Другие топологии
Кроме трех рассмотренных базовых топологий нередко применяется также сетевая топология дерево (tree), которую можно рассматривать как комбинацию нескольких звезд. Причем, как и в случае звезды, дерево может быть активным или истинным (рис. 1.13) и пассивным (рис. 1.14). При активном дереве в центрах объединения нескольких линий связи находятся центральные компьютеры, а при пассивном — концентраторы (хабы).
Рис. 1.13. Топология активное дерево
Рис. 1.14. Топология пассивное дерево. К — концентраторы
Довольно часто применяются комбинированные топологии, среди которых наиболее распространены звездно-шинная (рис. 1.15) и звездно-кольцевая (рис. 1.16).
Рис. 1.15. Пример звездно-шинной топологии
Рис. 1.16. Пример звездно-кольцевой топологии
В звездно-шинной (star-bus) топологии используется комбинация шины и пассивной звезды. К концентратору подключаются как отдельные компьютеры, так и целые шинные сегменты. На самом деле реализуется физическая топология шина, включающая все компьютеры сети. В данной топологии может использоваться и несколько концентраторов, соединенных между собой и образующих так называемую магистральную, опорную шину. К каждому из концентраторов при этом подключаются отдельные компьютеры или шинные сегменты. В результате получается звездно-шинное дерево. Таким образом, пользователь может гибко комбинировать преимущества шинной и звездной топологий, а также легко изменять количество компьютеров, подключенных к сети.
С точки зрения распространения информации данная топология равноценна классической шине.
В случае звездно-кольцевой (star-ring) топологии в кольцо объединяются не сами компьютеры, а специальные концентраторы (изображенные на рис. 1.16 в виде прямоугольников), к которым в свою очередь подключаются компьютеры с помощью звездообразных двойных линий связи. В действительности все компьютеры сети включаются в замкнутое кольцо, так как внутри концентраторов линии связи образуют замкнутый контур (как показано на рис. 1.16). Данная топология дает возможность комбинировать преимущества звездной и кольцевой топологий. Например, концентраторы позволяют собрать в одно место все точки подключения кабелей сети. Если говорить о распространении информации, данная топология равноценна классическому кольцу.
В заключение надо также сказать о сеточной топологии (mesh), при которой компьютеры связываются между собой не одной, а многими линиями связи, образующими сетку (рис. 1.17).
Рис. 1.17. Сеточная топология: полная (а) и частичная (б)
В полной сеточной топологии каждый компьютер напрямую связан со всеми остальными компьютерами. В этом случае при увеличении числа компьютеров резко возрастает количество линий связи. Кроме того, любое изменение в конфигурации сети требует внесения изменений в сетевую аппаратуру всех компьютеров, поэтому полная сеточная топология не получила широкого распространения.
Частичная сеточная топология предполагает прямые связи только для самых активных компьютеров, передающих максимальные объемы информации.Остальные компьютеры соединяются через промежуточные узлы. Сеточная топология позволяет выбирать маршрут для доставки информации от абонента к абоненту, обходя неисправные участки. С одной стороны, это увеличивает надежность сети, с другой же – требует существенного усложнения сетевой аппаратуры, которая должна выбирать маршрут.
Многозначность понятия топологии
Топология сети указывает не только на физическое расположение компьютеров, как часто считают, но, что гораздо важнее, на характер связей между ними, особенности распространения информации, сигналов по сети. Именно характер связей определяет степень отказоустойчивости сети, требуемую сложность сетевой аппаратуры, наиболее подходящий метод управления обменом, возможные типы сред передачи (каналов связи), допустимый размер сети (длина линий связи и количество абонентов) необходимость электрического согласования и многое другое.
Более того, физическое расположение компьютеров, соединяемых сетью, почти не влияет на выбор топологии. Как бы ни были расположены компьютеры, их можно соединить с помощью любой заранее выбранной топологии (рис. 1.18).
Рис. 1.18. Примеры использования разных топологий
В том случае, если соединяемые компьютеры расположены по контуру круга, они могут соединяться, как звезда или шина. Когда компьютеры расположены вокруг некоего центра, их допустимо соединить с помощью топологий шина или кольцо.
Наконец когда компьютеры расположены в одну линию, они могут соединяться звездой или кольцом. Другое дело, какова будет требуемая длина кабеля.
Строго говоря, в литературе при упоминании о топологии сети, авторы могут подразумевать четыре совершенно разные понятия, относящиеся к различным уровням сетевой архитектуры:
Физическая топология (географическая схема расположения компьютеров и прокладки кабелей). В этом смысле, например, пассивная звезда ничем не отличается от активной, поэтому ее нередко называют просто звездой.Логическая топология (структура связей, характер распространения сигналов по сети).
Это наиболее правильное определение топологии.Топология управления обменом (принцип и последовательность передачи права на захват сети между отдельными компьютерами).Информационная топология (направление потоков информации, передаваемой по сети).
Например, сеть с физической и логической топологией шина может в качестве метода управления использовать эстафетную передачу права захвата сети (быть в этом смысле кольцом) и одновременно передавать всю информацию через выделенный компьютер (быть в этом смысле звездой). Или сеть с логической топологией шина может иметь физическую топологию звезда (пассивная) или дерево (пассивное).
Сеть с любой физической топологией, логической топологией, топологией управления обменом может считаться звездой в смысле информационной топологии, если она построена на основе одного сервера и нескольких клиентов, общающихся только с этим сервером. В данном случае справедливы все рассуждения о низкой отказоустойчивости сети к неполадкам центра (сервера). Точно так же любая сеть может быть названа шиной в информационном смысле, если она построена из компьютеров, являющихся одновременно как серверами, так и клиентами. Такая сеть будет мало чувствительна к отказам отдельных компьютеров.
Заканчивая обзор особенностей топологий локальных сетей, необходимо отметить, что топология все-таки не является основным фактором при выборе типа сети. Гораздо важнее, например, уровень стандартизации сети, скорость обмена, количество абонентов, стоимость оборудования, выбранное программное обеспечение.Но, с другой стороны, некоторые сети позволяют использовать разные топологии на разных уровнях. Этот выбор уже целиком ложится на пользователя, который должен учитывать все перечисленные в данном разделе соображения.
Немного истории компьютерной связи
Связь на небольшие расстояния в компьютерной технике существовала еще задолго до появления первых персональных компьютеров.
К большим компьютерам (mainframes), присоединялись многочисленные терминалы (или "интеллектуальные дисплеи"). Правда, интеллекта в этих терминалах было очень мало, практически никакой обработки информации они не делали, и основная цель организации связи состояла в том, чтобы разделить интеллект ("машинное время") большого мощного и дорогого компьютера между пользователями, работающими за этими терминалами. Это называлось режимом разделения времени, так как большой компьютер последовательно во времени решал задачи множества пользователей. В данном случае достигалось совместное использование самых дорогих в то время ресурсов - вычислительных (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Подключение терминалов к центральному компьютеру
Затем были созданы микропроцессоры и первые микрокомпьютеры. Появилась возможность разместить компьютер на столе у каждого пользователя, так как вычислительные, интеллектуальные ресурсы подешевели. Но зато все остальные ресурсы оставались еще довольно дорогими. А что значит голый интеллект без средств хранения информации и ее документирования? Не будешь же каждый раз после включения питания заново набирать выполняемую программу или хранить ее в маловместительной постоянной памяти. На помощь снова пришли средства связи. Объединив несколько микрокомпьютеров, можно было организовать совместное использование ими компьютерной периферии (магнитных дисков, магнитной ленты, принтеров).
При этом вся обработка информации проводилась на месте, но ее результаты передавались на централизованные ресурсы. Здесь опять же совместно использовалось самое дорогое, что есть в системе, но уже совершенно по-новому. Такой режим получил название режима обратного разделения времени (рис. 1.2). Как и в первом случае, средства связи снижали стоимость компьютерной системы в целом.
Рис. 1.2. Объединение в сеть первых микрокомпьютеров
Затем появились персональные компьютеры, которые отличались от первых микрокомпьютеров тем, что имели полный комплект достаточно развитой для полностью автономной работы периферии: магнитные диски, принтеры, не говоря уже о более совершенных средствах интерфейса пользователя (мониторы, клавиатуры, мыши и т.д.). Периферия подешевела и стала по цене вполне сравнимой с компьютером. Казалось бы, зачем теперь соединять персональные компьютеры (рис. 1.3)? Что им разделять, когда и так уже все разделено и находится на столе у каждого пользователя? Интеллекта на месте хватает, периферии тоже. Что же может дать сеть в этом случае?
Рис. 1.3. Объединение в сеть персональных компьютеров
Самое главное — это опять же совместное использование ресурса. То самое обратное разделение времени, но уже на принципиально другом уровне. Здесь уже оно применяется не для снижения стоимости системы, а с целью более эффективного использования ресурсов, имеющихся в распоряжении компьютеров. Например, сеть позволяет объединить объем дисков всех компьютеров, обеспечив доступ каждого из них к дискам всех остальных как к собственным.
Но нагляднее всего преимущества сети проявляются в том случае, когда все пользователи активно работают с единой базой данных, запрашивая информацию из нее и занося в нее новую (например, в банке, в магазине, на складе). Никакими дискетами тут уже не обойдешься: пришлось бы целыми днями переносить данные с каждого компьютера на все остальные, содержать целый штат курьеров. А с сетью все очень просто: любые изменения данных, произведенные с любого компьютера, тут же становятся видными и доступными всем. В этом случае особой обработки на месте обычно не требуется, и в принципе можно было бы обойтись более дешевыми терминалами (вернуться к первой рассмотренной ситуации), но персональные компьютеры имеют несравнимо более удобный интерфейс пользователя, облегчающий работу персонала. К тому же возможность сложной обработки информации на месте часто может заметно уменьшить объем передаваемых данных.
