Бескабельные каналы связи
Кроме кабельных, в компьютерных сетях иногда используются также бескабельные каналы. Их главное преимущество состоит в том, что не ребуется никакой прокладки проводов (не надо делать отверстий в стемах, не надо закреплять кабель в трубах и желобах, прокладывать его .од фальшполами, над подвесными потолками или в вентиляционных laxrax, не надо искать и устранять повреждения кабеля). К тому же компьютеры сети можно в этом случае легко перемещать в пределах комнаты или здания, так как они ни к чему не привязаны.
Радиоканал использует передачу информации по радиоволнам, поэтому я может обеспечить связь на многие десятки, сотни и даже тысячи километров. Скорость передачи может достигать десятков мегабит в секунду здесь многое зависит от выбранной длины волны и способа кодирования). Однако в локальных сетях радиоканал не получил широкого распространения из-за довольно высокой стоимости передающих и приемных устройств, низкой помехозащищенности, полного отсутствия секретности передаваемой информации и низкой надежности связи. А вот для глобальных сетей радиоканал часто является единственно возможным решением, так как позволяет с помощью спутников-ретрансляторов сравнительно просто обеспечить связь со всем миром. Используют радиоканал , и для связи двух и более локальных сетей, находящихся далеко друг от друга, в единую сеть.
Существует несколько стандартных типов радиопередачи информации. Остановимся на двух из них.
Передача в узком спектре (или одночастотная передача) рассчитана на охват площади до 46 500 м2. Радиосигнал в данном случае не проникает через металлические и железобетонные преграды, поэтому даже в пределах одного здания могут быть серьезные проблемы со связью. Связь в данном случае относительно медленная (около 4,8 Мбит/с).
Передача в рассеянном спектре для преодоления недостатков одночастотной передачи предполагает использование некоторой полосы частот, разделенной на каналы. Все абоненты сети через определенный временной интервал синхронно переходят на следующий канал. Для повышения секретности используется специальное кодирование информации. Скорость передачи при этом невысока - не более 2 Мбит/с, расстояние между абонентами - не более 3,2 км на открытом пространстве и не более 120 м внутри здания.
Кроме указанных типов, существуют и другие радиоканалы, например сотовые сети, строящиеся по тем же принципам, что и сотовые телефонные сети (они используют равномерно распределенные по площади ретрансляторы), а также микроволновые сети, применяющие узконаправленную передачу между наземными объектами или между спутником и наземной станцией.
Инфракрасный канал также не требует соединительных проводов, так как использует для связи инфракрасное излучение (подобно пульту дистанционного управления домашнего телевизора). Главное его преимущество по сравнению с радиоканалом - нечувствительность к электромагнитным помехам, что позволяет применять его, например, в производственных условиях. Правда, в данном случае требуется довольно высокая мощность передачи, чтобы не влияли никакие другие источники теплового (инфракрасного) излучения. Плохо работает инфракрасная связь и в условиях сильной запыленности воздуха.
Предельные скорости передачи информации по инфракрасному каналу не превышают 5-10 Мбит/с. Секретность передаваемой информации, как /чае радиоканала, также не достигается. Как и в случае радиоканала требуются сравнительно дорогие приемники и передатчики. Все это приводит к тому, что применяют инфракрасные каналы довольно редко.
Инфракрасные каналы делятся на две группы:
Каналы прямой видимости, в которых связь осуществляется на лучах, идущих непосредственно от передатчика к приемнику. При этом связь возможна только при отсутствии препятствий между компьютерами сети. Протяженность канала прямой видимости может достигать нескольких километров.
Каналы на рассеянном излучении, которые работают на сигналах, отраженных от стен, потолка, пола и других препятствий. Препятствия в данном случае не страшны, но связь может осуществляться только в пределах одного помещения.
Если говорить о возможных топологиях, то наиболее естественно все беспроводные каналы связи подходят для топологии типа «шина», в которой яация передается одновременно всем абонентам. Но в принципе при организации узконаправленной передачи можно реализовать любые TOPI (кольцо, звезда, комбинированные топологии) как на радиоканале, так и на инфракрасном канале.
Среды передачи информации
2.1. Кабели на основе витых пар
2.2. Коаксиальные кабели
2.3. Оптоволоконные кабели
2.4. Бескабельные каналы связи
2.5. Согласование, экранирование и гальваническая развязка линий связи
2.6. Кодирование информации в локальных сетях
Кабели на основе витых пар
Средой передачи информации называются те линии связи (или каналы связи), по которым производится обмен информацией между компьютерами. В подавляющем большинстве компьютерных сетей (особенно локальных) используются проводные или кабельные каналы связи, хотя существуют и беспроводные сети.
Информация в локальных сетях чаще всего передается в последовательном коде, то есть бит за битом. Понятно, что такая передача медленнее и сложнее, чем при использовании параллельного кода. Однако надо учитывать то, что при более быстрой параллельной передаче увеличивается количество соединительных кабелей в число раз, равное количеству разрядов параллельного кода (например, в 8 раз при 8-разрядном коде). Это совсем не мелочь, как может показаться на первый взгляд. При значительных расстояниях между абонентами сети стоимость кабеля может быть вполне сравнима со стоимостью компьютеров и даже превосходить ее. К тому же проложить один кабель (реже два разнонаправленных) гораздо проще, чем 8,16 или 32. Значительно дешевле обойдется также поиск повреждений и ремонт кабеля.
Но это еще не все. Передача на большие расстояния при любом типе кабеля требует сложной передающей и приемной аппаратуры: для этого надо формировать мощный сигнал на передающем конце и детектировать слабый сигнал на приемном конце. При последовательной передаче для этого требуется всего один передатчик и один приемник. При параллельной же передаче количество передатчиков и приемников возрастает пропорционально разрядности используемого параллельного кода. Поэтому даже при разработке сети незначительной длины (порядка десятка метров) чаще всего все равно выбирают последовательную передачу.
К тому же при параллельной передаче чрезвычайно важно, чтобы длины отдельных кабелей были точно равны друг другу, иначе в результате прохождения по кабелям разной длины между сигналами на приемном конце образуется временной сдвиг, который может привести к сбоям в работе или даже к полной неработоспособности сети. Например, при скорости передачи 100 Мбит/с и длительности бита 10 не этот временной сдвиг не должен превышать 5-10 не.
Такую величину сдвига дает разница в длинах кабелей в 1-2 метра. При длине кабеля 1000 метров это составляет 0,1-0,2%.
Правда, в некоторых высокоскоростных локальных сетях все-таки используют параллельную передачу по 2-4 кабелям, что позволяет при заданной скорости передачи применять более дешевые кабели с меньшей полосой пропускания, но допустимая длина кабелей при этом не превышает сотни метров. Примером может служить сегмент 100BASE-T4 сети Fast Ethernet.
Промышленностью выпускается огромное количество типов кабелей, например, крупнейшая кабельная фирма Belden предлагает более 2000 их наименований. Все выпускаемые кабели можно разделить на три большие группы:
кабели на основе витых пар проводов (twisted pair), которые делятся на экранированные (shielded twisted pair, STP) и неэкранированные (unshielded twisted pair, UTP);
коаксиальные кабели (coaxial cable);
оптоволоконные кабели (fiber optic).
Каждый тип кабеля имеет свои преимущества и недостатки, так что при выборе типа кабеля надо учитывать как особенности решаемой задачи, так и особенности конкретной сети, в том числе и используемую топологию. В настоящее время действует стандарт на кабели EIA/TIA 568 (Commercial Building Telecommunications Cabling Standard), принятый в 1995 году и заменивший все действовавшие ранее фирменные стандарты.
Витые пары проводов используются в самых дешевых и на сегодняшний день, пожалуй, самых популярных кабелях. Кабель на основе витых пар представляет собой несколько пар скрученных изолированных медных проводов в единой диэлектрической (пластиковой) оболочке. Он довольно гибкий и удобный для прокладки.
Обычно в кабель входит две витые пары (рис. 2.1) или четыре витые пары.
Неэкранированные витые пары характеризуются слабой защищенностью от внешних электромагнитных помех, а также слабой защищенностью от подслушивания с целью, например, промышленного шпионажа. Перехват передаваемой информации возможен как с помощью контактного метода (посредством двух иголочек, воткнутых в кабель), так и с помощью бесконтактного метода, сводящегося к радиоперехвату излучаемых кабелем электромагнитных полей.
Для устранения этих недостатков применяется экранирование.
Рис. 2.1. Кабель с витыми парами
В случае экранированной витой пары STP каждая из витых пар помещается в металлическую оплетку-экран для уменьшения излучений кабеля, защиты от внешних электромагнитных помех и снижения взаимного влияния пар проводов друг на друга (crosstalk - перекрестные наводки). Естественно, экранированная витая пара гораздо дороже, чем неэкранированная, а при ее использовании необходимо применять и специальные экранированные разъемы, поэтому встречается она значительно реже, чем неэкранированная витая пара.
Основные достоинства неэкранированных витых пар - простота монтажа разъемов на концах кабеля, а также простота ремонта любых повреждений по сравнению с другими типами кабеля. Все остальные характеристики у них хуже, чем у других кабелей. Например, при заданной скорости передачи затухание сигнала (уменьшение его уровня по мере прохождения по кабелю) у них больше, чем у коаксиальных кабелей. Если учесть еще низкую помехозащищенность, то становится понятным, почему линии связи на основе витых пар, как правило, довольно короткие (обычно в пределах 100 метров). В настоящее время витая пара используется для передачи информации на скоростях до 100 Мбит/с и ведутся работы по повышению скорости передачи до 1000 Мбит/с.
Согласно стандарту EIA/TIA 568, существуют пять категорий кабелей на основе неэкранированной витой пары (UTP):
Кабель категории 1 — это обычный телефонный кабель (пары проводов не витые), по которому можно передавать только речь, но не данные. Данный тип кабеля имеет большой разброс параметров (волнового сопротивления, полосы пропускания, перекрестных наводок).
Кабель категории 2 - это кабель из витых пар для передачи данных в полосе частот до 1 МГц. Кабель не тестируется на уровень перекрестных наводок. В настоящее время он используется очень редко. Стандарт EIA/TIA 568 не различает кабели категорий 1 и 2.
Кабель категории 3 — это кабель для передачи данных в полосе часто до 16 МГц, состоящий из витых пар с девятью витками проводов на метр длины.
Кабель тестируется на все параметры и имеет волновое сопротивление 100 Ом. Это самый простой тип кабелей, рекомендованный стандартом для локальных сетей. Сейчас он имеет наибольшее распространение.
Кабель категории 4 - это кабель, передающий данные в полосе частот до 20 МГц. Используется редко, так как не слишком заметно отличается от категории 3. Стандартом рекомендуется вместо кабеля категории 3 переходить сразу на кабель категории 5. Кабель категории 4 тестируется на все параметры и имеет волновое сопротивление 100 Ом. Кабель был разработан для работы в сетях по стандарту IEEE 802.5.
Кабель категории 5 - самый совершенный кабель в настоящее время, рассчитанный на передачу данных в полосе частот до 100 МГц. Состоит из витых пар, имеющих не менее 27 витков на метр длины (8 витков на фут). Кабель тестируется на все параметры и имеет волновое сопротивление 100 Ом. Рекомендуется применять его в современных высокоскоростных сетях типа Fast Ethernet и TPFDDI. Кабель категории 5 примерно на 30-50% дороже, чем кабель категории 3.
Кабель категории 6 - перспективный тип кабеля для передачи данных в полосе частот до 200 МГц.
Кабель категории 7 - перспективный тип кабеля для передачи данных в полосе частот до 600 МГц.
Согласно стандарту EIA/TIA 568, полное волновое сопротивление наиболее совершенных кабелей категорий 3, 4 и 5 должно составлять 100 Ом ± 15% в частотном диапазоне от частоты 1 МГц до максимальной частоты кабеля. Как видим, требования не очень жесткие: величина волнового сопротивления может находиться в диапазоне от 85 до 115 Ом. Здесь же отметим, что волновое сопротивление экранированной витой пары STP должно быть по стандарту равно 150 Ом ± 15%. Для согласования импедансов кабеля и оборудования в случае их несовпадения применяют согласующие трансформаторы (Balun). Встречается также экранированная витая пара с волновым сопротивлением 100 Ом, но довольно редко.
Второй важнейший параметр, задаваемый стандартом, - это максимальное затухание сигнала, передаваемого по кабелю, на разных частотах.
В таблице 2. 1 приведены предельные значения величины затухания для кабелей категорий 3, 4 и 5 для расстояния 1000 футов (305 метров) при нормальной температуре окружающей среды 20°С.
Табл. 2.1. Максимальное затухание в кабелях
| Частота, МГц | Максимальное затухание, дБ | ||
| Категория 3 | Категория 4 | Категория 5 | |
| 0,064 | 2,8 | 2,3 | 2,2 |
| 0,256 | 4,0 | 3,4 | 3,2 |
| 0,512 | 5,6 | 4,6 | 4,5 |
| 0,772 | 6,8 | 5,7 | 5,5 |
| 1,0 | 7,8 | 6,5 | 6,3 |
| 4,0 | 17 | 13 | 13 |
| 8,0 | 26 | 19 | 18 |
| 10,0 | 30 | 22 | 20 |
| 16,0 | 40 | 27 | 25 |
| 20,0 | - | 31 | 28 |
| 25,0 | - | - | 32 |
| 31,25 | - | - | 36 |
| 62,5 | - | - | 52 |
| 100 | - | - | 67 |
Еще один специфический параметр, определяемый стандартом - это величина так называемой перекрестной наводки на ближнем конце (NEXT -г End Crosstalk). Он характеризует влияние разных проводов в кабе-руг на друга. В таблице 2.2 представлены значения допустимой перекрестной наводки на ближнем конце для кабелей категорий 3, 4 и 5 на тачных частотах сигнала. Естественно, более качественные кабели обеспечивают меньшую величину перекрестной наводки.
Табл. 2.2. Допустимые уровни перекрестных наводок
| Частота, МГц | Перекрестная наводка на ближнем конце, дБ | ||
| Категория 3 | Категория 4 | Категория 5 | |
| 0,150 | -54 | -68 | -74 |
| 0,772 | -43 | -58 | -64 |
| 1,0 | -41 | -56 | -62 |
| 4,0 | -32 | -47 | -53 |
| 8,0 | -28 | -42 | -48 |
| 10,0 | -26 | -41 | -47 |
| 16,0 | -23 | -38 | -44 |
| 20,0 | - | -36 | -42 |
| 25,0 | - | - | -41 |
| 31,25 | - | - | -40 |
| 32,5 | - | - | -35 |
| 100,0 | - | — | -32 |
Для присоединения витых пар используются разъемы (коннекторы) типа 5, похожие на всем известные разъемы, используемые в телефонах (R J-11), но несколько большие по размеру (поэтому они не входят в телефонную розетку). Разъемы RJ-45 имеют восемь контактов вместо четырех в случае RJ-11. Присоединяются разъемы к кабелю с помощью специальных обжимных инструментов. При этом золоченые игольчатые контакты разъема прокалывают изоляцию каждого провода, входят между его жилами и обеспечивают надежное и качественное соединение. Надо учитывать, что при установке разъемов стандартом допускается расплетение витой пары кабеля на длину не более одного сантиметра.
Чаще всего витые пары используются для передачи данных в одном направлении, то есть в топологиях типа «звезда» или «кольцо». Топология «шина» обычно ориентируется на коаксиальный кабель. Поэтому внешние терминаторы, согласующие неподключенные концы кабеля, для витых пар практически никогда не применяются.
Кабели выпускаются с двумя типами внешних оболочек:
кабель в поливинилхлоридной (ПВХ, PVC) оболочке дешевле и предназначен для работы кабеля в сравнительно комфортных условиях эксплуатации;
кабель в тефлоновой оболочке дороже и предназначен для более жестких условий эксплуатации.
Кабель в ПВХ-оболочке называется еще non-plenum, а кабель в тефлоновой оболочке - plenum. Термин plenum обозначает здесь не собрание руководства какой-то партии, а пространство под фальшполом и над подвесным потолком, где очень удобно размещать кабели сети. Для прокладки в этих скрытых от глаз пространствах как раз удобнее кабель в тефлоновой оболочке, который, в частности, горит гораздо хуже, чем ПВХ-кабель, и не выделяет при горении так много ядовитых газов.
Еще один важный параметр любого кабеля, который жестко не определяется стандартом, но может существенно повлиять на работоспособность сети, - это скорость распространения сигнала в кабеле, то есть задержка распространения сигнала в кабеле в расчете на единицу длины.
Производители кабелей иногда указывают величину задержки на метр длины, а иногда — скорость распространения сигнала относительно скорости света (или NVP - Nominal Velocity of Propagation, как ее часто называют в документации). Связаны эти две величины простой формулой:
t3=l/(3 • 1010 • NVP),
где t3 - величина задержки на метр длины кабеля в наносекундах. Например, если NVP=0,65 (65% от скорости света), то задержка t будет равна 5,13 нс/м. Типичная величина задержки большинства современных кабелей составляет около 5 нс/м.
Табл. 2.3. Временные характеристики некоторых кабелей
| Фирма | Марка | Категория | Оболочка | NVP | Задержка |
| AT&T | 1010 | 3 | non-plenum | 0,67 | 4,98 |
| AT&T | 1041 | 4 | non-plenum | 0,70 | 4,76 |
| AT&T | 1061 | 5 | non-plenum | 0,70 | 4,76 |
| AT&T | 2010 | 3 | plenum | 0,70 | 4,76 |
| AT&T | 2041 | 4 | plenum | 0,75 | 4,44 |
| AT&T | 2061 | 5 | plenum | 0,75 | 4,44 |
| Belden | 1229А | 3 | non-plenum | 0,69 | 4,83 |
| Belden | 1455А | 4 | non-plenum | 0,72 | 4,63 |
| Belden | 1583А | 5 | non-plenum | 0,72 | •4,63 |
| Belden | 1245А2 | 3 | plenum | 0,69 | 4,83 |
| Belden | 1457А | 4 | plenum | 0,75 | 4,44 |
| Belden | 1585А | 5 | plenum | 0,75 | 4,44 |
Стоит также отметить, что каждый из проводов, входящих в кабель на ятых пар, как правило, имеет свой цвет изоляции, что существен-цает монтаж разъемов, особенно в том случае, когда концы кабеля находятся в разных комнатах, и контроль с помощью приборов затруднен.
Примером кабеля с экранированными витыми парами может служить iTP IBM типа 1, который включает в себя две экранированные ры AWG типа 22. Волновое сопротивление каждой пары состав-Ом. Для этого кабеля применяются специальные разъемы, отличаются от разъемов для неэкранированной витой пары (например, DB9). Имеются и экранированные версии разъема RJ-45.
Коаксиальные кабели
Коаксиальный кабель представляет собой электрический кабель, состоящий из центрального провода и металлической оплетки, разделенных между собой слоем диэлектрика (внутренней изоляции) и помещенных в общую внешнюю оболочку (рис. 2.2).
Коаксиальный кабель до недавнего времени был распространен наиболее широко, что связано с его высокой помехозащищенностью (благодаря металлической оплетке), а также более высокими, чем в случае витой пары, допустимыми скоростями передачи данных (до 500 Мбит/с) и большими допустимыми расстояниями передачи (до километра и выше). К нему труднее механически подключиться для несанкционированного прослушивания сети, он также дает заметно меньше электромагнитных . излучений вовне. Однако монтаж и ремонт коаксиального кабеля существенно сложнее, чем витой пары, а стоимость его выше (он дороже примерно в 1,5-3 раза по сравнению с кабелем на основе витых пар). Сложнее и установка разъемов на концах кабеля. Поэтому его сейчас применяют реже, чем витую пару.
Рис. 2.2. Коаксиальный кабель
Основное применение коаксиальный кабель находит в сетях с топологией типа «шина». При этом на концах кабеля обязательно должны устанавливаться терминаторы для предотвращения внутренних отражений сигнала, причем один (и только один!) из терминаторов должен быть заземлен. Без заземления металлическая оплетка не защищает сеть от внешних электромагнитных помех и не снижает излучение передаваемой по сети информации во внешнюю среду. Но при заземлении оплетки в двух или более точках из строя может выйти не только сетевое оборудование, но и компьютеры, подключенные к сети (подробнее об этом - в специальном разделе этой главы). Терминаторы должны быть обязательно согласованы с кабелем, то есть их сопротивление должно быть равно волново му сопротивлению кабеля. Например, если используется 50-омный кабель, для него подходят только 50-омные терминаторы.
Реже коаксиальные кабели применяются в сетях с топологией «звезда» и «пассивная звезда» (например, в сети Arcnet). В этом случае проблема согласования существенно упрощается, так как внешних терминаторов на свободных концах не требуется.
Волновое сопротивление кабеля указывается в сопроводительной документации. Чаще всего в локальных сетях применяются 50-омные (например, RG-58, RG-11) и 93-омные кабели (например, RG-62). 75-омные кабели, распространенные в телевизионной технике, в локальных сетях не используются. Вообще, марок коаксиального кабеля значительно меньше, чем кабелей на основе витых пар. Он не считается особо перспективным. Не случайно в сети Fast Ethernet не предусмотрено применение коаксиальных кабелей. Однако во многих случаях классическая шинная топология (а не пассивная звезда) очень удобна. Как уже отмечалось, она не требует применения дополнительных устройств - концентраторов.
Существует два основных типа коаксиального кабеля:
тонкий (thin) кабель, имеющий диаметр около 0,5 см, более гибкий;
толстый (thick) кабель, имеющий диаметр около 1 см, значительно более жесткий. Он представляет собой классический вариант коаксиального кабеля, который уже почти полностью вытеснен более современным тонким кабелем.
Тонкий кабель используется для передачи на меньшие расстояния, чем толстый, так как в нем сигнал затухает сильнее. Зато с тонким кабелем гораздо удобнее работать: его можно оперативно проложить к каждому компьютеру, а толстый требует жесткой фиксации на стене помещения. Подключение к тонкому кабелю (с помощью разъемов BNC байонетного типа) проще и не требует дополнительного оборудования, а для подключения к толстому кабелю надо использовать специальные довольно дорогие устройства, прокалывающие его оболочки и устанавливающие контакт как с центральной жилой, так и с экраном. Толстый кабель примерно вдвое дороже, чем тонкий. Поэтому тонкий кабель применяется гораздо чаще.
Как и в случае витых пар, важным параметром коаксиального кабеля является тип его внешней оболочки. Точно так же в данном случае применяются как non-plenum (PVC), так и plenum кабели. Естественно, теф-лоновый кабель дороже поливинилхлоридного. Обычно тип оболочки можно отличить по ее окраске (например, для кабеля PVC фирма Belden использует желтый цвет, а для тефлонового - оранжевый).
Типичные величины задержки распространения сигнала в коаксиальном кабеле составляют для тонкого кабеля около 5 нс/м, а для толстого — около 4,5 нс/м.
Существуют варианты коаксиального кабеля с двойным экраном (один экран расположен внутри другого и отделен от него дополнительным слоем изоляции). Такие кабели имеют лучшую помехозащищенность и защиту от прослушивания, но они немного дороже обычных.
В настоящее время считается, что коаксиальный кабель устарел, в большинстве случаев его вполне может заменить витая пара или оптоволоконный кабель. Новые стандарты на кабельные системы уже не включают его в перечень типов кабелей.
Кодирование информации в локальных сетях
Кодирование передаваемой по сети информации имеет самое непосредственное отношение к соотношению максимально допустимой скорости передачи и пропускной способности используемой среды передачи. Например, при разных кодах предельная скорость передачи по одному и тому же кабелю может отличаться в два раза. От выбранного кода прямо зависят также сложность сетевой аппаратуры и надежность передачи информации.
Рис. 2.10. Наиболее распространенные коды передачи информации
Некоторые коды, используемые в локальных сетях, показаны на рис. 2.10. Рассмотрим их преимущества и недостатки.
Код NRZ (Non Return to Zero - без возврата к нулю) - это простейший код, представляющий собой практически обычный цифровой сигнал (правда, возможно преобразование на обратную полярность или изменение уровней, соответствующих нулю и единице). К несомненным достоинствам кода NRZ относятся его очень простая реализация (исходный сигнал не надо ни кодировать на передающем конце, ни декодировать на приемном конце), а также минимальная среди других кодов пропускная способность линии связи, требуемая при данной скорости передачи. Пример: наиболее частое изменение сигнала в сети будет при непрерывном чередовании единиц и нулей, то есть при последовательности 10101010] 0..., поэтому при скорости передачи, равной 10 Мбит/с (длительность одного бита 100 не), частота изменения сигнала и соответственно.требуемая пропускная способность линии составит 1 / 200нс = 5 МГц (рис. 2.11).
Рис. 2.11. Скорость передачи и требуемая пропускная способность при коде NRZ
Самый большой недостаток кода NRZ - это возможность потери синхронизации приемником при приеме слишком длинных блоков (пакетов) информации. Приемник может привязывать момент начала приема только к первому (стартовому) биту пакета, а в течение приема пакета он вынужден пользоваться только собственным внутренним тактовым генератором. Если часы приемника расходятся с часами передатчика в ту или другую сторону, то временной сдвиг к концу приема пакета может превысить длительность одного бита или даже нескольких бит. В результате произойдет потеря переданных данных. Так, при длине пакета в 10000 бит допустимое расхождение часов составит не более 0,01% даже при идеальной передаче формы сигнала по кабелю.
Чтобы избежать потери синхронизации, можно было бы ввести вторую линию связи для синхросигнала (рис. 2.12). Но при этом требуемое количество кабеля увеличивается в два раза, количество приемников и передатчиков также увеличивается в два раза. При большой длине сети и большом количестве абонентов это оказывается невыгодным.
Рис. 2.12. Передача в коде NRZ с синхросигналом
Поэтому код NRZ используется только для передачи короткими пакетами (обычно до 1 Кбита). Для синхронизации начала приема пакета используется стартовый служебный бит, чей уровень отличается от пассивного состояния линии связи (например, пассивное состояние линии при отсутствии передачи - 0, стартовый бит - 1). Наиболее известное применение кода NRZ - стандарт RS232-C, последовательный порт персонального компьютера. Передача информации в нем ведется байтами (8 бит), сопровождаемыми стартовым и стоповым битами.
Код RZ (Return to Zero - с возвратом к нулю) - этот трехуровневый код получил такое название потому, что после значащего уровня сигнала в первой половине передаваемого бита информации следует возврат к некоему «нулевому» уровню (например, к нулевому потенциалу). Переход к нему происходит в середине каждого бита. Логическому нулю, таким образом, соответствует положительный импульс, логической единице -отрицательный (или наоборот) в первой половине битового интервала.
Особенностью кода RZ является то, что в центре бита всегда есть переход (положительный или отрицательный), следовательно, из этого кода приемник может выделить синхроимпульс (строб). В данном случае возможна временная привязка не только к началу пакета, как в случае кода NRZ, но и к каждому отдельному биту, поэтому потери синхронизации не произойдет при любой длине пакета. Такие коды, несущие в себе строб, получили название самосинхронизирующихся.
Недостаток кода RZ состоит в том, что для него требуется вдвое большая полоса пропускания канала при той же скорости передачи по сравнению с NRZ (так как здесь на один бит приходится два изменения уровня напряжения). Например, для скорости передачи информации 10 Мбит/с требуется пропускная способность линии связи 10 МГц, а не 5 МГц, как при коде NRZ.
Рис. 2.13. Использование кода RZ в оптоволоконных сетях
Код RZ применяется не только в сетях на основе электрического кабеля, но и в оптоволоконных сетях. Поскольку в них не существует положительных и отрицательных уровней сигнала, используется три уровня: отсутствие света, «средний» свет, «сильный» свет. Это очень удобно: даже когда нет передачи информации, свет все равно присутствует, что позволяет легко определить целостность оптоволоконной линии связи без дополнительных мер (рис. 2.13).
Код Манчестер-П, или манчестерский код, получил наибольшее распространение в локальных сетях. Он также относится к самосинхронизирующимся кодам, но в отличие от кода RZ имеет не три, а всего только два уровня, что способствует его лучшей помехозащищенности. Логическому нулю соответствует положительный переход в центре бита (то есть первая половина битового интервала - низкий уровень, вторая половина — высокий), а логической единице соответствует отрицательный переход в центре бита (или наоборот).
Обязательное наличие перехода в центре бита позволяет приемнику кода Манчестер-П легко выделить из пришедшего сигнала синхросигнал, что дает возможность передавать информацию сколь угодно большими пакетами без потерь из-за рассинхронизации. Допустимое расхождение часов приемника и передатчика может достигать величины 25%. Как и в случае кода RZ, пропускная способность линии требуется в два раза выше,
чем при использовании простейшего кода NRZ. Например, для скорости передачи 10 Мбит/с требуется полоса пропускания 10 МГц. Код Манчес-тер-П используется как в электрических кабелях, так и в оптоволоконных кабелях (в последнем случае один уровень соответствует отсутствию света, а другой - наличию света).
Большое достоинство манчестерского кода — отсутствие постоянной составляющей в сигнале (половину времени сигнал положительный, другую половину - отрицательный). Это дает возможность применять для гальванической развязки импульсные трансформаторы. При этом не требуется дополнительного источника питания для линии связи (как в случае использования оптронной развязки), резко уменьшается влияние низкочастотных помех, которые не проходят через трансформатор, легко решается проблема согласования. Если же один из уровней сигнала в манчестерском коде нулевой (как, например, в сети Ethernet), то величина постоянной составляющей в течение передачи будет равна примерно половине амплитуды сигнала. Это позволяет легко фиксировать столкновения пакетов в сети (конфликт, коллизию) по отклонению величины постоянной составляющей за установленные пределы.
Частотный спектр сигнала при манчестерском кодировании включает в себя только две частоты: при скорости передачи 10 Мбит/с это 10 МГц (соответствует передаваемой цепочке из одних нулей или из одних единиц) и 5 МГц (соответствует последовательности из чередующихся нулей и единиц: 1010101010 ...), поэтому с помощью простейших полосовых фильтров можно легко отфильтровать все другие частоты (помехи, наводки, шумы).
Так же как и в случае кода RZ, при манчестерском кодировании очень просто определить, идет передача или нет, то есть детектировать занятость сети или, как еще говорят, обнаруживать несущую частоту. Для этого достаточно контролировать, происходит ли изменение сигнала в течение битового интервала. Обнаружение несущей частоты необходимо, например, для определения момента начала и конца принимаемого пакета, а также для предотвращения начала передачи в случае занятости сети (когда передает какой-то другой абонент).
Стандартный манчестерский код имеет несколько вариантов, один из которых показан на рис. 2.10. Данный код, в отличие от классического, не зависит от перемены мест двух проводов кабеля. Особенно это удобно в случае, когда для связи используется витая пара, провода которой легко перепутать. Именно этот код используется в одной из самых известных сетей Token-Ring фирмы IBM.
Принцип данного кода прост: в начале каждого битового интервала сигнал меняет уровень на противоположный предыдущему, а в середине единичных (и только единичных) битовых интервалов уровень изменяется еще раз. Таким образом, в начале битового интервала всегда есть переход, который используется для самосинхронизации. Как и в случае классического кода Манчестер-П, в частотном спектре при этом присутствует две частоты. При скорости 10 Мбит/с это частоты 10 МГц (при последовательности одних единиц: 11111111...) и 5 МГц (при последовательности одних нулей: 00000000...).
Здесь же стоит упомянуть о том, что часто совершенно неправомерно считается, что скорость передачи в бодах равняется скорости передачи в битах в секунду. Это верно только в случае кода NRZ. Скорость в бодах характеризует не количество передаваемых бит в секунду, а количество изменений уровня сигнала в секунду. При использовании кодов RZ или Манчестер-П требуемая скорость в бодах оказывается вдвое выше, чем при коде NRZ, поэтому логичнее измерять скорость передачи по сети не в бодах, а в битах в секунду (бит/с, Кбит/с, Мбит/с).
Все разрабатываемые в последнее время коды призваны найти компромисс между требуемой при заданной скорости передачи полосой пропускания кабеля и возможностью самосинхронизации. Разработчики стремятся сохранить самосинхронизацию, но не ценой двукратного увеличения полосы пропускания.
Чаще всего для этого в поток передаваемых битов добавляют биты синхронизации, например, один бит синхронизации на 4, 5 или 6 информационных битов или два бита синхронизации на 8 информационных битов. Правда, в действительности все обстоит несколько сложнее: кодирование не сводится к простой вставке в передаваемые данные дополнительных битов. Группы информационных битов преобразуются в передаваемые по сети группы с количеством битов на один или два больше. Приемник, естественно, осуществляет обратное преобразование, восстанавливает исходные информационные биты. Довольно просто осуществляется в этом случае и обнаружение несущей частоты (то есть детектирование передачи).
Так, в сети FDDI (скорость передачи 100 Мбит/с) применяется код 4В/5В, который 4 информационных бита преобразует в 5 передаваемых битов. При этом синхронизация приемника осуществляется один раз на 4 бита, а не в каждом бите, как в случае кода Манчестер-П. Требуемая полоса пропускания увеличивается по сравнению с кодом NRZ не в два раза, а только в 1,25 раза (то есть составляет не 100 МГц, а всего лишь 62,5 МГц). По тому же принципу строятся и другие коды, например 5В/6В, исполь зуемый в стандартной сети lOOVG-AnyLAN, или 8В/10В, используемый в сети Gigabit Ethernet.
В сегменте 100BASE-T4 сети Fast Ethernet применен несколько иной подход. Там используется код 8В/6Т, предусматривающий параллельную передачу трех трехуровневых сигналов по трем витым парам. Это позволяет достичь скорости передачи 100 Мбит/с на дешевых кабелях с витыми парами категории 3, имеющих полосу пропускания всего лишь!6 МГц (см. табл. 2.1). Правда, это требует большего расхода кабеля и увеличения количества приемников и передатчиков. К тому же принципиально важно, чтобы все провода были одной длины, чтобы задержки сигнала в них не различались на заметную величину.
