1.2. Среда и методы передачи данных в вычислительных сетях
Необходимо отметить, что в настоящее время кроме компьютерных сетей применяются и терминальные сети. Следует различать компьютерные сети и терминальные сети. Терминальные сети строятся на других, чем компьютерные сети, принципах и на другой вычислительной технике. К терминальным сетям, например, относятся: сети банкоматов, кассы предварительной продажи билетов на различные виды транспорта и т.д. Первые мощные компьютеры 50-годов, так называемые мэйнфреймы, были очень дорогими и предназначались только для пакетной обработки данных. Пакетная обработка данных самый эффективный режим использования процессора дорогостоящей вычислительной машины. С появлением более дешевых процессоров начали развиваться интерактивные терминальные системы разделения времени на базе мэйнфреймов. Терминальные сети связывали мэйнфреймы с терминалами. Терминал — это устройство для взаимодействия с вычислительной машиной, которое состоит из средства ввода (например, клавиатуры) и средств вывода информации (например, дисплея). Сами терминалы практически никакой обработки данных не осуществляли, а использовали возможности мощной и дорогой центральной ЭВМ. Эта организация работы называлась “режимом разделения времени”, так как центральная ЭВМ последовательно во времени решала задачи множества пользователей. При этом совместно использовались дорогие вычислительные ресурсы. Удаленные терминалы соединялись с компьютерами через телефонные сети с помощью модемов. Такие сети позволяли многочисленным пользователям получать удаленный доступ к разделяемым ресурсам мощных ЭВМ. Затем мощные ЭВМ объединялись между собой, так появились глобальные вычислительные сети. Таким образом, сначала сети применялись для передачи цифровых данных между терминалом и большой вычислительной машиной. Первые ЛВС появились в начале 70-х годов, когда были выпущены мини-компьютеры. Мини-компьютеры были намного дешевле мэйнфреймов, что позволило использовать их в структурных подразделениях предприятий. Затем появилась необходимость обмена данными между машинами разных подразделений. Для этого многие предприятия стали соединять свои мини-компьютеры и разрабатывать программное обеспечение, необходимое для их взаимодействия. В результате появились первые ЛВС. Появление персональных компьютеров послужило стимулом для дальнейшего развития ЛВС. Они были достаточно дешевыми и являлись идеальными элементами для построения сетей. Развитию ЛВС способствовало появление стандартных технологий объединения компьютеров в сети: Ethernet, Arcnet, Token Ring. Появление качественных линии связи обеспечили достаточно высокую скорость передачи данных – 10 Мбит/с, тогда как глобальные сети, использовали только плохо приспособленные для передачи данных телефонные каналы связи, имели низкую скорость передачи – 1200 бит/c. Из-за такого различия в скоростях многие технологии, применяемые в ЛВС, были недоступны для использования в глобальных. В настоящее время сетевые технологии интенсивно развиваются, и разрыв между локальными и глобальными сетями сокращается во многом благодаря появлению высокоскоростных территориальных каналов связи, не уступающих по качеству кабельным системам ЛВС. Новые технологии сделали возможным передачу таких несвойственных ранее вычислительным сетям носителей информации, как голос, видеоизображения и рисунки. Сложность передачи мультимедийной информации по сети связана с ее чувствительностью к задержкам при передаче пакетов данных (задержки обычно приводят к искажению такой информации в конечных узлах связи). Но эта проблема решается и конвергенция телекоммуникационных сетей (радио, телефонных, телевизионных и вычислительных сетей) открывает новые возможности для передачи данных, голоса и изображения по глобальным сетям Интернет.
2.5. Методы доступа и протоколы передачи данных в локальных сетях
В различных сетях существуют различные процедуры обмена данными между рабочими станциями. Эти процедуры называют протоколами передачи данных. Международный институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (Institute of Electronics Engineers-IEEE) разработал стандарты для протоколов передачи данных в локальных сетях — стандарты IЕЕЕ802. Для нашей страны представляют практический интерес стандарты IЕЕЕ802.3, IЕЕЕ802.4 и IЕЕЕ802.5, которые описывают методы доступа к сетевым каналам данных. Метод доступа – набор правил, которые определяют, как компьютер должен отправлять и принимать данные по сетевому кабелю.
Наиболее распространенные методы доступа: Ethernet, Arcnet и Token Ring реализованы соответственно на стандартах IЕЕЕ802.3, IЕЕЕ802.4 и IЕЕЕ802.5. (Для простоты изложения далее используются названия методов доступа, а не стандартов.)
Метод доступа Ethernet. Этот метод, разработанный фирмой Xerox в 1975 г., обеспечивает высокую скорость передачи данных и надежность.
Для данного метода доступа используется топология «общая шина». Поэтому сообщение, отправляемое одной рабочей станцией, принимается одновременно всеми остальными станциями, подключенными к общей шине. Но сообщение предназначено только для одной станции (оно включает в себя адрес станции назначения и адрес отправителя). Та станция, которой предназначено сообщение, принимает его, остальные игнорируют.
Ethernet является методом множественного доступа с прослушиванием несущей и разрешением коллизий (конфликтов). Перед началом передачи каждая рабочая станция определяет, свободен канал или занят. Если канал свободен, станция начинает передачу данных.
