Технологии, применяемые для построения локальных сетей
Существует большое количество технологий: Ethernet, FDDI, Token Ring, ARCNet, ATM, UltraNet и другие. Мы начнем рассмотрение с самой широко распространенной технологии — Ethernet. Технология Ethernet была разработана в 1973 году исследовательским центром в Пало-Альто. Изначально сеть обеспечивала скорость передачи данных около 3 Мбит/с. В 1980 году на ее основе появилась спецификация IEEE 802.3, в которой скорость была уже немалой (для того времени) — 10 Мбит/с. В 1983 г. IEEE утвердило стандарт 10Base5, использующий в качестве среды передачи данных коаксиальный кабель, a в 1990 г. — стандарт 10Base-T, использующий витую пару.
Сетевые топологии
В зависимости от стандарта могут (должны) использоваться такие сетевые топологии, как «шина» (Bus) или «звезда» (Star). При использовании общей шины все устройства подключаются к одному кабелю, на концах которого расположены терминаторы. Поломка общего кабеля или терминатора приводит к выходу из строя всей сети, к тому же нельзя без специальных приборов сразу определить место повреждения кабеля, что может повлечь относительно длительную неработоспособность всей сети. Необходимо, переключая терминатор, методом последовательных приближений искать это место. К плюсам, пожалуй, можно отнести только небольшую длину необходимого для прокладки сети кабеля. Существует правило построения сетей, использующих топологию «общая шина» (так называемое правило «5-4-3»). Оно гласит, что для построения могут быть использованы не более чем 5 сегментов сети, которые могут быть объединены не более чем четырьмя репитерами и при этом рабочие станции могут быть подключены не более чем к трем сегментам (из пяти).
В сетевой топологии «звезда» используется сетевой концентратор (хаб), к которому отдельным кабелем подключается каждая рабочая станция. При выходе из строя одного из кабелей доступ к сети теряет только подключенный этим кабелем компьютер, а остальная часть сети продолжает работать. Правда, сам хаб тоже может выйти из строя, но опыт показывает, что при использовании качественного концентратора это произойдет не скоро. Для этой сетевой топологии можно сформулировать аналог правила «5-4-3»: каскадно могут быть объединены не более чем 4 концентратора и дерево соединенных концентраторов должно быть построено таким образом, чтобы в цепочке между двумя любыми станциями находилось не более четырех концентраторов.
Устройства и оборудование
Если вам необходимо расширить сеть больше, чем позволяет стандарт, вам необходимо использовать специальные устройства — репитеры (repeater, повторитель). Вся работа репитера заключается в обычном электрическом усилении сигнала. Есть и интеллектуальные варианты репитеров, которые могут выполнять функцию разделения, т. е. если репитер определяет большое число коллизий на одном из портов, он догадывается, что произошла авария и отключает этот сегмент от сети. Активные хабы тоже в каком-то смысле являются многопортовыми повторителями, так как они усиливают сигнал, а пассивные просто перенаправляют его на другие порты.
Ethernet — самая популярная технология
Ethernet представляет архитектуру сетей с разделяемой средой и широковещательной передачей, т. е. сетевой пакет посылается сразу на все узлы сегмента сети. Поэтому для приема адаптер должен принимать все сигналы, а уже потом отбрасывать ненужные, если они предназначались не ему. Перед началом передачи данных адаптер прослушивает сеть. Если в данный момент сеть кем-то используется, то адаптер задерживает передачу и продолжает прослушивание. В Ethernet может произойти ситуация, когда два сетевых адаптера, обнаружив «тишину» в сети, начинают одновременно передавать данные. В этом случае происходит коллизия, и адаптеры начинают передачу заново через небольшой случайный промежуток времени. На сегодняшний день Ethernet обеспечивает три скорости передачи данных — 10 Мбит/c, 100 Мбит/с (Fast Ethernet) и 1000 Мбит/с (Gigabit Ethernet). Существует еще 1Base5 Ethernet (1 Мбит/с), но он практически не применяется. Существенным недостатком сети Ethernet является способ передачи данных. Так как сетевой пакет посылается сразу на все станции в сети, то при увеличении количества станций начинает расти количество коллизий, и пропускная способность сети резко снижается. Чтобы устранить этот недостаток, используются коммутаторы (switch, свитч), которые запоминают сетевые адреса рабочих станций и фильтруют трафик, посылая принятые данные только той станции, для которой они предназначены и только в тот момент, когда ее сетевой порт открыт. Теперь мы подробно рассмотрим применяемые стандарты Ethernet. Названия стандартов Ethernet расшифровываются следующим образом. Первый элемент — скорость передачи данных в Мбит/с. Второй элемент: Base — немодулированная передача, Broad — использование широкополосного кабеля с частотным уплотнением каналов. В третьем элементе число означает максимальную длину кабеля (хотя здесь есть противоречие со стандартом 1Base5, там длина кабеля — 250 м), а буква — одно из следующих сокращений: Т — две витые пары, Т4 — 4 витые пары, F — оптоволокно. Например, 10Base-T означает, что данные передаются по двум витым парам при помощи немодулированной передачи со скоростью до 10 Мбит/с.
3.3. Базовые технологии построения локальных сетей эвм
Сетевая технология ‑ это совокупность согласованных между собой протоколов и реализующих их технических и программных средств, необходимых и достаточных для построения и нормального функционирования сети ЭВМ [8,12].