Подробнее эти коды будут рассмотрены в разделах книги, посвященных конкретным типам существующих сетей.
Все упомянутые коды предусматривают непосредственную передачу в сеть цифровых двух- или трехуровневых прямоугольных импульсов. Однако иногда в сетях используется и другой путь - модуляция информационными импульсами высокочастотного аналогового сигнала. Такое аналоговое кодирование позволяет при переходе на широкополосную передачу существенно увеличить пропускную способность канала связи. К тому же, как уже отмечалось, при прохождении по каналу связи аналогового сигнала (синусоидального) не искажается форма сигнала, а только уменьшается его амплитуда, а в случае цифрового сигнала еще и искажается форма сигнала (см. рис. 2.5).
Рис. 2.14. Аналоговое кодирование цифровой информации
К самым простым видам аналогового кодирования относятся следующие (рис. 2.14): амплитудная модуляция (AM), при которой логической единице соответствует наличие сигнала, а логическому нулю -его отсутствие (или сигнал меньшей амплитуды). Частота сигнала остается постоянной;
частотная модуляция (ЧМ), при которой логической единице соответствует сигнал более высокой частоты, а логическому нулю - сигнал более низкой частоты (или наоборот). Амплитуда сигнала остается постоянной;
фазовая модуляция (ФМ), при которой смене логического нуля на логическую единицу и логической единицы на логический нуль соответствует резкое изменение фазы синусоидального сигнала одной и той же частоты и амплитуды.
Чаще всего аналоговое кодирование используется при передаче информации по каналу с узкой полосой пропускания, например по телефонным линиям в глобальных сетях. В локальных сетях оно применяется редко из-за высокой сложности и стоимости как кодирующего, так и декодирующего оборудования.
Оптоволоконные кабели
Оптоволоконный (он же волоконно-оптический) кабель — это принципиально иной тип кабеля по сравнению с рассмотренными двумя типами электрического или медного кабеля. Информация по нему передается не электрическим сигналом, а световым. Главный его элемент - это прозрачное стекловолокно, по которому свет проходит на огромные расстояния (до десятков километров) с незначительным ослаблением.
Структура оптоволоконного кабеля очень проста и похожа на структуру коаксиального электрического кабеля (рис. 2.3), только вместо центрального медного провода здесь используется тонкое (диаметром порядка 1-10 мкм) стекловолокно, а вместо внутренней изоляции - стеклянная или пластиковая оболочка, не позволяющая свету выходить за пределы стекловолокна. В данном случае мы имеем дело с режимом так называемого полного внутреннего отражения света от границы двух веществ с разными коэффициентами преломления (у стеклянной оболочки коэффициент преломления значительно ниже, чем у центрального волокна). Металлическая оплетка кабеля обычно отсутствует, так как экранирование от внешних электромагнитных помех здесь не требуется, однако иногда ее все-таки применяют для механической защиты от окружающей среды (такой кабель иногда называют броневым, он может объединять под одной оболочкой несколько оптоволоконных кабелей).
Рис. 2.3. Структура оптоволоконного кабеля
Оптоволоконный кабель обладает исключительными характеристиками по помехозащищенности и секретности передаваемой информации. Никакие внешние электромагнитные помехи в принципе не способны исказить световой сигнал, а сам этот сигнал принципиально не порождает внешних электромагнитных излучений. Подключиться к этому типу кабеля для несанкционированного прослушивания сети практически невозможно, так как это требует нарушения целостности кабеля. Теоретически возможная полоса пропускания такого кабеля достигает величины 1012 Гц, что несравнимо выше, чем у любых электрических кабелей. Стоимость оптоволоконного кабеля постоянно снижается и сейчас примерно равна стоимости тонкого коаксиального кабеля. Однако в данном случае необходимо применение специальных оптических приемников и передатчиков, преобразующих световые сигналы в электрические и обратно, что порой существенно увеличивает стоимость сети в целом.
Типичная величина затухания сигнала в оптоволоконных кабелях на частотах, используемых в локальных сетях, составляет около 5 дБ/км, что примерно соответствует показателям электрических кабелей на низких частотах. Но в случае оптоволоконного кабеля при росте частоты передаваемого сигнала затухание увеличивается очень незначительно, и на больших частотах (особенно свыше 200 МГц) его преимущества перед электрическим кабелем неоспоримы, он просто не имеет конкурентов.
Однако оптоволоконный кабель имеет и некоторые недостатки.
Самый главный из них - высокая сложность монтажа (при установке разъемов необходима микронная точность, от точности скола стекловолокна и степени его полировки сильно зависит затухание в разъеме). Для установки разъемов применяют сварку или склеивание с помощью специального геля, имеющего такой же коэффициент преломления света, что и стекловолокно. В любом случае для этого нужна высокая квалификация персонала и специальные инструменты. Поэтому чаще всего оптоволоконный кабель продается в виде заранее нарезанных кусков разной длины, на обоих концах которых уже установлены разъемы нужного типа.
Хотя оптоволоконные кабели и допускают разветвление сигналов (для этого выпускаются специальные разветвители на 2-8 каналов), как правило, их используют для передачи данных только в одном направлении, между одним передатчиком и одним приемником. Ведь любое разветвление неизбежно сильно ослабляет световой сигнал, и если разветвлений будет много, то свет может просто не дойти до конца сети.
Оптоволоконный кабель менее прочен, чем электрический, и менее гибкий (типичная величина допустимого радиуса изгиба составляет около 10—20 см). Чувствителен он и к ионизирующим излучениям, из-за которых снижается прозрачность стекловолокна, то есть увеличивается затухание сигнала. Чувствителен он также к резким перепадам температуры, в результате которых стекловолокно может треснуть. В настоящее времы выпускаются оптические кабели из радиационно стойкого стекла (стоят они, естественно, дороже).
Оптоволоконные кабели чувствительны также к механическим воздействиям (удары, ультразвук) — так называемый микрофонный эффект. Для его уменьшения используют мягкие звукопоглощающие оболочки.
Применяют оптоволоконный кабель только в сетях с топологией «звезда» и «кольцо». Никаких проблем согласования и заземления в данном случае не существует. Кабель обеспечивает идеальную гальваническую развязку компьютеров сети. В будущем этот тип кабеля, вероятно, вытеснит электрические кабели всех типов или, во всяком случае, сильно потеснит их. Запасы меди на планете истощаются, а сырья для производства стекла более чем достаточно.
Существуют два различных типа оптоволоконных кабелей:
многомодовый, или мультимодовый, кабель, более дешевый, но менее качественный;
одномодовый кабель, более дорогой, но имеющий лучшие характеристики.
Основные различия между этими типами связаны с разным режимам прохождения световых лучей в кабеле.
В одномодовом кабеле практически все лучи проходят один и тот же путь, в результате чего все они достигают приемника одновременно, и форма сигнала практически не искажается. Одномодовый кабель имеет диаметр центрального волокна около 1,3 мкм и передает свет только с такой же длиной волны (1,3 мкм). Дисперсия и потери сигнала при этом очень незначительны, что позволяет передавать сигналы на значительно большее расстояние, чем в случае применения многомодового кабеля. Для одномо-дового кабеля применяются лазерные приемопередатчики, использующие свет исключительно с требуемой длиной волны. Такие приемопередатчики пока еще сравнительно дороги и не слишком долговечны. Однако в перспективе одномодовый кабель должен стать основным благодаря своим прекрасным характеристикам.
В многомодовом кабеле траектории световых лучей имеют заметный разброс, в результате чего форма сигнала на приемном конце кабеля искажается. Центральное волокно имеет диаметр 62,5 мкм, а диаметр внешней оболочки - 125 мкм (это иногда обозначается как 62,5/125). Для передачи используется обычный (не лазерный) светодиод, что снижает стоимость и увеличивает срок службы приемопередатчиков по сравнению с одномодовым кабелем. Длина волны света в многомодовом кабеле равна 0,85 мкм. Допустимая длина кабеля достигает 2-5 км. В настоящее время многомодовый кабель - основной тип оптоволоконного кабеля, так как он дешевле и доступнее.
Задержка распространения сигнала в оптоволоконном кабеле не сильно отличается от задержки в электрических кабелях. Типичная величина задержки для наиболее распространенных кабелей составляет около 4-5 нс/м.
Согласование, экранирование пьваническая развязка линий связи
Как уже отмечалось, любые электрические линии связи требуют принятия специальных мер, без которых невозможна не только безошибочная передача данных, но и любое функционирование сети. Оптоволоконные решают все подобные проблемы автоматически.
Согласование электрических линий связи применяется для обеспечения нормального прохождения сигнала по длинной линии без отражений и искажений. Принцип согласования очень прост: на концах кабеля необходимо установить согласующие резисторы (терминаторы) с сопротив-равным волновому сопротивлению используемого кабеля.
Волновое сопротивление — это параметр данного типа кабеля, зависящий его устройства (сечения, количества и формы проводников, тол-материала изоляции и т.д.). Величина волнового сопротивления обязательно указывается в документации на кабель и составляет обычно от 50-100 Ом для коаксиального кабеля до 100-150 Ом для витой пары или плоского многопроводного кабеля. Точное значение волнового сопротивления легко можно измерить с помощью генератора импульсов и осциллографа по отсутствию искажения формы передаваемого по кабелю импульса. Обычно требуется, чтобы отклонение величины согласующего резистора не превышало 5~10% в ту или другую сторону.
Если согласующее сопротивление RH меньше волнового сопротивления кабеля RB, то фронт передаваемого прямоугольного импульса на приемном конце будет затянут, если же RH больше RB, то на фронте будет колебательный процесс (рис. 2.4).
Рис. 2.4. Передача сигналов по электрическому кабелю
Надо сказать, что сетевые адаптеры, их приемники и передатчики специально рассчитываются на работу с данным типом кабеля с известным волновым сопротивлением. Поэтому даже при идеально согласованном на концах кабеле, волновое сопротивление которого существенно отличается от стандартного, сеть, скорее всего, работать не будет или будет работать со сбоями.
Рис. 2.5. Затухание сигналов в электрическом кабеле
Рис. 2.6. Трапецевидный и колоколообразный импульсы
Здесь же стоит упомянуть о том, что сигналы с пологими фронтами передаются по длинному электрическому кабелю лучше, чем сигналы с крутыми фронтами, то есть их форма меньше искажается (рис. 2.5). Это связано с разницей величин затухания для разных частот (высокие частоты затухают сильнее). Меньше всего искажается форма синусоидального сигнала, такой сигнал просто уменьшается по амплитуде. Поэтому для улучшения качества передачи нередко используются трапецевидные или колоколообразные импульсы (рис. 2.6), близкие по форме к полуволне синуса, для чего искусственно затягиваются или сглаживаются фронты изначальных прямоугольных сигналов.
Экранирование электрических линий связи применяется для снижения влияния на кабель внешних электромагнитных полей. Экран представляет собой медную или алюминиевую оболочку (плетеную или из фольги), в которую заключаются провода кабеля. Для того чтобы экранирование работало, экран обязательно должен быть заземлен - в этом случае наведенные на него токи стекают на землю. Экран заметно увеличивает стоимость кабеля, но в то же время повышает его механическую прочность.
Рис. 2.7. Дифференциальная передача сигналов по витой паре
Снизить влияние наведенных помех можно и без экрана, если использовать дифференциальную передачу сигнала (рис. 2.7). В этом случае передача идет по двум проводам, оба они являются сигнальными. Передатчик формирует противофазные сигналы, а приемник реагирует на разность сигналов на обоих проводах. Условием согласования является равенство сопротивлений согласующих резисторов половине волнового сопротивления кабеля. Если оба провода имеют одинаковую длину и проложены рядом (в одном кабеле), то помехи действуют на оба провода примерно одинаково, и разностный сигнал между проводами практически не искажается. Именно такая дифференциальная передача применяется обычно в кабелях из витых пар. Но экранирование и в этом случае существенно улучшает помехоустойчивость.
Гальваническая развязка компьютеров от сети при использовании электрического кабеля совершенно необходима. Дело в том, что по электрическим кабелям (как по сигнальным проводам, так и по экрану) могут идти не только информационные сигналы, но и так называемый выравнивающий ток, возникающий вследствие неидеальности заземления компьютеров.
Когда компьютер не заземлен, на его корпусе образуется наведенный потенциал около 110В переменного тока (половина питающего напряжения). Его можно ощутить на себе, если одной рукой взяться за корпус компьютера, а другой за батарею центрального отопления или за какой-нибудь заземленный прибор.
При автономной работе компьютера (например, дома) отсутствие заземления, как правило, не оказывает серьезного влияния на его работу. Правда, иногда может увеличиться количество сбоев в работе компьютера. Но при соединении нескольких территориально разнесенных компьютеров электрическим кабелем заземление становится серьезной проблемой. Если один из соединяемых компьютеров заземлен, а другой не заземлен, то возможен даже полный выход из строя одного из них или обоих.
Поэтому компьютеры крайне желательно заземлять. В случае использования трехконтактной вилки и розетки, в которых есть нулевой провод, это получается автоматически. При двухконтактной вилке и розетке необходимо принимать специальные меры, организовывать заземление отдельным проводом большого сечения. Стоит также отметить, что в случае трехфазной сети желательно обеспечить питание всех компьютеров от одной фазы.
Но проблема осложняется еще и тем, что « земля », к которой присоединяются компьютеры, обычно далека от идеала. В идеале заземляющие провода компьютеров должны сходиться в одной точке, соединенной короткой массивной шиной с зарытым в землю массивным проводником. Такая ситуация возможна только тогда, когда компьютеры не слишком разнесены, а заземление действительно сделано грамотно. Обычно же заземляющая шина имеет значительную длину, в результате чего стекающие по ней токи создают значительную разность потенциалов между ее отдельными точками. Особенно велика эта разность потенциалов в случае подключения к шине мощных и высокочастотных потребителей энергии.
Поэтому даже присоединенные к одной и той же шине, но в разных точках,-компьютеры имеют на своих корпусах разные потенциалы (рис. 2.8). В результате по электрическому кабелю, соединяющему компьютеры, течет выравнивающий ток (переменный с высокочастотными составляющими).
Рис. 2.8. Выравнивающий ток при отсутствии гальванической развязки
Ситуация ухудшается, когда компьютеры подключаются к разным шинам заземления. Выравнивающий ток может достигать в этом случае величины в несколько ампер. Понятно, что подобные токи смертельно опасны для малосигнальных узлов компьютера. В любом случае выравнивающий ток существенно влияет на передаваемый сигнал, порой полностью забивая его. Даже тогда, когда сигналы передаются без участия экрана (например, по двум проводам, заключенным в экран), выравнивающий ток, вследствие индуктивного действия, мешает передаче информации. Именно поэтому экран всегда должен быть заземлен только в од-ной-единственной точке.
Грамотное соединение компьютеров электрическим кабелем обязательно должно включать (рис. 2.9):
оконечное согласование кабеля;
гальваническую развязку компьютеров от сети (обычно трансформаторная гальваническая развязка входит в состав каждого сетевого адаптера);
заземление каждого компьютера;
заземление экрана (если, конечно, он есть) в одной-единственной точке.
Не стоит пренебрегать ни одним из этих требований. Например, гальваническая развязка сетевых адаптеров часто рассчитывается на допустимое напряжение изоляции всего лишь 100 В, что при отсутствии заземления одного из компьютеров может легко привести к выходу из строя его адаптера.
Рис. 2.9. Правильное соединение компьютеров сети (гальваническая развязка условно показана в виде прямоугольника)
Отметим, что для присоединения коаксиального кабеля обычно применяются разъемы в металлическом корпусе. Этот корпус не должен соединяться ни с корпусом компьютера, ни с «землей» (на плате адаптера он установлен с пластиковой изоляцией от крепежной планки). Заземление экрана кабеля сети лучше производить не через корпус компьютера, а отдельным специальным проводом, что обеспечивает лучшую надежность. Пластмассовые корпуса разъемов RJ-45 для кабелей с неэкранированными витыми парами снимают эту проблему.
При заземлении экрана в одной точке он становится штыревой антенной с заземленным основанием и может усиливать ВЧ-помехи на нескольких частотах, кратных его длине. Для уменьшения этого «антенного» эффекта используют многоточечное заземление по высокой частоте, т.е. в одной точке экран соединяется с «землей» накоротко, а в остальных точках -через высоковольтные керамические конденсаторы. В простейшем случае на одном конце кабеля экран соединяется с землей непосредственно, на другом конце - через емкость.
Аппаратура локальных сетей
Аппаратура локальных сетей обеспечивает реальную связь между абонентами. Выбор аппаратуры имеет важнейшее значение на этапе проектирования сети, так как стоимость аппаратуры составляет наиболее существенную часть от стоимости сети в целом, а замена аппаратуры связана не только с дополнительными расходами, но зачастую и с трудоемкими работами. К аппаратуре локальных сетей относятся:
кабели для передачи информации;
разъемы для присоединения кабелей;
согласующие терминаторы;
сетевые адаптеры;
репитеры;
трансиверы;
концентраторы;
мосты;
маршрутизаторы;
шлюзы.
О первых трех компонентах сетевой аппаратуры уже говорилось в предыдущих главах. Сейчас мы остановимся на функциях остальных компонентов.
Сетевые адаптеры (они же контроллеры, карты, платы, интерфейсы, NIC -Network Interface Card) - это основная часть аппаратуры локальной сети, без которой сеть невозможна. Назначение сетевого адаптера - сопряжение компьютера (или другого абонента) с сетью, то есть обеспечение обмена информацией между компьютером и каналом связи в соответствии с принятыми правилами обмена. Именно они выполняют функции нижних уровней модели OSI. Как правило, сетевые адаптеры выполняются в виде платы, вставляемой в слоты расширения системной магистрали (шины) компьютера (чаще всего ISA или PCI). Плата сетевого адаптера обычно имеет также один или несколько внешних разъемов для подключения к ней кабеля сети (рис. 4.3).
Все функции сетевого адаптера делятся на магистральные и сетевые. К магистральным относятся те функции, которые осуществляют обмен адаптера с магистралью (системной шиной) компьютера (то есть опознание своего магистрального адреса, пересылка данных в компьютер и из компьютера, выработка сигнала прерывания компьютера и т.д.). Сетевые функции обеспечивают общение адаптера с сетью.
Рис. 4.3. Плата сетевого адаптера
Для нормальной работы платы адаптера в составе компьютера необходимо правильно установить ее основные параметры:
базовый адрес порта ввода/вывода (то есть начальный адрес зоны адресов, по которым компьютер будет общаться с адаптером);
номер используемого прерывания (то есть номер линии запроса, по которой адаптер будет сообщать компьютеру о необходимости обмена с ним);
базовые адреса буферной и загрузочной памяти (то есть начальные адреса зон адресов памяти, входящей в состав адаптера, по которым компьютер будет общаться с данной памятью).
Эти параметры могут выбираться на плате адаптера с помощью устанавливаемых пользователем перемычек (джамперов) или переключателей, но могут задаваться и программно с помощью специальной программы инициализации адаптера, поставляемой вместе с платой (в так называемых Jumperless-адаптерах). При выборе всех параметров (адресов и номеров прерываний) необходимо следить, чтобы они отличались от тех, которые заняты другими устройствами компьютера (как системными, так и дополнительно подключенными). Современные сетевые адаптеры часто поддерживают режим Plug-and-Play, то есть не нуждаются в настройке параметров со стороны пользователя, настройка в них осуществляется автоматически при включении питания компьютера.
К основным сетевым функциям адаптеров относятся следующие:
гальваническая развязка компьютера и кабеля локальной сети (для этого обычно используется передача сигналов через импульсные трансформаторы);
преобразование логических сигналов в сетевые и обратно;
кодирование и декодирование сетевых сигналов;
опознание принимаемых пакетов (выбор из всех приходящих пакетов тех, которые адресованы данному абоненту);
преобразование параллельного кода в последовательный при передаче и обратное преобразование при приеме;
буферирование передаваемой и принимаемой информации в буферной памяти адаптера;
организация доступа к сети в соответствии с принятым методом управления обменом;
подсчет контрольной суммы пакетов при передаче и приеме.
Как правило, все сетевые функции выполняются специальными микросхемами высокой степени интеграции, что позволяет снизить стоимость адаптера и уменьшить площадь его платы.
Некоторые адаптеры позволяют реализовать функцию удаленной загрузки, то есть поддерживать работу в сети бездисковых компьютеров, загружающих свою операционную систему прямо из сети. Для этого в состав таких адаптеров включается постоянная память с соответствующей программой загрузки. Правда, не все сетевые программные средства поддерживают данный режим работы.
Если сетевой адаптер может работать с несколькими типами кабеля, то еще одним настраиваемым параметром может быть выбор типа кабеля. Например, на плате адаптера может находиться группа переключателей, перекоммутирующих нужные цепи для того или иного типа кабеля.
Все остальные аппаратные средства локальных сетей (кроме адаптеров) имеют вспомогательный характер, и без них часто можно обойтись
Трансиверы, или приемопередатчики (от английского TRANsmitter + reCEIVER), служат для передачи информации между адаптером и кабелем сети или между двумя сегментами (частями) сети. Трансиверы усиливают сигналы, преобразуют их уровни или преобразуют сигналы в другую форму (например, из электрической в световую и обратно). Трансиверами также часто называют встроенные в адаптер приемопередатчики.
Рис. 4.4. Соединение репитером двух сегментов сети
Репитеры, или повторители (repeater), выполняют более простую функцию, чем трансиверы. Они не преобразуют ни уровни сигналов, ни их вид, а только восстанавливают ослабленные сигналы (их амплитуду и форму), приводя их форму к исходному виду. Цель такой ретрансляции сигналов состоит в увеличении длины сети (рис. 4.4). Однако часто репитеры выполняют и некоторые другие функции, например гальваническую развязку соединяемых сегментов. В любом случае, как репитеры, так и трансиверы не производят никакой информационной обработки проходящих через них сигналов.
Концентраторы (hub), как следует из их названия, служат для объединения в единую сеть нескольких сегментов сети. Концентраторы можно разделить на пассивные и активные.
Пассивные, или репитерные, концентраторы представляют собой собранные в едином конструктиве несколько репитеров. Они выполняют те же функции, что и репитеры (рис. 4.5). Преимущество подобных концентраторов по сравнению с отдельными репитерами только в том, что все точки подключения собраны в одном месте, что упрощает реконфигурацию сети, контроль за ней и поиск неисправностей. К тому же все репитеры в данном случае питаются от единого качественного источника питания.
Пассивные концентраторы иногда вмешиваются в обмен, помогая устранять некоторые явные ошибки обмена.
Рис. 4.5. Структура репитерного концентратора
Активные концентраторы выполняют более сложные функции, чем пассивные, например, они могут преобразовывать информацию и протоколы обмена. Правда, это преобразование очень простое. Примером активных концентраторов могут служить коммутирующие или переключающие концентраторы (switching hub), коммутаторы. Они передают из одного сегмента сети в другой сегмент не все пакеты, а только те, которые действительно адресованы компьютерам из другого сегмента. При этом сам пакет коммутатором не принимается. Это приводит к снижению интенсивности обмена в сети вследствие разделения нагрузки, так как каждый сегмент работает только со своими пакетами.
Мосты (bridge), маршрутизаторы (router) и шлюзы (gateway) служат для объединения в единую сеть нескольких разнородных сетей с разными протоколами обмена нижнего уровня, в частности, с разными форматами пакетов, разными методами кодирования, разной скоростью передачи и т.д. В результате их применения сложная и неоднородная сеть, содержащая в себе самые разные сегменты, с точки зрения пользователя выглядит обычной сетью - то есть обеспечивается «прозрачность» сети для протоколов высокого уровня. Естественно, мосты, маршрутизаторы и шлюзы гораздо сложнее и дороже, чем концентраторы, так как от них требуется довольно сложная обработка информации. Реализуются они на базе компьютеров, подключенных к сети с помощью сетевых адаптеров. По сути, это специализированные абоненты (узлы) сети.
Мосты - наиболее простые устройства, служащие для объединения сетей с разными стандартами обмена, например Ethernet и Arcnet, или нескольких сегментов (частей) одной и той же сети, например Ethernet (рис. 4.6). В последнем случае мост служит только для разделения нагрузок сегментов, повышая тем самым производительность сети в целом. В отличие от коммутирующих концентраторов, мосты принимают поступающие пакеты целиком и в случае необходимости производят их простейшую обработку.
Рис. 4.6. Включение моста
Маршрутизаторы выполняют более сложную функцию, чем мосты. Их главная задача - выбор для каждого пакета оптимального маршрута для избегания чрезмерной нагрузки отдельных участков сети и обхода поврежденных участков. Они применяются, как правило, в сложных разветвленных сетях, имеющих несколько маршрутов между отдельными абонентами. Маршрутизаторы не преобразуют протоколы нижних уровней, поэтому они соединяют только сегменты одноименных сетей. Существуют также гибридные маршрутизаторы (brouter), представляющие собой гибрид моста и маршрутизатора. Они выделяют пакеты, которым нужна маршрутизация, и обрабатывают их как маршрутизаторы, а для остальных пакетов служат обычными мостами.
Шлюзы — это устройства для соединения совершенно различных сетей с сильно отличающимися протоколами, например для соединения локальных сетей с большими компьютерами или с глобальными сетями. Это самые дорогие и редко применяемые сетевые устройства.
Если обратиться к модели OSI, то можно считать, что репитеры и репи-терные концентраторы связывают сети или сегменты на первом уровне, мосты - на втором уровне, маршрутизаторы — на третьем уровне, а шлюзы - на более высоких уровнях (на 4, 5, 6 и 7). Соответственно, репитеры выполняют функции (не все, а только некоторые) первого уровня, мосты реализуют функции второго уровня (на первом уровне и частично на втором у них работают сетевые адаптеры), маршрутизаторы - третьего уровня, а шлюзы должны выполнять функции всех уровней.
Уровни сетевой архитектуры
4.1. Эталонная модель OSI
4.2. Аппаратура локальных сетей
4.3. Стандартные сетевые протоколы
4.4. Стандартные сетевые программные средства
4.4.1. Сетевые программные средства фирмы Novell
4.4.2. Сетевые программные средства фирм Microsoft и IBM
4.4.3. Сетевые программные средства других фирм
Эталонная модель OSI
При связи компьютеров по сети производится множество операций, обеспечивающих передачу данных от компьютера к компьютеру. Пользователю, работающему с каким-то приложением, в общем-то безразлично, что и как при этом происходит. Для него просто существует доступ к другому приложению или компьютерному ресурсу, расположенному на другом компьютере сети. В действительности же вся передаваемая информация проходит много этапов обработки. Прежде всего она разбивается на блоки, каждый из которых снабжается управляющей информацией. Полученные блоки оформляются в виде сетевых пакетов, эти пакеты кодируются, передаются с помощью электрических или световых сигналов по сети в соответствии с выбранным методом доступа, затем из принятых пакетов вновь восстанавливаются заключенные в них блоки данных, блоки соединяются в данные, которые и становятся доступны другому приложению. Это, конечно, очень упрощенное описание происходящих процессов. Часть из указанных процедур реализуется только программно, другая - аппаратно, а какие-то операции могут выполняться как программами, так и аппаратурой.
Упорядочить все выполняемые процедуры, разделить их на уровни и подуровни, взаимодействующие между собой, как раз и призваны модели сетей. Эти модели позволяют правильно организовать взаимодействие как абонентам внутри одной сети, так и самым разным сетям на различных уровнях. Наибольшее распространение получила в настоящее время так называемая эталонная модель обмена информацией открытой системы OSI (Open System Interchange). Под термином «открытая система» в данном случае понимается незамкнутая в себе система, имеющая возможность взаимодействия с какими-то другими системами (в отличие от закрытой системы).
Модель OSI была предложена Международной организацией стандартов ISO (International Standards Organization) в 1984 году. С тех пор ее используют (более или менее строго) все производители сетевых продуктов. Как и любая универсальная модель, модель OSI довольно громоздка, избыточна и не слишком гибка, поэтому реальные сетевые средства, предлагаемые различными фирмами, не обязательно придерживаются принятого разделения функций. Однако знакомство с моделью OSI позволяет лучше понять, что же происходит в сети.
Рис. 4.1. Семь уровней модели OSI
Все сетевые функции в модели разделены на 7 уровней (рис. 4.1). При этом вышестоящие уровни выполняют более сложные, глобальные задачи, для чего используют в своих целях нижестоящие уровни, а также управляют ими. Цель нижестоящего уровня — предоставление услуг вышестоящему уровню, причем вышестоящему уровню не важны детали выполнения этих услуг. Нижестоящие уровни выполняют более простые, более конкретные функции. В идеале каждый уровень взаимодействует только с теми, которые находятся рядом с ним (выше него и ниже него). Верхний уровень соответствует прикладной задаче, работающему в данный момент приложению, нижний - непосредственной передаче сигналов по каналу связи.
Функции, входящие в показанные на рис 4.1 уровни, реализуются каждым абонентом сети. При этом каждый уровень на одном абоненте работает так, как будто он имеет прямую связь с соответствующим уровнем другого абонента, то есть между одноименными уровнями абонентов сети существует виртуальная связь. Реальную же связь абоненты одной сети имеют только на самом нижнем, первом, физическом уровне. В передающем абоненте информация проходит все уровни, начиная с верхнего и заканчивая нижним. В принимающем абоненте полученная информация совершает обратный путь: от нижнего уровня к верхнему (рис. 4.2).
Рис. 4.2. Путь информации от абонента к абоненту Рассмотрим подробнее функции разных уровней.
Прикладной уровень (Application), или уровень приложений, обеспечивает услуги, непосредственно поддерживающие приложения пользователя, например программные средства передачи файлов, доступа к базам данных, средства электронной почты, службу регистрации на сервере. Этот уровень управляет остальными шестью уровнями.
Представительский уровень (Presentation), или уровень представления данных, определяет и преобразует форматы данных и их синтаксис в форму, удобную для сети, то есть выполняет функцию переводчика. Здесь же выполняется шифрование и дешифрирование данных, а при необходимости - их сжатие.
Сеансовый уровень (Session) управляет проведением сеансов связи (то есть устанавливает, поддерживает и прекращает связь). Этот же уровень распознает логические имена абонентов, контролирует предоставленные им права доступа.
Транспортный уровень (Transport) обеспечивает доставку пакетов без ошибок и потерь, в нужной последовательности. Здесь же производится разбивка передаваемых данных на блоки, помещаемые в пакеты, и восстановление принимаемых данных.
Сетевой уровень (Network) отвечает за адресацию пакетов и перевод логических имен в физические сетевые адреса (и обратно), а также за выбор маршрута, по которому пакет доставляется по назначению (если в сети имеется несколько маршрутов).
Канальный уровень, или уровень управления линией передачи (Data link), отвечает за формирование пакетов стандартного вида, включающих начальное и конечное управляющие поля. Здесь же производится управление доступом к сети, обнаруживаются ошибки передачи" и производится повторная пересылка приемнику ошибочных пакетов.
Физический уровень (Physical) - это самый нижний уровень модели, который отвечает за кодирование передаваемой информации в уровни сигналов, принятые в среде передачи, и обратное декодирование. Здесь же определяются требования к соединителям, разъемам, электрическому согласованию, заземлению, защите от помех и т.д.
Большинство функций двух нижних уровней модели (1 и 2) обычно реализуются аппаратно (часть функций уровня 2 - программным драйвером сетевого адаптера). Именно на этих уровнях определяется скорость передачи и топология сети, метод управления обменом и формат пакета, то есть то, что имеет непосредственное отношение к типу сети (Ethernet, Token-Ring, FDDI). Более высокие уровни не работают напрямую с конкретной аппаратурой, хотя уровни 3,4 и 5 еще могут учитывать ее особенности. Уровни 6 и 7 вообще не имеют к аппаратуре никакого отношения. Замены аппаратуры сети на другую они просто не заметят.
В уровне 2 (канальном) нередко выделяют два подуровня.
Верхний подуровень (LLC - Logical Link Control) осуществляет управление логической связью, то есть устанавливает виртуальный канал связи (часть его функций выполняется программой драйвера сетевого адаптера).
Нижний подуровень (MAC - Media Access Control) осуществляет непосредственный доступ к среде передачи информации (каналу связи). Он напрямую связан с аппаратурой сети.
Помимо модели OSI, существует также модель IEEE Project 802, принятая в феврале 1980 года (отсюда и число 802 в названии), которую можно рассматривать как модификацию, развитие, уточнение модели OSI. Стандарты, определяемые этой моделью (так называемые 802-спецификации), делятся на двенадцать категорий, каждой из которых присвоен свой номер.
802.1 - объединение сетей.
802.2 - управление логической связью.
802.3 - локальная сеть с методом доступа CSMA/CD и топологией «шина» (Ethernet).
802.4 - локальная сеть с топологией «шина» и маркерным доступом.
802.5 - локальная сеть с топологией «кольцо» и маркерным доступом.
802.6 - городская сеть (Metropolitan Area Network, MAN).
802.7 - широковещательная технология.
802.8 - оптоволоконная технология.
802.9 - интегрированные сети с возможностью передачи речи и данных.
802.10 — безопасность сетей.
802.11 - беспроводная сеть.
802.12 — локальная сеть с централизованным управлением доступом по приоритетам запросов и топологией «звезда» (lOOVG-AnyLAN).
Стандарты 802.3, 802.4, 802.5, 802.12 прямо относятся к подуровню MAC второго (канального) уровня эталонной модели OSI. Остальные 802-спецификации решают общие вопросы сетей.
Сетевые программные средства других фирм
Кроме сетевых программных продуктов ведущих фирм Novell и Microsoft существует еще целый ряд сетевых средств других производителей. Особенно успешно конкурируют другие фирмы с этими гигантами на рынке одноранговых сетей.