Рис. 1.4. Использование локальной сети для организации совместной работы компьютеров
Без сети также невозможно обойтись в том случае, когда необходимо обеспечить согласованную работу нескольких компьютеров. Эта ситуация чаще всего встречается, когда эти компьютеры используются не для вычислений и работы с базами данных, а в задачах управления, измерения, контроля, там, где компьютер сопрягается с теми или иными внешними устройствами (рис. 1.4). Примерами могут служить различные производственные технологические системы, а также системы управления научными установками и комплексами.Здесь сеть позволяет синхронизировать действия компьютеров, распараллелить и соответственно ускорить процесс обработки данных, то есть сложить уже не только периферийные ресурсы, но и интеллектуальную мощь.
Именно указанные преимущества локальных сетей и обеспечивают их популярность и все более широкое применение, несмотря на все неудобства, связанные с их установкой и эксплуатацией.
Определение локальной сети
Способов и средств обмена информацией за последнее время предложено множество: от простейшего переноса файлов с помощью дискеты до всемирной компьютерной сети Интернет, способной объединить все компьютеры мира. Какое же место в этой иерархии отводится локальным сетям?
Чаще всего термин "локальные сети" или "локальные вычислительные сети" (LAN, Local Area Network) понимают буквально, то есть это такие сети, которые имеют небольшие, локальные размеры, соединяют близко расположенные компьютеры. Однако достаточно посмотреть на характеристики некоторых современных локальных сетей, чтобы понять, что такое определение не точно. Например, некоторые локальные сети легко обеспечивают связь на расстоянии нескольких десятков километров. Это уже размеры не комнаты, не здания, не близко расположенных зданий, а, может быть, даже целого города. С другой стороны, по глобальной сети (WAN, Wide Area Network или GAN, Global Area Network) вполне могут связываться компьютеры, находящиеся на соседних столах в одной комнате, но ее почему-то никто не называет локальной сетью. Близко расположенные компьютеры могут также связываться с помощью кабеля, соединяющего разъемы внешних интерфейсов (RS232-C, Centronics) или даже без кабеля по инфракрасному каналу (IrDA). Но такая связь тоже почему-то не называется локальной.
Неверно и довольно часто встречающееся определение локальной сети как малой сети, которая объединяет небольшое количество компьютеров. Действительно, как правило, локальная сеть связывает от двух до нескольких десятков компьютеров.
Но предельные возможности современных локальных сетей гораздо выше: максимальное число абонентов может достигать тысячи. Называть такую сеть малой неправильно.
Некоторые авторы определяют локальную сеть как "систему для непосредственного соединения многих компьютеров". При этом подразумевается, что информация передается от компьютера к компьютеру без каких-либо посредников и по единой среде передачи. Однако говорить о единой среде передачи в современной локальной сети не приходится. Например, в пределах одной сети могут использоваться как электрические кабели различных типов (витая пара, коаксиальный кабель), так и оптоволоконные кабели. Определение передачи "без посредников" также не корректно, ведь в современных локальных сетях используются репитеры, трансиверы, концентраторы, коммутаторы, маршрутизаторы, мосты, которые порой производят довольно сложную обработку передаваемой информации. Не совсем понятно, можно ли считать их посредниками или нет, можно ли считать подобную сеть локальной.
Наверное, наиболее точно было бы определить как локальную такую сеть, которая позволяет пользователям не замечать связи. Еще можно сказать, что локальная сеть должна обеспечивать прозрачную связь. По сути, компьютеры, связанные локальной сетью, объединяются в один виртуальный компьютер, ресурсы которого могут быть доступны всем пользователям, причем этот доступ не менее удобен, чем к ресурсам, входящим непосредственно в каждый отдельный компьютер. Под удобством в данном случае понимается высокая реальная скорость доступа, скорость обмена информацией между приложениями, практически незаметная для пользователя.
При таком определении становится понятно, что ни медленные глобальные сети, ни медленная связь через последовательный или параллельный порты не попадают под понятие локальной сети.
Из данного определения следует, что скорость передачи по локальной сети обязательно должна расти по мере роста быстродействия наиболее распространенных компьютеров. Именно это и наблюдается: если еще десять лет назад вполне приемлемой считалась скорость обмена в 10 Мбит/с, то сейчас уже среднескоростной считается сеть, имеющая пропускную способность 100 Мбит/с, активно разрабатываются, а кое-где используются средства для скорости 1000 Мбит/с и даже больше. Без этого уже нельзя, иначе связь станет слишком узким местом, будет чрезмерно замедлять работу объединенного сетью виртуального компьютера, снижать удобство доступа к сетевым ресурсам.
Таким образом, главное отличие локальной сети от любой другой — высокая скорость передачи информации по сети. Но это еще не все, не менее важны и другие факторы.
В частности, принципиально необходим низкий уровень ошибок передачи, вызванных как внутренними, так и внешними факторами. Ведь даже очень быстро переданная информация, которая искажена ошибками, просто не имеет смысла, ее придется передавать еще раз. Поэтому локальные сети обязательно используют специально прокладываемые высококачественные и хорошо защищенные от помех линии связи.
Особое значение имеет и такая характеристика сети, как возможность работы с большими нагрузками, то есть с высокой интенсивностью обмена (или, как еще говорят, с большим трафиком).
Ведь если механизм управления обменом, используемый в сети, не слишком эффективен, то компьютеры могут подолгу ждать своей очереди на передачу. И даже если эта передача будет производиться затем на высочайшей скорости и безошибочно, для пользователя сети такая задержка доступа ко всем сетевым ресурсам неприемлема. Ему ведь не важно, почему приходится ждать.
Механизм управления обменом может гарантированно успешно работать только в том случае, когда заранее известно, сколько компьютеров (или, как еще говорят, абонентов, узлов) допустимо подключить к сети. Иначе всегда можно включить столько абонентов, что вследствие перегрузки забуксует любой механизм управления. Наконец, сетью можно назвать только такую систему передачи данных, которая позволяет объединять до нескольких десятков компьютеров, но никак не два, как в случае связи через стандартные порты.
Таким образом, сформулировать отличительные признаки локальной сети можно следующим образом:
Высокая скорость передачи информации, большая пропускная способность сети. Приемлемая скорость сейчас — не менее 10 Мбит/с.Низкий уровень ошибок передачи (или, что тоже самое, высококачественные каналы связи). Допустимая вероятность ошибок передачи данных должна быть порядка 10-8 — 10-12.Эффективный, быстродействующий механизм управления обменом по сети.Заранее четко ограниченное количество компьютеров, подключаемых к сети.
При таком определении понятно, что глобальные сети отличаются от локальных прежде всего тем, что они рассчитаны на неограниченное число абонентов.
Кроме того, они используют ( или могут использовать) не слишком качественные каналы связи и сравнительно низкую скорость передачи. А механизм управления обменом в них не может быть гарантированно быстрым. В глобальных сетях гораздо важнее не качество связи, а сам факт ее существования.
Нередко выделяют еще один класс компьютерных сетей — городские, региональные сети (MAN, Metropolitan Area Network), которые обычно по своим характеристикам ближе к глобальным сетям, хотя иногда все-таки имеют некоторые черты локальных сетей, например, высококачественные каналы связи и сравнительно высокие скорости передачи. В принципе городская сеть может быть локальной со всеми ее преимуществами.
Правда, сейчас уже нельзя провести четкую границу между локальными и глобальными сетями. Большинство локальных сетей имеет выход в глобальную. Но характер передаваемой информации, принципы организации обмена, режимы доступа к ресурсам внутри локальной сети, как правило, сильно отличаются от тех, что приняты в глобальной сети. И хотя все компьютеры локальной сети в данном случае включены также и в глобальную сеть, специфики локальной сети это не отменяет. Возможность выхода в глобальную сеть остается всего лишь одним из ресурсов, разделяемых пользователями локальной сети.
По локальной сети может передаваться самая разная цифровая информация: данные, изображения, телефонные разговоры, электронные письма и т.д. Кстати, именно задача передачи изображений, особенно полноцветных динамических, предъявляет самые высокие требования к быстродействию сети.
Чаще всего локальные сети используются для разделения (совместного использования) таких ресурсов, как дисковое пространство, принтеры и выход в глобальную сеть, но это всего лишь незначительная часть тех возможностей, которые предоставляют средства локальных сетей. Например, они позволяют осуществлять обмен информацией между компьютерами разных типов. Полноценными абонентами (узлами) сети могут быть не только компьютеры, но и другие устройства, например, принтеры, плоттеры, сканеры. Локальные сети дают также возможность организовать систему параллельных вычислений на всех компьютерах сети, что многократно ускоряет решение сложных математических задач. С их помощью, как уже упоминалось, можно управлять работой технологической системы или исследовательской установки с нескольких компьютеров одновременно.
Однако сети имеют и довольно существенные недостатки, о которых всегда следует помнить:
Сеть требует дополнительных, иногда значительных материальных затрат на покупку сетевого оборудования, программного обеспечения, на прокладку соединительных кабелей и обучение персонала.Сеть требует приема на работу специалиста (администратора сети), который будет заниматься контролем работы сети, ее модернизацией, управлением доступом к ресурсам, устранением возможных неисправностей, защитой информации и резервным копированием. Для больших сетей может понадобиться целая бригада администраторов.Сеть ограничивает возможности перемещения компьютеров, подключенных к ней, так как при этом может понадобиться перекладка соединительных кабелей.Сети представляют собой прекрасную среду для распространения компьютерных вирусов, поэтому вопросам защиты от них придется уделять гораздо больше внимания, чем в случае автономного использования компьютеров.
Ведь достаточно инфицировать один, и все компьютеры сети будут поражены.Сеть резко повышает опасность несанкционированного доступа к информации с целью ее кражи или уничтожения. Информационная защита требует проведения целого комплекса технических и организационных мероприятий.
Ничто не дается даром. И надо хорошо подумать, стоит ли подключать к сети все компьютеры компании, или часть из них лучше оставить автономными. Возможно, что сеть вообще не нужна, так как породит гораздо больше проблем, чем позволит решить.
Здесь же следует упомянуть о таких важнейших понятиях теории сетей, как абонент, сервер, клиент.