В настоящее время наибольшее распространение получили сетевые технологии Ethernet, Token Ring, FDDI, использующие для передачи данных кабельные каналы связи с различной топологией, также активно развиваются и внедряются технологии беспроводных локальных сетей, передача данных в которых между абонентскими системами осуществляется по каналам радиочастотной связи.
3.3.1. Сетевая технология Ethernet
Сетевая технология Ethernet была разработана корпорацией Xerox в начале 70-х годов ХХ века. В начале 80-х годов в результате совместной доработки компаниями Digital Equipment Corporation, Intel Corporation и Xerox Corporation была предложена технология Ethernet DIX, в дальнейшем принятая за основу международного стандарта локальных сетей IEEE 802.3. На сегодняшний день технология Ethernet / IEEE 802.3 являются наиболее распространенной. На ее основе построены более 80% существующих в мире локальных сетей.
Первоначально сети Ethernet / IEEE 802.3 строились на основе шинной топологии, а в качестве передающей среды использовался коаксиальный кабель (рис. 3.5). В настоящее время в сетях Ethernet / IEEE 802.3 коаксиальный кабель практически полностью вытеснен витой парой проводов и волоконно-оптическим кабелем, а шинная топология ‑ звездообразной, но с сохранением логической шины (рис. 3.6). Появились новые поколения и модификации сетей с улучшенными характеристиками такие, как Fast Ethernet и Gigabit Ethernet.
Рис. 3.5. Сеть Ethernet/IEEE 802.3 с шиной топологией
Рис. 3.6. Сеть Ethernet/IEEE802.3 с шиной «звезда»: АС – абонентская система
В таблице 3.2 приведены характеристики различных поколений и модификаций сетей Ethernet / IEEE 802.3.
Обозначение модификаций включает в себя три элемента:
— первый элемент ‑ числовое значение (10, 100, 1000), обозначающее скорость передачи информации по сети в Мбит/с;
— второй элемент ‑ «Base» обозначает, что передача сигналов осуществляется в основной полосе частот без высокочастотной модуляции;
— третий элемент ‑ числовые и буквенные символы, обозначающие допустимую длину кабеля сетевого сегмента или тип передающей среды.
Характеристики локальной сети
Gigabit Ethernet / IEEE 802.3z
Номинальная скорость передачи информации, Мбит/с
Витая пара, коаксиал, оптоволокно
100 Base-TX, 100 Base-FX, 100 Base-T4
1000 Base-LX 1000 Base-SX 1000 Base-CX 1000 Base-T
Все виды и модификации стандартов Ethernet / IEEE 802.3 используют для доступа к передающей среде метод множественного доступа с контролем несущей и обнаружением конфликтов (МДКН/ОК ‑ CSMA/CD, carrier sense multiple access with collision detection). Данный метод применяется только в сетях с логической общей шиной и разрешает доступ к передающей среде всем абонентским системам сети в любое время.
Перед началом передачи информации сетевой адаптер абонентской системы «прослушивает» сеть, чтобы определить ее занятость. Если среда передачи в данный момент кем-то используется, адаптер абонентской системы задерживает передачу данных. Если же нет, то начинает передачу. После окончания передачи все АС обязаны выдержать технологическую паузу в 9,6 мкс для приведения своих сетевых адаптеров в исходное состояние и для предотвращения захвата передающей среды одной АС.
Конфликт (коллизия) происходит, когда две или более АС, прослушав сетевой трафик и обнаружив «тишину», начинают передачу данных одновременно. В случае обнаружения конфликта все передачи прерываются, и АС должны повторить передачу данных спустя некоторое случайное время. Специальный алгоритм «задержки» определяет для каждой конфликтующей АС время повторной передачи (рис. 3.7).
Сети Ethernet/IEEE 802.3 относятся к широковещательным. В таких сетях сетевые адаптеры абонентских систем принимают все передаваемые по сети информационные кадры и анализируют их адресную часть. Если АС распознает собственный адрес, то обработка кадра продолжается в ней в соответствии с протоколами верхних уровней.
Основной недостаток сетей Ethernet/IEEE 802.3 обусловлен жесткой зависимостью их пропускной способности от числа конфликтов в сети. Это делает невозможным работу сетей Ethernet/IEEE 802.3 в реальном масштабе времени. Увеличение в сети числа одновременно передающих АС приводит к увеличению количества конфликтов и к значительному снижению пропускной способности сети. Частично этот недостаток может быть устранен применением коммутаторов вместо концентраторов. При этом трафик между портами, подключенными к передающему и принимающему сетевым адаптерам, изолируется от других портов и адаптеров.
Достоинством различных вариантов сетей Ethernet/IEEE 802.3 является относительная простота их структуры и небольшие экономические затраты на построение и эксплуатацию сети.
Рис. 3.7. Метод случайного доступа МДКН/ОК (CSMA/CD)
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 (рис. 3.8), в оригинальном Ethernet оба эти уровня объединены в единый канальный уровень. На рис. 3.8 представлены примитивы уровня LLC.
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.
Рис. 3.8. Примитивы уровня LLC (а, в, с -‑ без установления соединения, d ‑ с установлением соединения).
Все виды стандартов Ethernet используют один и тот же метод разделения среды передачи данных ‑ метод CSMA/CD.