Ethernet не исключает возможности одновременной передачи сообщений двумя или несколькими станциями. Аппаратура автоматически распознает такие конфликты, называемые коллизиями. После обнаружения конфликта станции задерживают передачу на короткое время. Для каждой станции его продолжительность своя. После задержки передача возобновляется. Реально конфликты приводят к снижению быстродействия сети только в том случае, когда работают 80-100 станций.
Метод доступа Arcnet. Этот метод доступа разработан фирмой Datapoint Corp. Он тоже получил широкое распространение, в основном благодаря тому, что оборудование Arcnet дешевле, чем оборудование Ethernet или Token Ring. Arcnet используется в локальных сетях с топологией «звезда». Один из компьютеров создает специальный маркер (специальное сообщение), который последовательно передается от одного компьютера к другому. Если станция должна передать сообщение, она, получив маркер, формирует пакет, дополненный адресами отправителя и назначения. Когда пакет доходит до станции назначения, сообщение «отцепляется» от маркера и передается станции.
Метод доступа Token Ring. Этот метод разработан фирмой IBM; он рассчитан па кольцевую топологию сети. Данный метод напоминает Arcnet, так как тоже использует маркер, передаваемый от одной станции к другой. В отличие от Arcnet при методе доступа Token Ring предусмотрена возможность назначать разные приоритеты разным рабочим станциям.
Базовые технологии локальных сетей Методы доступа и протоколы передачи в лвс
В 1980 году в Международном институте инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (Institute of Electronics Engineers–IEEE) был организован комитет 802 по стандартизации локальных сетей. Комитет 802 разработал семейство стандартов IЕЕЕ802. x, которые содержат рекомендации по проектированию нижних уровней локальных сетей. Стандарты семейства IЕЕЕ802.x охватывают только два нижних уровня семиуровневой модели OSI – физический и канальный, так как 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 глобальных сетей. К наиболее распространенным методам доступа относятся: Ethernet, ArcNet и Token Ring, которые реализованы соответственно в стандартах IЕЕЕ802.3, IЕЕЕ802.4 и IЕЕЕ802.5. Кроме того, для сетей, работающих на оптическом волокне, американским институтом по стандартизации ASNI был разработан стандарт FDDI, обеспечивающий скорость передачи данных 100 Мбит/с. В этих стандартах канальный уровень разделяется на два подуровня, которые называются уровнями:
управление логическим каналом (LCC — Logical Link Control)
управление доступом к среде (MAC — Media Access Control) Уровень управления доступом к среде передачи данных (MAC) появился, так как в локальных сетях используется разделяемая среда передачи данных. В современных локальных сетях получили распространение несколько протоколов уровня MAC, реализующих разные алгоритмы доступа к разделяемой среде. Эти протоколы полностью определяют специфику таких технологий, как Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, Token Ring, FDDI. После того, как доступ к среде получен, ею может воспользоваться более высокий канальный уровень – уровень LCC, организующий передачу логических единиц данных, кадров информации, с различным уровнем качества транспортных услуг.
Методы доступа к среде передачи данных (методы доступа к каналам связи)
Для ЛВС, использующих разделяемую среду передачи данных (например, ЛВС с топологией шина и физическая звезда), актуальным является доступ рабочих станций к этой среде, так как если два ПК начинают одновременно передавать данные, то в сети происходит столкновение. Для того чтобы избежать этих столкновений необходим специальный механизм, способный решить эту проблему. Шинный арбитраж — это механизм призванный решить проблему столкновений. Он устанавливает правила, по которым рабочие станции определяют, когда среда свободна, и можно передавать данные. Существуют два метода шинного арбитража:
Обнаружение столкновений. Когда в сети работает метод обнаружения столкновений, компьютер сначала слушает, а потом передает. Если компьютер слышит, что передачу ведет кто-то другой, он должен подождать окончания передачи данных и затем предпринять повторную попытку. В этой ситуации (два компьютера, передающие в одно и то же время) система обнаружения столкновений требует, чтобы передающий компьютер продолжал прослушивать канал и, обнаружив на нем чужие данные, прекращал передачу, пытаясь возобновить ее через небольшой (случайный) промежуток времени. Прослушивание канала до передачи называется “прослушивание несущей” (carrier sense), а прослушивание во время передачи — обнаружение столкновений (collision detection). Компьютер, поступающий таким образом, использует метод, называющийся “обнаружение столкновений с прослушиванием несущей”, сокращенно CSCD.
Системы с передачей маркера работают иначе. Для того чтобы передать данные, компьютер сначала должен получить разрешение. Это значит, он должен “поймать” циркулирующий в сети пакет данных специального вида, называемый маркером. Маркер перемещается по замкнутому кругу, минуя поочередно каждый сетевой компьютер. Каждый раз, когда компьютер должен послать сообщение, он ловит и держит маркер у себя. Как только передача закончилась, он посылает новый маркер в путешествие дальше по сети. Такой подход дает гарантию, что любой компьютер рано или поздно получит право поймать и удерживать маркер до тех пор, пока его собственная передача не закончится.