Абонент (узел, хост, станция) — это устройство, подключенное к сети и активно участвующее в информационном обмене. Чаще всего абонентом (узлом) сети является компьютер, но абонентом также может быть, например, сетевой принтер или другое периферийное устройство, имеющее возможность напрямую подключаться к сети. Далее в тексте книги вместо термина "абонент" для простоты будет использоваться термин "компьютер".
Сервером называется абонент (узел) сети, который предоставляет свои ресурсы другим абонентам, но сам не использует их ресурсы. Таким образом, он обслуживает сеть. Серверов в сети может быть несколько, и совсем не обязательно, что сервер — самый мощный компьютер. Выделенный
(dedicated) сервер — это сервер, занимающийся только сетевыми задачами. Невыделенный сервер может помимо обслуживания сети выполнять и другие задачи. Специфический тип сервера — это сетевой принтер.
Клиентом называется абонент сети, который только использует сетевые ресурсы, но сам свои ресурсы в сеть не отдает, то есть сеть его обслуживает, а он ей только пользуется. Компьютер-клиент также часто называют рабочей станцией. В принципе каждый компьютер может быть одновременно как клиентом, так и сервером.
Под сервером и клиентом часто понимают также не сами компьютеры, а работающие на них программные приложения. В этом случае то приложение, которое только отдает ресурс в сеть, является сервером, а то приложение, которое только пользуется сетевыми ресурсами — клиентом.
Топология кольцо
Кольцо — это топология, в которой каждый компьютер соединен линиями связи с двумя другими: от одного он получает информацию, а другому передает. На каждой линии связи, как и в случае звезды, работает только один передатчик и один приемник (связь типа точка-точка). Это позволяет отказаться от применения внешних терминаторов.
Важная особенность кольца состоит в том, что каждый компьютер ретранслирует (восстанавливает, усиливает) приходящий к нему сигнал, то есть выступает в роли репитера. Затухание сигнала во всем кольце не имеет никакого значения, важно только затухание между соседними компьютерами кольца. Если предельная длина кабеля, ограниченная затуханием, составляет Lпр, то суммарная длина кольца может достигать NLпр, где N — количество компьютеров в кольце. Полный размер сети в пределе будет NLпр/2, так как кольцо придется сложить вдвое. На практике размеры кольцевых сетей достигают десятков километров (например, в сети FDDI). Кольцо в этом отношении существенно превосходит любые другие топологии.
Четко выделенного центра при кольцевой топологии нет, все компьютеры могут быть одинаковыми и равноправными. Однако довольно часто в кольце выделяется специальный абонент, который управляет обменом или контролирует его. Понятно, что наличие такого единственного управляющего абонента снижает надежность сети, так как выход его из строя сразу же парализует весь обмен.
Строго говоря, компьютеры в кольце не являются полностью равноправными (в отличие, например, от шинной топологии).
Ведь один из них обязательно получает информацию от компьютера, ведущего передачу в данный момент, раньше, а другие — позже. Именно на этой особенности топологии и строятся методы управления обменом по сети, специально рассчитанные на кольцо. В таких методах право на следующую передачу (или, как еще говорят, на захват сети) переходит последовательно к следующему по кругу компьютеру. Подключение новых абонентов в кольцо выполняется достаточно просто, хотя и требует обязательной остановки работы всей сети на время подключения. Как и в случае шины, максимальное количество абонентов в кольце может быть довольно велико (до тысячи и больше). Кольцевая топология обычно обладает высокой устойчивостью к перегрузкам, обеспечивает уверенную работу с большими потоками передаваемой по сети информации, так как в ней, как правило, нет конфликтов (в отличие от шины), а также отсутствует центральный абонент (в отличие от звезды), который может быть перегружен большими потоками информации.
Рис. 1.12. Сеть с двумя кольцами
Сигнал в кольце проходит последовательно через все компьютеры сети, поэтому выход из строя хотя бы одного из них (или же его сетевого оборудования) нарушает работу сети в целом. Это существенный недостаток кольца.
Точно так же обрыв или короткое замыкание в любом из кабелей кольца делает работу всей сети невозможной. Из трех рассмотренных топологий кольцо наиболее уязвимо к повреждениям кабеля, поэтому в случае топологии кольца обычно предусматривают прокладку двух (или более) параллельных линий связи, одна из которых находится в резерве.
Иногда сеть с топологией кольцо выполняется на основе двух параллельных кольцевых линий связи, передающих информацию в противоположных направлениях (рис. 1.12). Цель подобного решения — увеличение (в идеале — вдвое) скорости передачи информации по сети. К тому же при повреждении одного из кабелей сеть может работать с другим кабелем (правда, предельная скорость уменьшится).
Топология локальных сетей
Под топологией (компоновкой, конфигурацией, структурой) компьютерной сети обычно понимается физическое расположение компьютеров сети друг относительно друга и способ соединения их линиями связи. Важно отметить, что понятие топологии относится, прежде всего, к локальным сетям, в которых структуру связей можно легко проследить. В глобальных сетях структура связей обычно скрыта от пользователей и не слишком важна, так как каждый сеанс связи может производиться по собственному пути.
Топология определяет требования к оборудованию, тип используемого кабеля, допустимые и наиболее удобные методы управления обменом, надежность работы, возможности расширения сети. И хотя выбирать топологию пользователю сети приходится нечасто, знать об особенностях основных топологий, их достоинствах и недостатках надо.
Существует три базовые топологии сети:
Шина (bus) — все компьютеры параллельно подключаются к одной линии связи. Информация от каждого компьютера одновременно передается всем остальным компьютерам (рис. 1.5).
Рис. 1.5. Сетевая топология шина
Звезда (star) — к одному центральному компьютеру присоединяются остальные периферийные компьютеры, причем каждый из них использует отдельную линию связи (рис. 1.6). Информация от периферийного компьютера передается только центральному компьютеру, от центрального — одному или нескольким периферийным.
Рис. 1.6. Сетевая топология звезда
Кольцо (ring) — компьютеры последовательно объединены в кольцо. Передача информации в кольце всегда производится только в одном направлении.
Каждый из компьютеров передает информацию только одному компьютеру, следующему в цепочке за ним, а получает информацию только от предыдущего в цепочке компьютера (рис. 1.7).
Рис. 1.7. Сетевая топология кольцо
На практике нередко используют и другие топологии локальных сетей, однако большинство сетей ориентировано именно на три базовые топологии.
Прежде чем перейти к анализу особенностей базовых сетевых топологий, необходимо выделить некоторые важнейшие факторы, влияющие на физическую работоспособность сети и непосредственно связанные с понятием топология.
Исправность компьютеров (абонентов), подключенных к сети. В некоторых случаях поломка абонента может заблокировать работу всей сети. Иногда неисправность абонента не влияет на работу сети в целом, не мешает остальным абонентам обмениваться информацией.Исправность сетевого оборудования, то есть технических средств, непосредственно подключенных к сети (адаптеры, трансиверы, разъемы и т.д.). Выход из строя сетевого оборудования одного из абонентов может сказаться на всей сети, но может нарушить обмен только с одним абонентом.Целостность кабеля сети. При обрыве кабеля сети (например, из-за механических воздействий) может нарушиться обмен информацией во всей сети или в одной из ее частей. Для электрических кабелей столь же критично короткое замыкание в кабеле.Ограничение длины кабеля, связанное с затуханием распространяющегося по нему сигнала. Как известно, в любой среде при распространении сигнал ослабляется (затухает).И чем большее расстояние проходит сигнал, тем больше он затухает (рис. 1.8). Необходимо следить, чтобы длина кабеля сети не была больше предельной длины Lпр, при превышении которой затухание становится уже неприемлемым (принимающий абонент не распознает ослабевший сигнал).
Рис. 1.8. Затухание сигнала при распространении по сети
Топология шина
Топология шина (или, как ее еще называют, общая шина) самой своей структурой предполагает идентичность сетевого оборудования компьютеров, а также равноправие всех абонентов по доступу к сети. Компьютеры в шине могут передавать только по очереди, так как линия связи в данном случае единственная. Если несколько компьютеров будут передавать информацию одновременно, она исказится в результате наложения (конфликта, коллизии). В шине всегда реализуется режим так называемого полудуплексного (half duplex) обмена (в обоих направлениях, но по очереди, а не одновременно).
В топологии шина отсутствует явно выраженный центральный абонент, через который передается вся информация, это увеличивает ее надежность (ведь при отказе центра перестает функционировать вся управляемая им система). Добавление новых абонентов в шину довольно просто и обычно возможно даже во время работы сети. В большинстве случаев при использовании шины требуется минимальное количество соединительного кабеля по сравнению с другими топологиями.
Поскольку центральный абонент отсутствует, разрешение возможных конфликтов в данном случае ложится на сетевое оборудование каждого отдельного абонента. В связи с этим сетевая аппаратура при топологии шина сложнее, чем при других топологиях. Тем не менее из-за широкого распространения сетей с топологией шина (прежде всего наиболее популярной сети Ethernet) стоимость сетевого оборудования не слишком высока.
Рис. 1.9. Обрыв кабеля в сети с топологией шина
Важное преимущество шины состоит в том, что при отказе любого из компьютеров сети, исправные машины смогут нормально продолжать обмен.
Казалось бы, при обрыве кабеля получаются две вполне работоспособные шины (рис. 1.9). Однако надо учитывать, что из-за особенностей распространения электрических сигналов по длинным линиям связи необходимо предусматривать включение на концах шины специальных согласующих устройств, терминаторов, показанных на рис. 1.5 и 1.9 в виде прямоугольников. Без включения терминаторов сигнал отражается от конца линии и искажается так, что связь по сети становится невозможной. В случае разрыва или повреждения кабеля нарушается согласование линии связи, и прекращается обмен даже между теми компьютерами, которые остались соединенными между собой. Подробнее о согласовании будет изложено в специальном разделе книги. Короткое замыкание в любой точке кабеля шины выводит из строя всю сеть.
Отказ сетевого оборудования любого абонента в шине может вывести из строя всю сеть. К тому же такой отказ довольно трудно локализовать, поскольку все абоненты включены параллельно, и понять, какой из них вышел из строя, невозможно.