LANtastic фирмы Artisoft в течение длительного времени была самой популярной одноранговой системой, которая по сути и создала данный рынок. Несмотря на то, что она не является самой быстродействующей, LANtastic имеет целый ряд замечательных особенностей, например, прекрасные возможности разделения принтера и CD-дисков, а также поддержку звуковой электронной почты. Она требует очень небольшого объема памяти (34Кб на рабочей станции и 60Кб на сервере), к тому же поддерживает совместимость с компьютерами Macintosh и с ОС Windows. В версии 5.0 имеются средства для работы в среде NetWare, в версии 6.0 добавлены средства работы с факсами в сети. Недостаток последних версий LANtastic состоит в том, что они ориентированы в основном на применение оригинальных адаптеров Ethernet производства фирмы Artisoft.
Правда, возможно и использование адаптеров других поставщиков при закупке специальных программ.
В сети LANtastic может работать от двух до трехсот рабочих станций. При большом количестве рабочих станций производительность сети заметно падает (так как LANtastic - это все-таки оболочка, работающая на базе DOS). Несколько улучшить ситуацию может использование нескольких компьютеров в качестве выделенных серверов (возможность этого предусмотрена).
LANtastic отличается невысокой ценой, проста в установке и надежна в администрировании.
POWERLan фирмы Performance Technology - это самая быстродействующая из одноранговых систем (сравнение ее с продуктами Novell представлено в табл. 4.2). Высокое быстродействие достигнуто за счет хорошей проработанности программ: используемая версия NetBIOS считается одной из лучших.
Табл. 4.2. Сравнение времен доступа одноранговых сетевых программных систем
| Режим | POWERLan | NetWare Lite | Personal NetWare | ||||
| На локальном накопителе рабочей станции: Чтение | 10,20 | 11,03 | 10,95 | ||||
| Запись | 8,60 | 8,95 | 8,15 | ||||
| На диске сервера при доступе с рабочей станции: | |||||||
| Чтение | 17,90 | 25,40 | 26,25 | ||||
| Запись | 12,05 | 15,43 | 15,00 | ||||
| При одновременной работе четырех рабочих станций: | |||||||
| Чтение | 29,10 | 41,09 | 38,95 | ||||
| Запись | 18,90 | 34,78 | 34,12 |
Существуют версии на 5, 15 или неограниченное число пользователей (при этом ограничено только число одновременных присоединений к одному серверу). Сеть POWERLan допускает работу с серверами под управлением UNIX, LAN Server, LAN Manager, NetWare. Она поддерживает более 50 различных сетевых адаптеров. Защита данных довольно хорошо развита, предусмотрено кэширование диска.
На рабочей станции данная система занимает память около 69 Кб. Как и другие одноранговые сети, POWERLan проста в установке и использовании. По многим оценкам она имеет хорошие перспективы, особенно при сравнительно большом количестве абонентов, когда другие одноранговые системы работают медленно.
В заключение данной главы необходимо отметить, что пользователю, работающему с приложениями, вообще-то не слишком важно, какие программные средства, протоколы, аппаратура используются в его сети. Ему гораздо важнее то, что сеть существует, что она дает возможность удобного совместного использования ресурсов. Но такая ситуация сохраняется только до тех пор, пока возможности сети не слишком сдерживают работу приложений. Принципиальное значение имеют разрешенные режимы доступа к этим ресурсам, а также время доступа к ним, что и определяется характеристиками всех рассмотренных средств.
Сетевые программные средства фирм Microsoft и IBM
Фирма Microsoft ведет свою работу по созданию сетевых программных продуктов по нескольким направлениям.
Одно из направлений связано с сотрудничеством с фирмой IBM и поддержкой ее операционной системы OS/2, которая появилась в 1987 году и была призвана заменить собой несовершенную DOS. Именно для совместной работы с OS/2 были предложены продукты LAN Manager фирмы Microsoft и LAN Server фирмы IBM. Однако эти продукты не получили большого распространения в связи с тем, что сама OS/2 не слишком популярна. К тому же они не обеспечивают той независимости от сетевых аппаратных средств, какую гарантируют ОС фирмы Novell (например, они хорошо работают с сетью Token-Ring, но не идеально совмещаются с Ethernet).
Система LAN Manager - это 16-разрядная система, a LAN Server - 32-разрядная система, что, конечно, сказывается на их быстродействии. В обоих продуктах предусмотрена возможность работы сервера как рабочей станции в одноранговой среде, но из соображений защиты данных никто не использует эти продукты для одноранговых сетей. Считается, что данные продукты прекрасно подходят для программирования приложений типа клиент/сервер.
Недостаток этих систем по сравнению с продуктами NetWare — большой требуемый объем дискового пространства для хранения программных и конфигурационных файлов (от 1 Мб до 3 Мб на каждой рабочей станции). Другой недостаток — больший требуемый объем оперативной памяти (90 Кб против 50-60 Кб в NetWare). Правда, в современных компьютерах обычно не ощущается нехватки памяти и дискового пространства.
В последние годы фирма Microsoft пошла своим путем, практически отказавшись от поддержки OS/2 и всячески продвигая свои собственные разработки Windows 95, Windows 98 и Windows NT. Именно исходя из этой концепции, в 1993 году была выпущена новая сетевая ОС Windows NT Advanced Server. Эта 32-разрядная ОС представляет собой дальнейшее развитие LAN Manager. Прежде всего, эта система может работать на платформах MIPS R4000 фирмы Intel и Альфа фирмы Digital (DEC). Кроме того, предусмотрена и возможность работы на мультипроцессорном компьютере.
По сравнению с предыдущими разработками существенно усилена защита данных, которая удовлетворяет требованиям уровня защиты С2, требуемого промышленными и военными сетями (имеется защита процедуры присоединения к сети, защита памяти, учет и контроль доступа). Система Windows NT Advanced Server использует протокол SMB на базе NetBIOS, что определяет ее совместимость с такими средствами, как LAN Manager, LAN Server, Windows for Workgroups и со старой ОС PC LAN Program. Предусмотрена поддержка стандартных протоколов TCP/IP и IPX/SPX.
Недостаток Windows NT Advanced Server no сравнению с сетевыми ОС NetWare - сравнительно низкое быстродействие, так как сетевое программное обеспечение в этом случае связано с платой сетевого адаптера слишком многими промежуточными слоями программного обеспечения. По сравнению с LAN Manager и LAN Server система Windows NT Advanced Server занимает больше места на диске и в памяти.
Помимо сетевых ОС на основе сервера, фирма Microsoft выпускает и одноранговые сетевые средства, причем их отличием от других продуктов того лее назначения является то, что сетевые средства встраиваются в операционную систему компьютера. При этом пользователь, приобретая компьютер с установленной операционной системой, автоматически получает и возможность выхода в сеть. Естественно, это во многих случаях гораздо удобнее, чем приобретать и устанавливать пусть даже и более совершенные продукты других фирм. К тому же пользователю не надо изучать интерфейс пользователя сетевой программы, так как он строится так же, как и интерфейс пользователя всех остальных частей операционной системы.
Речь в данном случае идет об ОС Windows for Workgroups, о более поздней разработке Windows 95, Windows 98 и Windows NT Workstation. Все эти ОС основаны на одних и тех же принципах сетевого обмена, что делает их совместимыми между собой. Предусмотрена поддержка совместного использования дисков (в том числе и гибких дисков и CD), а также принтеров. Имеется возможность объединения всех пользователей в рабочие группы для более удобного поиска требуемых ресурсов и организации доступа к ним. Пользователи имеют доступ к встроенной системе электронной почты, а также к совместному электронному ежедневнику. То есть все пользователи сети получают возможность совместно использовать многие ресурсы ОС своего компьютера.
По сравнению с ОС NetWare данные средства имеют меньшую совместимость с другими типами операционных систем и с аппаратными средствами (сетевыми адаптерами). Поэтому при ориентации на эти продукты надо обращать особое внимание на совместимость с ними приобретаемых сетевых адаптеров.
Сетевые программные средства фирмы Novell
Сетевые операционные системы NetWare фирмы Novell на сегодняшний день наиболее популярны в мире. Более половины всех локальных сетей в мире используют различные версии именно этого программного обеспечения. Популярность NetWare определяется хорошей производительностью, способностью работать с разными аппаратными средствами и развитой системой средств защиты данных. Фирма Novell выпускает различные сетевые программные средства: несколько версий сетевых ОС на базе файловых серверов (среди них версия 4.0 для предприятий и версия 3.12), одноранговые сетевые ОС Personal NetWare и NetWare Lite, a также средства диагностики работы сетей.
Продуктам Novell NetWare присущи и недостатки, например, их стоимость для небольших сетей оказывается одной из самых высоких по сравнению с продуктами других производителей. Кроме того, их установка довольно сложна. Но они уже стали фактическим стандартом, поэтому их позиции на рынке довольно прочны.
Рассмотрим кратко особенности основных типов сетевых ОС.
NetWare 2.2 — это самая простая ОС (16-разрядная), имеющаяся на рынке. Выпускаются версии на число пользователей до 5, 10, 50 и 100, отличающиеся ценой (например, версия на 5 пользователей примерно в 6 раз дешевле версии на 100 пользователей). Первая цифра в обозначении версии говорит о минимальных требованиях к процессору компьютеров сети (2 означает процессор не хуже 80286). По сравнению с предшествующей версией 2.15 значительно упрощен процесс инсталляции сети. NetWare 2.2, в отличие от других версий, допускает работу без выделенного сервера, то есть сервер может работать как автономный компьютер, правда, с довольно низкой скоростью.
NetWare 3.12 - это 32-разрядная ОС, ориентированная на работу с процессорами не ниже 80386 (80386, 80486 или Pentium). Ее возможности су-
щественно расширены по сравнению с версией 2.2. Например, она обеспечивает доступ к памяти до 4 Гб для кэширования, присоединение к одному серверу до 250 пользователей (выпускаются версии на 20, 100 и 250 пользователей), объем дисковой памяти до 32 Тб (триллионов байт), максимальный размер файла до 4 Гб.
Стоимость версии на 20 пользователей примерно вчетверо ниже, чем версии на 250 пользователей.
NetWare 3.12 поддерживает рабочие станции с разными ОС (DOS, Macintosh, OS/2 и UNIX). Для этого предусмотрены специальные атрибуты имен файлов. Файлы, созданные под управлением одной ОС, доступны пользователям, имеющим другие ОС. Открытость архитектуры NetWare 3.12 обеспечивается также новым интерфейсом транспортного уровня (ТЫ - Transport Layer Interface), который допускает использование протоколов NetBIOS, IPX/SPX, LU6.2. Предусмотрена также поддержка протокола TCP/IP. Важной особенностью NetWare 3.12 является динамическое распределение памяти. Сравнение некоторых характеристик NetWare 2.2 и NetWare 3.12 приведено в табл. 4.1.
Табл.4.1. Характеристики NetWare 2.2 и NetWare 3.12
| Характеристика | NetWare 2.2 | NetWare 3.1 2 |
| Тип ОС | 16 бит | 32 бита |
| Минимальный ЦП сервера | 80286 | 80386 |
| Минимальный объем памяти на 50 пользователей | 2,5 Мб | 6 Мбайт |
| Максимальное количество пользователей | 100 | 250 |
| Максимальный объем памяти | 12Мб | 4Гб |
| Занимаемый объем на диске | 5 Мб | 9 Мб |
| Максимальный объем дисков | 2Гб | 32 Тб |
| Возможность работы без выделенного сервера | Да | нет |
| Динамическое распределение ресурсов | нет | да |
| Поддержка клиентов OS/2 | Да | да |
| Поддержка клиентов Мае | Да | да |
| Поддержка клиентов OSI | нет | да |
| Сетевые адаптеры | 8 и 16 бит | 8, 16 и 32 бит |
NetWare 4.0 — это ОС, появившаяся в 1993 году. Она рассчитана на работу с процессором не ниже 80386 и допускает одновременную работу до 1000 пользователей сети (выпускаются версии на 5, 10, 20, 50, 100, 250, 500 и 1000 пользователей). NetWare 4.0 полностью совместима с NetWare 2.2 и NetWare 3.12, так что пользователь не замечает никакой разницы между ними. Рабочие станции даже могут продолжать работу с сетевыми оболочками предыдущих версий. Однако возможности NetWare 4.0 шире, чем у предшественников. Например, пользователи получают возможность доступа к 54000 файловым серверам (в версии 3.12 - только к 8 файловым серверам).
В NetWare 4.0 предусмотрена система кэширования предполагаемого чтения, что увеличивает производительность сети, а также встроенная компрессия хранимых данных. В этой ОС улучшена также защита данных от несанкционированного доступа. Важное отличие от других продуктов — возможность централизованного управления всеми серверами с одной рабочей станции. Любой пользователь сети одновременно получает доступ ко всем ресурсам. Есть возможность автоматического дублирования информации, хранящейся в сетевых разделах.
Минимальный требуемый объем памяти составляет 6 Мб. Объем занимаемого пространства на диске колеблется от 12 Мб до 60 Мб в зависимости от выбранных при инсталляции характеристик.
Все сетевые ОС NetWare допускают подключение бездисковых рабочих станций (клиентов), что позволяет при необходимости значительно снизить стоимость сети в целом, а также (при отказе от флоппи-дисководов) исключить возможность занесения компьютерных вирусов. Во всех рассмотренных продуктах предусмотрена поддержка сетевых мостов.
NetWare Lite и Personal NetWare - это простые и дешевые версии программных средств фирмы Novell для построения небольших одноранговых сетей. NetWare Lite появилась в 1991 году и представляла собой сетевую оболочку, работающую под управлением DOS. В 1993 году была представлена доработанная версия Personal NetWare, но и NetWare Lite продолжала продаваться. И тот, и другой продукты гораздо проще и дешевле рассмотренных сетевых ОС на основе файл-сервера. Цена в данном случае устанавливается в расчете на одну рабочую станцию и составляет менее 100 долларов, что в несколько раз меньше, чем у самой дешевой версия NetWare 2.2 на 5 пользователей.
Сетевая программа Personal NetWare рассчитана на работу в сети, содержащей от 2 до 25 пользователей. Как и NetWare Lite, она может работать с любым типом процессора и не требует доступа к расширенной или дополнительной памяти компьютера. Минимальный требуемый объем памяти составляет 640 Кб. Оба эти продукта могут работать совместно с NetWare 2.2, 3.12 и 4.0, что позволяет гибко комбинировать преимущества сетевых программных средств разных типов. Инсталляция Personal NetWare и NetWare Lite предельно проста. Предусмотрена защита от несанкционированного копирования программ, которая сводится к автоматической проверке каждой рабочей станцией, имеется ли в сети еще одна рабочая станция с точно такой же копией программного обеспечения.
В обоих продуктах предусмотрена возможность использовать компьютеры сети как серверы, как клиенты, как серверы и клиенты одновременно, а также как выделенные серверы (как правило, на ограниченное время).
Несмотря на свою простоту оба этих продукта предусматривают назначение прав доступа (хотя и не слишком развитое), систему паролей, они достаточно надежны. Правда, в начале выпуска NetWare Lite в ней были кое-какие неприятные ошибки, но в Personal NetWare они были исправлены.
Стандартные сетевые программные средства
Функции верхних уровней эталонной модели OSI выполняют сетевые программные средства. Для установки сети достаточно иметь набор сетевого оборудования, его драйверы, а также какое-нибудь сетевое программное обеспечение. От выбора этого программного обеспечения зависит очень многое: допустимый размер сети, удобство использования и контроля сети, режимы доступа к ресурсам, производительность сети в разных режимах и т.д. Правда, заменить одну программную систему на другую значительно проще, чем сменить оборудование.
С точки зрения распределения функций между компьютерами сети, все сети можно разделить на две группы.
Одноранговые сети, то есть сети, состоящие из равноправных (с точки зрения доступа к сети) компьютеров.
Сети на основе серверов, в которых существуют только выделенные (dedicated) серверы, занимающиеся исключительно сетевыми функциями. Выделенный сервер может быть единственным или их может быть несколько.
Соответственно этому делению существуют и типы программных средств, реализующих эти виды сетей.
Одноранговые сети (рис. 4.12) и соответствующие программные средства, как правило, используются при необходимости объединения небольшого количества компьютеров (до 10-20). Каждый компьютер такой сети может одновременно являться и сервером, и клиентом сети, хотя вполне возможно назначение какого-то компьютера только сервером, а какого-то — только клиентом. Принципиальна именно возможность совмещения функций клиента и сервера. Важно также то, что в одноранговой сети любой сервер может быть невыделенным (non-dedicated), то есть может не только обслуживать сеть, но и работать как автономный компьютер (правда, запросы к нему по сети могут сильно снизить скорость его работы). В одноранговой сети могут быть и выделенные серверы, только обслуживающие сеть, это не принципиально.
Рис. 4.12. Одноранговая сеть
Именно в данном случае наиболее правильно говорить о распределенных дисковых ресурсах, о виртуальном компьютере, а также о суммировании объемов дисков всех компьютеров сети. Если все компьютеры являются серверами, то любой файл, созданный на одном компьютере, сразу же становится доступным всем остальным компьютерам, его не надо передавать на централизованный сервер.
Достоинством одноранговых сетей является их высокая гибкость: в этом случае сеть может использоваться очень активно, а может и не использоваться совсем в зависимости от конкретной задачи. Из-за большой самостоятельности компьютеров в таких сетях редко бывает ситуация перегрузки сети (к тому же количество компьютеров обычно невелико). В одноранговых сетях допускается определение различных прав пользователей по доступу к сетевым ресурсам, но система разграничения прав не слишком развита. Также недостатком одноранговых сетей является слабая система контроля за сетью, протоколирования работы сети. К тому же выход из строя любого компьютера-сервера приводит к потере части общей информации, то есть все такие компьютеры должны быть по возможности высоконадежными. Эффективная скорость передачи информации по одноранговой сети часто оказывается недостаточной, так как трудно обеспечить высокую скорость процессоров, большой объем оперативной памяти и высокие скорости обмена с жестким диском для всех компьютеров сети. К тому же компьютеры сети работают не только на сеть, но решают и другие задачи.
Несколько примеров распространенных одноранговых сетевых программных средств:
NetWare Lite фирмы Novell;
LANtastic фирмы Artisoft;
Windows for Workgroups фирмы Microsoft;
Windows NT Workstation фирмы Microsoft;
Windows 95 фирмы Microsoft.
Одноранговые сетевые программные средства могут быть сетевыми оболочками, работающими под управлением DOS (например, NetWare Lite), а могут быть встроены в операционную систему (Windows 95). Отличаются они друг от друга разными эффективными скоростями обмена (сеть LANtastic работает несколько медленнее, чем NetWare Lite, так как использует более медленные, хотя и более надежные протоколы обмена), разным удобством использования (встроенные сетевые средства Windows 95 не требуют никаких дополнительных затрат на установку сетевых программ).
Сетевые оболочки работают, перехватывая все запросы DOS. Те запросы, которые вызываются обращениями к сетевым устройствам, обрабатываются и выполняются сетевой оболочкой, а те, которые вызваны обращениями к «местным», несетевым ресурсам, возвращаются обратно в DOS и обрабатываются стандартным образом. Примерная схема этого механизма представлена на рис. 4.13. Программа, непосредственно обрабатывающая запросы, называется редиректором.
Рис. 4.13. Обработка запросов DOS сетевой оболочкой
Рис. 4.14. Сеть на основе сервера
Сети на основе сервера применяются в тех случаях, когда в сеть должно быть объединено много пользователей. В этом случае быстродействия одноранговой сети может не хватить. Поэтому в сеть включается специализированный компьютер - сервер, который обслуживает только сеть и не решает никаких других задач (рис. 4.14). Такой сервер называется выделенным. Серверы специально оптимизированы для быстрой обработки сетевых запросов на разделяемые ресурсы и для управления защитой файлов и каталогов. При больших размерах сети мощности одного сервера может оказаться недостаточно, и тогда в сеть включают несколько серверов. Серверы могут выполнять и некоторые другие задачи: сетевая печать, выход в глобальную сеть, связь с другой локальной сетью, обслуживание электронной почты и т.д. Количество пользователей сети на основе сервера может достигать нескольких тысяч. Одноранговой сетью такого размера просто невозможно было бы управлять.
В любом случае в сети на основе сервера существует четкое разделение компьютеров на клиентов (или рабочие станции) и серверы. Клиенты не могут работать как серверы, а серверы - как клиенты и как автономные компьютеры. Очевидно, что все сетевые дисковые ресурсы могут располагаться только на сервере, а клиенты могут обращаться только к серверу, но не друг к другу. Однако это не значит, что они не могут общаться между собой, просто пересылка информации от одного клиента к другому возможна только через сервер, например через файл, доступный всем клиентам. В данном случае реализуется некоторая «логическая звезда» с сервером в центре, хотя физическая топология сети может быть любой.
Достоинством сети на основе сервера часто называют надежность. Это верно, но только с одной оговоркой: если сервер действительно очень на-
дежен. В противном случае любой отказ сервера приводит к полному параличу сети в отличие от ситуации с одноранговой сетью, где отказ одного из компьютеров не приводит к полному отказу все сети. Бесспорное достоинство сети на основе сервера — высокая скорость обмена, так как сервер всегда оснащается быстрым процессором (или даже несколькими процессорами), оперативной памятью большого объема и быстрыми жесткими дисками. Так как все ресурсы сети собраны в одном месте, возможно применение гораздо более мощных средств управления доступом, защиты данных, протоколирования обмена, чем в одноранговых сетях.
К недостаткам сети на основе сервера относятся ее громоздкость в случае небольшого количества компьютеров, зависимость всех компьютеров-клиентов от сервера, более высокая стоимость сети вследствие использования дорогого сервера. Но, говоря о стоимости, надо также учитывать, что при одном и том же объеме сетевых дисков большой диск сервера получается дешевле, чем много дисков меньшего объема, входящих в состав всех компьютеров одноранговой сети.
Примеры некоторых распространенных сетевых программных средств на основе сервера:
NetWare фирмы Novell;
LAN Server фирмы IBM;
VINES фирмы Banyan Systems;
LAN Manager фирмы Microsoft;
Windows NT Server фирмы Microsoft.
На файл-сервере в данном случае устанавливается сетевая операционная система, заменяющая DOS. Эта сетевая ОС специально оптимизирована для эффективного выполнения специфических операций по организации сетевого обмена. На рабочих станциях (клиентах) может устанавливаться как сетевая оболочка, работающая над DOS (как в случае NetWare), так и операционная система (как в случае Windows NT).
Для обеспечения надежной работы сети при авариях электропитания применяется бесперебойное электропитание сервера. В данном случае это гораздо проще, чем при одноранговой сети, где приходится оснащать источниками бесперебойного питания все компьютеры сети. Сервер может комплектоваться очень простым и дешевым видеомонитором, может даже вообще не иметь его, так как единственная функция этого монитора — контроль за запуском сетевого программного обеспечения.
Для администрирования сети (то есть управления распределением ресурсов, контроля за правами доступа, за защитой данных, за файловой системой, резервированием файлов и т.д.) в случае сети на основе сервера необходимо выделять специального человека, имеющего соответствующую квалификацию. Централизованное администрирование облегчает обслуживание сети и позволяет оперативно решать все вопросы. Особенно это важно для надежной защиты данных от несанкционированного доступа. В случае же одноранговой сети можно обойтись и без специалиста-администратора, правда, все пользователи сети должны при этом иметь хоть какое-то представление об администрировании.
А теперь очень кратко остановимся на основных особенностях некоторых наиболее популярных типах сетевых программных средств.
Стандартные сетевые протоколы
Протокол - это набор правил и процедур, регулирующих порядок осуществления связи. Естественно, все компьютеры, участвующие в обмене, должны работать по одним и тем же протоколам, чтобы по завершении передачи вся информация восстанавливалась в первоначальном виде.
О протоколах самых нижних уровней (физического и канального), относящихся к аппаратуре, уже упоминалось в предыдущих разделах. В частности, к ним относятся методы кодирования и декодирования, методы управления обменом в сети. Подробнее о некоторых из них будет рассказано в специальных главах книги. А сейчас мы остановимся на особенностях протоколов более высоких уровней, реализуемых программно.
Связь сетевого адаптера с сетевым программным обеспечением осуществляют драйверы сетевых адаптеров. Именно благодаря драйверу компьютер может не знать никаких аппаратурных особенностей адаптера (ни его адресов, ни правил обмена с ним, ни его характеристик). Драйвер унифицирует, делает единообразным общение программных средств с любой платой данного класса. Сетевые драйверы, поставляемые вместе с сетевыми адаптерами, позволяют сетевым программам одинаково работать с платами разных поставщиков и даже с платами разных локальных сетей (Ethernet, Arcnet, Token-Ring и т.д.). Если говорить о стандартной модели OSI, то драйверы, как правило, выполняют часть функций верхнего подуровня (подуровень управления доступом к среде, MAC) канального уровня, хотя иногда они выполняют и часть функций сетевого уровня. Например, драйверы формируют передаваемый пакет в буферной памяти адаптера, читают из этой памяти пришедший по сети пакет, дают команду на передачу и информируют компьютер о приеме пакета.
В любом случае перед приобретением платы адаптера не мешает ознакомиться со списком совместимого оборудования (Hardware Compatibility List, HCL), который публикуют все производители сетевых операционных систем. Выбор там довольно велик (например, для Microsoft Windows NT Server список включает более сотни драйверов сетевых адаптеров). Если в список HCL не входит адаптер какого-то типа, лучше не рисковать и не покупать его.
Рассмотрим теперь кратко протоколы более высоких уровней.
Существует несколько стандартных наборов (или, как их еще называют, стеков) протоколов, получивших сейчас наиболее широкое распространение:
набор протоколов ISO/OSI;
IBM System Network Architecture (SNA);
Digital DECnet;
Novell NetWare;
Apple AppleTalk;
набор протоколов глобальной сети Internet, TCP/IP.
Включение в этот список протоколов глобальной сети вполне объяснимо, ведь модель OSI используется для любой открытой системы, как на базе локальной сети, так и на основе глобальной сети или комбинации локальной и глобальной сетей.
Протоколы перечисленных наборов делятся на три основные типа:
прикладные протоколы (выполняющие функции прикладного, представительского и сеансового уровней модели OSI);
транспортные протоколы (выполняющие функции транспортного и сеансового уровней OSI);
сетевые протоколы (выполняющие функции трех нижних уровней OSI).
Прикладные протоколы обеспечивают взаимодействие приложений и обмен данными между ними. К наиболее популярным из них относятся следующие:
FT AM (File Transfer Access and Management) — протокол OSI доступа к файлам; >
X.400 - протокол CCITT для международного обмена электронной почтой;
Х.500 — протокол CCITT служб файлов и каталогов на нескольких системах;
SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) — протокол глобальной сети Internet для обмена электронной почтой;
FTP (File Transfer Protocol) - протокол глобальной сети Internet для передачи файлов;
SNMP (Simple Network Management Protocol) - протокол для мониторинга сети, контроля за работой сетевых компонентов и управления ими;
Telnet - протокол глобальной сети Internet для регистрации на удаленных хостах и обработки данных на них;
Microsoft SMBs (Server Message Blocks, блоки сообщений сервера) и клиентские оболочки или редиректоры Microsoft;
NCP (Novell NetWare Core Protocol) и клиентские оболочки или редиректоры Novell.
Транспортные протоколы поддерживают сеансы связи между компьютерами и гарантируют надежный обмен данными между ними. Наиболее популярны из них следующие:
• TCP (Transmission Control Protocol) - TCP/IP-протокол для гарантированной доставки данных, разбитых на последовательность фрагментов;
SPX - часть набора протоколов IPX/SPX (Internetwork Packet Exchange/Sequential Packet Exchange) для данных, разбитых на последовательность фрагментов, предложенный фирмой Novell;
NWLink - реализация протокола IPX/SPX от фирмы Microsoft;
NetBEUI - (NetBIOS Extended User Interface, расширенный интерфейс NetBIOS) - устанавливает сеансы связи между компьютерами (NetBIOS) и предоставляет верхним уровням транспортные услуги (NetBEUI).
Сетевые протоколы управляют адресацией, маршрутизацией, проверкой ошибок и запросами на повторную передачу. Наиболее популярны из них следующие:
IP (Internet Protocol) - TCP/IP-протокол для передачи данных;
IPX (Internetwork Packet Exchange) - протокол фирмы NetWare для передачи и маршрутизации пакетов;
NWLink - реализация протокола IPX/SPX фирмой Microsoft;
NetBEUI - транспортный протокол, обеспечивающий услуги транспортировки данных для сеансов и приложений NetBIOS.
Все перечисленные протоколы могут быть поставлены в соответствие тем или иным уровням эталонной модели OSI. При этом надо учитывать, что разработчики протоколов не слишком строго придерживаются этих уровней. Например, некоторые протоколы выполняют функции, относящиеся сразу к нескольким уровням модели OSI, а другие - только часть функций одного из уровней. Это приводит к тому, что протоколы разных фирм часто оказываются несовместимы между собой, а также к тому, что протоколы могут быть успешно использованы исключительно в составе своего набора протоколов (стека), который выполняет более или менее законченную группу функций. Как раз это и делает сетевую операционную систему «фирменной», то есть, по сути, несовместимой со стандартной моделью открытой системы OSI.
Рис. 4.7. Соотношение уровней модели OSI и протоколов операционной системы Windows NT
Рис. 4.8. Соотношение уровней модели OSI и протоколов операционной системы NetWare
Рассмотрим теперь подробнее некоторые наиболее распространенные протоколы.
Модель OSI допускает два различных метода взаимодействия в сети:
Метод взаимодействия без логического соединения (метод дейтаграмм) - самый старый и простейший метод, в котором каждый пакет рассматривается как самостоятельный объект (рис. 4.10). Пакет передается без установления логического канала, то есть без предварительного обмена служебными пакетами для выяснения готовности приемника, а также без ликвидации логического канала, то есть без пакета подтверждения окончания передачи. Дойдет пакет до приемника или нет - неизвестно (проверка факта получения переносится на более высокие уровни). Метод дейтаграмм предъявляет повышенные требования к аппаратуре (так как приемник всегда должен быть готов к приему пакета). Достоинство метода в том, что передатчик и приемник работают независимо друг от друга, к тому.же пакеты могут буферироваться и передаваться затем все вместе, можно также использовать широковещательную передачу, то есть адресовать пакет всем абонентам одновременно. Недостатки метода — это возможность потери пакетов, а также возможность бесполезной загрузки сети пакетами в случае отсутствия или неготовности приемника.
Рис. 4.10. Методдейта грамм
Метод с логическим соединением (рис. 4.11, см. также рис. 3.2) -это более поздняя разработка с более сложным порядком взаимодействия. Пакет передается только после того, как будет установлено логическое соединение (канал) между приемником и передатчиком. Каждому информационному пакету сопутствует один или несколько служебных пакетов (установка соединения, подтверждение получения, запрос повторной передачи, разъединение соединения). Логический канал может устанавливаться на время передачи одного или нескольких пакетов. Метод более сложен, чем метод дейтаграмм, но гораздо надежнее его, так как к моменту ликвидации логического канала передатчик уверен, что все его пакеты дошли до места назначения, причем дошли успешно. Не бывает при данном методе и перегрузки сети из-за бесполезных пакетов, как в случае метода дейтаграмм. Недостаток метода с логическим соединением состоит в том, что довольно сложно разрешить ситуацию, когда принимающий абонент по тем или иным причинам не готов к обмену, например из-за обрыва кабеля, отключения питания, неисправности сетевого оборудования, сбоя в компьютере. При этом требуется алгоритм обмена с повторением неподтвержденного пакета заданное количество раз, причем важен и тип неподтвержденного пакета.
Рис. 4.11. Метод с логическим соединением
Примеры протоколов, работающих по первому методу - это IP и IPX, a протоколов, работающих по второму методу - это TCP и SPX. Именно поэтому эти протоколы используются в виде связанных наборов TCP/IP и IPX/SPX, в которых протокол более высокого уровня (TCP, SPX), работающий на базе протокола более низкого уровня (IP, IPX), гарантирует правильную доставку пакетов в требуемом порядке. Это позволяет объединить достоинства двух рассмотренных методов.
Протоколы IPX/SPX образуют набор, используемый в сетевых программных средствах локальных сетей фирмы Novell (NetWare), которые в наше время являются одними из самых популярных. Это сравнительно небольшой и быстрый протокол, поддерживающий маршрутизацию. Прикладные программы могут обращаться непосредственно к уровню IPX, например, для посылки широковещательных сообщений, но значительно чаще работают с уровнем SPX, гарантирующим быструю и надежную доставку пакетов. Если скорость не слишком важна, то используется еще более высокий уровень, например NetBIOS, предоставляющий более удобный сервис. Фирмой Microsoft предложена своя реализация IPX/SPX, называемая NWLink.
Протокол TCP/IP специально разработан для глобальных сетей и для межсетевого взаимодействия. Он рассчитан на низкое качество каналов связи, на большую вероятность ошибок и разрывов связей. Этот протокол принят во всемирной компьютерной сети Internet, значительная часть 1бонентов которой подключается по коммутируемым линиям (то есть эбычным телефонным линиям). Протокол TCP/IP также поддерживает маршрутизацию. На его основе работают протоколы более высоких уровней, такие как SMTP, FTP, SNMP. Недостаток протокола TCP/IP - низшая скорость работы.
Протокол NetBIOS (сетевая базовая система ввода/вывода) был разра-Зотан фирмой IBM первоначально для сетей IBM PC Network и IBM Foken-Ring no образцу системы BIOS персонального компьютера. С тех тор этот протокол стал фактическим стандартом (официально он не стандартизован), и многие сетевые операционные системы содержат в себе эмулятор NetBIOS для обеспечения совместимости. Первоначально NetBIOS реализовывал сеансовый, транспортный и сетевой уровни, од-яако в последующих сетях на более низких уровнях используются стандартные протоколы (например, IPX/SPX), а на долю эмулятора NetBIOS эстается только сеансовый уровень. NetBIOS обеспечивает более высокий уровень сервиса, чем IPX/SPX, но он работает медленнее. Протокол NetBEUI - это развитие протокола NetBIOS до транспортного уровня.
