общая шина
Рисунок 2.2. Шинная топология
При использовании шинной топологии (рис.2.2.) компьютеры (РС – рабочая станция) соединяются в одну линию, на концах которой устанавливают терминаторы (заглушки). Терминаторы представляют собой резисторы, устанавливаемые на обоих концах сегмента для согласования волнового сопротивления кабеля. Сигнал, дошедший до конца сегмента, поглощается терминатором — это позволяет избавиться от паразитных отраженных сигналов в сети. Если терминаторы не устанавливать, отраженный от конца кабеля сигнал снова попадает в кабель — этот отраженный сигнал будет являться в данном случае помехой и может породить множество проблем вплоть до полной неработоспособности сети. Преимущества шинной топологии заключаются в простоте организации сети, низкой стоимости и в случае выхода из строя станции на работу сети это не влияет. Недостатком является низкая устойчивость к повреждениям — при любом обрыве кабеля вся сеть перестает работать, а поиск повреждения весьма затруднителен, небольшая дальность передачи, нельзя использовать разный тип кабеля на разных участках сети.