При прохождении по линии связи сети с топологией шина информационные сигналы ослабляются и никак не восстанавливаются, что накладывает жесткие ограничения на суммарную длину линий связи. Причем каждый абонент может получать из сети сигналы разного уровня в зависимости от расстояния до передающего абонента. Это предъявляет дополнительные требования к приемным узлам сетевого оборудования.
Если принять, что сигнал в кабеле сети ослабляется до предельно допустимого уровня на длине Lпр, то полная длина шины не может превышать величины Lпр.
В этом смысле шина обеспечивает наименьшую длину по сравнению с другими базовыми топологиями.
Для увеличения длины сети с топологией шина часто используют несколько сегментов (частей сети, каждый из которых представляет собой шину), соединенных между собой с помощью специальных усилителей и восстановителей сигналов — репитеров или повторителей (на рис. 1.10
показано соединение двух сегментов, предельная длина сети в этом случае возрастает до 2 Lпр, так как каждый из сегментов может быть длиной Lпр). Однако такое наращивание длины сети не может продолжаться бесконечно. Ограничения на длину связаны с конечной скоростью распространения сигналов по линиям связи.
Рис. 1.10. Соединение сегментов сети типа шина с помощью репитера
Топология звезда
Звезда — это единственная топология сети с явно выделенным центром, к которому подключаются все остальные абоненты. Обмен информацией идет исключительно через центральный компьютер, на который ложится большая нагрузка, поэтому ничем другим, кроме сети, он, как правило, заниматься не может. Понятно, что сетевое оборудование центрального абонента должно быть существенно более сложным, чем оборудование периферийных абонентов. О равноправии всех абонентов (как в шине) в данном случае говорить не приходится. Обычно центральный компьютер самый мощный, именно на него возлагаются все функции по управлению обменом. Никакие конфликты в сети с топологией звезда в принципе невозможны, так как управление полностью централизовано.
Если говорить об устойчивости звезды к отказам компьютеров, то выход из строя периферийного компьютера или его сетевого оборудования никак не отражается на функционировании оставшейся части сети, зато любой отказ центрального компьютера делает сеть полностью неработоспособной. В связи с этим должны приниматься специальные меры по повышению надежности центрального компьютера и его сетевой аппаратуры.
Обрыв кабеля или короткое замыкание в нем при топологии звезда нарушает обмен только с одним компьютером, а все остальные компьютеры могут нормально продолжать работу.
В отличие от шины, в звезде на каждой линии связи находятся только два абонента: центральный и один из периферийных. Чаще всего для их соединения используется две линии связи, каждая из которых передает информацию в одном направлении, то есть на каждой линии связи имеется только один приемник и один передатчик.
Это так называемая передача точка-точка. Все это существенно упрощает сетевое оборудование по сравнению с шиной и избавляет от необходимости применения дополнительных, внешних терминаторов.
Проблема затухания сигналов в линии связи также решается в звезде проще, чем в случае шины, ведь каждый приемник всегда получает сигнал одного уровня. Предельная длина сети с топологией звезда может быть вдвое больше, чем в шине (то есть 2 Lпр), так как каждый из кабелей, соединяющий центр с периферийным абонентом, может иметь длину Lпр.
Серьезный недостаток топологии звезда состоит в жестком ограничении количества абонентов. Обычно центральный абонент может обслуживать не более 8—16 периферийных абонентов. В этих пределах подключение новых абонентов довольно просто, но за ними оно просто невозможно. В звезде допустимо подключение вместо периферийного еще одного центрального абонента (в результате получается топология из нескольких соединенных между собой звезд).
Звезда, показанная на рис. 1.6, носит название активной или истинной звезды. Существует также топология, называемая пассивной звездой, которая только внешне похожа на звезду (рис. 1.11). В настоящее время она распространена гораздо более широко, чем активная звезда. Достаточно сказать, что она используется в наиболее популярной сегодня сети Ethernet.
В центре сети с данной топологией помещается не компьютер, а специальное устройство — концентратор или, как его еще называют, хаб (hub), которое выполняет ту же функцию, что и репитер, то есть восстанавливает приходящие сигналы и пересылает их во все другие линии связи.
Рис. 1.11. Топология пассивная звезда и ее эквивалентная схема
Получается, что хотя схема прокладки кабелей подобна истинной или активной звезде, фактически речь идет о шинной топологии, так как информация от каждого компьютера одновременно передается ко всем остальным компьютерам, а никакого центрального абонента не существует. Безусловно, пассивная звезда дороже обычной шины, так как в этом случае требуется еще и концентратор. Однако она предоставляет целый ряд дополнительных возможностей, связанных с преимуществами звезды, в частности, упрощает обслуживание и ремонт сети. Именно поэтому в последнее время пассивная звезда все больше вытесняет истинную шину, которая считается малоперспективной топологией.
Можно выделить также промежуточный тип топологии между активной и пассивной звездой. В этом случае концентратор не только ретранслирует поступающие на него сигналы, но и производит управление обменом, однако сам в обмене не участвует (так сделано в сети 100VG-AnyLAN).
Большое достоинство звезды (как активной, так и пассивной) состоит в том, что все точки подключения собраны в одном месте. Это позволяет легко контролировать работу сети, локализовать неисправности путем простого отключения от центра тех или иных абонентов (что невозможно, например, в случае шинной топологии), а также ограничивать доступ посторонних лиц к жизненно важным для сети точкам подключения. К периферийному абоненту в случае звезды может подходить как один кабель (по которому идет передача в обоих направлениях), так и два (каждый кабель передает в одном из двух встречных направлений), причем последнее встречается гораздо чаще.
Общим недостатком для всех топологий типа звезда (как активной, так и пассивной) является значительно больший, чем при других топологиях, расход кабеля. Например, если компьютеры расположены в одну линию (как на рис. 1.5), то при выборе топологии звезда понадобится в несколько раз больше кабеля, чем при топологии шина. Это существенно влияет на стоимость сети в целом и заметно усложняет прокладку кабеля.
Бескабельные каналы связи
Кроме кабельных каналов в компьютерных сетях иногда используются также бескабельные каналы. Их главное преимущество состоит в том, что не требуется никакой прокладки проводов (не надо делать отверстий в стенах, закреплять кабель в трубах и желобах, прокладывать его под фальшполами, над подвесными потолками или в вентиляционных шахтах, искать и устранять повреждения). К тому же компьютеры сети можно легко перемещать в пределах комнаты или здания, так как они ни к чему не привязаны.
Радиоканал использует передачу информации по радиоволнам, поэтому теоретически он может обеспечить связь на многие десятки, сотни и даже тысячи километров. Скорость передачи достигает десятков мегабит в секунду (здесь многое зависит от выбранной длины волны и способа кодирования).
Особенность радиоканала состоит в том, что сигнал свободно излучается в эфир, он не замкнут в кабель, поэтому возникают проблемы совместимости с другими источниками радиоволн (радио- и телевещательными станциями, радарами, радиолюбительскими и профессиональными передатчиками и т.д.). В радиоканале используется передача в узком диапазоне частот и модуляция информационным сигналом сигнала несущей частоты.
Главным недостатком радиоканала является его плохая защита от прослушивания, так как радиоволны распространяются неконтролируемо. Другой большой недостаток радиоканала – слабая помехозащищенность.
Для локальных беспроводных сетей (WLAN – Wireless LAN) в настоящее время применяются подключения по радиоканалу на небольших расстояниях (обычно до 100 метров) и в пределах прямой видимости.
Чаще всего используются два частотных диапазона – 2,4 ГГц и 5 ГГц. Скорость передачи – до 54 Мбит/с. Распространен вариант со скоростью 11 Мбит/с.
Сети WLAN позволяют устанавливать беспроводные сетевые соединения на ограниченной территории (обычно внутри офисного или университетского здания или в таких общественных местах, как аэропорты). Они могут использоваться во временных офисах или в других местах, где прокладка кабелей неосуществима, а также в качестве дополнения к имеющейся проводной локальной сети, призванного обеспечить пользователям возможность работать перемещаясь по зданию.
Популярная технология Wi-Fi (Wireless Fidelity) позволяет организовать связь между компьютерами числом от 2 до 15 с помощью концентратора (называемого точка доступа, Access Point, AP), или нескольких концентраторов, если компьютеров от 10 до 50. Кроме того, эта технология дает возможность связать две локальные сети на расстоянии до 25 километров с помощью мощных беспроводных мостов. Для примера на рис. 2.7 показано объединение компьютеров с помощью одной точки доступа. Важно, что многие мобильные компьютеры (ноутбуки) уже имеют встроенный контроллер Wi-Fi, что существенно упрощает их подключение к беспроводной сети.
Рис. 2.7. Объединение компьютеров с помощью технологии Wi-Fi
Радиоканал широко применяется в глобальных сетях как для наземной, так и для спутниковой связи. В этом применении у радиоканала нет конкурентов, так как радиоволны могут дойти до любой точки земного шара.
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, где всегда много помех от силового оборудования. 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.
Скорости передачи информации по инфракрасному каналу обычно не превышают 5—10 Мбит/с, но при использовании инфракрасных лазеров может быть достигнута скорость более 100 Мбит/с. Секретность передаваемой информации, как и в случае радиоканала, не достигается, также требуются сравнительно дорогие приемники и передатчики. Все это приводит к тому, что применяют инфракрасные каналы в локальных сетях довольно редко. В основном они используются для связи компьютеров с периферией (интерфейс IrDA).
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. Зато 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 помеха, 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 информация передается одновременно всем абонентам. Но при использовании узконаправленной передачи и/или частотного разделения по каналам можно реализовать любые топологии (кольцо, звезда, комбинированные топологии) как на радиоканале, так и на инфракрасном канале.
Кабели на основе витых пар
Витые пары проводов используются в дешевых и сегодня, пожалуй, самых популярных кабелях. Кабель на основе витых пар представляет собой несколько пар скрученных попарно изолированных медных проводов в единой диэлектрической (пластиковой) оболочке. Он довольно гибкий и удобный для прокладки. Скручивание проводов позволяет свести к минимуму индуктивные наводки кабелей друг на друга и снизить влияние переходных процессов.