Наконец, упоминавшийся набор протоколов OSI — это полный стек про-гоколов, где каждый протокол точно соответствует конкретному уровню стандартной модели OSL Набор содержит маршрутизируемые и транспортные протоколы, серии протоколов IEEE 802, протокол сеансового уровня представительского уровня и несколько протоколов прикладного уровня. Пока широкого распространения этот набор протоколов не получил, хотя он и полностью соответствует эталонной модели.
Адресация пакетов
Каждый абонент (узел) локальной сети должен иметь свой уникальный адрес (он же идентификатор, МАС-адрес), чтобы ему можно было адресовать пакеты. Существуют две основные системы присвоения адресов абонентам сети (точнее, сетевым адаптерам этих абонентов).
Первая система элементарно проста. Она сводится к тому, что при установке сети каждому абоненту присваивается свой адрес (программно или с помощью переключателей на плате адаптера). При этом требуемое количество разрядов адреса определяется из простого уравнения:
2n>Nmax,
где п — количество разрядов адреса, a Nmax - максимально возможное количество абонентов в сети. Например, восьми разрядов адреса достаточно для сети из 255 абонентов. Один адрес (обычно 1111....11) отводится для широковещательной передачи, то есть используется для пакетов, адресованных всем абонентам одновременно. Именно этот подход использо-
ван в такой известной сети, как Arcnet. Достоинства данного подхода -простота и малый объем служебной информации в пакете, а также простота аппаратуры адаптера, распознающей адрес пакета. Недостаток -трудоемкость задания адресов и возможность ошибки (например, двум абонентам сети может быть присвоен один и тот же адрес).
Второй подход к адресации был разработан международной организацией IEEE, занимающейся стандартизацией сетей. Именно он используется в большинстве сетей и рекомендован для всех новых разработок. Идея состоит в том, чтобы присваивать уникальный сетевой адрес каждому адаптеру сети еще на этапе его изготовления. Если количество возможных адресов будет достаточно большим, то можно быть уверенным, что в любой сети не будет абонентов с одинаковыми адресами. Был выбран 48-битный формат адреса, что соответствует примерно 280 триллионам различных адресов. Понятно, что столько сетевых.адаптеров никогда не будет выпущено.
Рис. 3.4. Структура 48-битного стандартного адреса
Чтобы распределить возможные диапазоны адресов между многочисленными изготовителями сетевых адаптеров, была предложена следующая структура адреса (рис. 3.4):
Младшие 24 разряда кода адреса называются OUA (Organizationally Unique Address) - организационно уникальный адрес. Именно их присваивает производитель сетевого адаптера. Всего возможно свыше 16 миллионов комбинаций.
Следующие 22 разряда кода называются OUI (Organizationally Unique Identifier) - организационно уникальный идентификатор. IEEE присваивает один или несколько ОШ каждому производителю сетевых адаптеров. Это позволяет исключить совпадения адресов адаптеров от разных производителей. Всего возможно свыше 4 миллионов разных OUI. Вместе OUA и OUI называются UAA (Universally Administered Address) - универсально управляемый адрес или IEEE-адрес.
Два старших разряда адреса являются управляющими и определяют тип адреса, способ интерпретации остальных 46 разрядов. Старший бит I/G (Individual/Group) определяет, индивидуальный это адрес или групповой. Если он установлен в 0, то мы имеем дело с индивидуальным адресом, если установлен в 1, то с групповым (многопунктовым или функциональным) адресом. Пакеты с групповым адресом получают все имеющие его сетевые адаптеры, причем групповой адрес определяется всеми 46 младшими разрядами. Второй управляющий бит U/L (Universal/Local) называется флажком универсального/местного управления и определяет, как был присвоен адрес данному сетевому адаптеру. Обычно он установлен в 0. Установка бита U/L в 1 означает, что адрес задан не производителем сетевого адаптера, а организацией, использующей данную сеть. Это довольно редкая ситуация.
Для широковещательной передачи используется специально выделенный сетевой адрес, все 48 битов которого установлены в единицу. Его принимают все абоненты сети независимо от их индивидуальных и групповых адресов.
Данной системы адресов придерживаются, например, такие популярные сети, как Ethernet, Fast Ethernet, Token-Ring, FDDI, lOOVG-AnyLAN. Ее недостатки - высокая сложность аппаратуры сетевых адаптеров, а также большая доля служебной информации в передаваемом пакете (адрес источника и адрес приемника требуют уже 96 битов пакета, или 12 байт).
Во многих сетевых адаптерах предусмотрен так называемый циркулярный режим. В этом режиме адаптер принимает все пакеты, приходящие к нему, независимо от значения поля адреса приемника. Этот режим используется, например, для проведения диагностики сети, измерения ее производительности, контроля за ошибками передачи. В этом случае один компьютер принимает и контролирует все пакеты, проходящие по сети, но сам ничего не передает. В этом же режиме работают сетевые адаптеры мостов и коммутаторы, которые должны обрабатывать перед ретрансляцией все приходящие к ним пакеты.
Пакеты, протоколы и методы управления обменом
3.1. Назначение пакетов и их структура
3.2. Адресация пакетов
3.3. Методы управления обменом
3.3.1. Управление обменом в сети с топологией «звезда»
3.3.2. Управление обменом в сети с топологией «шина»
3.3.3. Управление обменом в сети с топологией кольцо
Стандартные локальные сети
5.1. Сети Ethernet и Fast Ethernet
5.2. Сеть Token-Ring
5.3. Сеть Arcnet
5.4. Сеть FDDI
5.5. Ceть lOOVG-AnyLAN
5.6. Сверхвысокоскоростные сети
Методы управления обменом
Сеть всегда объединяет несколько абонентов, каждый из которых имеет право передавать свои пакеты. Но по одному кабелю не может одновременно передаваться два пакета, иначе возможен конфликт (коллизия), что приведет к искажению и потере обоих пакетов. Значит, надо каким-то образом установить очередность доступа к сети (захвата сети) всеми абонентами, желающими передавать. Это относится прежде всего к сетям с топологиями «шина» и «кольцо». Точно так же при топологии «звезда» необходимо установить очередность передачи пакетов периферийными абонентами, иначе центральный абонент просто не сможет справиться с их обработкой.
Поэтому в любой сети применяется тот или иной метод управления обменом (он же метод доступа, он же метод арбитража), разрешающий или предотвращающий конфликты между абонентами. От эффективности выбранного метода зависит очень многое: скорость обмена информацией между компьютерами, нагрузочная способность сети, время реакции сети на внешние события и т.д. Метод управления - это один из важнейших параметров сети. Тип метода управления обменом во многом определяется особенностями топологии сети, но в то же время он и не привязан жестко к топологии.
Методы управления обменом делятся на две группы:
Централизованные методы, при которых все управление сосредоточенно в одном месте. Недостатки таких методов: неустойчивость к отказам центра, малая гибкость управления. Достоинство - отсутствие конфликтов.
Децентрализованные методы, при которых отсутствует центр управления. Главные достоинства таких методов: высокая устойчивость к отказам и большая гибкость. Однако возможны конфликты, которые надо разрешать.
Существует и другое деление методов управления обменом, относящееся, главным образом, к децентрализованным методам:
Детерминированные методы определяют четкие правила, по которым чередуются захватывающие сеть абоненты. Абоненты имеют ту или иную систему приоритетов, причем приоритеты эти различны для всех абонентов. При этом, как правило, конфликты полностью исключены (или маловероятны), но некоторые абоненты могут дожидаться своей очереди слишком долго. К детерминированным методам относится, например, маркерный доступ, при котором право передачи передается по эстафете от абонента к абоненту.
Случайные методы подразумевают случайное чередование передающих абонентов. В этом случае возможность конфликтов подразумевается, но предлагаются способы их разрешения. Случайные методы работают хуже, чем детерминированные, при больших информационных потоках в сети (при большом трафике сети) и не гарантируют абоненту величину времени доступа (это интервал между возникновением желания передавать и получением возможности передать свой пакет). Пример случайного метода - CSMA/CD.
Рассмотрим три наиболее типичных метода управления обменом, характерных для трех основных топологий.
Назначение пакетов и их структура
Информация в локальных сетях, как правило, передается отдельными порциями, кусками, называемыми в различных источниках пакетами, кадрами или блоками. Использование пакетов связано с тем, что в сети, как правило, одновременно может происходить несколько сеансов связи (во всяком случае, при топологиях «шина» и «кольцо»), то есть в течение одного и того же интервала времени могут идти два или больше процессов передачи данных между различными парами абонентов. Пакеты как раз и позволяют разделить во времени сеть между передающими информацию абонентами.
Если бы вся требуемая информация передавалась сразу, непрерывно, без разделения на пакеты, то это привело бы к монопольному захвату сети одним из абонентов на довольно продолжительное время. Все остальные абоненты вынуждены были бы ждать окончания передачи всей информации, что в ряде случаев могло бы потребовать десятков секунд и даже минут (например, при копировании содержимого целого жесткого диска). Чтобы уравнять в правах всех абонентов, а также примерно уравнять время доступа к сети и интегральную скорость передачи информации для всех абонентов, как раз и используются пакеты (кадры). Длина пакета зависит от типа сети, но обычно она составляет от нескольких десятков байт до нескольких килобайт.
Важно также и то, что при передаче больших массивов информации становится довольно высокой вероятность ошибки из-за помех и сбоев. Например, при характерной для локальных сетей величине вероятности одиночной ошибки в 10~8 пакет длиной 10 Кбит будет искажен с вероятностью 10~4, а массив длиной 10 Мбит - с вероятностью 10"1. К тому же обнаружить ошибку в массиве из нескольких мегабайт намного сложнее, чем в пакете из нескольких килобайт. При обнаружении ошибки придется повторить передачу всего массива, что гораздо сложнее, чем повторно передать небольшой пакет. Но при повторной передаче большого массива снова высока вероятность ошибки, и процесс этот при слишком большом массиве может повторяться до бесконечности.
С другой стороны, пакеты имеют преимущества и перед побайтовой (8 бит) или пословной (16 бит или 32 бита) передачей информации, так как увеличивается полезная загрузка сети за счет уменьшения требуемого количества служебной информации. Это же относится и к маленьким пакетам длиной в несколько байт. Ведь каждый передаваемый по сети пакет обязательно содержит в себе биты, относящиеся непосредственно к обмену по сети (стартовые биты, биты адресации, биты типа и номера пакета и т.д.). При маленьких пакетах доля этой служебной информации будет непозволительно высокой, что приведет к снижению интегральной (средней) скорости обмена информацией между абонентами сети.
Существует некоторая оптимальная длина пакета (или оптимальный диапазон длин пакетов), при которой средняя скорость обмена информацией по сети будет максимальна. Эта длина не является неизменной величиной, она зависит и от уровня помех, и от метода управления обменом, и от количества абонентов сети, и от характера передаваемой информации, и от многих других факторов.
Структура пакета определяется прежде всего аппаратурными особенностями данной сети, выбранной топологией и типом среды передачи информации, а также существенно зависит от используемого протокола (порядка обмена информацией). Строго говоря, в каждой сети структура пакета индивидуальна. Но существуют некоторые общие принципы формирования пакета, определяемые характерными особенностями обмена информацией по любым локальным сетям.
Чаще всего пакет содержит в себе следующие основные поля или части (рис. 3.1):
Рис. 3.1. Типичная структура пакета
Стартовая комбинация, или преамбула, которая обеспечивает настройку аппаратуры адаптера или другого сетевого устройства на прием и обработку пакета. Это поле может отсутствовать или сводиться к одному-единственному стартовому биту.
Сетевой адрес (идентификатор) принимающего абонента, то есть индивидуальный или групповой номер, присвоенный каждому принимающему абоненту в сети. Этот адрес позволяет приемнику распознать пакет, адресованный ему лично, группе, в которую он входит, или всем абонентам сети одновременно.
Сетевой адрес (идентификатор) передающего абонента, то есть индивидуальный или групповой номер, присвоенный каждому передающему абоненту. Этот адрес информирует принимающего абонента, откуда пришел данный пакет. Включение в пакет адреса передатчика необходимо в том случае, когда одному приемнику могут попеременно приходить пакеты от разных передатчиков.
Служебная информация, которая указывает на тип пакета, его номер, размер, формат, маршрут его доставки, на то, что с ним надо делать приемнику и т.д.
Данные - та информация, ради передачи которой используется данный пакет. Правда, существуют специальные управляющие пакеты, которые не имеют поля данных. Их можно рассматривать как сетевые команды. Пакеты, включающие поле данных, называются информационными пакетами. Управляющие пакеты могут выполнять функцию начала сеанса связи, конца сеанса связи, подтверждения приема информационного пакета, запроса информационного пакета и т.д.
Контрольная сумма пакета - это числовой код, формируемый передатчиком по определенным правилам и содержащий в свернутом виде информацию обо всем пакете. Приемник, повторяя вычисления, сделанные передатчиком, с принятым пакетом, сравнивает их результат с контрольной суммой и делает вывод о правильности или ошибочности передачи пакета. Если пакет ошибочен, то приемник запрашивает его повторную передачу.
Стоповая комбинация служит для информирования аппаратуры принимающего абонента об окончании пакета, обеспечивает выход аппаратуры приемника из состояния приема. Это поле может отсутствовать, если используется самосинхронизирующийся код, позволяющий детектировать факт передачи пакета.
Нередко в структуре пакета выделяют всего три поля:
Начальное управляющее поле пакета (или заголовок пакета), то есть поле, включающее в себя стартовую комбинацию, сетевые адреса приемника и передатчика, а также служебную информацию.
Поле данных пакета.
Конечное управляющее поле пакета (или заключение, трейлер), включающее в себя контрольную сумму и стоповую комбинацию, а также, возможно, служебную информацию.
Помимо термина «пакет» в литературе также используется термин «кадр». Иногда под этими терминами имеется в виду одно и то же, но иногда подразумевается, что кадр вложен в пакет. В этом случае все перечисленные поля кадра, кроме преамбулы и стоповой комбинации, относятся к кадру. В пакет может также входить признак начала кадра (в конце преамбулы). Такая терминология принята, например, в сети Ethernet. Но надо всегда помнить, что физически по сети передается все-таки не кадр, а пакет (если, конечно, различать два эти понятия), и именно передача пакета, а не передача кадра, соответствует занятости сети."
Рис. 3.2. Пример обмена пакетами при сеансе связи
В процессе сеанса обмена информацией по сети между передающим и принимающим абонентами происходит обмен информационными и управляющими пакетами по установленным правилам, называемым протоколом обмена. Пример простейшего протокола показан на рис. 3.2. В данном случае сеанс связи начинается с запроса готовности приемника принять данные. В случае, когда приемник готов, он посылает в ответ управляющий пакет «Готовность». Если приемник не готов, он отказывается от сеанса другим управляющим пакетом. Затем начинается собственно передача данных. При этом на каждый полученный пакет данных приемник отвечает пакетом подтверждения. В случае, когда пакет передан с ошибками, приемник запрашивает повторную передачу. Заканчивается сеанс управляющим пакетом, которым передатчик сообщает о разрыве связи. Существует множество стандартных протоколов, которые используют как передачу с подтверждением (с гарантированной доставкой пакета), так и передачу без подтверждения (без гарантии доставки пакета).
При реальном обмене по сети используются многоуровневые протоколы, каждый из которых предполагает свою структуру кадра (свою адресацию, свою управляющую информацию, свой формат данных и т.д.). Ведь протоколы высоких уровней имеют дело с такими понятиями, как файл-сервер или приложение, запрашивающее данные у другого приложения, и вполне могут не иметь представления ни о типе аппаратуры сети, ни о методе управления обменом. Все кадры более высоких уровней последовательно вкладываются в передаваемый пакет, точнее, в поле данных передаваемого пакета (рис. 3.3). Каждый следующий вкладываемый кадр может содержать свою собственную служебную информацию, располагающуюся как до данных (заголовок), так и после данных (трейлер), причем ее назначение может быть самым различным. Естественно, доля вспомогательной информации в пакетах при этом возрастает с каждым следующим уровнем, что снижает эффективную скорость передачи данных. Поэтому для увеличения этой скорости лучше, чтобы протоколы обмена были как можно проще, и чтобы уровней этих протоколов было как можно меньше. Иначе никакая скорость передачи битов не поможет, и быстрая сеть может передавать, к примеру, какой-нибудь файл дольше, чем медленная сеть, которая пользуется более простым протоколом.
Рис. 3.3. Многоуровневая система вложения кадров
Сеть Arcnet
Сеть Arcnet (или ARCnet, от англ. Attached Resource Computer Net) - это одна из старейших сетей. Она была разработана фирмой Datapoint Corporation еще в 1977 году. Международные стандарты на эту сеть отсутствуют, хотя именно она считается родоначальницей метода маркерного доступа. Несмотря на отсутствие стандартов, сеть Arcnet до недавнего времени пользовалась довольно большой популярностью, даже серьезно конкурировала с Ethernet. Большое количество фирм (например, Datapoint, Standard Microsystems, Xircom и др.) производили аппаратуру для сети этого типа, но сейчас производство аппаратуры Arcnet практически прекращено.
Среди основных достоинств сети Arcnet можно назвать высокую надежность и гибкость, простоту диагностики аппаратных неисправностей, меньшие по сравнению с Ethernet ограничения на общую длину сети (на обычном тонком коаксиальном кабеле), а также сравнительно низкую стоимость адаптеров. Из недостатков сети наиболее существенным является низкая скорость передачи информации (всего лишь 2,5 Мбит/с).
Для передачи информации в сети Arcnet используется довольно редкий код, в котором логической единице соответствуют два импульса в течение битового интервала, а логическому нулю - один импульс. Очевидно, что такой код относится к самосинхронизирующимся, но он требует еще большей пропускной способности кабеля, чем даже Манчестер-П.
В качестве топологии сеть Arcnet использует шину (Arcnet-BUS) и пассивную звезду (Arcnet-STAR). Они показаны на рис 5.11 и 5.12.
Рис. 5.11. Топология сети Arcnet типа «шина»
Рис. 5.12. Топология сети Arcnet типа «пассивная звезда»
Оборудование для топологии «шина» практически ничем не отличается от аналогичного, применяемого в сети Ethernet на тонком коаксиальном кабеле (10ВASE2). Здесь точно так же используются Т-коннекторы и BNC-разъемы, а также терминаторы с заземлением и без него. Единственное, но важное отличие состоит в том, что в данном случае кабель должен быть с волновым сопротивлением 93 Ом, например, марки RG-62A/U, а не 50-омным, как в Ethernet. Соответственно 93-омными должны быть и согласующие терминаторы. Несмотря на большое сходство оборудования, кабельные системы Ethernet и Arcnet несовместимы между собой, и в случае перехода, например, с Arcnet на Ethernet, все кабели придется проложить заново. В связи с резким сокращением выпуска сетей Arcnet эта задача становится довольно актуальной для тех, кто ориентировался на эту сеть.
В случае топологии «пассивная звезда» (или «пассивное дерево», то есть при нескольких концентраторах, объединенных между собой) применяются концентраторы двух типов: активные (которые ретранслируют принимаемые сигналы перед передачей другим абонентам) и пассивные (без ретрансляции). Концентраторы рассчитаны на 4, 8, 16 и 32 канала. 4-ка-нальные концентраторы обычно выполняются в виде платы расширения для компьютера, 8- и 16-канальные — как правило, в виде отдельных конструктивных блоков с собственными источниками питания, что определяет их значительно большую стоимость.
Активные концентраторы используются также и при создании топологии шина. В этом случае к каждому порту концентратора подключается сегмент шины с несколькими абонентами (не более 8). Минимальное расстояние между абонентами в шине составляет 1 м. Отметим, что для топологий шина и звезда применяются различные адаптеры (правда, существуют и адаптеры с возможностью работы как в шине, так и в звезде).
Основные технические характеристики сети Arcnet следующие.
Среда передачи - коаксиальный кабель, витая пара.
Максимальная длина сети - 6 км.
Максимальная длина кабеля от абонента до пассивного концентратора - 30 м.
Максимальная длина кабеля от абонента до активного концентратора - 600 м.
Максимальная длина кабеля между активным и пассивным концентраторами - 30 м.
Максимальная длина кабеля между активными концентраторами — 600 метров.
Максимальное количество абонентов в сети1 - 255.
Максимальное количество абонентов на шинном сегменте — 8.
Максимальная длина сегмента - 300 м.
Скорость передачи данных - 2,5 Мбит/с.
При создании сложных топологий необходимо следить, чтобы задержка распространения сигналов в сети не превышала 30 мкс. Максимальное затухание сигнала в кабеле на частоте 5 МГц не должно превышать 11 дБ.
Как видим, Arcnet уступает Ethernet по допустимому количеству абонентов сети, но в реальности любая сеть довольно редко объединяет больше сотни абонентов.
В сети Arcnet используется маркерный метод доступа (метод передачи права), но он несколько отличается от применяемого в сети Token-Ring. Ближе всего этот метод к тому, который предусмотрен в стандарте IEEE 802.4. Последовательность действий абонентов при данном методе следующая:
Абонент, желающий передавать, ждет прихода маркера.
Получив маркер, он посылает запрос на передачу приемнику информации (то есть спрашивает, готов ли приемник принять его пакет).
Приемник, получив запрос, посылает ответ (то есть подтверждает свою готовность).
Получив подтверждение готовности, передатчик посылает свой пакет.
Получив пакет, приемник посылает подтверждение приема пакета.
Передатчик, получив подтверждение приема пакета, посылает маркер следующему абоненту.
Таким образом, в данном случае пакет передается только тогда, когда есть уверенность в готовности приемника принять его. Это существенно увеличивает надежность передачи. Так же, как и в случае Token-Ring, конфликты в Arcnet полностью исключены. Как и любая маркерная сеть, Arcnet хорошо держит нагрузку и гарантирует величину времени доступа к сети (в отличие от Ethernet). Другое дело, что невысокая пропускная способность сети (2,5 Мбит/с) в принципе не позволяет передавать больших потоков информации, но для небольших сетей, тем более с разовыми случайными передачами, этого часто и не требуется. Отметим также, что маркер передается в данном случае по логическому кольцу, хотя физическая топология сети не кольцевая, а шинная.
Размер пакета сети Arcnet составляет 0,5 Кб. Помимо данных в него входят также 8-битные адреса приемника и передатчика и 16-битная циклическая контрольная сумма (CRC).
Адаптеры сети Arcnet чаще всего выпускаются в виде плат расширения компьютера. Точно так же, как и адаптеры других сетей, перед установкой в компьютер они требуют настройки: выбора адресов портов и номера прерывания. Помимо этой общей настройки на каждой плате адаптера Arcnet необходимо с помощью переключателей или перемычек установить свой собственный сетевой адрес (всего их может быть 255, так как последний, 256-ой адрес применяется в сети для режима широкого вещания).
Существовали варианты сети Arcnet, рассчитанные на скорость передачи 20 Мбит/с, но они не получили широкого распространения.
Сеть FDDI
Сеть FDDI (от английского Fiber Distributed Data Interface, оптоволоконный распределенный интерфейс данных) - это одна из новейших разработок стандартов локальных сетей. Стандарт FDDI, предложенный Аме-
риканским национальным институтом стандартов ANSI (спецификация ANSI X3T9.5), изначально ориентировался на высокую скорость передачи (100 Мбит/с) и на применение перспективного оптоволоконного кабеля (длина волны света - 850 нм). Поэтому в данном случае разработчики не были стеснены рамками стандартов, ориентировавшихся на низкие скорости и электрический кабель.
Выбор оптоволокна в качестве среды передачи определил такие преимущества новой сети, как высокая помехозащищенность, максимальная секретность передачи информации и прекрасная гальваническая развязка абонентов. Высокая скорость передачи, которая в случае оптоволоконного кабеля достигается гораздо проще, позволяет решать многие задачи, недоступные менее скоростным сетям, например, передачу изображений в реальном масштабе времени. Кроме того, оптоволоконный кабель легко решает проблему передачи данных на расстояние нескольких километров без ретрансляции, что позволяет строить гораздо большие по размерам сети, охватывающие даже целые города и имеющие при этом все преимущества локальных сетей (в частности, низкий уровень ошибок). И хотя к настоящему времени аппаратура FDDI не получила еще широкого распространения, ее перспективы очень неплохие.
За основу стандарта FDDI был взят метод маркерного доступа, предусмотренный международным стандартом IEEE 802.5 Token-Ring. Небольшие отличия от этого стандарта определяются необходимостью обеспечить высокую скорость передачи информации на большие расстояния. Топология сети FDDI - это кольцо, причем применяется два разнонаправленных оптоволоконных кабеля, что позволяет в принципе использовать полнодуплексную передачу информации с удвоенной эффективной скоростью в 200 Мбит/с (при этом каждый из двух каналов работает на скорости 100 Мбит/с). Применяется и звездно-кольцевая топология с концентраторами, включенными в кольцо.
Основные технические характеристики сети FDDI следующие.
Максимальное количество абонентов сети — 1000.
Максимальная протяженность кольца сети - 20 км.
Максимальное расстояние между абонентами сети - 2 км.
Среда передачи - многомодовый оптоволоконный кабель (возможно применение электрической витой пары).
Метод доступа - маркерный.
Скорость передачи информации — 100 Мбит/с (200 Мбит/с для дуплексного режима передачи).
Как видим, FDDI имеет большие преимущества по сравнению со всеми рассмотренными ранее сетями. Даже сеть Fast Ethernet, имеющая такую же пропускную способность 100 Мбит/с, не может сравниться с FDDI по допустимым размерам сети и допустимому количеству абонентов. К тому же маркерный метод доступа FDDI обеспечивает в отличие от CSMA/CD гарантированное время доступа и отсутствие конфликтов при любом уровне нагрузки.
Отметим, что ограничение на общую длину сети в 20 км связано не с затуханием сигналов в кабеле, а с необходимостью ограничения времени полного прохождения сигнала по кольцу для обеспечения предельно допустимого времени доступа. А вот максимальное расстояние между абонентами (2 км при многомодовом кабеле) определяется как раз затуханием сигналов в кабеле (оно не должно превышать 11 дБ). Предусмотрена также возможность применения одномодового кабеля, и в этом случае расстояние между абонентами может достигать 45 километров, а полная длина кольца - 100 километров.
Имеется и реализация FDDI на электрическом кабеле (CDDI — Copper Distributed Data Interface или TPDDI - Twisted Pair Distributed Data Interface). При этом используется кабель категории 5 с разъемами RJ-45. Максимальное расстояние между абонентами в этом случае должно быть не более 100 м. Стоимость оборудования сети на электрическом кабеле в несколько раз меньше. Но эта версия сети уже не имеет столь очевидных преимуществ перед своими конкурентами, как изначальная FDDI.
Таблица 5.1. Код 4В/5В
| Информация | Код4В/5В | Информация | Код4В/5В |
| 0000 | НПО | 1000 | 10010 |
| 0001 | 01001 | 1001 | 10011 |
| 0010 | 10100 | 1010 | 10110 |
| ООП | 10101 | 1011 | 10111 |
| 0100 | 01010 | 1100 | пою |
| 0101 | 01011 | 1101 | поп |
| 0110 | 01110 | 1110 | 11100 |
| 0111 | 01111 | 1111 | 11101 |
Для передачи данных в FDDI применяется уже упоминавшийся в первой главе код 4В/5В (см. табл. 5.1), специально разработанный для этого стандарта. Он обеспечивает скорость передачи 100 Мбит/с при пропускной способности кабеля 125 миллионов сигналов в секунду (или 125 МБод), а не 200 МБод, как в случае кода Манчестер-П. При этом каждым четырем битам передаваемой информации (каждому полубайту, или нибблу) ставится в соответствие пять передаваемых по кабелю битов. Это позволяет приемнику восстанавливать синхронизацию приходящих данных один раз на четыре принятых бита, то есть достигается компромисс между простейшим кодом NRZ и самосинхронизирующимся на каждом бите коде Манчестер-И.
Стандарт FDDI для достижения высокой гибкости сети предусматривает включение в кольцо абонентов двух типов.
Attachment Stations) подключаются к обоим (внутреннему и внешнему) кольцам сети. При этом реализуется возможность обмена со скоростью до 200 Мбит/с или же возможность резервирования кабеля сети (при повреждении основного кабеля используется резервный кабель). Аппаратура этого класса используется в самых критичных частях сети.
Абоненты (станции) класса В (они же абоненты одинарного подключения, SAS - Single-Attachment Stations) подключаются только к одному (внешнему) кольцу сети. Естественно, они могут быть более простыми и дешевыми, чем адаптеры класса А, но не имеют их возможностей. В сеть они могут включаться только через концентратор или обходной коммутатор, отключающий их в случае аварии.
Кроме собственно абонентов (компьютеров, терминалов и т.д.), в сети используются связные концентраторы (Wiring Concentrators), включение которых позволяет собрать в одно место все точки подключения с целью контроля за работой сети, диагностики неисправностей и упрощения реконфигурации. При применении кабелей разных типов (например, оптоволоконного кабеля и витой пары) концентратор выполняет также функцию преобразования электрических сигналов в оптические и наоборот. Концентраторы также бывают двойного подключения (DAC - Dual-Attachment Concentrator) и одинарного подключения (SAC - Single-Attachment Concentrator).
Пример простейшей конфигурации сети FDDI представлен на рис. 5.13.
Рис. 5.13. Пример конфигурации сети FDDI
FDDI определяет четыре типа портов абонентов (станций).
Порт А определен только для устройств двойного подключения, его вход подключается к первичному кольцу, а выход — к вторичному.
Порт В определен только для устройств двойного подключения, его вход подключается к вторичному кольцу, а выход - к первичному.
Порт М (Master) определен для концентраторов и соединяет два концентратора между собой или концентратор с абонентом.
Порт S (Slave) определен только для устройств одинарного подключения и используется для соединения двух абонентов или абонента и концентратора.
Стандарт FDDI предусматривает также возможность реконфигурации сети с целью сохранения ее работоспособности в случае повреждения кабеля (рис. 5.14). В показанном на рисунке случае поврежденный участок кабеля исключается из кольца, но целостность сети при этом не нарушается вследствие перехода на одно кольцо вместо двух (то есть абоненты класса А начинают работать как абоненты класса В).
Рис. 5.14. Реконфигурация сети FDDI при повреждении кабеля
В отличие от метода доступа, предлагаемого стандартом IEEE 802.5, в FDDI применяется так называемая множественная передача маркера. Если в случае сети Token-Ring новый (свободный) маркер передается абонентом только после возвращения к нему его пакета, то в FDDI новый маркер передается абонентом сразу же после окончания передачи им пакета. Последовательность действий здесь следующая.
Абонент, желающий передавать, ждет маркера, который идет за каждым пакетом.
Когда маркер пришел, абонент удаляет его из сети и передает свой пакет.
Сразу после передачи пакета абонент посылает новый маркер.
Одновременно каждый абонент ведет свой отсчет времени, сравнивая реальное время обращения маркера (TRT) с заранее установленным контрольным временем его прибытия (РТТ). Если маркер возвращается раньше, чем установлено РТТ, то делается вывод, что сеть загружена мало, и, следовательно, абонент может спокойно передавать всю свою информацию. Если же маркер возвращается позже, чем установлено РТТ, то сеть загружена сильно, и абонент может передавать только самую необходимую информацию. При этом величины контрольного времени РТТ могут устанавливаться различными для разных абонентов. Такой механизм позволяет абонентам гибко реагировать на загрузку сети и автоматически поддерживать ее на оптимальном уровне.
Стандарт FDDI в отличие от стандарта IEEE 802.5 не предусматривает возможности установки приоритетов пакетов и резервирования. Вместо этого все абоненты разделяются на две группы: асинхронные и синхронные. Асинхронные абоненты - это те, для которых время доступа к сети не слишком критично. Синхронные — это те, для которых время доступа должно быть жестко ограничено. В стандарте предусмотрен специальный алгоритм, обслуживающий эти типы абонентов.
Форматы маркера (рис. 5.15) и пакета (рис. 5.16) сети FDDI несколько отличаются от форматов, используемых в сети Token-Ring. Назначение полей следующее.
Преамбула используется для синхронизации. Первоначально она содержит 64 бита, но абоненты, через которых проходит пакет, могут менять ее размер.
Начальный разделитель выполняет функцию признака начала кадра.
Рис. 5.15. Формат маркера FDDI
Адреса приемника и источника могут быть 6-байтовыми (аналогично Ethernet и Token-Ring) или 2-байтовыми.
Поле данных может быть переменной длины, но суммарная длина пакета не должна превышать 4500 байт.
Поле контрольной суммы содержит 32-битную циклическую контрольную сумму пакета.
Конечный разделитель определяет конец кадра.
Байт состояния пакета включает в себя бит обнаружения ошибки, бит распознавания адреса и бит копирования (все аналогично Token-Ring).
Рис. 5.16. Формат пакета FDDI
Формат байта управления сети FDDI следующий (рис. 5.17):
Бит класса пакета определяет, синхронный или асинхронный это пакет.
Бит длины адреса определяет, какой адрес (6-байтовый или 2-байтовый) используется в данном пакете.
Поле формата кадра определяет, управляющий это кадр или информационный.
Поле типа кадра определяет, к какому типу относится данный кадр.
Рис. 5.17. Формат байта управления
В заключение отметим, что несмотря на очевидные преимущества FDDI данная сеть не получила пока широкого распространения, что связано главным образом с высокой стоимостью ее аппаратуры (порядка тысячи долларов). Основная область применения FDDI сейчас - это базовые, опорные (Backbone) сети, объединяющие несколько сетей. Применяется FDDI и для соединения мощных рабочих станций или серверов, требующих высокоскоростного обмена. Предполагается, что сеть Fast Ethernet может потеснить FDDI, однако преимущества оптоволоконного кабеля, маркерного метода управления и рекордный допустимый размер сети ставят в настоящее время FDDI вне конкуренции. А в тех случаях, когда стоимость аппаратуры имеет решающее значение, можно на некритичных участках применять версию FDDI на основе витой пары (TPDDI). К тому же стоимость аппаратуры FDDI может сильно уменьшится с увеличением объема ев выпуска.