Обычно в кабель входит две (рис. 2.1) или четыре витые пары.
Рис. 2.1. Кабель с витыми парами
Неэкранированные витые пары характеризуются слабой защищенностью от внешних электромагнитных помех, а также от подслушивания, которое может осуществляться с целью, например, промышленного шпионажа. Причем перехват передаваемой по сети информации возможен как с помощью контактного метода (например, посредством двух иголок, воткнутых в кабель), так и с помощью бесконтактного метода, сводящегося к радиоперехвату излучаемых кабелем электромагнитных полей. Причем действие помех и величина излучения во вне увеличивается с ростом длины кабеля. Для устранения этих недостатков применяется экранирование кабелей.
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). Для того чтобы экран защищал от помех, он должен быть обязательно заземлен. Естественно, экранированная витая пара заметно дороже, чем неэкранированная.
Ее использование требует специальных экранированных разъемов. Поэтому встречается она значительно реже, чем неэкранированная витая пара.
Основные достоинства неэкранированных витых пар – простота монтажа разъемов на концах кабеля, а также 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 понятно, 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 1000 Мбит/с, хотя технические проблемы, возникающие при таких скоростях, крайне сложны.
Согласно стандарту EIA/TIA 568, существуют пять основных и две дополнительные категории кабелей на основе неэкранированной витой пары (UTP):
Кабель категории 1 – это обычный телефонный кабель (пары проводов не витые), по которому можно передавать только речь. Этот 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 частот 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. Еще недавно он был самым распространенным, но сейчас повсеместно вытесняется кабелем категории 5.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 создан для работы в сетях по стандарту IEEE 802.5.Кабель категории 5 – в настоящее время самый совершенный кабель, 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 (или 250) 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 1 МГц до максимальной частоты кабеля. Требования не очень жесткие: величина волнового сопротивления может находиться в диапазоне от 85 до 115 Ом.
Здесь же следует отметить, что волновое сопротивление экранированной витой пары STP по стандарту должно быть равным 150 Ом ±15%. Для согласования сопротивлений кабеля и оборудования в случае их несовпадения применяют согласующие трансформаторы (Balun). Существует также экранированная витая пара с волновым сопротивлением 100 Ом, но используется она 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 в децибелах для кабелей категорий 3, 4 и 5 на расстояние 1000 футов (то есть 305 метров) при нормальной температуре окружающей среды 20°С.
| 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 |
Сигнал, передаваемый по одной из витых пар кабеля (верхняя пара), наводит индуктивную помеху на другую (нижнюю) витую пару кабеля. Две витые пары в сети обычно передают информацию в разные стороны, поэтому наиболее важна наводка на ближнем конце воспринимающей пары (нижней на рисунке), так как именно там находится приемник информации. Перекрестная наводка на дальнем конце (FEXT – Far End CrossTalk) не имеет такого большого значения.
| 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 |
| 62,5 | — | — | -35 |
| 100,0 | — | — | -32 |
Рис. 2.2. Перекрестные помехи в кабелях на витых парах
Стандарт определяет также максимально допустимую величину рабочей емкости каждой из витых пар кабелей категории 4 и 5. Она должна составлять не более 17 нФ на 305 метров (1000 футов) при частоте сигнала 1 кГц и температуре окружающей среды 20°С.
Для присоединения витых пар используются разъемы (коннекторы) типа RJ-45, похожие на разъемы, используемые в телефонах (RJ-11), но несколько большие по размеру.
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 (точка-точка), 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 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 в тефлоновой – plenum. Термин plenum обозначает в данном случае пространство под фальшполом и над подвесным потолком, где 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 этом ядовитых газов в большом количестве.
Еще один важный параметр любого кабеля, который жестко не определяется стандартом, но может существенно повлиять на работоспособность сети, – это скорость распространения сигнала в кабеле или, другими словами, 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:
tз =1/(3 ? 1010 ? NVP)
где tз – величина задержки на метр длины кабеля в наносекундах. Например, если NVP=0,65 (65% от скорости света), то задержка tз будет равна 5,13 нс/м. Типичная величина задержки большинства современных кабелей составляет около 4—5 нс/м.
В таблице 2.3 приведены величины NVP и задержек на метр длины (в наносекундах) для некоторых типов кабеля двух самых известных компаний-производителей AT&T и Belden.
| 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 | 1229A | 3 | non-plenum | 0,69 | 4,83 |
| Belden | 1455A | 4 | non-plenum | 0,72 | 4,63 |
| Belden | 1583A | 5 | non-plenum | 0,72 | 4,63 |
| Belden | 1245A2 | 3 | plenum | 0,69 | 4,83 |
| Belden | 1457A | 4 | plenum | 0,75 | 4,44 |
| Belden | 1585A | 5 | plenum | 0,75 | 4,44 |
Примером кабеля с экранированными витыми парами может служить кабель STP IBM типа 1, который включает в себя две экранированные витые пары AWG типа 22.Волновое сопротивление каждой пары составляет 150 Ом. Для этого кабеля применяются специальные разъемы, отличающиеся 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 медного провода и металлической оплетки (экрана), разделенных между собой слоем диэлектрика (внутренней изоляции) и помещенных в общую внешнюю оболочку (рис. 2.3).
Рис. 2.3. Коаксиальный кабель
Коаксиальный кабель до недавнего времени был очень популярен, что связано с его высокой помехозащищенностью (благодаря металлической оплетке), более широкими, чем в случае витой пары, полосами пропускания (свыше 1ГГц), а также большими допустимыми расстояниями передачи (до километра ). К нему труднее механически подключиться для несанкционированного прослушивания сети, он дает также 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). Сложнее и установка разъемов на концах кабеля. Сейчас его применяют реже, чем витую пару. Стандарт EIA/TIA-568 включает в себя только один тип коаксиального кабеля, применяемый в сети Ethernet.
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.
Терминаторы должны быть обязательно согласованы с кабелем, необходимо, чтобы их сопротивление равнялось волновому сопротивлению кабеля. Например, если используется 50-омный кабель, для него подходят только 50-омные терминаторы.
Реже коаксиальные кабели применяются в сетях с топологией звезда (например, пассивная звезда 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 (RG-58, RG-11, RG-8) и 93-омные кабели (RG-62). Распространенные в телевизионной технике 75-омные кабели в локальных сетях не используются. Марок коаксиального кабеля немного. 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, диаметром около 1 см, значительно более жесткий. Он представляет собой классический вариант коаксиального кабеля, который уже почти полностью вытеснен современным тонким кабелем.
Тонкий кабель используется для передачи на меньшие расстояния, чем толстый, поскольку сигнал в нем 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, тефлоновый кабель дороже поливинилхлоридного. Обычно тип оболочки можно отличить по окраске (например, для PVC кабеля 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. И новые стандарты на кабельные системы уже не включают его в перечень типов кабелей.
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.
Рис. 2.4. Структура оптоволоконного кабеля
Структура оптоволоконного кабеля очень проста и похожа на структуру коаксиального электрического кабеля (рис. 2.4). Только вместо центрального медного провода здесь используется тонкое (диаметром около 1 – 10 мкм) стекловолокно, а вместо внутренней изоляции – стеклянная или пластиковая оболочка, не позволяющая свету выходить за пределы стекловолокна. В данном случае речь идет о режиме 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).
Оптоволоконный кабель обладает исключительными характеристиками по помехозащищенности и секретности передаваемой информации. Никакие внешние электромагнитные помехи в принципе не способны исказить световой сигнал, а сам сигнал не порождает внешних электромагнитных излучений.
Подключиться к этому типу кабеля для несанкционированного прослушивания сети практически невозможно, так как при этом нарушается целостность кабеля. Теоретически возможная полоса пропускания такого кабеля достигает величины 1012 Гц, то есть 1000 ГГц, что несравнимо выше, чем у электрических кабелей. Стоимость оптоволоконного кабеля постоянно снижается и сейчас примерно равна стоимости тонкого коаксиального кабеля.
Типичная величина затухания сигнала в оптоволоконных кабелях на частотах, используемых в локальных сетях, составляет от 5 до 20 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, у него просто нет 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.
Следует помнить, что некачественная установка разъема резко снижает допустимую длину кабеля, определяемую затуханием.
Также надо помнить, что использование оптоволоконного кабеля требует специальных оптических приемников и передатчиков, преобразующих световые сигналы в электрические и обратно, что порой существенно увеличивает стоимость сети в целом.
Оптоволоконные кабели допускают разветвление сигналов (для этого производятся специальные пассивные разветвители (couplers) на 2—8 каналов), но, 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. Кроме того, в разветвителе есть и внутренние потери, так что суммарная мощность сигнала на выходе меньше входной мощности.
Оптоволоконный кабель менее прочен и гибок, чем электрический. Типичная величина допустимого радиуса изгиба составляет около 10 – 20 см, при меньших радиусах изгиба центральное волокно может сломаться. Плохо переносит кабель и механическое растяжение, а также раздавливающие воздействия.
Чувствителен оптоволоконный кабель и к ионизирующим излучениям, из-за которых снижается прозрачность стекловолокна, то есть увеличивается затухание сигнала. Резкие перепады температуры также негативно сказываются на нем, стекловолокно может треснуть.
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 или, во всяком случае, сильно потеснит их. Запасы меди на планете истощаются, а сырья для производства стекла более чем достаточно.
Существуют два различных типа оптоволоконного кабеля:
многомодовый или мультимодовый кабель, более дешевый, но менее качественный;одномодовый кабель, более дорогой, но имеет лучшие характеристики по сравнению с первым.
Суть различия между этими двумя типами сводится к разным режимам прохождения световых лучей в кабеле.
Рис. 2.5. Распространение света в одномодовом кабеле
В одномодовом кабеле практически все лучи проходят один и тот же путь, в результате чего они достигают приемника одновременно, и форма сигнала почти не искажается (рис. 2.5). 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 одномодового кабеля применяются лазерные приемопередатчики, использующие свет исключительно с требуемой длиной волны. Такие приемопередатчики пока еще сравнительно дороги и не долговечны. Однако в перспективе одномодовый кабель должен стать основным типом благодаря своим прекрасным характеристикам.
К тому же лазеры имеют большее быстродействие, чем обычные светодиоды. Затухание сигнала в одномодовом кабеле составляет около 5 дБ/км и может быть даже снижено до 1 дБ/км.
Рис. 2.6. Распространение света в многомодовом кабеле
В многомодовом кабеле траектории световых лучей имеют заметный разброс, в результате чего форма сигнала на приемном конце кабеля искажается (рис. 2.6). 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, при этом наблюдается разброс длин волн около 30 – 50 нм. Допустимая длина кабеля составляет 2 – 5 км. Многомодовый кабель – это основной тип оптоволоконного кабеля в настоящее время, так как он дешевле и доступнее. Затухание в многомодовом кабеле больше, чем в одномодовом и составляет 5 – 20 дБ/км.
Типичная величина задержки для наиболее распространенных кабелей составляет около 4—5 нс/м, что близко к величине задержки в электрических кабелях.
Оптоволоконные кабели, как и электрические, выпускаются в исполнении plenum и non-plenum.
Бифазный код
Бифазный код часто рассматривают как разновидность манчестерского, так как их характеристики практически полностью совпадают.
Данный код отличается от классического манчестерского кода тем, что он не зависит от перемены мест двух проводов кабеля. Особенно это удобно в случае, когда для связи применяется витая пара, провода которой легко перепутать. Именно этот код используется в одной из самых известных сетей Token-Ring компании 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 манчестерского кода, 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...).
Имеется также еще один вариант бифазного кода (его еще называют дифференциальным манчестерским кодом). В этом коде единице соответствует наличие перехода в начале битового интервала, а нулю – отсутствие перехода в начале битового интервала (или наоборот). При этом в середине битового интервала переход имеется всегда, и именно он служит для побитовой самосинхронизации приемника. Характеристики этого варианта кода также полностью соответствуют характеристикам манчестерского кода.
Здесь же стоит упомянуть о том, что часто совершенно неправомерно считается, что единица измерения скорости передачи бод – это то же самое, что бит в секунду, а 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 число изменений уровня сигнала в секунду. И при RZ или манчестерском кодах требуемая скорость в бодах оказывается вдвое выше, чем при NRZ. В бодах измеряется скорость передачи сигнала, а в битах в секунду – скорость передачи информации. Поэтому, чтобы избежать неоднозначного понимания, скорость передачи по сети лучше указывать в битах в секунду (бит/с, Кбит/с, Мбит/с, Гбит/с).
Другие коды
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, как в рассмотренных RZ, манчестерском и бифазном кодах.
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. 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 осуществляет обратное преобразование, восстанавливает исходные информационные биты. Довольно просто осуществляется в этом случае и обнаружение несущей частоты (детектирование передачи).
Так, например, 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 манчестерского кода. Но зато 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, в частности, 5В/6В, используемый в стандартной сети 100VG-AnyLAN, или 8В/10В, применяемый в сети Gigabit Ethernet.
В сегменте 100BASE- T4 сети Fast Ethernet использован несколько иной подход. Там применяется 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 лишь16 МГц (см. табл. 2.1). Правда, это требует большего расхода кабеля и увеличения количества приемников и передатчиков. К тому же принципиально, чтобы все провода были одной длины и задержки сигнала в них не слишком различались.
Иногда уже закодированная информация подвергается дополнительному кодированию, что позволяет упростить синхронизацию на приемном конце. Наибольшее распространение для этого получили 2-уровневый код NRZI, применяемый в оптоволоконных сетях (FDDI и 100BASE-FX), а также 3-уровневый код MLT-3, используемый в сетях на витых парах (TPDDI и 100BASE-TХ). Оба эти кода (рис. 3.17) не являются самосинхронизирующимися.
Рис. 3.17. Коды NRZI и MLT-3
Код NRZI (без возврата к нулю с инверсией единиц – Non-Return to Zero, Invert to one) предполагает, что уровень сигнала меняется на противоположный в начале единичного битового интервала и не меняется при передаче нулевого битового интервала. При последовательности единиц на границах битовых интервалов имеются переходы, при последовательности нулей – переходов нет. В этом смысле код NRZI лучше синхронизируется, чем NRZ (там нет переходов ни при последовательности нулей, ни при последовательности единиц).
Код MLT-3 (Multi-Level Transition-3) предполагает, что при передаче нулевого битового интервала уровень сигнала не меняется, а при передаче единицы – меняется на следующий уровень по такой цепочке: +U, 0, –U, 0, +U, 0, –U и т.д. Таким образом, максимальная частота смены уровней получается вчетверо меньше скорости передачи в битах (при последовательности сплошных единиц). Требуемая полоса пропускания оказывается меньше, чем при коде NRZ.
Все упомянутые в данном разделе 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 (синусоидального). Такое аналоговое кодирование позволяет при переходе на широкополосную передачу существенно увеличить пропускную способность канала связи (в этом случае по сети можно передавать несколько бит одновременно). 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 форма сигнала искажается (см. рис. 3.2).
К самым простым видам аналогового кодирования относятся следующие (рис. 3.18):
Амплитудная модуляция (АМ, AM – Amplitude Modulation), при которой логической единице соответствует наличие сигнала (или сигнал большей амплитуды), а логическому нулю – отсутствие сигнала (или сигнал меньшей амплитуды). Частота сигнала при этом остается постоянной.
Недостаток амплитудной модуляции состоит в том, что АМ- сигнал сильно подвержен действию помех и шумов, а также предъявляет повышенные требования к затуханию сигнала в канале связи. Достоинства – простота аппаратурной реализации и узкий частотный спектр.
Рис. 3.18. Аналоговое кодирование цифровой информации
Частотная модуляция (ЧМ, FM – Frequency Modulation), при которой логической единице соответствует сигнал более высокой частоты, а логическому нулю – сигнал более низкой частоты (или наоборот). Амплитуда сигнала при частотной модуляции остается постоянной, что является большим преимуществом по сравнению с амплитудной модуляцией.Фазовая модуляция (ФМ, PM – Phase Modulation), при которой смене логического нуля на логическую единицу и наоборот соответствует резкое изменение фазы синусоидального сигнала одной частоты и амплитуды. Важно, что амплитуда модулированного сигнала остается постоянной, как и в случае частотной модуляции.
Применяются и значительно более сложные методы модуляции, являющиеся комбинацией перечисленных простейших методов. О некоторых из них будет рассказано в главе 12.
Чаще всего аналоговое кодирование используется при передаче информации по каналу с узкой полосой пропускания, например, по телефонным линиям в глобальных сетях. Кроме того, аналоговое кодирование применяется в радиоканалах, что позволяет обеспечивать связь между многими пользователями одновременно. В локальных кабельных сетях аналоговое кодирование практически не используется из-за высокой сложности и стоимости как кодирующего, так и декодирующего оборудования.
Код NRZ
Код NRZ (Non Return to Zero – без возврата к нулю) – это простейший код, представляющий собой обычный цифровой сигнал. Логическому нулю соответствует высокий уровень напряжения в кабеле, логической единице – низкий уровень напряжения (или наоборот, что не принципиально). Уровни могут быть разной полярности (положительной и отрицательной) или же одной полярности (положительной или отрицательной). В течение битового интервала (bit time, BT), то есть времени передачи одного бита никаких изменений уровня сигнала в кабеле не происходит.
К несомненным достоинствам кода NRZ относятся его довольно простая реализация (исходный сигнал не надо ни специально кодировать на передающем конце, ни декодировать на приемном конце), а также минимальная среди других кодов пропускная способность линии связи, требуемая при данной скорости передачи. Ведь наиболее частое изменение сигнала в сети будет при непрерывном чередовании единиц и нулей, то есть при последовательности 1010101010..., поэтому при скорости передачи, равной 10 Мбит/с (длительность одного бита равна 100 нс) частота изменения сигнала и соответственно требуемая пропускная способность линии составит 1 / 200нс = 5 МГц (рис. 3.9).
Рис. 3.9. Скорость передачи и требуемая пропускная способность при коде NRZ
Рис. 3.10. Передача в коде NRZ с синхросигналом
Самый большой недостаток кода NRZ – это возможность потери синхронизации приемником во время приема 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 внутренним тактовым генератором (внутренними часами). Например, если передается последовательность нулей или последовательность единиц, то приемник может определить, где проходят границы битовых интервалов, только по внутренним часам. И если часы приемника расходятся с часами передатчика, то временной сдвиг к концу приема пакета может превысить длительность одного 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.
Во избежание потери синхронизации, можно было бы ввести вторую линию связи для синхросигнала (рис. 3.10). Но при этом требуемое количество кабеля, число приемников и передатчиков увеличивается в два раза. При большой длине сети и значительном количестве абонентов это невыгодно.
В связи с этим код NRZ используется только для передачи короткими пакетами (обычно до 1 Кбита).
Большой недостаток кода NRZ состоит еще и в том, что он может обеспечить обмен сообщениями (последовательностями, пакетами) только фиксированной, заранее обговоренной длины. Дело в том, что по принимаемой информации приемник не может определить, идет ли еще передача или уже закончилась. 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).
Заканчивается прием после отсчета приемником заданного количества бит последовательности (рис. 3.11).
Рис. 3.11. Определение окончания последовательности при коде NRZ
Наиболее известное применение кода NRZ – это стандарт RS232-C, последовательный порт персонального компьютера. Передача информации в нем ведется байтами (8 бит), сопровождаемыми стартовым и стоповым битами.