Сеть G-AnyLAN
Сеть lOOVG-AnyLAN - это одна из последних разработок высокоскоростных локальных сетей, недавно появившаяся на рынке. Она разработана фирмами Hewlett-Packard и IBM и соответствует стандарту IEEE 802.12, так что уровень ее стандартизации достаточно высокий. Главными достоинствами ее являются большая скорость обмена, сравнительно невысокая стоимость аппаратуры (примерно вдвое дороже по сравнению с наиболее популярной сетью Ethernet 10BASE-T), централизованный метод управления обменом без конфликтов и совместимость на уровне пакетов с популярными сетями Ethernet и Token-Ring. В названии сети цифра 100 соответствует скорости 100 Мбит/с, буквы VG обозначают дешевую витую пару категории 3 (Voice Grade), a AnyLAN (любая сеть) обозначает то, что сеть совместима с двумя самыми распространенными сетями.
Основные технические характеристики сети lOOVG-AnyLAN следующие.
Скорость передачи - 100 Мбит/с.
Топология - звезда с возможностью наращивания.
Метод доступа - централизованный, бесконфликтный (Demand Priority - с запросом приоритета).
Среда передачи - счетверенная неэкранированная витая пара (кабели UTP категории 3,4 или 5), сдвоенная витая пара (кабель UTP категории 5), сдвоенная экранированная витая пара (STP), а также оптоволоконный кабель. Сейчас в основном распространена счетверенная витая пара.
Максимальная длина кабеля между концентратором и абонентом и между концентраторами - 100 м (для UTP кабеля категории 3), 150 м (для UTP кабеля категории 5 и экранированного кабеля), 2 км (для оптоволоконного кабеля).
Таким образом, параметры сети 100VG-AnyLAN довольно близки к параметрам сети Fast Ethernet. Однако главное преимущество Fast Ethernet -это полная совместимость с наиболее распространенной сетью Ethernet (в случае lOOVG-AnyLAN для этого обязательно требуется коммутатор
или мост). В то же время, централизованное управление lOOVG-AnyLAN, исключающее конфликты и гарантирующее предельную величину времени доступа (чего не предусмотрено в сети Ethernet), также нельзя сбрасывать со счетов.
Пример структуры сети lOOVG-AnyLAN показан на рис. 5.18.
Рис. 5.18. Структура сети 10OVG-AnyLAN
Сеть lOOVG-AnyLAN состоит из центрального (основного) концентратора уровня 1, к которому могут подключаться как отдельные абоненты, так и концентраторы уровня 2, к которым в свою очередь подключаются абоненты и концентраторы уровня 3. При этом сеть может иметь не более трех таких уровней. Получается, что максимальный размер сети может составлять 600 метров для неэкранированной витой пары.
В отличие от неинтеллектуальных концентраторов других сетей (например, Ethernet), концентраторы сети lOOVG-AnyLAN - это интеллектуальные контроллеры, которые управляют всем доступом к сети. Для этого они непрерывно контролируют запросы, поступающие на все порты. Концентраторы принимают все приходящие пакеты и отправляют их только тем абонентам, которым они адресованы. Однако никакой обработки информации они не производят, то есть в данном случае получается все-таки не настоящая (активная) звезда, но и не пассивная звезда.
Каждый из концентраторов может быть настроен на работу с форматами пакетов Ethernet или пакетов Token-Ring. При этом концентраторы всей сети должны работать с пакетами только какого-нибудь одного формата. Для связи с сетями Ethernet и Token-Ring необходимы мосты, но мосты довольно простые.
Концентраторы имеют один порт верхнего уровня (для присоединения его к концентратору более высокого уровня) и несколько портов нижнего уровня (для присоединения абонентов). В качестве абонента может выступать компьютер (рабочая станция), сервер, мост, маршрутизатор, коммутатор, а также другой концентратор.
Каждый порт концентратора может быть установлен в один из двух возможных режимов работы.
Нормальный режим предполагает пересылку абоненту, присоединенному к порту, тольк о пакетов, адресованных лично ему.
Мониторный режим предполагает пересылку абоненту, присоединенному к порту, всех пакетов, приходящих на концентратор. Этот режим позволяет одному из абонентов контролировать работу всей сети в целом (выполнять функцию мониторинга).
Метод доступа к сети lOOVG- AnyLAN довольно типичен для сетей с топологией «звезда» и состоит в следующем.
Каждый желающий передавать абонент посылает концентратору свой запрос на передачу. Концентратор циклически прослушивает всех абонентов по очереди и дает право передачи абоненту, следующему по порядку за тем, который закончил передачу. То есть величина времени доступа гарантирована. Но этот простейший алгоритм усложнен в сети lOOVG-AnyLAN, так как запросы могут иметь два уровня приоритета:
нормальный уровень приоритета используется для обычных приложений;
высокий уровень приоритета используется для приложений, требующих быстрого обслуживания.
Запросы с высоким уровнем приоритета обслуживаются раньше, чем запросы с нормальным приоритетом. Если приходит запрос высокого приоритета, то нормальный порядок обслуживания прерывается, и после окончания приема текущего пакета обслуживается запрос высокого приоритета. Если таких высокоприоритетных запросов несколько, то возврат к нормальной процедуре обслуживания происходит только после полной обработки всех этих запросов. При этом концентратор следит за тем, что-
бы не была превышена установленная величина гарантированного времени доступа. Если высокоприоритетных запросов слишком много, то запросы с нормальным приоритетом автоматически переводятся им в ранг высокоприоритетных. Таким образом, даже низкоприоритетные запросы не будут ждать своей очереди слишком долго.
Концентраторы более низких уровней также анализируют запросы абонентов, присоединенных к ним, и в случае необходимости пересылают их запросы к концентратору более высокого уровня. За один раз концентратор более низкого уровня может передать концентратору более высокого уровня не один пакет (как обычный абонент), а столько пакетов, сколько абонентов присоединено к нему.
Рис. 5.19. Порядок обслуживания запросов абонентов на различных уровнях сети
Так, для примера на рис. 5.19 в случае одновременного возникновения заявок на передачу у всех абонентов (компьютеров) порядок обслуживания будет такой: компьютер 1~2, затем 1-3, потом 2-1, 2-4, 2-8, и далее 1~6.
Однако так будет только при одинаковом (нормальном) приоритете всех запросов. Если же, например, от компьютеров 1-2, 2-4 и 2-8 поступят высокоприоритетные запросы, то порядок обслуживания будет таким: 1-2,2-4,2-8,1-3,2-1,1-6.
Помимо собственно передачи пакетов и пересылки запросов на передачу, в сети применяется также специальная процедура подготовки к связи (Link Training), во время которой концентратор и абоненты обмениваются между собой управляющими пакетами. При этом проверяется правильность присоединения линий связи и их исправность. Одновременно концентратор получает информацию об особенностях абонентов, подклю-
ченных к нему, об их назначении и их сетевых адресах. Запускается данная процедура самим абонентом при включении питания или после подключения к концентратору, а также автоматически при большом уровне ошибок.
Интересно решена в сети lOOVG-AnyLAN проблема кодирования передаваемых данных.
Вся передаваемая информация проходит следующие этапы обработки.
Разделение на квинтеты (группы по 5 бит).
Перемешивание, скремблирование (scrambling) полученных квинтетов.
Кодирование квинтетов специальным кодом 5В6В (этот код обеспечивает в выходной последовательности не более трех единиц или нулей подряд, что используется для детектирования ошибок).
Добавление начального и конечного разделителей кадра.
Сформированные таким образом кадры передаются в 4 линии передачи (при использовании счетверенной витой пары). При сдвоенной витой паре и оптоволоконном кабеле применяется временное мультиплексирование информации в каналах.
В результате этих действий достигается рандомизация сигналов, то есть выравнивание количества передаваемых единиц и нулей, снижение взаимовлияния кабелей друг на друга и самосинхронизация передаваемых сигналов без удвоения требуемой полосы пропускания, как в случае кода Манчестер-П.
В случае использования счетверенной витой пары передача по каждой из четырех витых пар производится со скоростью 30 Мбит/с (рис. 5.20). Суммарная скорость передачи составляет 120 Мбит/с.
Однако полезная информация вследствие использования кода 5В6В передается при этом всего лишь со скоростью 100 Мбит/с. Таким образом, пропускная способность кабеля должна быть не менее 15 МГц. Этому требованию удовлетворяет кабель с витыми парами категории 3.
В сети 100 VG-AnyLAN предусмотрены два режима обмена: полудуплексный и полнодуплексный.
При полудуплексном обмене все четыре витые пары используются для передачи одновременно в одном направлении (от абонента к концентратору или наоборот). Он используется для передачи пакетов.
При полнодуплексном обмене две витые пары передают в одном направлении, а две другие - в другом направлении. Он используется для передачи управляющих сигналов.
Рис. 5.20. Кодирование информации в сети 100VG-AnyLAN
Для управления используются два тональных сигнала. Первый из них представляет собой последовательность из 16 логических единиц и 16 логических нулей, следующих со скоростью 30 Мбит/с (в результате частота сигнала получается равной 0,9375 МГц). Второй тональный сигнал имеет вдвое большую частоту (1,875 МГц) и образуется чередованием восьми логических единиц и восьми логических нулей. Все управление сетью осуществляется комбинацией этих двух тональных сигналов.
Табл. 5.2. Расшифровка комбинаций управляющих тональных сигналов
| Передаваемые сигналы | Расшифровка абонентом | Расшифровка концентратором |
| 1 - 1 | Нет информации для передачи | Нет информации для передачи |
| 1 -2 | Концентратор принимает пакет | Запрос нормального приоритета |
| 2- 1 | Зарезервировано | Высокоприоритетный запрос |
| 2-2 | Запрос процедуры подготовки к связи | Запрос процедуры подготовки к связи |
Таким образом, сеть lOOVG-AnyLAN представляет собой довольно доступное решение для увеличения скорости передачи до 100 Мбит/с. Однако она не обладает полной совместимостью ни с одной из стандартных сетей, поэтому ее дальнейшая судьба проблематична. К тому же, в отличие от сети FDDI, она не имеет никаких рекордных параметров.
Сеть Token-Ring
Сеть Token-Ring была предложена фирмой IBM в 1985 году (первый вариант появился в 1980 году). Назначением Token-Ring было объединение в сеть всех типов компьютеров, выпускаемых IBM (от персональных до больших). Уже тот факт, что ее поддерживает фирма IBM, крупнейший производитель компьютерной техники, говорит о том, что ей необходимо уделить особое внимание. Но не менее важно и то, что Token-Ring является в настоящее время международным стандартом IEEE 802.5. Это ставит данную сеть на один уровень по статусу с Ethernet.
Фирма IBM сделала все для максимально широкого распространения своей сети: была выпущена подробная документация вплоть до принципиальных схем адаптеров. В результате многие фирмы, например 3COM, Novell, Western Digital, Proteon приступили к производству адаптеров. Кстати, специально для этой сети, а также для другой сети IBM PC Network была разработана концепция NetBIOS. Если в разработанной ранее сети PC Network программы NetBIOS хранились во встроенной в адаптер постоянной памяти, то в сети Token-Ring уже применялась эмулирующая NetBIOS программа, что позволяло более гибко реагировать на особенности конкретной аппаратуры, поддерживая при этом совместимость с программами более высокого уровня.
По сравнению с аппаратурой Ethernet аппаратура Token-Ring оказывается заметно дороже, так как использует более сложные методы управления обменом, поэтому распространена сеть Token-Ring значительно меньше. Однако ее применение становится оправданным, когда требуются большие интенсивности обмена (например, при связи с большими компьютерами) и ограниченное время доступа.
Рис. 5.3. Звездно-кольцевая топология сети Token-Ring
Сеть Token-Ring имеет топологию «кольцо», хотя внешне она больше напоминает «звезду». Это связано с тем, что отдельные абоненты (компьютеры) присоединяются к сети не прямо, а через специальные концентраторы или многостанционные устройства доступа (MSAU или MAU -Multistation Access Unit). Поэтому физически сеть образует звездно-кольцевую топологию (рис. 5.3). В действительности же абоненты объединяются все-таки в кольцо, то есть каждый из них передает информацию одному соседнему абоненту, а принимает информацию от другого соседнего абонента.
Концентратор (MAU) при этом только позволяет централизовать задание конфигурации, отключение неисправных абонентов, контроль за работой сети и т.д. (рис. 5.4). Для присоединения кабеля к концентратору применяются специальные разъемы, которые обеспечивают постоянство замкнутости кольца даже при отключении абонента от сети. Концентратор в сети может быть и единственным, в этом случае в кольцо замыкаются только абоненты, подключенные к нему.
Рис. 5.4. Соединение абонентов сети Token-Ring в кольцо с помощью концентратора (MAU)
В каждом кабеле, соединяющем адаптеры и концентратор (адаптерные кабели, adapter cable), находятся на самом деле две разнонаправленные линии связи. Такими же двумя разнонаправленными линиями связи, входящими в магистральный кабель (path cable), объединяются между собой в кольцо различные концентраторы (рис. 5.5), хотя для этой же цели может также использоваться и единственная однонаправленная линия связи (рис. 5.6).
Рис. 5.5. Объединение концентраторов двунаправленной линией связи
Рис. 5.6. Объединение концентраторов однонаправленной линией связи
Конструктивно концентратор представляет собой автономный блок с восемью разъемами для подключения абонентов (компьютеров) с помощью адаптерных кабелей и двумя (крайними) разъемами для подключения к другим концентраторам с помощью специальных магистральных кабелей (рис. 5.7). Существуют настенный и настольный варианты концентратора.
Несколько концентраторов могут конструктивно объединяться в группу, кластер (cluster), внутри которого абоненты также соединены в единое кольцо. Применение кластеров позволяет увеличивать количество абонентов, подключенных к одному центру (например, до 16, если в кластер входит два концентратора).
Рис. 5.7. Концентратор Token-Ring (8228 MAU)
В качестве среды передачи в сети IBM Token-Ring сначала применялась витая пара, но затем появились варианты аппаратуры для коаксиального кабеля, а также для оптоволоконного кабеля в стандарте FDDI. Витая пара применяется как неэкранированная (UTP), так и экранированная (STP).
Основные технические характеристики сети Token-Ring следующие.
Максимальное количество концентраторов типа IBM 8228 MAU - 12.
Максимальное количество абонентов в сети - 96.
Максимальная длина кабеля между абонентом и концентратором — 45 м.
Максимальная длина кабеля между концентраторами -45м.
Максимальная длина кабеля, соединяющего все концентраторы - 120м.
Скорость передачи данных - 4 Мбит/с и 16 Мбит/с.
Все приведенные характеристики относятся к случаю неэкранированной витой пары. В случае применения другой среды передачи характеристики сети могут отличаться. Например, при использовании экранированной витой пары количество абонентов может быть увеличено до 260 (вместо 96), длина кабеля - до 100 м (вместо 45), количество концентраторов -до 33, а полная длина кольца, соединяющего концентраторы - до 200 м. Оптоволоконный кабель позволяет увеличивать длину кабеля до 1 км.
Как видим, сеть Token-Ring уступает сети Ethernet как по допустимому размеру сети, так и по максимальному количеству абонентов. Что касается скорости передачи, то в настоящее время ведется разработка версий Token-Ring на скорость 100 Мбит/с и на 1000 Мбит/с. Фирма IBM вовсе не собирается отказываться от своей сети, рассматривая ее как достойного конкурента Ethernet.
Для передачи информации в Token-Ring используется вариант кода Ман-честер-П. Как и в любой звездообразной топологии, никаких дополнительных мер по электрическому согласованию и внешнему заземлению не требуется.
Для присоединения кабеля к сетевому адаптеру используется внешний 9-контактный разъем типа DIN. Так же, как и адаптеры Ethernet, адаптеры Token-Ring имеют на своей плате переключатели или перемычки для настройки адресов и прерываний системной шины. Если сеть Ethernet можно построить только на адаптерах и кабеле, то для сети Token-Ring обязательно нужно приобретать концентраторы. Это также увеличивает стоимость аппаратуры Token-Ring.
В то же время в отличие от Ethernet сеть Token-Ring лучше держит большую нагрузку (больше 30-40%) и обеспечивает гарантированное время доступа. Это крайне необходимо, например, в сетях производственного назначения, в которых задержка реакции на внешнее событие может привести к серьезным авариям.
В сети Token-Ring используется классический маркерный метод доступа, то есть по кольцу постоянно циркулирует маркер, к которому абоненты могут присоединять свои пакеты данных. Отсюда следует такое важное достоинство данной сети, как отсутствие конфликтов, но отсюда же следуют такие недостатки, как необходимость контроля за целостностью маркера и зависимость функционирования сети от каждого из абонентов (в случае неисправности абонент обязательно должен быть исключен из кольца).
Для контроля за целостностью маркера используется один из абонентов (так называемый активный монитор). Его аппаратура ничем не отличается от остальных, но его программные средства следят за временными соотношениями в сети и формируют в случае необходимости новый маркер. Активный монитор выбирается при инициализации сети, им может быть любой компьютер сети. Если активный монитор по какой-то причине выходит из строя, то включается специальный механизм, посредством которого другие абоненты (запасные мониторы) принимают решение о назначении нового активного монитора.
Рис. 5.8. Формат маркера сети Token-Ring
Маркер представляет собой управляющий пакет, содержащий всего три байта (рис. 5.8): байт начального разделителя (SD - Start Delimiter), байт управления доступом (АС - Access Control) и байт конечного разделителя (ED - End Delimiter). Начальный разделитель и конечный разделитель представляют собой не просто последовательность нулей и единиц, а содержат импульсы специального вида. Благодаря этому данные разделители нельзя спутать ни с какими другими байтами пакетов. Четыре бита разделителя представляют собой нулевые биты в принятой кодировке, а четыре других бита не соответствуют коду Манчестер-П: в течение двух битовых интервалов удерживается один уровень сигнала, а в течение двух остальных — другой уровень. В результате такой сбой синхронизации легко выявляется приемником.
Рис. 5.9. Формат байта управления доступом
Байт управления разделен на четыре поля (рис. 5.9): три бита приоритета, бит маркера, бит монитора и три бита резервирования. Биты приоритета позволяют абоненту присваивать приоритет своим пакетам или маркеру (приоритет может быть от 0 до 7, причем 7 соответствует наивысшему приоритету, а 0 — наинизшему). Абонент может присоединить к маркеру свой пакет только тогда, когда его собственный приоритет такой же или выше приоритета маркера. Бит маркера определяет, присоединен ли к маркеру пакет (единица соответствует маркеру без пакета, нуль - маркеру с пакетом). Бит монитора, установленный в единицу, говорит о том, что данный маркер передан активным монитором. Биты резервирования позволяют абоненту зарезервировать свое право на дальнейший захват сети, то есть, так сказать, занять очередь на обслуживание. Если приоритет абонента выше, чем текущее значение поля резервирования, он может записать туда свой приоритет вместо прежнего.
Формат пакета Token-Ring представлен на рис. 5.10. Помимо начального и конечного разделителей, а также байта управления доступом, в пакет входят также байт управления пакетом, сетевые адреса приемника и передатчика, данные, контрольная сумма и байт состояния,пакета.
Рис. 5.10. Формат пакета сети Token-Ring (длина полей дана в байтах)
Назначение полей пакета следующее:
Начальный разделитель (SD) является признаком начала пакета.
Байт управления доступом (АС) имеет то же назначение, что и в маркере.
Байт управления пакетом (FC - Frame Control) определяет тип пакета (кадра).
Шестибайтовые адреса отправителя и получателя пакета имеют стандартный формат, описанный в разделе 3.2.
Поле данных включает в себя передаваемую информацию или информацию управления обменом.
Поле контрольной суммы представляет собой 32-разрядную циклическую контрольную сумму пакета (CRC).
Конечный разделитель является признаком конца пакета. Кроме того, он определяет, является ли данный пакет промежуточным или заключительным в последовательности передаваемых пакетов, а также содержит признак ошибочности пакета (для этого выделены специальные биты).
Байт состояния пакета говорит о том, что происходило с данным пакетом: был ли он принят и скопирован в память приемника. По нему отправитель пакета узнает, дошел ли пакет по назначению и без ошибок или его надо передавать заново.
Отметим, что больший допустимый размер передаваемых данных в одном пакете по сравнению с сетью Ethernet может стать решающим фактором для увеличения производительности сети. Теоретически для скорости передачи 16 Мбит/с длина поля данных может достигать даже 18 Кбайт, что очень важно при передаче больших объемов данных. Но даже при скорости 4 Мбит/с благодаря маркерному методу доступа сеть Token-Ring часто обеспечивает большую фактическую скорость передачи, чем более быстрая сеть Ethernet (10 Мбит/с), особенно при больших нагрузках (свыше 30—40%), когда заметно сказывается несовершенство метода CSMA/CD, который в этом случае тратит много времени на разрешение повторных конфликтов.
Помимо маркера и обычного пакета, в сети Token-Ring может передаваться специальный управляющий пакет, служащий для прерывания передачи. Он может быть послан в любой момент и в любом месте потока данных. Пакет этот состоит всего из двух однобайтовых полей — начального и конечного разделителей описанного формата.
Интересно, что в более быстрой версии Token-Ring (16 Мбит/с и выше) применяется так называемый метод раннего формирования маркера (ETR -Early Token Release). Он позволяет избежать непроизводительного использования сети в то время, пока пакет данных не вернется по кольцу к своему отправителю. Метод ETR сводится к тому, что сразу после передачи своего пакета, присоединенного к маркеру, любой абонент выдает в сеть новый свободный маркер, то есть все другие абоненты могут начинать передачу своих пакетов сразу же после окончания пакета предыдущего абонента, не дожидаясь, пока он завершит обход всего кольца сети.
Сети Ethernet и Fast Ethernet
За время, прошедшее с появления первых локальных сетей, было разработано несколько сотен самых разных сетевых технологий, однако заметное распространение получили всего несколько сетей, что связано прежде всего с поддержкой этих сетей известными фирмами и с высоким уровнем стандартизации принципов их организации. Далеко не всегда стандартные сети имеют рекордные характеристики, обеспечивают наиболее оптимальные режимы обмена, но большие объемы выпуска их аппаратуры и, следовательно, ее невысокая стоимость обеспечивают им огромные преимущества. Немаловажно и то, что производители программных средств также в первую очередь ориентируются на самые распространенные сети. Поэтому пользователь, выбирающий стандартные сети, имеет полную гарантию совместимости аппаратуры и программ.
В настоящее время тенденция уменьшения количества типов используемых сетей все усиливается. Дело в том, что увеличение скорости передачи в локальных сетях до 100 и даже до 1000 Мбит/с требует применения самых передовых технологий, проведения серьезных и дорогих научных исследований. Естественно, это могут позволить себе только крупнейшие фирмы, которые, конечно же, поддерживают свои стандартные сети и их более совершенные разновидности. К тому же большинство потребителей уже установило у себя какие-то сети и вовсе не желает сразу и полностью заменять все сетевое оборудование на другое, пусть даже в чем-то лучшее. Поэтому в ближайшем будущем вряд ли стоит ожидать принятия принципиально новых стандартов.
На рынке имеются стандартные локальные сети всех возможных топологий, так что выбор у пользователей имеется. Стандартные сети обеспечивают большой диапазон допустимых размеров сети, допустимого количества абонентов сети и, что не менее важно, большой диапазон цен на аппаратуру. Но проблема выбора той или иной сети все равно остается непростой. Ведь в отличие от программных средств, заменить которые совсем не трудно, выбранная аппаратура обычно служит многие годы, так как ее замена ведет не только к большим затратам средств, но и к необходимости перекладки кабелей, а то и к пересмотру всей системы компьютерных средств фирмы. Поэтому ошибки в выборе аппаратуры гораздо дороже ошибок в выборе программных средств.
Мы остановимся в данной главе на основных особенностях аппаратуры наиболее популярных локальных сетей, что, как мы надеемся, поможет читателю сделать правильный выбор.
Наибольшее распространение среди стандартных сетей .получила сеть Ethernet. Впервые она появилась в 1972 году (разработчиком выступила известная фирма Xerox). Сеть оказалась довольно удачной, и вследствие этого ее в 1980 году поддержали такие крупнейшие фирмы, как DEC и Intel (объединение этих фирм, поддерживающих Ethernet, назвали DIX по первым буквам их названий). Стараниями этих фирм в 1985 году сеть Ethernet стала международным стандартом, ее приняли крупнейшие международные организации по стандартам: комитет 802 IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) и ЕСМА (European Computer Manufacturers Association).
Стандарт получил название IEEE 802.3 (по-английски читается как «eight oh two dot three»). Он определяет множественный доступ к моноканалу типа «шина» с обнаружением конфликтов и контролем передачи, то есть с уже упоминавшимся методом доступа CSMA/CD. Вообще-то надо сказать, что этому стандарту удовлетворяют и некоторые другие сети, так как он не очень сильно детализирован. В результате сети стандарта IEEE 802.3 нередко несовместимы между собой как по конструктивным, так и по электрическим характеристикам. Основные характеристики стандарта IEEE 802.3 следующие: топология — шина, среда передачи - коаксиальный кабель, скорость передачи - 10 Мбит/с, максимальная длина — 5 км, максимальное количество абонентов — до 1024, длина сегмента сети - до 500 м, количество абонентов на одном сегменте — до 100, метод доступа -CSMA/CD, передача узкополосная, то есть без модуляции (моноканал).
Строго говоря, между стандартами IEEE 802.3 и Ethernet существуют небольшие отличия, но о них обычно предпочитают не вспоминать.
Сеть Ethernet сейчас наиболее популярна в мире (более 70 миллионов абонентов сети в 1996 году, свыше 100 миллионов абонентов в 1997 году, или более 80% рынка), и нет сомнения, что таковой она и останется в ближайшие годы. Этому в немалой степени способствовало то, что с самого начала все характеристики, параметры, протоколы сети были открыты для всех, в результате чего огромное число производителей во всем мире стали выпускать аппаратуру Ethernet, полностью совместимую между собой.
В классической сети Ethernet применяется 50-омный коаксиальный кабель двух видов (толстый и тонкий). Однако в последнее время (с начала 90-х годов) все большее распространение получает версия Ethernet, использующая в качестве среды передачи витые пары. Определен также стандарт для применения в сети оптоволоконного кабеля. В стандарты были внесены соответствующие добавления. В 1995 году появился стандарт на более быструю версию Ethernet, работающую на скорости 100 Мбит/с (так называемый Fast Ethernet, стандарт IEEE 802.3u), использующую в качестве среды передачи витую пару или оптоволоконный кабель. Появилась и версия на скорость 1000 Мбит/с (Gigabit Ethernet, стандарт IEEE 802.3z).
Помимо стандартной топологии «шина» применяются также топологии типа «пассивная звезда» и «пассивное дерево». При этом предполагается использование репитеров и пассивных (репитерных) концентраторов, соединяющих между собой различные части (сегменты) сети (рис. 5.1). В качестве сегмента может также выступать единичный абонент. Коаксиальный кабель используется для шинных сегментов, а витая пара и оптоволоконный кабель — для лучей пассивной звезды (для присоединения к концентратору одиночных компьютеров). Главное - чтобы в полученной в результате топологии не было замкнутых путей (петель). Фактически получается, что абоненты соединены в физическую шину, так как сигнал от каждого из них распространяется сразу во все стороны и не возвращается назад (как в кольце). Максимальная длина кабеля всей сети в целом (максимальный путь сигнала) теоретически может достигать 6,5 км, но практически не превышает 2,5 км.
В сети Fast Ethernet не предусмотрена физическая топология «шина», используется только «пассивная звезда» или «пассивное дерево». К тому же в Fast Ethernet гораздо более жесткие требования к предельной длине сети. Ведь при увеличении в 10 раз скорости передачи и сохранении формата пакета его минимальная длина становится в десять раз короче (5,12 икс против 51,2 мкс в Ethernet). Допустимая величина двойного времени прохождения сигнала по сети уменьшается в 10 раз.
Рис. 5.1. Топология сети Ethernet
Для передачи информации в сети Ethernet применяется стандартный код Манчестер-П. При этом один уровень сигнала нулевой, а другой - отрицательный, то есть постоянная составляющая сигнала не равна нулю. При отсутствии передачи потенциал в сети нулевой. Гальваническая развязка осуществляется аппаратурой адаптеров, репитеров и концентраторов. При этом приемопередатчик сети гальванически развязан от остальной аппаратуры с помощью трансформаторов и изолированного источника питания, а с кабелем сети соединен напрямую.
Рис. 5.2. Структура пакета сети Ethernet, (цифры показывают количество байт)
Доступ к сети Ethernet осуществляется по случайному методу CSMA/ CD, обеспечивающему полное равноправие абонентов. В сети используются пакеты переменной длины со структурой, представленной на рис. 5.2. Длина кадра Ethernet (то есть пакета без преамбулы) должна быть не менее 512 битовых интервалов, или 51,2 мкс (именно такова предельная
величина двойного времени прохождения в сети). Предусмотрена индивидуальная, групповая и широковещательная адресация.
В пакет Ethernet входят следующие поля:
Преамбула состоит из 8 байт, первые семь из которых представляют собой код 10101010, а последний восьмой — код 10101011. В стандарте IEEE 802.3 этот последний байт называется признаком начала кадра (SFD - Start of Frame Delimiter) и образует отдельное поле пакета.
Адрес получателя (приемника) и адрес отправителя (передатчика) включают по 6 байт и строятся по стандарту, описанному в разделе 3.2. Эти адресные поля обрабатываются аппаратурой абонентов.
Поле управления (L/T - Length/Type) содержит информацию о длине поля данных. Оно может также определять тип используемого протокола. Принято считать, что если значение этого поля не больше 1500, то оно определяет длину поля данных. Если же его значение больше 1500, то оно определяет тип кадра. Поле управления обрабатывается программно.
Поле данных должно включать в себя от 46 до 1500 байт данных. Если пакет должен содержать менее 46 байт данных, то поле данных дополняется байтами заполнения. Согласно стандарту IEEE 802.3, в структуре пакета выделяется специальное поле заполнения (pad data - незначащие данные), которое может иметь нулевую длину, когда данных достаточно (больше 46 байт).
Поле контрольной суммы (FCS — Frame Check Sequence) содержит 32-разрядную циклическую контрольную сумму пакета (CRC) и служит для проверки правильности передачи пакета.
Таким образом, минимальная длина кадра (пакета без преамбулы) составляет 64 байта (512 бит). Именно эта величина определяет максимально допустимую двойную задержку распространения сигнала по сети в 512 битовых интервалов (51,2 мкс для Ethernet, 5,12 мкс для Fast Ethernet). Стандарт предполагает, что преамбула может уменьшаться при прохождении пакета через различные сетевые устройства, поэтому она не учитывается. Максимальная длина кадра равна 1518 байтам (12144 бита, то есть 1214,4 мкс для Ethernet, 121,44 мкс для Fast Ethernet). Это важно для выбора размера буферной памяти сетевого оборудования и для оценки общей загруженности сети.
Для сети Ethernet, работающей на скорости 10 Мбит/с, стандарт определяет четыре основных типа среды передачи информации:
10BASE5 (толстый коаксиальный кабель);
10 BASE2 (тонкий коаксиальный кабель);
1OBASE-T (витая пара);
10BASE-FL (оптоволоконный кабель).
Обозначение среды передачи включает в себя три элемента: цифра «10» означает скорость передачи 10 Мбит/с, слово BASE означает передачу в основной полосе частот (то есть без модуляции высокочастотного сигнала), а последний элемент означает допустимую длину сегмента: «5» — 500 метров, «2» - 200 метров (точнее, 185 метров) или тип линии связи: «Т» -витая пара (от английского «twisted-pair»), «F» - оптоволоконный кабель (от английского «fiber optic»).
Точно так же для сети Ethernet, работающей на скорости 100 Мбит/с (Fast Ethernet) стандарт определяет три типа среды передачи:
100BASE-T4 (счетверенная витая пара);
100BASE-TX (сдвоенная витая пара);
100BASE-FX (оптоволоконный кабель).
Здесь цифра «100» означает скорость передачи 100 Мбит/с, буква «Т» означает витую пару, буква «F» — оптоволоконный кабель. Типы 1OOBASE-ТХ и 100BASE-FX иногда объединяют под именем 100BASE-X, а 100BASE-T4 и 100BASE-TX - под именем 100BASE-T.
Подробнее особенности аппаратуры Ethernet, а также алгоритма управления обменом CSMA/CD и алгоритма вычисления циклической контрольной суммы (CRC) будут рассмотрены далее в специальных разделах книги. Здесь же мы только отметим, что сеть Ethernet не отличается ни рекордными характеристиками, ни оптимальными алгоритмами, она уступает по ряду параметров другим стандартным сетям. Но благодаря мощной поддержке, высочайшему уровню стандартизации, огромным объемам выпуска технических средств, Ethernet резко выделяется среди других стандартных сетей, и поэтому любую другую сетевую технологию принято сравнивать именно с Ethernet.
Сверхвысокоскоростные сети
Быстродействие сети Fast Ethernet, других сетей, работающих на скорости в 100 Мбит/с, в настоящее время удовлетворяет требованиям большинства задач, но в ряде случаев даже его оказывается недостаточно. Особенно это касается тех ситуаций, когда необходимо подключать к сети современные высокопроизводительные серверы или строить сети с большим количеством абонентов, требующих высокой интенсивности обмена. Например, все более широко применяется сетевая обработка трехмерных динамических изображений. Скорость компьютеров непрерывно растет, они обеспечивают все более высокие темпы обмена с внешними устройствами. В результате сеть может оказаться наиболее слабым местом системы, и ее пропускная способность будет основным сдерживающим фактором в увеличении быстродействия.
Работы по достижению скорости передачи в 1 Гбит/с (1000 Мбит/с) ведутся в последние годы довольно интенсивно в нескольких направлениях. Однако, скорее всего, наиболее перспективной окажется сеть Gigabit Ethernet. Это связано прежде всего с тем, что переход на нее окажется наиболее безболезненным, самым дешевым и психологически приемлемым. Ведь сеть Ethernet и ее более быстрая версия Fast Ethernet сейчас далеко опережают всех своих конкурентов по объему продаж и распространенности в мире.