Три остальных кода (RZ, манчестерский код, бифазный код) принципиально отличаются от NRZ тем, что сигнал имеет дополнительные переходы (фронты) в пределах битового интервала. Это сделано для того, чтобы приемник мог подстраивать свои часы под принимаемый сигнал на каждом битовом интервале. Отслеживая фронты сигналов, приемник может точно синхронизовать прием каждого бита. В результате небольшие расхождения часов приемника и передатчика уже не имеют значения. Приемник может надежно принимать последовательности любой длины. Такие коды называются самосинхронизирующимися. Можно считать, что самосинхронизирующиеся коды несут в себе синхросигнал.
Код RZ
Код RZ (Return to Zero – с возвратом к нулю) – этот трехуровневый код получил такое название потому, что после значащего уровня сигнала в первой половине битового интервала следует возврат к некоему "нулевому", среднему уровню (например, к нулевому потенциалу). Переход к нему происходит в середине каждого битового интервала. Логическому нулю, таким образом, соответствует положительный импульс, логической единице – отрицательный (или наоборот) в первой половине битового интервала.
В центре битового интервала всегда есть переход сигнала (положительный или отрицательный), следовательно, из этого кода приемник легко может выделить синхроимпульс (строб). 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.
Еще одно важное достоинство кода RZ – простая временная привязка приема, как к началу последовательности, так и к ее концу. Приемник просто должен анализировать, есть изменение уровня сигнала в течение битового интервала или нет. Первый битовый интервал без изменения уровня сигнала соответствует окончанию принимаемой последовательности бит (рис. 3.12). Поэтому в коде RZ можно использовать передачу последовательностями переменной длины.
Рис. 3.12. Определение начала и конца приема при коде RZ
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 битовый интервал приходится два изменения уровня сигнала).
Например, для скорости передачи информации 10 Мбит/с требуется пропускная способность линии связи 10 МГц, а не 5 МГц, как при коде NRZ (рис. 3.13).
Рис. 3.13. Скорость передачи и пропускная способность при коде RZ
Другой важный недостаток – наличие трех уровней, что всегда усложняет аппаратуру как передатчика, так и приемника.
Код RZ применяется не только в сетях на основе электрического кабеля, но и в оптоволоконных сетях. Правда, в них не существует положительных и отрицательных уровней сигнала, поэтому используется три следующие 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. 3.14).
Рис. 3.14. Использование кода RZ в оптоволоконных сетях
Кодирование информации в локальных сетях
Информация в кабельных локальных сетях передается в закодированном виде, то есть каждому биту передаваемой информации соответствует свой набор уровней электрических сигналов в сетевом кабеле. Модуляция высокочастотных сигналов применяется в основном в бескабельных сетях, в радиоканалах. В кабельных сетях передача идет без модуляции или, как еще говорят, в основной полосе частот.
Правильный выбор кода позволяет повысить достоверность передачи информации, увеличить скорость передачи или снизить требования к выбору кабеля. Например, при разных кодах предельная скорость передачи по одному и тому же кабелю может отличаться в два раза. От выбранного кода напрямую зависит также сложность сетевой аппаратуры (узлы кодирования и декодирования кода). Код должен в идеале обеспечивать хорошую синхронизацию приема, низкий уровень ошибок, работу с любой длиной передаваемых информационных последовательностей.
Некоторые коды, используемые в локальных сетях, показаны на рис. 3.8. Далее будут рассмотрены их преимущества и недостатки.
Рис. 3.8. Наиболее распространенные коды передачи информации
Манчестерский код
Манчестерский код (или код Манчестер-II) получил наибольшее распространение в локальных сетях. Он также относится к самосинхронизирующимся кодам, но в отличие от RZ имеет не три, а всего два уровня, что способствует его лучшей помехозащищенности и упрощению приемных и передающих узлов. Логическому нулю соответствует положительный переход в центре битового интервала (то есть первая половина битового интервала – низкий уровень, вторая половина – высокий), а логической единице соответствует отрицательный переход в центре битового интервала (или наоборот).
Как и в RZ, обязательное наличие перехода в центре бита позволяет приемнику манчестерского кода легко выделить из пришедшего сигнала синхросигнал и передать информацию сколь угодно большими последовательностями без потерь из-за рассинхронизации. Допустимое расхождение часов приемника и передатчика может достигать 25%.
Подобно коду RZ, при использовании манчестерского кода требуется пропускная способность линии в два раза выше, чем при применении простейшего кода NRZ. Например, для скорости передачи 10 Мбит/с требуется полоса пропускания 10 МГц (рис. 3.15).
Рис. 3.15. Скорость передачи и пропускная способность при манчестерском коде
Как и при коде RZ, в данном случае приемник легко может определить не только начало передаваемой последовательности бит, но и ее конец. Если в течение битового интервала нет перехода сигнала, то прием заканчивается. В манчестерском коде можно передавать последовательности бит переменной длины (рис. 3.16).
Процесс определения времени передачи называют еще контролем несущей, хотя в явном виде несущей частоты в данном случае не присутствует.
Рис. 3.16. Определение начала и конца приема при манчестерском коде
Манчестерский код используется как в электрических, так и в оптоволоконных кабелях (в последнем случае один уровень соответствует отсутствию света, а другой – его наличию).
Основное достоинство манчестерского кода – постоянная составляющая в сигнале (половину времени сигнал имеет высокий уровень, другую половину – низкий). Постоянная составляющая равна среднему значению между двумя уровнями сигнала.
Если высокий уровень имеет положительную величину, а низкий – такую же отрицательную, то постоянная составляющая равна нулю. Это дает возможность легко применять для гальванической развязки импульсные трансформаторы. При этом не требуется дополнительного источника питания для линии связи (как, например, в случае использования оптронной гальванической 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 избавиться от всех других частот (помехи, наводки, шумы).
Согласование, экранирование и гальваническая развязка линий связи
Как уже отмечалось, электрические линии связи (витые пары, коаксиальные кабели) требуют проведения специальных мер, без которых невозможна не только безошибочная передача данных, но и вообще любое функционирование сети. Оптоволоконные кабели решают все подобные проблемы автоматически.
Согласование электрических линий связи применяется для обеспечения нормального прохождения сигнала по длинной линии без отражений и искажений. Следует отметить, что в локальных сетях кабель работает в режиме длинной линии даже при минимальных расстояниях между компьютерами, так как скорости передачи информации и частотный спектр сигнала очень велики.
Принцип согласования кабеля прост: на его концах необходимо установить согласующие резисторы (терминаторы) с сопротивлением, равным волновому сопротивлению используемого кабеля.
Как уже упоминалось, волновое сопротивление – это параметр данного типа кабеля, зависящий только от его устройства (сечения, количества и формы проводников, толщины и материала изоляции и т.д.). Величина волнового сопротивления обязательно указывается в сопроводительной 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 прямоугольных импульсов и осциллографа как раз по отсутствию искажения формы передаваемого по кабелю импульса. Обычно требуется, чтобы отклонение величины согласующего резистора не превышало 10% в ту или другую сторону.
Экран представляет собой медную или алюминиевую оболочку (плетеную или из фольги), в которую заключаются провода кабеля. Экранирование будет работать, если экран заземлен, поскольку необходимо, чтобы наведенные на него токи стекали на землю. Кроме того, экранирование заметно уменьшает и внешние излучения кабеля, что важно для обеспечения секретности передаваемой информации. Побочными полезными эффектами экранирования являются увеличение прочности кабеля и трудности с механическим подключением к кабелю для подслушивания. Экран заметно повышает стоимость кабеля, но также его механическую прочность.
Снизить влияние наведенных помех можно и без экрана, если использовать дифференциальную передачу сигнала (рис. 3.4). В этом случае передача идет по двум проводам, причем оба провода являются сигнальными. Передатчик формирует противофазные сигналы, а приемник реагирует на разность сигналов в обоих проводах. Условием согласования является равенство сопротивлений согласующих резисторов R половине волнового сопротивления кабеля Rв. Если оба провода имеют одинаковую длину и проложены рядом (в одном кабеле), то помехи действуют на оба провода примерно одинаково, и в результате 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.
Рис. 3.4. Дифференциальная передача сигналов по витой паре
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 110 вольт 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 отсутствие заземления, как правило, не оказывает серьезного влияния на его работу. Правда, иногда увеличивается количество сбоев в работе машины. Но при соединении нескольких территориально разнесенных компьютеров электрическим кабелем заземление становится серьезной проблемой. Если один из соединяемых компьютеров заземлен, а другой нет, то возможен 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.
Теоретически заземляющие провода компьютеров должны сходиться в одной точке, соединенной короткой массивной шиной с зарытым в землю массивным проводником. Такая ситуация возможна только если компьютеры не слишком разнесены, и заземление действительно сделано грамотно. Обычно же заземляющая шина имеет значительную длину, в результате чего стекающие по ней токи создают довольно большую разность потенциалов между ее отдельными точками. Особенно велика эта разность потенциалов в случае подключения к шине мощных и высокочастотных потребителей энергии.
Присоединенные к одной и той же шине, но в разных точках, компьютеры имеют на своих корпусах разные потенциалы (рис. 3.5). В результате по электрическому кабелю, соединяющему компьютеры, потечет выравнивающий ток (переменный с высокочастотными составляющими).
Рис. 3.5. Выравнивающий ток при отсутствии гальванической развязки
Хуже, когда компьютеры подключаются к разным шинам заземления. Выравнивающий ток может достигать в этом случае величины в несколько ампер. Подобные токи смертельно опасны для малосигнальных узлов компьютера. Кроме того 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) вследствие индуктивного действия выравнивающий ток мешает передаче информации. Именно поэтому экран всегда должен быть заземлен только в одной точке.
Однако если каждый из компьютеров самостоятельно заземлен, то заземление экрана в одной точке становится невозможным без гальванической развязки компьютеров от сети.
Таким образом не должно быть связи по постоянному току между корпусом ("землей") компьютера и экраном ("землей") сетевого кабеля. В то же время, информационный сигнал должен передаваться из компьютера в сеть и из сети в компьютер. Для гальванической развязки обычно применяют импульсные трансформаторы, которые входят в состав сетевого оборудования (например, сетевых адаптеров). Трансформатор пропускает высокочастотные информационные сигналы, но обеспечивает полную изоляцию по постоянному току.