Сеть Gigabit Ethernet — это естественный, эволюционный путь развития концепции, заложенной в стандартной сети Ethernet. Естественно, она наследует и все недостатки своих прямых предшественников, например, негарантированное время доступа к сети. Однако огромная пропускная способность приводит к тому, что загрузить сеть до тех уровней, когда этот фактор становится определяющим, довольно трудно. Зато сохранение преемственности позволяет довольно просто соединять сегменты Ethernet, Fast Ethernet и Gigabit Ethernet в единую сеть и, самое главное, переходить к новым скоростям постепенно, вводя гигабитные сегменты только на самых напряженных участках сети. (К тому же далеко не везде такая высокая пропускная способность действительно необходима.) Если же говорить о конкурирующих гигабитных сетях, то их применение может потребовать полной замены сетевой аппаратуры, что сразу же приведет к огромным затратам средств.
В сети Gigabit Ethernet сохраняется все тот же хорошо зарекомендовавший себя в предыдущих версиях метод доступа CSMA/CD, используются те же форматы пакетов (кадров) и те же размеры, то есть никакого преобразования протоколов в местах соединения с сегментами Ethernet и Fast Ethernet не потребуется. Единственно, что нужно, - это согласование скоростей обмена. Поэтому главной областью применения Gigabit Ethernet станет в первую очередь соединение концентраторов Ethernet и Fast Ethernet между собой.
С появлением сверхбыстродействующих серверов и распространением наиболее совершенных персональных компьютеров класса «high-end» преимущества Gigabit Ethernet будут становиться все более явными. Отметим, что 64-разрядная системная магистраль PCI, ставшая уже фактическим стандартом, вполне достигает требуемой для такой сети скорости передачи данных.
Работы по сети Gigabit Ethernet ведутся с 1995 года. В 1998 году принят стандарт, получивший наименование IEEE 802.3z. Разработкой занимается специально созданный альянс (Gigabit Ethernet Alliance), в который, в частности, входит такая известная фирма, занимающаяся сетевой аппаратурой, как 3Com.
Переход на такую огромную скорость передачи не столь прост, как может показаться. Для аппаратуры Gigabit Ethernet будут использоваться микросхемы, выполненные по самой современной 0,35-микронной технологии. Только они позволяют добиться требуемого быстродействия. Ожидается разработка 32-разрядного контроллера, имеющего и буферную память на кристалле, содержащем до миллиона логических элементов.
Номенклатура сегментов сети Gigabit Ethernet в настоящее время включает в себя следующие типы:
1000ВASE-SX - сегмент на мультимодовом оптоволоконном кабеле с длиной волны светового сигнала 850 нм (длиной до 500 м).
1000BASE-LX - сегмент на мультимодовом (длиной до 500 м) и одномодовом (длиной до 2000 м) оптоволоконном кабеле с длиной волны светового сигнала 1300 нм.
1000BASE-CX - сегмент на экранированной витой паре (длиной до 25 м).
1000BASE-T - сегмент на счетверенной неэкранированной витой паре (длиной до 100 м).
Специально для сети Gigabit Ethernet предложен метод кодирования передаваемой информации 8В/10В, построенный по тому же принципу, что и код 4В/5В сети FDDI. Восьми битам информации, которую нужно передать, ставится в соответствие 10 бит, передаваемых по сети. Этот код позволяет сохранять самосинхронизацию, легко обнаруживать несущую (факт передачи), но не требует удвоения полосы пропускания, как в случае кода Манчестер-П.
Для увеличения 512-битного интервала сети Ethernet, соответствующего минимальной длине пакета, (51,2 икс в сети Ethernet и 5,12 мкс в сети Fast Ethernet), разработаны специальные методы. В частности, минимальная длина пакета увеличена до 512 байт (4096 бит). В противном случае временной интервал 0,512 мкс чрезмерно ограничивал бы предельную длину сети Gigabit Ethernet. Все пакеты с длиной меньше 512 байт расширяются до 512 байт. Это требует дополнительной обработки пакетов.
Предполагается поддерживать передачу в сети Gigabit Ethernet как в полудуплексном режиме (с сохранением метода доступа CSMA/CD), так и в более быстром полнодуплексном режиме (как и в предшествующей сети Fast Ethernet).
Прежде всего Gigabit Ethernet, видимо, найдет применение в сетях, объединяющих компьютеры больших фирм, предприятий, которые располагаются в нескольких зданиях. Она позволит с помощью соответствующих коммутаторов, преобразующих скорости передачи, обеспечить каналы связи с высокой пропускной способностью между отдельными частями сложной сети (рис. 5.21) или линии связи коммутаторов со сверхбыстродействующими серверами (рис. 5.22).
Рис. 5.21. Использование сети Gigabit Ethernet для соединения групп компьютеров
Рис. 5.22. Использование сети Gigabit Ethernet для подключения быстродействующих серверов
Вероятно, в ряде случаев Gigabit Ethernet будет вытеснять оптоволоконную сеть FDDI, которая в настоящее время все чаще используется для объединения в единую сеть нескольких локальных сетей, в том числе, и сетей Ethernet. Правда, FDDI может связывать абонентов, находящихся на гораздо большем расстоянии друг от друга, но по скорости передачи информации Gigabit Ethernet существенно превосходит FDDI.
Нас ждет принципиально важный прорыв в область скоростей передачи, еще недавно казавшихся фантастическими и даже, более того, никому не нужными. А там, возможно, появится и сеть со скоростью 10 000 Мбит/с, ведь такие разработки уже ведутся.
В заключение раздела несколько слов об альтернативном решении сверхбыстродействующей сети. Речь идет о сети с технологией ATM (Asynchronous Transfer Mode). Данная технология используется как в локальных, так и в глобальных сетях. Основная ее идея — передача цифровых, голосовых и мультимедийных данных по одним и тем же каналам. Строго говоря, жесткого стандарта на аппаратуру ATM не предполагает.
Первоначально была выбрана скорость передачи 155 Мбит/с (для настольных систем - 25 Мбит/с), затем - 662 Мбит/с, а сейчас ведутся работы по повышению скорости до 2488 Мбит/с. Как видим, по скорости ATM успешно конкурирует с Gigabit Ethernet. Кстати, появилась ATM раньше, чем Gigabit Ethernet.
В качестве среды передачи информации в локальной сети технология ATM предполагает использование оптоволоконного кабеля и неэкранированную витую пару. Используемые коды - 4В/5В и 8В/10В.
Принципиальное отличие ATM от всех остальных сетей состоит в отказе от привычных пакетов с полями адресации, управления и данных. Вся информация передается упакованной в микропакеты (ячейки, cells) длиной всего лишь в 53 бита. Каждая ячейка имеет идентификатор типа данных (двоичные данные, звук или изображение). Идентификатор позволяет интеллектуальным распределительным устройствам сортировать ячейки и следить за тем, чтобы ячейки передавались в нужной последовательности. Минимальный размер ячеек позволяет осуществлять коррекцию ошибок и маршрутизацию на аппаратном уровне. Он же обеспечивает равномерность всех существующих в сети информационных потоков.
Главный недостаток сетей с технологией ATM состоит в их полной несовместимости ни с одной из существующих сетей. Плавный переход на ATM в принципе невозможен, нужно менять сразу все оборудование, а стоимость его пока что очень высока. Правда, работы по обеспечению совместимости ведутся, снижается и стоимость оборудования, так что перспективы у ATM неплохие. Тем более что задач по передаче изображений по компьютерным сетям становится все больше и больше.
Управление обменом в сети с топологией кольцо
Кольцевая топология имеет свои особенности при выборе метода управления обменом. В этом случае важно то, что любой пакет, посланный по кольцу, последовательно пройдя всех абонентов, через некоторое время возвратится в ту же точку, к тому же абоненту (так как топология замкнутая), то есть нет одновременного распространения сигнала в две стороны, как в топологии «шина». Отметим, что сети с топологией «кольцо» бывают однонаправленными и двунаправленными. Мы будем здесь рассматривать только однонаправленные, как более распространенные.
Рис. 3.9. Маркерный метод управления обменом
(СМ-свободный маркер, ЗМ— занятый маркер, МП— занятый маркер с подтверждением, ПД—пакет данных)
В принципе, в сети с топологией «кольцо» можно использовать различные централизованные методы управления (как в звезде), можно применять также методы случайного доступа (как в шине), но чаще выбирают все-таки специфические методы управления, в наибольшей степени соответствующие именно особенностям кольца. Наиболее популярны в этом случае маркерные (эстафетные) методы управления, то есть те, которые используют маркер (эстафету) - небольшой управляющий пакет специального вида. Именно эстафетная передача маркера по кольцу позволяет передавать право на захват сети от одного абонента к другому. Маркерные методы относятся к децентрализованным и детерминированным методам управления обменом в сети. В них нет явно выраженного центра, но существует четкая система приоритетов, и потому не бывает конфликтов.
Рассмотрим работу маркерного метода управления в сети с топологией кольцо (рис. 3.9).
По кольцу непрерывно ходит специальный пакет, маркер, предоставляющий абонентам право передавать свой пакет. Алгоритм действий абонентов включает в себя следующее:
Абонент 1, желающий передать свой пакет, должен дождаться прихода к нему свободного маркера. Затем он присоединяет к маркеру свой пакет, помечает маркер как занятый и отправляет эту посылку следующему по кольцу абоненту.
Все остальные абоненты (2, 3, 4), получив маркер с присоединенным пакетом, проверяют, им ли адресован пакет. Если пакет адресован не им, то они передают полученную посылку (маркер + пакет) дальше по кольцу.
Если какой-то абонент (в нашем случае это будет абонент 3) распознает пакет как адресованный ему, то он принимает этот пакет, устанавливает в маркере бит подтверждения приема и передает посылку (маркер + пакет) дальше по кольцу.
Передававший абонент 1 получает свою посылку, прошедшую по всему кольцу, обратно, помечает маркер как свободный, удаляет из сети свой пакет и посылает свободный маркер дальше по кольцу. Абонент, желающий передавать, ждет этого маркера, и все повторяется снова.
Приоритет при данном методе управления получается географический, то есть право передачи после освобождения сети переходит к следующе- „ му по направлению кольца абоненту от последнего передававшего абонента. Но эта система приоритетов работает только при большой интенсивности обмена. При малой интенсивности обмена все абоненты равноправны, и время доступа к сети каждого из них определяется только положением маркера в момент возникновения заявки на передачу.
В чем-то рассматриваемый метод похож на метод опроса (централизованный), хотя явно выделенного центра здесь не существует. Однако некоторый центр обычно все-таки должен присутствовать: один из абонентов (или специальное устройство) должен следить, чтобы маркер не потерялся в процессе прохождения по кольцу (например, из-за действия помех или сбоя в работе какого-то абонента). В противном случае механизм доступа работать не будет. Следовательно, надежность управления в данном случае снижается (выход центра из строя приводит к полной дезорганизации обмена), поэтому обычно применяются специальные средства для повышения надежности, восстановления центра контроля за маркером.
Основное преимущество данного метода перед CSMA/CD состоит в том, что здесь гарантирована величина времени доступа. Его величина составит (N - 1) t , где N - полное число абонентов в сети, tnK — время прохождения пакета по кольцу. Вообще маркерный метод управления обменом гораздо эффективнее случайных методов при большой интенсивности обмена в сети (при загруженности более 30-40%). Он позволяет сети работать с большей нагрузкой, которая теоретически может приближаться к 100%.
Метод маркерного доступа может использоваться не только в кольце (например, в сети IBM Token Ring или FDDI), но и в шине (например, сеть Arcnet-BUS), и в пассивной звезде (например, сеть Arcnet-STAR). В этих случаях реализуется не физическое, а логическое кольцо, то есть все абоненты последовательно передают друг другу маркер, и эта цепочка передачи маркеров замкнута в кольцо. При этом совмещаются достоинства физической топологии «шина» и маркерного метода управления.
Управление обменом в сети с топологией «шина»
В принципе при топологии «шина» возможно точно такое же централизованное управление, как и в случае звезды. При этом один из абонентов («центральный») посылает всем остальным («периферийным») запросы, выясняя, кто из них хочет передать, затем разрешает передачу одному из абонентов. После окончания передачи передававший абонент сообщает «центру», что он закончил передачу, и «центр» снова начинает опрос (рис. 3.6).
Все преимущества и недостатки такого управления - те же самые, что и в случае звезды. Единственное отличие состоит в том, что центр здесь не пересылает информацию от одного абонента к другому, как в топологии «активная звезда», а только управляет обменом.
Однако гораздо чаще в шине используется децентрализованное случайное управление, так как все сетевые адаптеры всех абонентов в данном случае одинаковы. При выборе децентрализованного управления все абоненты также имеют равные права доступа к сети, то есть особенности топологии совпадают с особенностями метода управления. Решение о том, когда можно передавать свой пакет, принимается каждым абонентом на месте, исходя только из анализа состояния сети. В данном случае существует конкуренция между абонентами за захват сети и, следовательно, возможны конфликты между ними и искажения передаваемых данных из-за наложения пакетов.
Рис. 3.6. Централизованное управление в сети с топологией «шина»
Существует множество алгоритмов доступа или, как еще говорят, сценариев доступа, порой очень сложных. Их выбор зависит от скорости передачи в сети, от длины шины, загруженности сети (интенсивности обмена или трафика сети), от используемого кода передачи. Отметим, что иногда для управления доступом к шине используется дополнительная линия связи, что упрощает аппаратуру контроллеров и методы доступа, но обычно заметно увеличивает стоимость сети в целом за счет удвоения длины кабеля и количества приемопередатчиков. Поэтому данное решение не получило широкого распространения.
Суть всех случайных методов управления обменом довольно проста. Пока сеть занята, то есть по ней идет передача пакета, абонент, желающий передавать, ждет освобождения сети. Ведь в противном случае неминуемо исказятся и пропадут оба пакета. После освобождения сети абонент, желающий передавать, начинает свою передачу. Если одновременно с ним начали передачу еще несколько абонентов, то возникает коллизия (конфликт, столкновение пакетов). Конфликт этот детектируется всеми абонентами, передача прекращается, и через некоторое время предпринимается повторная попытка передачи. При этом не исключены повторные коллизии и новые попытки передать свой пакет. И так продолжается до тех пор, пока пакет не будет передан без коллизий.
Существует несколько разновидностей случайных методов управления обменом. В некоторых из них не все передающие абоненты распознают коллизию, а только те, которые имеют меньшие приоритеты. Абонент с максимальным приоритетом из всех, начавших передачу, закончит передачу своего пакета без ошибок. В некоторых случайных методах управления обменом каждый абонент начинает свою передачу после освобождения сети не сразу, а выдержав свою, строго индивидуальную задержку. Максимальным приоритетом будет обладать абонент с минимальной задержкой. Но хотя в обоих случаях имеется система приоритетов, методы все-таки относятся к случайным, так как исход конкуренции невозможно предсказать.
Чаще всего система приоритетов отсутствует полностью, и после обнаружения коллизии абоненты выбирают задержку до следующей попытки передачи по случайному закону. Именно так работает стандартный метод управления обменом CSM A/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), используемый в самой популярной сети Ethernet. Его главное достоинство в том, что все абоненты полностью равноправны, и ни один из них не может надолго заблокировать обмен другому (как в случае наличия приоритетов). Подробнее метод CSMA/CD будет рассмотрен в специальной главе.
Понятно, что все подобные методы будут хорошо работать только при не слишком большой интенсивности обмена по сети. Считается, что приемлемое качество связи обеспечивается только при нагрузке не выше 30-40% (то есть сеть занята не более 30-40% всего времени). При большей нагрузке становятся слишком частыми повторные столкновения, и наступает так называемый коллапс, или крах сети, представляющий собой резкое падение ее производительности. Недостаток всех подобных методов еще и в том, что они не гарантируют величину времени доступа к сети, которая зависит не только от выбора задержки между попытками передачи, но и от общей загруженности сети. Поэтому, например, в сетях, выполняющих задачи управления оборудованием (на производстве, в научных лабораториях), где требуется быстрая реакция на внешние события, сети со случайными методами управления используются довольно редко.
При любом случайном методе управления обменом возникает вопрос о том, какой должна быть минимальная длительность пакета, чтобы коллизию обнаружили все начавшие передавать абоненты. Ведь сигнал по любой физической среде распространяется не мгновенно, и при больших размерах сети (как еще говорят, при большом диаметре сети) задержка распространения может составлять десятки и сотни микросекунд, и информацию об одновременно происходящих событиях разные абоненты получают не одновременно. Чтобы ответить на этот вопрос, обратимся к рис. 3.7.
Рис. 3.7. Расчет минимальной длительности пакета
Пусть L — полная длина сети, V - скорость распространения сигнала в используемом кабеле. Допустим, абонент 1 закончил свою передачу, а абоненты 2 и 3 захотели передавать во время передачи абонента 1. После освобождения сети абонент 3 узнает об этом событии и .начинает свою передачу через временной интервал прохождения сигнала по всей длине сети, то есть через время L/V, а абонент 2 начнет передавать сразу после освобождения сети. Пакет от абонента 3 дойдет до абонента 2 еще через временной интервал L/V после начала передачи абонентом 3 (обратный путь сигнала). К этому моменту передача пакета абонентом 2 ни в коем случае не должна еще закончиться, иначе абонент 2 так и не узнает о столкновении пакетов (о коллизии).
Поэтому получается, что минимально допустимая длительность пакета в сети должна составлять 2L/ V, то есть должна равняться удвоенному времени распространения сигнала по полной длине сети (или по пути наибольшей длины в сети). Это время называется двойным или круговым временем задержки сигнала в сети, или PDV (Path Delay Value). Отметим, что этот же временной интервал можно рассматривать как универсальную меру одновременности любых событий в сети.
Отдельно стоит остановиться на том, как сетевые адаптеры распознают коллизию, то есть столкновение пакетов. Ведь простое сравнение передаваемой абонентом информации с той, которая реально присутствует в сети, возможно только в случае самого простого кода NRZ, используемого довольно редко. При применении кода Манчестер-П, который обычно подразумевается в случае метода управления обменом CSMA/CD, требуется принципиально другой подход.
Как уже отмечалось, сигнал в коде Манчестер-П всегда имеет постоянную составляющую, равную половине размаха сигнала (если один из двух уровней сигнала нулевой). Однако в случае столкновения двух и более пакетов (коллизии) это правило выполняться не будет. Постоянная составляющая суммарного сигнала в сети будет обязательно больше или меньше половины размаха (рис. 3.8). Ведь пакеты всегда отличаются друг от друга и к тому же сдвинуты друг относительно друга во времени. Именно по выходу уровня постоянной составляющей за установленные пределы и определяет каждый сетевой адаптер наличие коллизии в сети.
Рис. 3.8. Определение факта коллизии при использовании кода Манчестер-II
Управление обменом в сети с топологией «звезда»
Для топологии «звезда» наиболее органично подходит централизованный метод управления, причем в данном случае не слишком важно, что находится в центре звезды: компьютер (центральный абонент), как на рис. 1.2, или же специальный концентратор, управляющий обменом, но сам не участвующий в нем (рис. 1.5). Именно эта вторая ситуация реализована в ceти 100VGAnyLAN.
Самый простой централизованный метод состоит в следующем.
Абоненты, желающие передать свой пакет (или, как еще говорят, имеющие заявки на передачу), посылают центру свои запросы. Центр же предоставляет им право передачи пакета в порядке очередности, например, по их физическому расположению по часовой стрелке. После окончания передачи пакета каким-то абонентом право передавать получит следующий по порядку (по часовой стрелке) абонент, имеющий заявку на передачу (рис. 3.5).
В этом случае говорят, что абоненты имеют географические приоритеты (по их физическому расположению). В каждый конкретный момент наивысшим приоритетом обладает следующий по порядку абонент, но в пределах полного цикла опроса ни один из абонентов не имеет никаких преимуществ перед другими. Никому не придется ждать своей очереди слишком долго. Максимальная величина времени доступа для любого абонента в этом случае будет равна суммарному времени передачи пакетов всех абонентов сети, кроме данного. Для топологии, показанной на рис. 3.5, она составит четыре длительности пакета. Никаких столкновений пакетов при данном методе быть не может в принципе, так как все решения о доступе принимаются в одном месте.
Рис. 3.5. Централизованный метод управления обменом в сети с топологией «звезда»
Возможен и другой принцип реализации централизованного управления.
В этом случае центр посылает запросы (управляющие пакеты) по очереди всем периферийным абонентам. Тот периферийный абонент, который хочет передавать (первый из опрошенных) посылает ответ (или же сразу начинает передачу). В дальнейшем сеанс обмена проводится именно с ним. После окончания этого сеанса центральный абонент продолжает опрос периферийных абонентов по кругу. Если же хочет передать центральный абонент, он передает без всякой очереди тому, кому хочет.
Как в первом, так и во втором случае никаких конфликтов быть не может (все решения принимает единый центр, которому не с кем конфликтовать). Если все абоненты очень активны и заявки на передачу поступают интенсивно, то все они будут передавать строго по очереди. Но центр должен быть исключительно надежен, иначе будет парализован весь обмен. Механизм управления не слишком гибок, так как центр работает по жестко заданному алгоритму. К тому же скорость управления невысока. Ведь даже в случае, когда все время передает только один абонент, ему все равно приходится ждать после каждого переданного пакета, пока центр опросит всех остальных абонентов.
Защита информации в локальных сетях
6.1. Классические алгоритмы шифрования данных
6.2. Стандартные методы шифрования
6.3. Программные средства защиты информации
Классические алгоритмы шифрования данных
В некоторых публикациях в периодической печати и в сети Internet под защитой информации понимается только часть из возможных и необходимых мероприятий в этом направлении, связанных с профилем работы конкретного коллектива исполнителей. Правильнее понимать под этим термином комплекс мероприятий, проводимых с целью предотвращения утечки, хищения, утраты, несанкционированного уничтожения, искажения, модификации (подделки), несанкционированного копирования, блокирования информации и т.п. Поскольку, например, утрата информации может происходить по чисто «техническим», объективным и неумышленным причинам, под это определение попадают также и мероприятия, связанные с повышением надежности сервера из-за отказов или сбоев в работе винчестеров, недостатков в используемом программном обеспечении и т.д.
Вообще, переход от работы на персональных компьютерах к работе в сети усложняет защиту информации по следующим причинам.
Большое число пользователей в сети и их переменный состав. Защита на уровне имени и пароля пользователя недостаточна для предотвращения входа в сеть посторонних лиц.
Большая протяженность сети и наличие многих потенциальных каналов проникновения в сеть.
Уже упомянутые недостатки в аппаратном и программном обеспечении, которые зачастую обнаруживаются не на предприятия или организации). Преимущества организационных средств - возможность решения многих разнородных проблем, простота реализации, возможность быстрого реагирования на нежелательные действия в сети, неограниченные возможности модификации и развития. Недостатки — высокая зависимость от субъективных факторов, в том числе от общей организации работы в данном конкретном подразделении.
Шифрование данных представляет собой разновидность программных средств защиты информации и имеет особое значение на практике как единственная надежная защита информации, передаваемой по протяженным последовательным линиям, от утечки.
Понятие «шифрование» часто употребляется в связи с более общим понятием криптографии.
Например, символ Е встречается чащ всего — в среднем 123 раза на каждые 1000 символов или в 12,3% случаев далее следуют символы Т - 9,6%, А - 8,1%, О - 7,9%, N - 1,2%, I - 7,2%, S - 6,6%, R — 6,0%, Н - 5,1%, L — 4,0% и т.д. Приведенные цифры могут, конеч но, несколько варьироваться в зависимости от источника информацю Поэтому показатель устойчивости к дешифрованию SKB данном случа не превышает 20...30.
Табл. 6.1. Пример замены символов при подстановке
| Исходный алфавит | А | В | С | D | Е | F | G ] | -I | i | J | К | L | X | Y | Z | |
| Альтернативный алфавит | S | О | и | Н | К | Т | L : | X | N | W | м | Y | А | Р | J |
Перестановка потенциально обеспечивает большую по сравнению с по, становкой устойчивость к дешифрованию и выполняется с использов нием цифрового ключа или эквивалентного ключевого слова, как это п казано на следующем примере (см. табл. 6.2.).
Цифровой ключ состоит из неповторяющихся цифр, а соответствующ ему ключевое слово - из неповторяющихся символов. Исходный тек (plain text) записывается под ключом построчно. Зашифрованное сообщение (cipher text) выписывается по столбцам в том порядке, как это предписывают цифры ключа (или в том порядке, в котором расположены отдельные символы ключевого слова в алфавите).
Для рассматриваемого примера зашифрованное сообщение: TRANSPOSITION IS THE ENCIPHER METHOD будет выглядеть следующим образом: AIHHORTTPHPaEaaSNaRaTIalTOINMccNOEEDSSCEct.
Табл. 6.2. Пример использования простой перестановки (а - служебный символ, в данном случае означает пробел)
| Ключевое слово | S | Е | С | и | R | I Т | Y |
| Цифровой ключ | 5 | 2 | 1 | 7 | 4 | 3 6 | 8 |
| Исходный текст (plain text), записанный построчно | Т | R | А | N | S | Р О | S |
| I | Т | I | О | N | а I | S" | |
| а | Т | Н | Е | а | Е N | С | |
| I | Р | Н | Е | R | а М | Е | |
| Т | Н | о | D | а | а а | а |
Гаммирование (смешивание с маской) основано на побитном сложении по модулю 2 (или, что то же самое - в соответствии с логикой ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ) исходного сообщения с заранее выбранной двоичной последовательностью (маской).
Компактным представлением маски могут служить числа в десятичной системе счисления или некоторый текст (в этом случае рассматривается внутренние коды символов - для английского текста таблица ASCII).
Операция суммирования по модулю 2 (ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ) является обратимой, так что при сложении с той же маской (ключом) зашифрованного сообщения мы снова получим исходный текст (произойдет дешифрование).
В качестве маски (ключа) могут использоваться константы типа п или е, и тогда маска будет иметь конечную длину. Наибольшую устойчивость к дешифрованию может обеспечить использование маски с бесконечной длиной, которая образована генератором случайных (точнее, псевдослучайных) последовательностей. Такой генератор легко реализуется аппаратными или программными средствами, например, с помощью сдвигового регистра с обратными связями, который используется при вычислении помехоустойчивого циклического кода. Точное воспроизведение псевдослучайной последовательности в генераторе на приемном конце линии обеспечивается при установке такого же исходного состояния (содержимого сдвигового регистра) и той же структуры обратных связей, что и в генераторе на передающем конце.
Перечисленные классические методы шифрования (подстановка, перестановка и гаммирование) являются линейными в том смысле, что длина зашифрованного сообщения равна длине исходного текста. Возможно нелинейное преобразование типа подстановки вместо исходных символов (или целых слов, фраз, предложений) заранее выбранных комбинаций символов другой длины.
Стандартные методы шифрования (национальные или международные) для повышения степени устойчивости к дешифрованию реализуют несколько этапов (шагов) шифрования, на каждом из которых используются различные классические методы шифрования в соответствии с выбранным ключом (или ключами). Существуют две принципиально различные группы стандартных методов шифрования:
шифрование с использованием одних и тех же ключей (шифров) при шифровании и дешифровании (симметричное шифрование или системы с открытыми ключами - private-key systems);
шифрование с использованием открытых ключей для шифрования и закрытых - для дешифрования (несимметричное шифрование).
Строгое математическое описание алгоритмов, используемых в стандартных методах шифрования, слишком сложно. Для пользователей важны в первую очередь потребительские свойства различных методов (степень устойчивости к дешифрованию, скорость шифрования и дешифрования, порядок и удобство распространения ключей), которые и рассматриваются ниже.
Программные средства защиты информации
Встроенные средства защиты информации в сетевых ОС доступны, но не всегда, как уже отмечалось, могут полностью решить возникающие на практике проблемы. Например, сетевые ОС NetWare 3.x, 4.x позволяют осуществить надежную «эшелонированную» защиту данных от аппаратных сбоев и повреждений. Система SFT (System Fault Tolerance - система устойчивости к отказам) фирмы Novell предусматривает три основных уровня.
SFT Level I. Первый уровень предусматривает, в частности, создание дополнительных копий FAT и Directory Entries Tables, немедленную верификацию каждого в'новь записанного на файловый сервер блока данных, а также резервирование на каждом жестком диске около 2% от объема диска. При обнаружении сбоя данные перенаправляются в зарезервированную область диска, а сбойный блок помечается как «плохой» и в дальнейшем не используется.
SFT Level II содержит дополнительно возможности создания «зеркальных» дисков, а также дублирования дисковых контроллеров, источников питания и интерфейсных кабелей.
SFT Level III позволяет использовать в локальной сети дублированные серверы, один из которых является «главным», а второй, содержащий копию всей информации, вступает в работу в случае выхода «главного» сервера из строя.
Система контроля и ограничения прав доступа в сетях NetWare (защита от несанкционированного доступа) также содержит несколько уровней.
Уровень начального доступа (включает имя и пароль пользователя, систему учетных ограничений типа явного разрешения или запрещения работы, допустимого времени работы в сети, места на жестком диске, занимаемого личными файлами данного пользователя, и т.д.).
Уровень прав пользователей («персональные» ограничения на выполнение отдельных операций и/или ограничения на работу данного пользователя как члена определенного подразделения, в отдельных частях файловой системы сети).
Уровень атрибутов каталогов и файлов (ограничения на выполнение отдельных операций типа удаления, редактирования или создания, идущие со стороны файловой системы и касающиеся всех пользователей, пытающихся работать с данными каталогами или файлами).
Уровень консоли файл-сервера (блокирование клавиатуры файл-сервера на время отсутствия сетевого администратора до ввода им специального пароля).
Однако полагаться на эту часть системы защиты информации в ОС NetWare можно не всегда. Свидетельством тому являются многочисленные инструкции в Internet и готовые доступные программы, позволяющие взломать те или иные элементы защиты от несанкционированного доступа. То же замечание справедливо по отношению к другим мощным сетевым ОС со встроенными средствами защиты информации (Windows NT, UNIX).
Дело в том, что защита информации - это только часть из многочисленных задач, решаемых сетевыми ОС. «Выпячивание» одной из функций в ущерб другим (при понятных разумных ограничениях на объем, занимаемый данной ОС на жестком диске) не может быть магистральным направлением развития таких программных продуктов общего назначения, которыми являются сетевые ОС.
В то же время в связи с остротой проблемы защиты информации наблюдается тенденция интеграции (встраивания) отдельных, хорошо зарекомендовавших себя и ставших стандартными средств в сетевые ОС или разработка собственных «фирменных» аналогов известным программам защиты информации. Так, в сетевой ОС NetWare 4.1 предусмотрена возможность кодирования данных по принципу «открытого ключа» (алгоритм RSA) с формированием электронной подписи для передаваемых по сети пакетов.
Специализированные программные средства защиты информации от
несанкционированного доступа обладают в целом лучшими возможностями и характеристиками, чем встроенные средства сетевых ОС. Кроме программ шифрования, существует много других доступных внешних средств защиты информации. Из наиболее часто упоминаемых следует отметить следующие две системы, позволяющие ограничить информационные потоки.
Firewalls - брандмауэры (дословно firewall — огненная стена). Между локальной и глобальной сетями создаются специальные промежуточные сервера, которые инспектируют и фильтруют весь проходящий через них трафик сетевого/ транспортного уровней. Это позволяет резко снизить угрозу несанкционированного доступа извне в корпоративные сети, но не устраняет эту опасность совсем. Более защищенная разновидность метода - это способ маскарада (masquerading), когда весь исходящий из локальной сети трафик посылается от имени firewall-сервера, делая локальную сеть практически невидимой.
Proxy-servers (proxy - доверенность, доверенное лицо). Весь трафик сетевого/транспортного уровней между локальной и глобальной сетями запрещается полностью — попросту отсутствует маршрутизация как таковая, а обращения из локальной сети в глобальную происходят через специальные серверы-посредники. Очевидно, что при этом методе обращения из глобальной сети в локальную становятся невозможными в принципе. Очевидно также, что этот метод не дает достаточной защиты против атак на более высоких уровнях - например, на уровне приложения (вирусы, код Java и JavaScript).
Нет никакой возможности (да и необходимости) рассматривать различные аспекты проблем защиты информации в компьютерных сетях и возможные способы их решения более подробно. Этим специальным вопросам посвящено много книг, публикаций в периодической печати и в Internet. Имеются, наконец, жесткие законодательные акты. Авторы надеются, что приведенные в данном разделе сведения достаточны для первоначального введения в круг проблем и решений, связанных с защитой информации.
Стандартные методы шифрования
Стандарт шифрования данных США DES (Data Encryption Standard — стандарт шифрования данных) относится к группе методов симметричного шифрования и действует более 20 лет (принят в 1976 г.). Используемые операции - перестановка, гаммирование и нелинейная подстановка. Число шагов — 16. Длина ключа составляет 56 бит, из которых 8 бит - это проверочные разряды четности/нечетности.
Долгое время степень устойчивости к дешифрованию этого метода считалась достаточной, однако в 1998 г. появилось сообщение о создании специализированного компьютера (DES cracker), позволяющего вскрыть зашифрованный текст максимум за 9 дней (см. http://www.eff.org/ descracker). Впрочем, такого рода сообщения можно отнести и к одному из проявлений конкурентной борьбы.
Отечественный ГОСТ28147-89 - это аналог DES, но с длиной ключа 256 бит, так что его степень устойчивости к дешифрованию изначально существенно выше. Важно также и то, что в данном случае предусматривается целая система защиты, которая преодолевает «родовой» недостаток симметричных методов шифрования - возможность подмены сообщений. Такие усовершенствования, как имитовставки, хэш-функции и электронные цифровые подписи позволяют «авторизовать» передаваемые сообщения. Достоинством симметричных методов шифрования является высокая скорость шифрования и дешифрования, недостатком — малая степень защиты в случае, если ключ стал доступен третьему лицу.
Достаточно популярны, особенно при использовании электронной почты в сети Internet, несимметричные методы шифрования или системы с открытыми ключами - public-key systems. Типичный представитель этой группы методов - PGP (Pretty Good Privacy - достаточно хорошая секретность).
Каждый пользователь в этом случае имеет пару ключей. Открытые ключи предназначены для шифрования и свободно рассылаются по сети, но не позволяют произвести дешифрование. Для этого нужны секретные (закрытые) ключи.
Принцип шифрования в данном случае основывается на использовании так называемых односторонних функций.
Прямая функция х -» f (х) легко вычисляется на основании открытого алгоритма (ключа). Обратное
преобразование f (x) —> х без знания закрытого ключа затруднено и должно занимать достаточно большое время, которое и определяет степень «трудновычислимости» односторонней функции.
Идею системы с открытыми ключами можно пояснить следующим образом (табл. 6.3). Для шифрования сообщений можно использовать обычную телефонную книгу, в которой имена абонентов расположены в алфавитном порядке и предшествуют телефонным номерам. Берется имя абонента, начинающееся на данную букву исходного слова, и номер телефона используется в качестве шифрованного сообщения.
Табл. 6.3. Пример шифрования в системе с открытыми ключами
| Исходное слово | Выбранное имя абонента | Зашифрованное сообщение (телефонные номера) |
| S | Scott | 3541920 |
| А | Adleman | 4002132 |
| и | Ullman | 7384502 |
| N | Nivat | 5768115 |
| А | Aho | 7721443 |
В отличие от симметричных методов шифрования, проблема рассылки ключей в несимметричных методах решается проще — пары ключей (открытый и закрытый) генерируются «на месте» с помощью специальных программ. Для рассылки открытых ключей используются специальные
технологии типа LDAP (Lightweight Directory Access Protocol - протокол облегченного доступа к справочнику). Рассылаемые ключи могут быть предварительно зашифрованы с помощью одного из симметричных методов шифрования.
Алгоритм доступа к сети
На рис. 7.1 показана структурная схема алгоритма доступа к сети в соответствии с методом CSMA/CD для одного из абонентов, имеющих данные (кадры) для передачи.
В начале из кадра, предназначенного для передачи, абонент (узел) формирует пакет. Далее при обозначении блоков информации, передаваемых по сети при использовании алгоритма CSMA/CD, понятия «кадр» и «пакет» не различаются, что не совсем правильно, но соответствует сложившейся практике.
Если после подготовки пакета сеть свободна, то абонент (узел) может начать передачу. Но сначала он должен проверить, прошло ли минимально допустимое время IPG после предыдущей передачи (блок 1 на рисунке). Только после окончания времени IPG абонент может начать передачу битов своего пакета (блок 2 на рисунке).
После передачи каждого бита абонент поверяет наличие конфликта (коллизии) в сети. Если коллизий нет, передача битов продолжается до окончания пакета (блок 4 на рисунке). В этом случае считается, что передача прошла успешно.
Рис. 7.1. Структурная схема алгоритма доступа к сети в соответствии с методом CSMA/CD
Если после передачи какого-то бита обнаружена коллизия, то передача пакета прекращается. Абонент (узел) усиливает коллизию, передавая 32-
битовый сигнал ПРОБКА и начинает готовиться к следующей попытке передачи (блок 3 на рисунке). Сигнал ПРОБКА гарантирует, что факт наличия коллизии обнаружат все абоненты, участвующие в конфликте.
После передачи сигнала ПРОБКА абонент, обнаруживший коллизию, увеличивает значение счетчика числа попыток (перед началом передачи счетчик был сброшен в нуль). Максимальное число попыток передачи должно быть не более 16, поэтому если счетчик попыток переполнился, то попытки передать пакет прекращаются. Считается, что в этом случае сеть сильно перегружена, в ней слишком много коллизий. Эта ситуация - аварийная, и обрабатывается она на более высоких уровнях протоколов обмена.
Если же количество попыток не превысило 16, то производится вычисление величины задержки по приведенной формуле, а затем и выдержка вычисленного временного интервала. Случайный характер величины задержки с высокой степенью вероятности гарантирует, что у всех абонентов, участвующих в конфликте, задержки будут различными. Затем попытка передать пакет повторяется с самого начала. Понятно, что тот абонент, у которого вычисленная задержка будет меньше, начнет следующую передачу первым и заблокирует все остальные передачи.
Если в момент возникновении заявки на передачу (после окончания подготовки пакета) сеть занята другим абонентом, ведущим передачу, то данный абонент ждет освобождения сети (блок 5 на рисунке). После освобождения сети он должен выждать после предыдущей передачи по сети время IPG до начала собственной передачи. Это связано с конечным быстродействием узлов, осуществляющих проверку наличия несущей (занятости среды каким-либо передающим абонентом).
Таким образом, получается, что метод CSMA/CD не только не предотвращает коллизии, наоборот, он их предполагает, он их даже провоцирует, а затем разрешает. Например, если заявки на передачу возникли у нескольких абонентов во время занятости сети, то после ее освобождения все эти абоненты одновременно начнут передачу и образуют коллизию. Коллизия возникает и в случае свободной сети, если заявки на передачу возникают у нескольких абонентов одновременно. В обоих этих случаях под словом «одновременно» понимается «в пределах интервала двойного прохождения сигнала по сети», то есть в пределах 512-битовых интервалов. Точно так же в пределах 512-битовых интервалов обнаруживаются все коллизии в сети.
Если коллизия обнаруживается раньше 480- битового интервала, то в результате в сети образуются пакеты, длина которых меньше нижнего установленного предела в 512-битовых интервалов (64 байта) даже с добавлением сигнала ПРОБКА. Такие, пакеты (кадры) называются карликовыми (runt frames). Если же коллизия обнаруживается в конце 512-битового интервала (после 480-битового интервала), то в результате может получиться пакет допустимой длины (вместе с сигналом ПРОБКА). Такие пакеты называть карликовыми не совсем правильно. Сигнал ПРОБКА, образующий 32 последних бита пакета, выступает в виде контрольной суммы пакета. Однако вероятность того, что ПРОБКА будет соответствовать правильной контрольной сумме пакета, крайне мала (примерно 1 случай на 4,2 миллиарда).
Коллизии (наложения пакетов в процессе передачи) могут и должны обнаруживаться до окончания передачи. Действительно, анализ принятого в конце каждого пакета поля FCS, фактически содержащего помехоустойчивый циклический код CRC (Cyclic Redundancy Check), привел бы к неоправданному снижению скорости передачи.
Практически коллизии обнаруживаются либо самим передающим абонентом, либо повторителями в сети, возможно, задолго до окончания передачи заведомо испорченного пакета. Если учесть, что длина пакетов в локальной сети типа Ethernet/Fast Ethernet может лежать в диапазоне от 64 до 1518 байт, то досрочное прекращение передачи и освобождение линии означает заметное повышение эффективности использования ее пропускной способности.
Первым признаком возникновения коллизии является факт получения сигнала ПРОБКА передающим абонентом во время передачи пакета. Другие признаки связаны с неверным форматом пакетов, передача которых была досрочно прекращена из-за возникновения коллизии:
длина пакета меньше 64 байт (512 бит);
пакет имеет неверную контрольную сумму FCS (точнее, неверный циклический код);
длина пакета не кратна восьми.
Наконец, в сетях типа Ethernet используется код Манчестер-П и чисто аппаратный способ определения коллизии, основанный на анализе отклонения среднего значения сигнала от нуля.
Даже при загруженной сети для одного абонента число подряд следующих коллизий обычно не превышает 2—3. Этому способствует случайный характер возникновения запроса на передачу и случайная дискретная величина отсрочки следующей попытки передачи в случае возникновения коллизии. Всего же предусмотрено 16 попыток передачи, после чего
возникшая особая ситуация обрабатывается протоколом более высокого уровня. Число коллизий тем больше, чем больше диаметр (размер) сегмента и чем дальше расположены друг от друга абоненты с интенсивным трафиком.
Циклические коды (CRC)
Циклические коды - это целое семейство помехоустойчивых кодов, вклю чающее в себя в качестве одной из разновидностей коды Хэмминга, но : целом обеспечивающее большую гибкость с точки зрения возможност] реализации кодов с необходимой способностью обнаружения и исправ ления ошибок, определяемой параметром d0, по сравнению с кодами Хэм минга (для которых dQ=3 или d0=4). Широкое использование цикличес ких кодов на практике обусловлено также простотой реализаци соответствующих кодеров и декодеров.
Основные свойства и само название циклических кодов связаны с те!\ что все разрешенные комбинации бит в передаваемом сообщении (коде вые слова) могут быть получены путем операции циклического сдвиг некоторого исходного кодового слова:
Циклические коды задаются с помощью так называемых порождающр полиномов (многочленов) g(x) или их корней. Кроме того, вводятся понятия полинома исходного сообщения
Для этих полиномов, представляющих собой, по существу, альтерната ную запись чисел в двоичной системе счисления, определяются опер ции сложения, умножения и деления, необходимые для организации i
дирования н декодирования сообщения. Все эти операции выполняются по модулю 2.
Рассмотрим последовательность кодирования на примере циклического кода (7,4,3), имеющего g(x) = х3 + х + 1:
1) информационная часть сообщения записывается в виде полинома:
В рассматриваемом примере k = 4 и для сообщения 0111 получаем
2) и(х) умножается хг, что соответствует циклическому сдвигу исходного сообщения на г разрядов влево:
3) полученный многочлен делится на g(x):
где с(х)-полином - частное с максимальной степенью (k-1); R(x)-полином - остаток с максимальной степенью (г-1); © - обозначение поразрядной операции суммирования по модулю 2 (исключающее ИЛИ).
Кодированное сообщение представляется в виде
то есть на месте младших, освобожденных после домножения на хг, разрядов, записываются проверочные разряды.
Для рассматриваемого примера:
Таким образом, в данном случае А(х) = (х3 + х4 + х3) © х = х5 + х4 + х3 + х. Передаваемое кодированное сообщение в обычной двоичной форме имеет вид:
Один из возможных вариантов аппаратурной реализации кодера для рассматриваемого примера представлен на рис. 7.4 вместе с последовательностью сигналов, подтверждающей получение тех же самых проверочных разрядов (010) на восьмом такте (г + k + 1 = 8).
Кодер представляет собой сдвиговый регистр с обратными связями, организуемыми с помощью элементов М2 (исключающее ИЛИ, сумматор по модулю 2). Структура обратных связей полностью определяется ненулевыми коэффициентами порождающего полинома g(x).
Рис. 7.4. Пример формирования циклического кода (сигнал обратной связи отличен от нуля на 5-м и б-м тактах)
На первых восьми тактах ключ Кл. находится в верхнем положении и формируются проверочные разряды. Затем ключ Кл. устанавливается в
нижнее положение, что соответствует разрыву цепей обратных связей и передаче непосредственно в канал связи или на модулятор проверочных разрядов. Для временного хранения информационной части сообщения с целью последующей ее передачи вместе с проверочными разрядами кодер, очевидно, должен быть дополнен сдвиговым регистром длиной в k разрядов, ключами и соответствующими цепями управления. Однако, в целом, аппаратурные затраты при реализации кодеров в случае циклических кодов невелики - общее число триггеров и элементов М2 (исключая регистр временного хранения информационной части сообщения) не превышает 2 г и не зависит от длины информационной части сообщения.
Двухвходовый элемент М2, на один из входов которого подается в последовательной форме сообщение, на выходе формирует бит четности или нечетности (в зависимости от значения сигнала на втором входе элемента М2 - 0 или 1) для этого сообщения. В схеме кодера (рис. 7.4) элементы М2 включены между отдельными триггерами сдвигового регистра, причем сигналы обратной связи, поступающие на «свободные» входы элементов М2 (не связанные с передачей собственно сообщения через сдвиговый регистр), зависят как от предшествующих разрядов сообщения, так и от структуры обратных связей, принятой в кодере. В результате циклический код, формируемый таким кодером, можно считать совокупностью обобщенных бит четности и нечетности, тип которых (четность или нечетность) не определен заранее и может динамически меняться от такта к такту.
Порождающие полиномы, представляющие собой т. н. неприводимые многочлены (многочлены, которые делятся лишь на единицу и на самих себя), табулированы для разных значений n, k и dQ, например, п = 7...255, k = 3...247, d0= 3...127. Практически в компьютерных сетях используются циклические коды длиною в 2 или 4 байта (16 или 32 бита), а параметры п, k и d0 в явном виде не указываются. Это связано с возможностью выбора различной длины поля данных в пакете на этапе установления и выбора параметров соединения при неизменной длине поля циклического кода. Теоретическая вероятность ошибки при приеме в случае использования циклического кода не хуже рощ < 1/2г, так что для выполнения условия стандарта рош < 10"6 необходимое число проверочных разрядов г > Iog2106 = 20. Кроме случайно распределенных, циклический код позволяет обнаруживать подряд следующие ошибки (так называемые пакеты ошибок) длиною 1 = г или меньше. Это особенно важно в связи с возможностью возникновения продолжительных во времени помех, действующих на протяженные линии передачи в компьютерных сетях.
Хотя циклические коды обладают способностью исправления ошибок высокой кратности (при большом значении параметра d0) и известны технические решения декодеров с исправлением ошибок, однако практическая реализация таких декодеров на современном этапе представляется затруднительной, особенно в случае широкополосных (высокоскоростных) каналов связи. В настоящее время более распространены декодеры с обнаружением ошибок. При использовании обнаруживающего декодера в системе передачи информации неверно принятая информация может игнорироваться либо может быть запрошена повторная передача той же информации; в последнем случае предполагается наличие сигнала подтверждения правильности принятой информации, поступающего от приемника к передатчику информации. По мере развития элементной базы следует ожидать появления в интегральном исполнении декодеров циклических кодов, способных не только обнаруживать, но и исправлять ошибки.
Отметим также, что кроме систем передачи информации, циклические коды используется в запоминающих устройствах (ЗУ) для обнаружения возможных ошибок в считываемой информации. При записи файлов на диск (в том числе при их архивировании) вместе с файлами формируются и записываются соответствующие циклические коды. При чтении файлов (в том числе при извлечении файлов из архива) вычисленные циклические коды сравниваются с записанными и таким образом обнаруживаются возможные ошибки. Свойства циклического кода лежат в основе сигнатурного анализа (эффективного способа поиска аппаратных неисправностей в цифровых устройствах различной сложности). Варианты практической реализации соответствующих кодеров и сигнатурных анализаторов имеют между собой много общего.
Следует сделать два замечания относительно сложившейся терминологии. Хотя понятие «циклические коды» достаточно широкое, на практике его обычно используют для обозначения только одной разновидности, описанной выше и имеющей в англоязычной литературе название CRC (Cyclic Redundancy Check - циклическая избыточная проверка). Более того, иногда поле пакета, фактически содержащее код CRC, называется «контрольной суммой», что в принципе не совсем верно, но встречается повсеместно.
Перспективными с точки зрения аппаратурной реализации представляются коды БЧХ (коды Боуза-Чаудхури-Хоквингема), так же, как и коды Хэмминга, входящие в семейство циклических кодов. Коды БЧХ не слишком большой длины (примерно до п = 1023) оптимальны или близки к оптимальным кодам, т.е. обеспечивают максимальное значение d0 при минимальной избыточности. Эти коды уже нашли практическое применение в цифровых системах записи звука (речи, музыки), причем в варианте, предусматривающем исправление обнаруженных ошибок. Понятно, что относительно невысокие частоты дискретизации звуковых сигналов (48 или 96 кГц) не препятствуют так жестко, как в случае высокоскоростных сетей, проведению дополнительных вычислений.
Алгоритмы сети Ethernet/Fast Ethernet
7.1. Метод управления обменом CSMA/CD
7.1.1. Алгоритм доступа к сети
7.1.2. Оценка производительности сети
7.2. Использование помехоустойчивых кодов для обнаружения ошибок в сети
7.2.1. Способы снижения числа ошибок в принятой информации
7.2.2. Характеристики и разновидности помехоустойчивых кодов
7.2.3. Циклические коды (CRC)
Характеристики и разновидности помехоустойчивых кодов
Помехоустойчивое кодирование предполагает введение в передаваемое сообщение, наряду с информационными, так называемых проверочных разрядов, формируемых в устройствах защиты от ошибок (кодерах-на передающем конце, декодерах — на приемном). Избыточность позволяет отличить разрешенную и запрещенную (искаженную за счет ошибок) комбинации при приеме, иначе одна разрешенная комбинация переходила бы в другую.
Помехоустойчивый код характеризуется тройкой чисел (n, k, d0), где n— общее число разрядов в передаваемом сообщении, включая проверочные (г), k=n-r - число информационных разрядов, d0— минимальное кодовое расстояние между разрешенными кодовыми комбинациями, определяемое как минимальное число различающихся бит в этих комбинациях. Число обнаруживаемых (tj и (или) исправляемых (t ) ошибок (разрядов) связано с параметром d0 соотношениями
Иногда используются дополнительные показатели избыточности, производные от приведенных выше характеристик n, k:R = r/n- относительная избыточность, v = k / n - относительная скорость передачи.
Существующие помехоустойчивые коды можно разделить на ряд групп, только часть из которых используется для обнаружения ошибок в передаваемых по сети пакетах (на рис. 7.3 используемые для этой цели группы выделены утолщенными стрелками). В группе систематических (линейных) кодов общим свойством является то, что любая разрешенная комбинация может быть получена в результате линейных операций над линейно-независимыми векторами. Это способствует упрощению аппаратной и программной реализации данных кодов, повышает скорость выполнения необходимых операций.
Рис. 7.3. Классификация помехоустойчивых кодов
Простейшими систематическими кодами являются биты четности/нечетности. Они не позволяют обнаружить ошибки четной кратности (т.е. ошибки одновременно в двух, четырех и т.д. битах) и поэтому используются при невысоких требованиях к верности принимаемых данных (или при малой вероятности ошибок в линии передачи). Примером может служить бит Parity (соответствие) в установках режимов работы последовательного порта с помощью команды MODE (MS DOS). Несмотря на ограниченные возможности обнаружения ошибок, биты четности/нечетности имеют большое значение в теории помехоустойчивого кодирования. Одни иг первых математически обоснованных и практически использовании? помехоустойчивых кодов - коды Хэмминга представляют собой простс совокупность перекрестных проверок на четность/нечетность. Циклические коды могут рассматриваться как обобщенные проверки на четность/ нечетность (см. далее).
Использование помехоустойчивых кодов для обнаружения ошибок в сети
Сигналы, непосредственно передаваемые по последовательным линиям (типа витой пары, коаксиального кабеля или телефонной линии), подвержены влиянию ряда факторов, воздействие которых может привести к возникновению ошибок в принятой информации. Ошибки могут возникать вследствие влияния на канал связи наводок и помех естественного или искусственного происхождения, а также вследствие изменения конфигурации системы передачи информации с временным нарушением или без нарушения целостности канала связи (например, в случае подключения новых абонентов к существующей локальной информационной сети).
Некоторые из ошибок могут быть обнаружены на основании анализа вида принятого сигнала, так как в нем появляются характерные искажения. Примером может служить код Манчестер-П, используемый в сетях Ethernet. На передающем конце линии этот код обязательно содержит переход с низкого электрического уровня на высокий или обратно в середине каждого тактового интервала, требуемого для передачи одного бита информации. Он также имеет среднюю составляющую, близкую к нулю. Эти свойства кода Манчестер-П могут использоваться для обнаружения разного рода ошибок. В частности, отличие средней составляющей сигнала от нуля является одним из признаков возникновения коллизий (наложений пакетов от разных абонентов), характерных для метода доступа CSMA/CD в сетях типа Ethernet. Однако сколько-нибудь серьезную систему обнаружения ошибок, вызванных воздействием помех с непредсказуемым поведением, на этой основе построить невозможно.
Стандартные протоколы обмена информации в сетях предусматривают введение обязательного поля для размещения помехоустойчивого (корректирующего) кода. Если в результате обработки принятого пакета обнаружится несоответствие принятого и вновь вычисленного помехоустойчивого кода, с большой долей вероятности можно утверждать, что среди принятых бит имеются ошибочные. Передачу такого пакета нужно будет повторить (в расчете на случайный характер помех).
Метод управления обменом CSMA/CD
В данной главе мы рассмотрим подробнее два основных алгоритма, применяемых в самой распространенной на сегодняшний день сети Ethernet/ Fast Ethernet. Речь идет о методе управления обменом (методе доступа) CSMA/CD и о методе вычисления циклической контрольной суммы пакета CRC.
Эти же самые алгоритмы используются во многих других локальных сетях. Например, метод доступа CSMA/CD применяется в сетях IBM PC Network, AT&T Starlan, Corvus Omninet, PC Net, G-Net и др. Что касается алгоритма вычисления циклической контрольной суммы CRC, то он стал фактическим стандартом для любых локальных сетей. Так что все, о чем говорится в данной главе, относится ко многим локальным сетям.
Как уже говорилось в главе 3, метод управления обменом CSMA/CD (Carrier-Sense Multiple Access with Collision Detection - множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий) относится к децентрализованным случайным (точнее, квазислучайным) методам. Он используется как в обычных сетях типа Ethernet, так и в высокоскоростных сетях типа Fast Ethernet. Поскольку характеристики и области применения этих популярных на практике сетей связаны именно с особенностями используемого метода доступа, его стоит рассмотреть более подробно.
Сначала чуть подробнее о названии метода. В ранней сети типа Alohanet, работавшей с 1970 г. на Гавайских островах, использовался радиоканал и установленный на спутнике ретранслятор (отсюда слово «несущая» в названии метода), а также сравнительно простой метод доступа CSMA (без обнаружения коллизий). В сетях типа Ethernet и Fast Ethernet в качестве несущей выступает синхросигнал, «подмешиваемый» к передаваемым данным таким образом, чтобы обеспечить надежную синхронизацию на приемном конце за счет организации (при необходимости) дополнительных принудительных переходов сигнала между двумя (как в коде Ман-честер-П) или тремя электрическими уровнями (как в коде типа 8В6Т, используемом в сегменте Fast Ethernet 100BaseT4 на основе четырех неэкранированных витых пар). По сравнению с классическим методом CSMA в методе CSMA/CD добавлено обнаружение конфликтов (коллизий) во время передачи, что повышает надежность доставки информации.
При описании временных диаграмм сетей типа Ethernet и Fast Ethernet, а также предельных размеров пакетов (кадров) широко используются следующие термины.
IPG (interpacket gap, межпакетная щель) - минимальный промежуток времени между передаваемыми пакетами (9,6 мкс для Ethernet/0,96 мкс для Fast Ethernet). Другое название — межкадровый интервал.
ВТ (Bit Time, время бита) - интервал времени для передачи одного бита (100 не для Ethernet/ 10 не для Fast Ethernet).
PDV (Path Delay Value, значение задержки в пути) — время прохождения сигнала между двумя узлами сети (круговое, то есть удвоенное). Учитывает суммарную задержку в кабельной системе, сетевых адаптерах, повторителях и других сетевых устройствах.
Collision window (окно коллизий) - максимальное значение PDV для данного сегмента.
Collision domain (область коллизий, зона конфликта) - часть сети, на которую распространяется ситуация коллизии, конфликта.
Slot time (время канала) - максимально допустимое окно коллизий для сегмента (512 ВТ).
Minimum frame size - минимальный размер кадра (512 бит, или 64 байта).
Maximum frame size - максимальный размер кадра (1518 байт).
Maximum network diameter (максимальный диаметр сети) -максимальная допустимая длина сегмента, при которой его окно коллизий не превышает slot time, времени канала.
Truncated binary exponential back off (усеченная двоичная экспоненциальная отсрочка) — задержка перед следующей попыткой передачи пакета после коллизии (допускается максимум 16 попыток). Вычисляется она по следующей формуле:
RAND(0, 2min<N-IO>) • 512 • ВТ,
где N - значение счетчика попыток, RAND(a, b) — генератор случайных нормально распределенных целых чисел в диапазоне а...Ь, включая крайние значения. Дискрет изменения данного параметра равен минимальной длине пакета или максимально допустимой двойной задержке распространения сигнала в сети (PDV).
Оценка производительности сети
Вопрос об оценке производительности сетей, использующих случайный метод доступа CSMA/CD, не очевиден из-за того, что существуют несколько различных показателей. Прежде всего, следует упомянуть три связанные между собой показателя, характеризующие производительность сети в идеальном случае - при отсутствии коллизий и при передаче непрерывного потока пакетов, разделенных только межпакетным интервалом IPG. Очевидно, такой режим реализуется, если один из абонентов активен и передает пакеты с максимально возможной скоростью. Неполное использование пропускной способности в этом случае связано, кроме существования интервала IPG, с наличием служебных полей в пакете Ethernet (см. рис. 7.2).
Пакет максимальной длины является наименее избыточным по относительной доле служебной информации. Он содержит 12304 бит (включая интервал IPG), из которых 12000 бит являются полезными данными.
Поэтому максимальное скорость передачи пакетов (или, иначе, скорость в кабеле - wire speed) составит в данном случае
108 бит/с / 12304 бит = 8127,44 пакет/с.
Пропускная способность представляет собой скорость передачи полезной информации и в данном случае составит
8127,44 пакет/с • 1500 байт = 12,2 Мбайт/с.
Наконец, эффективность использования физической скорости передачи сети, в случае Fast Ethernet равной 100 Мбит/с, по отношению только к полезным данным составит
8127,44 пакет/с • 12000 бит / 10е бит/с = 98 %.
При передаче пакетов минимальной длины (с учетом интервала IPG -84 • 8 = 672 бит, из которых только 46 • 8 = 368 бит несут полезную информацию) возрастает скорость в кабеле (148809,52 пакет/с вместо 8127,44 пакет/с), что означает всего лишь факт передачи большого числа коротких пакетов. В то же время пропускная способность (6,8 Мбайт/с вместо 12,2 Мбайт/с) и эффективность (55% вместо 98 %) заметно ухудшаются.
Для реальных сетей типа Fast Ethernet с большим числом активных абонентов N пропускная способность на уровне 12,2 Мбайт/с для какого-либо абонента является пиковым, редко реализуемым значением. При одинаковой активности всех абонентов средняя пропускная способность для каждого из них составит 12,2/N Мбайт/с, а на самом деле может оказаться еще меньше из-за возникновения коллизий, ошибок в работе сетевого оборудования и влияния помех (в случае работы локальной сети в условиях, когда кабельная система подвержена влиянию больших внешних электромагнитных наводок). Влияние помех, так же как и поздних конфликтов (late collision) в некорректных сетях, отслеживается с помощью анализа поля FCS пакета.
Для реальных сетей более информативен такой показатель производительности, как показатель использования сети (network utilization), который представляет собой долю в процентах от суммарной пропускной способности (не поделенной между отдельными абонентами). Он учитывает коллизии и другие факторы. Ни сервер, ни рабочие станции не содержат средств для определения показателя использования сети, для этого предназначены специальные, не всегда доступные, из-за высокой стоимости аппаратно-программные средства типа анализаторов протоколов.
Считается, что для загруженных систем Ethernet и Fast Ethernet хорошим значением показателя использования сети является 30%. Это значение соответствует отсутствию длительных простоев в работе сети и обеспечивает достаточный запас в случае пикового повышения нагрузки. Однако если показатель использования сети значительное время составляет 80...90% и более, то это свидетельствует о практически полностью используемых (в данное время) ресурсах, но не оставляет резерва на будущее. Впрочем, для реальных сетей типа Fast Ethernet это скорее гипотетическая ситуация.
На рис. 7.2 приведена зависимость показателя использования сети от времени при условии, что предложенная нагрузка (offered load), т.е. текущий запрос на пропускную способность, линейно возрастает. Сначала показатель использования сети также линейно возрастает, но затем конкуренция за владение средой передачи порождает коллизии и рассматриваемый показатель достигает максимума (точка полной нагрузки на графике). При дальнейшем увеличении предложенной нагрузки показатель использования сети начинает уменьшаться, особенно резко после точки насыщения. Это «плохая» область работы сети. Считается, что сеть работает хорошо, если и предложенная нагрузка, и показатель использования сети высоки.
Рис. 7.2. Зависимость показателя использования сети от времени при линейном увеличении предложенной нагрузки (1 - наилучшая область работы, 2 - приемлемая, 3 - плохая)
Некоторые авторы предлагают использовать для широко распространенного понятия «перегрузка» (overload) сетей на основе метода доступа CSMA/CD следующее определение: сеть перегружена, если она не может работать при полной нагрузке в течении не менее 80% своего времени (предполагается, что при этом в течении не менее 20% времени показатель использования сети недопустимо мал из-за коллизий). После точки насыщения наступает крах Ethernet (Ethernet collapse), когда возрастающая предложенная нагрузка заметно превышает возможности сети.
Стоит заметить, что реально маловероятно, чтобы предложенная нагрузка постоянно увеличивалась во времени и надолго превышала пропускную способность сети типа Fast Ethernet. Более того, любой детерминированный метод доступа не может обеспечить реализацию сколь угодно большой предложенной нагрузки, существующей продолжительное время. Если данный вариант детерминированного метода доступа не предусматривает, как и метод CSMA/CD, систему приоритетов, то никакой из абонентов не может захватить сеть более чем на время передачи одного пакета, однако передача данных отдельными пакетами с долгими паузами между ними ведет к снижению скорости передачи для каждого абонента. Однако преимущество детерминированных методов состоит в возможности простой организации системы приоритетов, что полезно из-за существования определенной иерархии в любом крупном коллективе.
Способы снижения числа ошибок в принятой информации
Имеется разрыв между требованиями к верности принимаемой информации и возможностями существующих каналов связи. В частности, стандартами международных организаций МККТТ и МОС установлено, что вероятность ошибки при телеграфной связи не должна превышать 3 • 10"5 (на знак), а при передаче данных - 10~6 (на единичный элемент, бит). На практике допустимая вероятность ошибки при передаче данных может быть еще меньше - 10~9. В то же время существующие каналы связи (особенно каналы большой протяженности и протяженные радиоканалы) обеспечивают вероятность ошибки на уровне 10~3...10"4 даже при использовании фазовых корректоров, регенеративных ретрансляторов и других устройств, улучшающих качество каналов связи.
Кардинальным способом снижения вероятности ошибок при приеме является введение избыточности в передаваемую информацию. В системах передачи информации без обратной связи данный способ реализуется в виде помехоустойчивого кодирования, многократной передачи информации или одновременной передачи информации по нескольким параллельно работающим каналам. Помехоустойчивое кодирование доступнее и при прочих равных условиях позволяет обойтись меньшей избыточностью и за счет этого повысить скорость передачи информации.
Аппаратура ASE-FX
Применение оптоволоконного кабеля в сегменте 100BASE-FX позволяет существенно увеличить протяженность сети, а также избавиться от электрических наводок и повысить секретность передаваемой информации.
Аппаратура 100BASE-FX очень близка к аппаратуре 10BASE-FL. Точно так же здесь используется топология «пассивная звезда» с подключением компьютеров к концентратору с помощью двух разнонаправленных оптоволоконных кабелей (рис. 8.20). Между сетевыми адаптерами и кабелями возможно включение выносных трансиверов. Как и в случае сегмента 10BASE-FL, оптоволоконные кабели подключаются к адаптеру (трансиверу) и к концентратору с помощью разъемов типа SC, ST или FDDI. Для присоединения разъемов SC и FDDI достаточно просто вставить их в гнездо, а разъемы ST имеют байонетный механизм.
Рис. 8.20. Подключение компьютеров к сети 10OBASE-FX
Максимальная длина кабеля между компьютером и концентратором составляет 412м, причем это ограничение определяется не качеством кабеля, а установленными временными соотношениями. Согласно стандарту,
применяется мультимодовый или одномодовый кабель с длиной волны света 1,35 мкм. В последнем случае потери мощности сигнала в сегменте (в кабеле и разъемах) не должны превышать 11 дБ. При этом надо учитывать, что потери в кабеле составляют 1-5 дБ на километр длины, а потери в разъеме - от 0,5 до 2 дБ (при условии, что разъем установлен качественно).
Как и в других сегментах Fast Ethernet, в 100BASE-FX предусмотрен контроль за целостностью сети, для чего в промежутках между сетевыми пакетами по кабелю передается специальный сигнал. Целостность сети индицируется светодиодами «Link».
Аппаратура ASE-T
Основное отличие аппаратуры 100ВА5Е-Т4от 100BASE-TX состоит в том, что передача производится не по двум, а по четырем неэкранированным витым парам. При этом кабель может быть менее качественным, чем в случае 100BASE-TX (категории 3,4 или 5). Принятая в 100BASE-T4 система кодирования сигналов обеспечивает ту же самую скорость 100 Мбит/с на любом из этих кабелей, хотя стандарт рекомендует, если есть такая возможность, использовать кабель категории 5.
Схема объединения компьютеров в сеть ничем не отличается от 100BASETX (рис. 8.15). Компьютеры присоединяются к концентратору по схеме пассивной звезды. Длина кабелей точно так же не может превышать 100 м (стандарт и в этом случае рекомендует ограничиваться 90 м для 10-процентного запаса). Между адаптерами и кабелями в случае необходимости могут включаться выносные трансиверы.
Как и в случае 100BASE-TX, для подключения сетевого кабеля к адаптеру (трансиверу) и к концентратору используются 8-контактные разъемы типа RJ-45. Но в данном случае задействованы все 8 контактов разъема. Назначение контактов разъемов представлено в таблице 8.5.
Обмен данными идет по одной передающей витой паре, по одной приемной витой паре и по двум двунаправленным витым парам с использованием трехуровневых дифференциальных сигналов.
Табл. 8.5. Распределение контактов разъема типа RJ-45 для сегмента 10OBASE-T4 (ТХ - передача данных, RX - прием данных, BI - двунаправленная передача)
| Контакт | Назначение | Цвет провода | |||
| 1 | TX_D1 + | Белый / оранжевый | |||
| 2 | TX_D1- | Оранжевый / белый | |||
| 3 | RX_D2+ | Белый / зеленый | |||
| 4 | BI_D3+ | Голубой / белый | |||
| 5 | BI_D3- | Белый / голубой | |||
| 6 | RXJD2- | Зеленый / белый | |||
| 7 | BIJD4+ | Белый / коричневый | |||
| 8 | BIJD4- | Коричневый / белый |
Для связи двух компьютеров без применения концентраторов используется перекрестный кабель. В обычном же прямом кабеле, применяемом для соединения компьютера с концентратором, соединены одноименные контакты обоих разъемов. Схемы кабелей приведены на рис 8.18. Если перекрестное соединение предусмотрено внутри концентратора, то соответствующий порт должен помечаться буквой «X». Как видим, и здесь все точно так же, как в случае 100BASE-TX и 10BASE-T.
Для реализации передачи информации со скоростью 100 Мбит/с по кабелю с малой полосой пропускания (категории 3) в сегменте 100BASE-T4 используется оригинальный принцип кодирования информации, называющийся 8В/6Т. Его идея состоит в том, что 8 бит, которые надо передать, преобразуются в 6 тернарных (трехуровневых с уровнями -3,5 В, +3,5 В и О В) сигналов, которые затем передаются за два такта по трем витым парам. При шестиразрядном трехзначном коде общее число возможных состояний равно З6 = 729, что больше, чем 28 = 256, то есть никаких проблем из-за уменьшения количества разрядов не возникает. В результате по каждой витой паре передается информация со скоростью 25 Мбит/с, то есть требуется полоса пропускания всего 12,5 МГц (рис. 8.19). Для передачи информации одновременно используются две двунаправленные витые пары (BI_D3 и BI_D4) и одна однонаправленная (TX_D1 или RX_D2). Четвертая витая пара, не участвующая в передаче информации (TX_D1 или RX_D2), используется для обнаружения коллизий.
Рис. 8.18. Прямой и перекрестный кабель сети 10OBASE-T4
Рис. 8.19. Кодирование информации 8В/6Т в сегменте 10OBASE-T4
Для контроля целостности сети в 100BASE-T4 также предусмотрена передача специального сигнала FLP между сетевыми пакетами. Наличие связи индицируется светодиодами «Link».
Аппаратура ASE-TX
Схема объединения компьютеров в сеть 100BASE-TX практически ничем не отличается от схемы в случае 10BASE-T (рис. 8.15). Однако в этом случае необходимо применение кабелей с неэкранированными витыми парами (UTP) категории 5 или выше.
Для присоединения кабелей так же, как и в случае 10BASE-T, используются 8-контактные разъемы типа RJ-45. Но эти разъемы (категории 5) несколько отличаются от разъемов категории 3. Как и для 10BASE-T, длина кабеля не может превышать 100 м, используется топология «пассивная звезда» с концентратором в центре. Только сетевые адаптеры должны быть Fast Ethernet, и концентратор должен быть рассчитан на подключение сегментов 100BASE-TX. Именно поэтому рекомендуется при установке сети 10BASE-T сразу же прокладывать кабель категории 5. Между адаптерами и кабелями сети могут включаться выносные трансиверы.
Рис. 8.15. Схема объединения компьютеров по стандарту 10OBASE-TX
Хотя максимальная длина кабеля как в 10BASE-T, так и в 100BASE-TX равна 100 м, но природа этих ограничений различна. В случае 10BASE-T предельная длина кабеля в 100 м ограничена только качеством кабеля (точнее, затуханием сигнала в нем) и в принципе может быть увеличена при использовании более совершенного кабеля (например, до 150 м). А в случае 100BASE-TX предельная длина 100 м определяется заданными временными соотношениями обмена (установленным ограничением на двойное время прохождения) и не может быть увеличена ни при каких условиях. Поэтому стандарт даже рекомендует ограничиваться длиной сегмента в 90 м, чтобы иметь 10-процентный запас.
Рис. 8.16. Разъем DB-9
Табл. 8.3. Распределение контактов разъема типа RJ-45
| Контакт | Назначение | Цвет провода | |||
| 1 | ТХ+ | Белый/оранжевый | |||
| 2 | тх- | Оранжевый/белый | |||
| 3 | RX+ | Белый/зеленый | |||
| 4 | Не используется | ||||
| 5 | Не используется | 1 | |||
| 6 | RX- | Зеленый/белый | |||
| 7 | Не используется | ||||
| 8 | Не используется |
Из восьми контактов разъема RJ-45 используется только 4 контакта (табл. 8.3): два для передачи информации (ТХ+ и ТХ-) и два для приема информации (RX+ и RX-).
Передача производится дифференциальными сигналами. Стандарт предусматривает также возможность применения экранированного кабеля с двумя витыми парами проводов (волновое сопротивление - 150 Ом). В этом случае должен применяться 9-контактный экранированный разъем DB-9, он же разъем STP IBM типа 1 (рис. 8.16), такой же, как в сети Token-Ring. Назначение контактов этого разъема приведено в табл. 8.4.
Табл. 8.4. Распределение контактов разъема DB9
| Контакт | Назначение | Цвет провода |
| 1 | RX+ | Оранжевый |
| 2 | Не используется | |
| 3 | Не используется | |
| 4 | Не используется | |
| 5 | ТХ+ | Красный |
| 6 | RX- | Черный |
| 7 | Не используется | |
| 8 | Не используется | |
| 9 | тх- | Зеленый |
Для контроля целостности сети в 100BASE-TX предусмотрена передача в интервалах между сетевыми пакетами специальных сигналов (FLP — Fast Link Pulse), выполняющих также функцию автоматического согласования скорости передачи аппаратных средств (Auto-Negotiation).
Рис. 8.17. Прямой и перекрестный кабели, применяемые в сегменте 10OBASE-TX
Аппаратура BASE
Толстый кабель - это первый, классический тип кабеля, который использовался в Ethernet с самого начала. В настоящее время он не очень широко распространен, хотя и обеспечивает максимальную протяженность сети с топологией «шина». Это связано в первую очередь с большими трудностями монтажа аппаратуры и сравнительно высокой ее стоимостью.
Толстый коаксиальный кабель представляет собой 50-омный кабель диаметром около 1 см и отличается высокой жесткостью. Он имеет два основных типа оболочки: стандартная PVC желтого цвета (например, кабель Belden 9880) и тефлоновая Teflon оранжево-коричневого цвета (например, кабель Belden 89880). Широко распространены толстые кабели типа RG-11 и RG-8 (отличие между ними состоит в том, что у RG-11 посеребрена центральная жила). Толстый кабель - это самая дорогая среда передачи (примерно втрое дороже, чем другие типы). Зато у толстого кабеля лучше помехоустойчивость, меньше затухание и выше механическая прочность.
По стандарту к одному сегменту (длиной до 500 метров) не должно подключаться более 100 абонентов. Расстояния между точками их подключения не должно быть меньше, чем 2,5 метра, иначе возникают искажения передаваемых сигналов. Поэтому для удобства пользователя на оболочку кабеля часто наносятся черные полоски как раз через каждые 2,5 метра.
Аппаратные средства 10BASE5 представлены на рис. 8.1. Они включают в себя кабель, разъемы, терминаторы, трансиверы и трансиверные кабели.
Для соединения кусков толстого коаксиального кабеля и присоединения к нему терминаторов используются разъемы так называемого N-типа, установка которых довольно сложна и требует специальных инструментов (в противном случае возможны искажения сигналов на стыках). Два разъема N-типа для увеличения длины кабеля могут соединяться с помощью Barrel-коннекторов.
Рис. 8.1. Аппаратура 10BASE5
При выполнении сегмента сети на базе толстого кабеля желательно использовать один кусок кабеля или брать все его куски из одной партии одного производителя. В противном случае на стыках разнородных кабелей могут быть искажения сигналов.
Если кабель сегмента образуется из нескольких кусков, то с целью снижения отражений сигнала рекомендуется использовать куски длиной 23,4 метра, 70,2 метра и 117 метров (с погрешностью 0,5 метра). Никаких ответвлений и разветвлений толстого кабеля не допускается.
На обоих концах кабеля сегмента должны быть установлены 50-омные терминаторы N-типа, один (и только один) из которых надо заземлить.
Толстый кабель никогда не подводят непосредственно к каждому компьютеру сети, это сложно и неудобно для использования, так как компьютеры будут совершенно неподвижны. Его прокладывают по стене или по полу помещения. Для присоединения сетевых адаптеров к толстому кабелю служат специальные трансиверы (см. рис. 8.2). Трансивер (он же MAU, Medium Attachment Unit - устройство присоединения к среде) устанавливается непосредственно на толстом кабеле и связывается с адаптером трансивер-ным кабелем. Для присоединения трансиверов к толстому кабелю чаще всего используются специальные соединительные устройства, предложенные корпорацией AMP, которые не требуют разрезания кабеля в точке присоединения, а просто прокалывают оболочку и изоляцию кабеля и обеспечивают механическое и электрическое соединение как с оплеткой, так и с центральной жилой кабеля. Они носят названия «вампиров». Другой тип соединителя требует разрезания кабеля и установки на оба конца разъемов, поэтому он гораздо менее популярен.
Рис. 8.2. Подсоединение адаптера к толстому кабелю
Трансиверный кабель представляет собой гибкий многопроводный кабель диаметром около 1 см, содержащий четыре экранированные витые пары. Длина обычного трансиверного кабеля может достигать 50 метров, а более тонкого и гибкого офисного варианта трансиверного кабеля —12,5 метров, чем обеспечивается достаточная свобода перемещения компьютеров. На концах трансиверного кабеля устанавливаются 15-контактные разъемы (DIX-разъемы типа «вилка», DB-15P). Трансиверный кабель называется также AUI-кабелем (Attachment Unit Interface) или Drop-кабелем, спусковым кабелем, а его разъемы — AUI-разъемами.
Трансивер питается от внутреннего источника питания компьютера и должен потреблять ток не более 0,5 А от источника +12 В.
Табл. 8.1. Назначение контактов AUI разъема DB15
| Контакт | Назначение |
| 1 | CD экран |
| 2 | CD+ |
| 3 | ТХ+ |
| Контакт | Назначение |
| 4 | RX экран |
| 5 | RX+ |
| 6 | Земля |
| 7 | Не используется |
| 8 | Не используется |
| 9 | CD- |
| 10 | ТХ- |
| 11 | ТХ экран |
| 12 | RX- |
| 13 | Питание(+ 12В) |
| 14 | Экран питания |
| 15 | Не используется |
Если в структуре сетевого адаптера предусмотрено переключение (тумблерами или перемычками) Ethernet-Cheapernet, надо переключить его в режим Ethernet (то есть 10BASE5). Схема соединения компьютеров сегмента сети на толстом кабеле показана на рис. 8.3.
Максимальное количество сегментов при реализации всей сети только на толстом коаксиальном кабеле не должно превышать пяти (общая длина сети - 2,5 километра). Соответственно потребуется четыре репитера. То есть общее количество компьютеров, подсоединенных к толстому кабелю, в принципе не может превышать пятисот.
Рис. 8.3. Соединение компьютеров сети толстым кабелем
Минимальный набор оборудования для односегментной сети на толстом кабеле включает в себя следующие элементы:
сетевые адаптеры (по числу объединяемых в сеть компьютеров) с AUI-разъемами;
толстый кабель с разъемами N-типа на концах, общая длина которого достаточна для объединения всех компьютеров сети;
трансиверные кабели с 15-контактными AUI-разъемами на концах длиной от компьютера до толстого кабеля (по количеству сетевых адаптеров);
трансиверы (по количеству сетевых адаптеров);
два Barrel-коннектора N-типа для присоединения терминаторов на концах кабеля;
один N-терминатор без заземления;
один N-терминатор с заземлением.
В настоящее время аппаратура 10BASE-5 практически не используется, но в некоторых случаях она еще применяется для организации базовой (Backbone) сети. Доля сетевых адаптеров с AUI разъемами сейчас не превышает 5%.
Аппаратура BASE-FL
Широко использовать оптоволоконный кабель в Ethernet начали сравнительно недавно. Его применение позволило сразу же значительно увеличить допустимую длину сегмента и существенно повысить помехоустойчивость передачи. Немаловажна также и полная гальваническая развязка компьютеров сети, которая достигается здесь без всякой дополнительной аппаратуры, просто в силу специфики среды передачи. Еще одно преимущество оптоволоконных кабелей состоит в возможности плавного перехода на Fast Ethernet, так как пропускная способность оптоволокна позволяет достигнуть не только 100 Мбит/с, но и более высоких скоростей передачи.
Передача информации в данном случае идет по двум оптоволоконным кабелям, передающим сигналы в разные стороны (как и в 10BASE-T). Иногда используются двухпроводные оптоволоконные кабели, содержащие два кабеля в общей внешней оболочке, но чаще — два одиночных кабеля. Вопреки распространенному мнению, стоимость оптоволоконного кабеля не слишком высока (она близка к стоимости тонкого коаксиального кабеля). Правда, в целом аппаратура в данном случае оказывается заметно дороже, так как требует использования дорогих оптоволоконных трансиверов.
Аппаратура 10BASE-FL имеет сходство как с аппаратурой 10BASE5 (здесь тоже применяются внешние трансиверы, соединенные с адаптером трансиверным кабелем), так и с аппаратурой 10BASE-T (здесь также применяется топология «пассивная звезда» и два разнонаправленных кабеля). Схема соединения сетевого адаптера и концентратора показана на рис. 8.11.
Рис. 8.11. Соединение адаптера и концентратора в 10BASE-FL
Оптоволоконный трансивер называется FOMAU (Fiber Optic MAU). Он выполняет все функции обычного трансивера (MAU), но, кроме того, преобразует электрический сигнал в оптический при передаче и обратно при приеме. FOMAU также формирует и контролирует сигнал целостности линии связи, передаваемый в паузах между передаваемыми пакетами. Целостность линии связи, как и в случае 10BASE-T, индицируется све-тодиодами «Link». Для присоединения трансивера к адаптеру применяется стандартный АШ-кабель, такой же, как и в случае 10BASE5, но длина его не должна превышать 25 м.
Длина оптоволоконных кабелей, соединяющих трансивер и концентратор, может достигать 2 км без применения каких бы то ни было ретрансляторов. Таким образом возможно объединение в локальную сеть компьютеров, находящихся в разных зданиях, сильно разнесенных территориально.
Первоначально оптоволоконная связь применялась преимущественно для связи между репитерами. Поэтому первый стандарт FOIRL (Fiber Optic Inter-Repeater Link), разработанный в начале восьмидесятых, предполагал как раз связь между двумя репитерами на расстояние до 1000 метров. Затем были разработаны оптоволоконные трансиверы для подключения к репитеру отдельных компьютеров и стандарт 10BASE-F, включающий в себя три типа сегментов.
10BASE-FL заменил старый стандарт FOIRL. Он наиболее распространен в настоящее время. Он обеспечивает связь между двумя компьютерами, между двумя репитерами или между компьютером и репитером. Максимальное расстояние - до 2000 м.
10BASE-FB предназначен для синхронного обмена между несколькими репитерами с целью образования базовой распределенной репитерной системы. Максимальное расстояние - до 2000 м. Широкого распространения не получил.
10BASE-FP предназначен для объединения в топологию «пассивная звезда» без использования репитеров до 33 компьютеров (для этого применяются специальные оптические разветвители). Максимальное расстояние от компьютера до разветвителя - до 500 м. Такое сокращение допустимого расстояния объясняется сильным затуханием в разветви-теле. Широкого распространения этот тип сегмента также не получил.
Рис. 8.12. ST-разъем для оптоволоконного кабеля
Стандартный оптоволоконный кабель 10BASE-FL должен иметь на обоих концах оптоволоконные байонетные ST-разъемы, показанные на рис. 8.12 (стандарт BFOC/2.5). Присоединение этого разъема к трансиверу или концентратору не сложнее, чем BNC-разъема в сети 10BASE2. Используются также разъемы типа SC, присоединяемые подобно RJ-45 путем простого вставления в гнездо. Разъемы SC обычно жестко соединены по два для двух кабелей (рис. 8.13). Существуют также разъемы типа MIC FDDI, подобно разъемам SC вставляемые в гнездо. При покупке оборудования надо следить за соответствием разъемов, установленных на кабеле, и ответных разъемов трансиверов или концентраторов.
В соответствии со стандартом, в 10BASE-FL используется мультимодо-вый кабель и свет с длиной волны 850 нм, хотя в перспективе не исключен переход на одномодовый кабель. Суммарные оптические потери в сегменте (как в кабеле, так и в разъемах) не должны превышать 12,5 дБ. При этом потери в кабеле составляют около 4-5 дБ на километр длины кабеля, а потери в разъеме - от 0,5 до 2,0 дБ (эта величина сильно зависит от качества установки разъема). Только при таких величинах потерь можно гарантировать устойчивую связь на предельной длине кабеля. На практике лучше не рисковать и брать длину кабеля процентов на десять меньше предельной.
Рис. 8.13. SC-разъем для оптоволоконного кабеля
Пример соединения компьютеров с помощью оптоволоконного кабеля в топологию «пассивная звезда» показан на рис. 8.14.
Минимальный набор оборудования для соединения оптоволоконным кабелем двух компьютеров включает в себя следующие элементы:
два сетевых адаптера с трансиверными разъемами; "Spisok"> два оптоволоконных трансивера (FOMAU);
два трансиверных кабеля;
два оптоволоконных кабеля с ST-разъемами (или с SC или с MIC разъемами) на концах.
Если требуется соединить больше двух компьютеров, то надо использовать концентратор, имеющий оптоволоконные порты. Каждый компьютер снабжается трансивером и трансиверным кабелем, а также двумя оптоволоконными кабелями с соответствующими разъемами.
Рис. 8.14. Объединение компьютеров в сеть по стандарту 10BASE-FL
Аппаратура BASE-T
Сеть Ethernet на базе витой пары развивается с 1990 года и становится все более популярной. Во многом это объясняется модой, а вовсе не преимуществами витой пары. Ведь оборудование для нее обычно дороже, чем для 10BASE2. Однако 10BASE-T действительно имеет важные достоинства, главное из которых состоит в возможности плавного перехода на Fast Ethernet, чего не могут обеспечить сегменты на коаксиальном кабеле. Повреждение одного из кабелей не ведет к выходу из строя всей сети. Отказы оборудования проще локализовать. К тому же монтаж сети на витой паре проще. Удобно и то, что к каждому компьютеру подходит только один кабель, а не два, как в случае 10BASE2.
В сегменте 10BASE-T передача сигналов осуществляется по двум витым парам проводов, каждая из которых передает только в одну сторону (одна пара - передающая, другая — принимающая). Кабелем, содержащим такие двойные витые пары, каждый из абонентов сети присоединяется к концентратору (хабу), использование которого в данном случае в отличие от рассмотренных ранее обязательно. Концентратор производит смешение сигналов от абонентов для реализации метода доступа CSMA/CD, то есть в данном случае реализуется топология «пассивная звезда» (рис. 8.7), которая, как уже отмечалось, равноценна топологии «шина».
Длина соединительного кабеля между адаптером и концентратором не должна превышать 100 метров, что часто накладывает существенные ограничения на размещение компьютеров. Кабель используется гибкий, диаметром около б мм. Из четырех витых пар, входящих в кабель, используются только две. Наиболее распространенный тип кабеля — это кабель EIA/TIA категории 3. Но в настоящее время рекомендуется использовать более качественный кабель категории 5 (или даже выше), который
позволяет без проблем переходить на Fast Ethernet. Популярен кабель марки AWG 22-26. Ни в коем случае нельзя применять телефонные кабели, в которых провода не образуют витых пар, так как это вызывает нарушения в работе сети.
Рис. 8.7. Подключения абонентов сети с помощью витой пары
Кабели присоединяются к адаптеру и к концентратору 8-контактными разъемами типа RJ-45 (рис. 8.8), внешне похожими на обычные телефонные разъемы, в которых используются только четыре контакта. Назначение контактов разъема приведено в табл. 8.2.
Монтаж и обслуживание неэкранированных кабелей с витыми парами (UTP-кабелей) гораздо проще, чем коаксиальных кабелей, так как они не имеют металлической оплетки. Что касается стоимости кабеля, то UTP-кабели стоят примерно вдвое дешевле, чем тонкий коаксиальный кабель, но при этом надо учитывать, что в случае топологии пассивная звезда кабеля обычно требуется гораздо больше, чем при топологии шина.
Табл. 8.2. Назначение контактов разъема RJ-45 сегмента 10BASE-T
| Контакт | Назначение | Цвет провода |
| 1 | ТХ+ | Белый/оранжевый |
| 2 | ТХ- | Оранжевый/белый |
| 3 | RX+ | Белый/зеленый |
| 4 | Не используется | |
| 5 | Не используется | |
| 6 | RX- | Зеленый/белый |
| 7 | Не используется | |
| 8 | Не используется |
Рис. 8.8. Разъем RJ-45
Передача по витым парам ведется дифференциальными сигналами с целью увеличения помехоустойчивости сети, то есть ни один из проводов этих витых пар не заземляется. В отличие от сегментов с коаксиальным кабелем пользователю не надо ни использовать внешние терминаторы, ни заземлять кабель, достаточно всего лишь обеспечить заземление компьютеров сети.
Рис. 8.9. Соединение проводов прямого и перекрестного кабелей сегмента 10BASE-T
В сети 10BASE-T применяются два вида соединения проводов кабеля (рис. 8.9). Если надо объединить в сеть всего два компьютера, то можно обойтись вообще без концентратора, применив так называемый перекрестный кабель (crossover cable), который соединяет передающие контакты одного разъема RJ-45 с приемными контактами другого разъема RJ-45 и наоборот. А для соединения компьютеров с концентратором обычно используется прямой кабель (direct cable), в котором соединяются между собой одинаковые контакты обоих разъемов. На такой прямой кабель рассчитано большинство концентраторов. Надо, правда, учитывать, что иногда перекрестное соединение имеется внутри порта концентратора (стандарт рекомендует помечать такой порт буквой «X»), так что, выполняя соединения в сети, надо быть очень аккуратным. Надо еще учитывать, что кабель, соединяющий два концентратора через обычные порты, должен быть перекрестным. А вот кабель, соединяющий специальный расширительный порт одного концентратора (UpLink) с нормальным портом другого концентратора, должен быть прямым.
Следует также отметить такую особенность адаптеров и концентраторов, рассчитанных на работу с витой парой, как наличие в них встроенного контроля правильности соединения сети. При отсутствии передачи информации они периодически передают тестовые импульсы (NLP - Normal Link Pulse), по наличию которых на приемном конце определяется целостность кабеля. Для визуального контроля правильности соединений предусмотрены специальные светодиоды «Link», которые горят при правильном соединении аппаратуры. Это очень удобно и выгодно отличает сегмент 10BASE-T от 10BASE2 и 10BASE5, где подобная функция из-за шинной структуры в принципе не может быть предусмотрена.
Минимальный набор оборудования для сети на витой паре включает в себя следующие элементы:
сетевые адаптеры (по числу объединяемых в сеть компьютеров), имеющие UTP-разъемы RJ-45;
отрезки кабеля с разъемами RJ-45 на обоих концах (по числу объединяемых компьютеров);
один концентратор, имеющий столько UTP-портов с разъемами RJ-45, сколько необходимо объединить компьютеров.
Пример соединения компьютеров сети на витой паре по стандарту 10BASE-T показан на рис. 8.10.
Рис. 8.10. Соединение компьютеров сети 10BASE-T
Автоматическое определение типа сети (Auto-Negotiation)
Функция автоматического определения типа сети, предусмотренная стандартом Ethernet, не является обязательной. Однако ее реализация в сетевых адаптерах и концентраторах позволяет существенно облегчить жизнь пользователям сети. Особенно это важно на современном этапе, когда широко применяются как более ранняя версия Ethernet со скоростью обмена 10 Мбит/с, так и более поздняя версия Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с.
Функция автодиалога или автосогласования (так можно перевести Auto-Negotiation) позволяет адаптерам, в которых предусмотрено переключение скорости передачи, автоматически подстраиваться под скорость обмена в сети, а концентраторам, в которых предусмотрен авто диалог, самим определять скорость передачи адаптеров, подключенных к их портам. При этом пользователь сети не должен следить за тем, на какую скорость обмена настроена его аппаратура: система сама выберет максимально возможную скорость.
Сразу отметим, что режим автодиалога применяется только в сетях на основе сегментов, использующих витые пары: 10BASE-T, 100BASE-TX и 100BASE-T4. Для сегментов на базе коаксиального кабеля и оптоволоконного кабеля автодиалог не предусмотрен. Шинные сегменты на коаксиальном кабеле не дают возможности двухточечной связи, а в оптоволоконных сегментах применяется другая система служебных сигналов.
Автодиалог основан на использовании сигналов, передаваемых в Fast Ethernet, которые называются FLP (Fast Link Pulse) по аналогии с сигналами NLP (Normal Link Pulse), применяемыми в сегментах 10BASE-T. Так же, как и NLP, сигналы FLP начинают вырабатываться с включением питания соответствующей аппаратуры (адаптера или концентратора) и формируются в паузах между передаваемыми сетевыми пакетами, поэтому они никак не влияют на загрузку сети. Именно сигналы FLP и передают информацию о возможностях подключенной к данному сегменту аппаратуры.
Так как аппаратура 10BASE-T разрабатывалась до создания механизма автодиалога, для автоматического определения типа сети необходимо обрабатывать не только сигналы FLP, но и сигналы NLP.
Это также предусмотрено в аппаратуре, поддерживающей автодиалог. Естественно, в такой аппаратуре, как правило, предусматривается и возможность отключения режима автодиалога, чтобы пользователь сам мог задать режим работы своей сети.
Помимо уже упоминавшихся сегментов 10BASE-T, 100BASE-TX и 100BASE-T4, автодиалог предусматривает обслуживание так называемых полнодуплексных (full duplex) сегментов сети Ethernet (10BASE-T Full Duplex) и сети Fast Ethernet (100BASE-TX Full Duplex).
Как известно из теории связи, связь бывает симплексная (всегда только в одну сторону), полудуплексная (по очереди то в одну сторону, то в другую) и полнодуплексная (одновременно в две стороны). Классический Ethernet использует полудуплексную связь: по его кабелю в разное время может проходить разнонаправленная информация. Это позволяет легко реализовать обмен между большим количеством абонентов, но требует сложных методов доступа к сети (CSMA/CD). Полнодуплексная версия Ethernet гораздо проще. Она предназначена для обмена только между двумя абонентами по двум разнонаправленным кабелям, причем передавать могут оба абонента сразу. Два преимущества такого подхода понятны сразу: во-первых, не требуется никакого механизма доступа к сети, а во-вторых, в идеале пропускная способность такой линии связи оказывается вдвое выше, чем при полудуплексной передаче. Полнодуплексные версии Ethernet и Fast Ethernet находятся еще на стадии стандартизации, поэтому единых правил обмена пока не выработано, и аппаратура разных производителей может основываться на разных принципах обмена. Тем не менее, автодиалог уже ориентирован на их распознавание и использование.
При проведении автодиалога применяется таблица приоритетов (табл. 8.6), в которой полнодуплексные версии имеют более высокие приоритеты, чем классические полудуплексные, так как они более быстрые.
Из таблицы следует, что если аппаратура на обоих концах сегмента поддерживает обмен с двумя скоростями, например, в режимах 10BASE-T и 100B ASE-TX, то в результате автодиалога будет выбран режим 100BASETX, как имеющий больший приоритет (обеспечивающий большую скорость).
Табл. 8.6. Приоритеты автодиалога (1 - высший приоритет, 5 - низший приоритет)
| Приоритет | Тип сети |
| 1 | 100BASE-TX Full Duplex |
| 2 | 100BASE-T4 |
| 3 | 100BASE-TX |
| 4 | 10BASE-T Full Duplex |
| 5 | 10BASE-T |
Естественно, в любом случае автодиалог не может обеспечить большей скорости, чем самый медленный из компонентов сети. То есть если к ре-питерному концентратору, в котором предусмотрена функция автодиалога, подключены два адаптера: односкоростной 10BASE-T и двухскоростной (10BASE-T и 100BASE-TX), то вся сеть будет настроена на работу как 10BASE-T, так как никакого накопления информации и никакой ее обработки в репитерном концентраторе не предусмотрено. Присоединение к такому концентратору двух неперестраиваемых (односкоростных) адаптеров с разными скоростями делает сеть неработоспособной. Иногда в конструкции репитеров предусматривается автоматическое отключение портов, к которым присоединены неперестраиваемые низкоскоростные (10BASE-T) адаптеры. Некоторые концентраторы (самые сложные) могут автоматически перекоммутировать порты таким образом, чтобы сегменты со скоростью 10 Мбит/с обменивались информацией только между собой, а сегменты со скоростью 100 Мбит/с - между собой.
Отметим также, что помимо собственно определения типа сети и выбора максимально возможной скорости обмена автодиалог обеспечивает и некоторые дополнительные возможности. В частности, он позволяет определять, почему нарушилась связь в процессе работы, а также обмениваться информацией об ошибках. Для передачи этой дополнительной информации используется тот же самый механизм, что и для основного автодиалога, но только после того, как установлен тип сети и скорость передачи. Данная функция называется «функцией следующей страницы» (Next Page function).
А теперь рассмотрим автодиалог несколько подробнее.
Обмен информацией при автодиалоге производится посылками (пакетами) FLP-импульсов, которыми кодируется 16-битное слово. Каждая посылка содержит от 17 до 33 импульсов, идентичных импульсам NLP, которые используются в 10BASE-T. Посылки имеют длительность около 2 мс и передаются с периодом 16,8 мс (рис. 8.21).
Для кодирования битов в FLP применяется следующий код. В начале каждого битового интервала передается импульс. В середине бита, соответствующего логической единице, передается еще один импульс. В середине бита, соответствующего логическому нулю импульса нет. Этот код иллюстрируется рис. 8.22. В начале посылки передается стартовый нулевой бит, именно поэтому общее количество импульсов в посылке FLP может изменяться в пределах от 17 до 33.
Рис. 8.21. Временная диаграмма автодиалога и 10BASE-T
Рис. 8.22. Код, применяемый при автодиалоге
Обмен информацией при автодиалоге осуществляется 16-битными словами, называемыми LCW (Link Code Word), с форматом, представленным на рис. 8.23.
Пятиразрядное поле селектора (Selector Field) определяет один из 32 возможных типов стандарта сети. В настоящее время для него используется только два кода: код 00001 соответствует стандарту IEEE 802.3, а код 00010 соответствует стандарту IEEE 802.9.
Рис. 8.23. формат слова LCW, применяемого в автодиалоге
Восьмиразрядное поле технологических особенностей (Technology Ability Field) определяет тип сети в пределах стандарта, заданного битами поля селектора. Для стандарта IEEE 802.3 пока что определены пять типов, представленные в таблице 8.6.
Бит удаленной ошибки RF (Remote Fault) позволяет передавать информацию о наличии ошибок. Бит подтверждения Ack (Acknowledge) используется для подтверждения получения посылки. Наконец, бит следующей страницы NP (Next Page) говорит о поддержке функции следующей страницы, о том, что абонент собирается передавать еще и дополнительную информацию.
В автодиалоге используется специально разработанный протокол с многократным подтверждением принятия посылок. В случае, если автодиалог происходит между абонентами 1 и 2, последовательность действий абонентов будет такой.
1. Абонент 1 передает свою посылку (LCW) с неустановленным (равным нулю) битом Ack.
2. Абонент 2 в ответ начинает передавать последовательные ответные посылки (LCW).
3. Когда абонент 1 получает три последовательные посылки от абонента 2 (бит Ack при этом игнорируется), он передает посылку с установленным (равным единице) битом Ack (подтверждает правильный прием LCW от абонента 2).
4. Абонент 2 продолжает передавать свои LCW с установленным битом Ack.
5. Когда абонент 1 получает три последовательные посылки от абонента 2 с установленным битом Ack, он понимает, что абонент 2 правильно принял его LCW.
6. Абонент 1 передает свое LCW с установленным битом Ack 6—8 раз для гарантии, что диалог завершен полностью.
7. В результате оба абонента получают информацию о своем партнере и могут выбрать тот режим работы, который обеспечит наилучшие характеристики обмена.
Отметим, что в соответствии с этим алгоритмом действуют оба абонента, участвующие в авто диалоге. Как видим, здесь реализуется механизм многократного взаимного подтверждения, что существенно гювышает надежность передачи данных об аппаратуре абонентов. При этом также легко детектируются различные ошибочные ситуации, например, неисправности аппаратуры абонентов, нарушения целостности кабеля, несовместимость аппаратуры абонентов и т.д.
Для реализации функции следующей страницы используется бит NP (см. рис. 8.23). Если оба абонента устанавливают его в своих LCW, то есть оба они поддерживают эту функцию, то между ними может быть произведен дополнительный обмен информацией такими же 16-разрядными словами, но с другим форматом. В этих словах 11 битов отводится на информацию, а пять битов используются как служебные. В частности, это позволяет производить более полную диагностику аппаратуры, а также выявлять повышенный уровень помех в линии связи.
Вероятно, в дальнейшем принцип автодиалога будет совершенствоваться и развиваться, включая в себя другие стандарты и типы сети, давая возможность решения все новых задач. Но его реализация в принципе невозможна при стандартной топологии «шина», поэтому, скорее всего, доля шинных сегментов (10BASE2 и 10BASE5) будет все больше сокращаться. В новых сетях (Fast Ethernet, Gigabit Ethernet) шинные сегменты вряд ли появятся.
Стандартные сегменты Ethernet и Fast Ethernet
8.1. Аппаратура 10BASE5
8.2. Аппаратура 1 OB ASE2
8.3. Аппаратура 10BASE-T
8.4. Аппаратура 1OBASE-FL
8.5. Аппаратура 100ВASE-TX
8.6. Аппаратура 100ВASE-T4
8.7. Аппаратура 100ВASE-FX
8.8. Автоматическое определение типа сети (Auto-Negotiation)