Рис. 3.6. Правильное соединение компьютеров сети (гальваническая развязка условно показана в виде прямоугольника)
Грамотное соединение компьютеров локальной сети электрическим кабелем обязательно должно включать в себя следующее (рис. 3.6):
оконечное согласование кабеля с помощью терминаторов;гальваническую развязку компьютеров от сети;заземление каждого компьютера;заземление экрана (если, конечно, он есть) в одной точке.
Не стоит пренебрегать каким-либо 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.
Следует отметить, 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.
Важно также учитывать, что экран кабеля, заземленный в одной точке, является радиоантенной с заземленным основанием. Он может улавливать и усиливать высокочастотные помехи с длиной волны, кратной его длине. Для снижения этого "антенного эффекта" применяется многоточечное заземление экрана по высокой частоте. В каждом сетевом адаптере "земля" сетевого кабеля соединяется с "землей" компьютера через высоковольтные керамические конденсаторы. Для примера на рис. 3.7
показана упрощенная схема гальванической развязки, применяемая в сетевых адаптерах Ethernet.
Рис. 3.7. Схема гальванической развязки в сети Ethernet
Приемопередатчик напрямую связан с кабелем сети, но гальванически развязан с помощью трансформаторов от компьютера и остальной части сетевого адаптера. Это продиктовано особенностями протокола CSMA/CD и манчестерского кода, применяемых в Ethernet. Для обеспечения полной развязки питание приемопередатчика осуществляется посредством преобразователя питающего напряжения, имеющего внутри также трансформаторную гальваническую развязку. Оплетка коаксиального кабеля соединена с общим проводом компьютера через высоковольтный конденсатор. Параллельно конденсатору включен резистор с большим сопротивлением (1 МОм), который предотвращает электрический удар пользователя при одновременном касании им оплетки кабеля (корпуса разъема) и корпуса компьютера.
В случае применения витых пар все гораздо проще. Каждая витая пара имеет развязывающие импульсные трансформаторы на обоих своих концах. Ни один из проводов витой пары не заземляется (они оба сигнальные). К тому же разъемы для витых пар имеют пластмассовый корпус.
Адресация пакетов
Каждый абонент (узел) локальной сети должен иметь свой уникальный адрес (идентификатор или MAC-адрес), для того чтобы ему можно было адресовать пакеты. Существуют две основные системы присвоения адресов абонентам сети (точнее, сетевым адаптерам этих абонентов).
Первая система сводится к тому, что при установке сети каждому абоненту пользователь присваивает индивидуальный адрес по порядку, к примеру, от 0 до 30 или от 0 до 254. Присваивание адресов производится программно или с помощью переключателей на плате адаптера. При этом требуемое количество разрядов адреса определяется из неравенства:
2n > Nmax
где n – количество разрядов адреса, а Nmax – максимально возможное количество абонентов в сети. Например, восемь разрядов адреса достаточно для сети из 255 абонентов. Один адрес (обычно 1111....11) отводится для широковещательной передачи, то есть он используется для пакетов, адресованных всем абонентам одновременно.
Именно такой подход применен в известной сети Arcnet. Достоинства данного подхода – 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). Контроль уникальности сетевых адресов всех абонентов возлагается на администратора сети.
Второй подход к адресации был разработан международной организацией IEEE, занимающейся стандартизацией сетей. Именно он используется в большинстве сетей и рекомендован для новых разработок.
Идея этого подхода 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 по всему миру никогда не будет абонентов с одинаковыми адресами. Поэтому был выбран 48-битный формат адреса, что соответствует примерно 280 триллионам различных адресов. Понятно, что столько сетевых адаптеров никогда не будет выпущено.
С тем чтобы распределить возможные диапазоны адресов между многочисленными изготовителями сетевых адаптеров, была предложена следующая структура адреса (рис. 4.7):
Младшие 24 разряда кода адреса называются OUA (Organizationally Unique Address) – организационно уникальный адрес. Именно их присваивает каждый из зарегистрированных производителей сетевых адаптеров. Всего возможно свыше 16 миллионов комбинаций, то есть каждый изготовитель может выпустить 16 миллионов сетевых адаптеров.Следующие 22 разряда кода называются OUI (Organizationally Unique Identifier) – организационно уникальный идентификатор. IEEE присваивает один или несколько OUI каждому производителю сетевых адаптеров. Это позволяет исключить совпадения адресов адаптеров от разных производителей. Всего возможно свыше 4 миллионов разных OUI, это означает, что теоретически может быть зарегистрировано 4 миллиона производителей. Вместе OUA и OUI называются UAA (Universally Administered Address) – универсально управляемый адрес или IEEE-адрес.Два старших разряда адреса управляющие, они определяют тип адреса, способ интерпретации остальных 46 разрядов.
Старший бит I/G (Individual/Group) указывает на тип адреса. Если он установлен в 0, то индивидуальный, если в 1, то групповой (многопунктовый или функциональный). Пакеты с групповым адресом получат все имеющие этот групповой адрес сетевые адаптеры. Причем групповой адрес определяется 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 случается довольно редко.
Рис. 4.7. Структура 48-битного стандартного MAC-адреса
Для широковещательной передачи (то есть передачи всем абонентам сети одновременно) применяется 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 такие популярные сети, как Ethernet, Fast Ethernet, Token-Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN. Ее недостатки – высокая сложность аппаратуры сетевых адаптеров, а также большая доля служебной информации в передаваемом пакете (адреса источника и приемника вместе 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.Такой режим используется, например, для проведения диагностики сети, измерения ее производительности, контроля ошибок передачи. При этом один компьютер принимает и контролирует все пакеты, проходящие по сети, но сам ничего не передает. В данном режиме работают сетевые адаптеры мостов и коммутаторы, которые должны обрабатывать перед ретрансляцией все пакеты, приходящие к ним.
Методы управления обменом
Сеть всегда объединяет несколько абонентов, каждый из которых имеет право передавать свои пакеты. Но, как уже отмечалось, по одному кабелю одновременно передавать два (или более) пакета нельзя, иначе может возникнуть конфликт (коллизия), который приведет к искажению либо потере обоих пакетов (или всех пакетов, участвующих в конфликте). 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.
В сети обязательно применяется тот или иной метод управления обменом (метод доступа, метод арбитража), разрешающий или предотвращающий конфликты между абонентами. От эффективности работы выбранного метода управления обменом зависит очень многое: скорость обмена информацией между компьютерами, нагрузочная способность сети (способность работать с различными интенсивностями обмена), 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 не привязан жестко к топологии, как нередко принято считать.
Методы управления обменом в локальных сетях делятся на две группы:
Централизованные методы, в которых все управление обменом сосредоточено в одном месте.
Недостатки таких методов: неустойчивость к отказам центра, малая гибкость управления (центр обычно не может оперативно реагировать на все события в сети). Достоинство централизованных методов – отсутствие конфликтов, так как центр всегда предоставляет право на передачу только одному абоненту, и ему не с кем конфликтовать. Децентрализованные методы, в которых отсутствует центр управления. Всеми вопросами управления, в том числе предотвращением, обнаружением и разрешением конфликтов, занимаются все абоненты сети. Главные достоинства децентрализованных методов: высокая устойчивость к отказам и большая гибкость. Однако в данном случае 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 определенную 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 на передачу слишком долго. К детерминированным методам относится, например, маркерный доступ (сети Token-Ring, FDDI), при котором право передачи передается по эстафете от абонента к абоненту.
Случайные методы подразумевают случайное чередование передающих абонентов. При этом возможность конфликтов подразумевается, но предлагаются способы их разрешения. Случайные методы значительно хуже, чем детерминированные, работают при больших информационных потоках в сети (при большом трафике сети) и не гарантируют абоненту величину времени доступа.В то же время они обычно более устойчивы к отказам сетевого оборудования и более эффективно используют сеть при малой интенсивности обмена. Пример случайного метода – CSMA/CD (сеть Ethernet).
Для трех основных топологий характерны три наиболее типичных метода управления обменом.
Назначение пакетов и их структура
Информация в локальных сетях, как правило, передается отдельными порциями, кусками, называемыми в различных источниках пакетами (packets), кадрами (frames) или блоками. Причем предельная длина этих пакетов строго ограничена (обычно величиной в несколько килобайт). Ограничена длина пакета и снизу (как правило, несколькими десятками байт). Выбор пакетной передачи связан с несколькими важными соображениями.
Локальная сеть, как уже отмечалось, должна обеспечивать качественную, прозрачную связь всем абонентам (компьютерам) сети. Важнейшим параметром является так называемое время доступа к сети (access time), которое определяется как временной интервал между моментом готовности абонента к передаче (когда ему есть, что передавать) и моментом начала этой передачи. Это время ожидания абонентом начала своей передачи. Естественно, оно не должно быть слишком большим, иначе величина реальной, интегральной скорости передачи информации между приложениями сильно уменьшится даже при высокоскоростной связи.
Ожидание начала передачи связано с тем, что в сети не может происходить несколько передач одновременно (во всяком случае, при топологиях шина и кольцо). Всегда есть только один передатчик и один приемник (реже – несколько приемников). В противном случае информация от разных передатчиков смешивается и искажается. В связи с этим абоненты передают свою информацию по очереди. И каждому абоненту, прежде чем начать передачу, надо дождаться своей очереди. Вот это время ожидания своей очереди и есть время доступа.
Если бы вся требуемая информация передавалась каким-то абонентом сразу, непрерывно, без разделения на пакеты, то это привело бы к монопольному захвату сети этим абонентом 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). С тем чтобы уравнять в правах всех абонентов, а также сделать примерно одинаковыми для всех них величину времени доступа к сети и интегральную скорость передачи информации, как раз и применяются пакеты (кадры) ограниченной длины. Важно также и то, что при передаче больших массивов информации вероятность ошибки из-за помех и сбоев довольно высока. Например, при характерной для локальных сетей величине вероятности одиночной ошибки в 10-8пакет длиной 10 Кбит будет искажен с вероятностью 10-4, а массив длиной 10 Мбит – уже с вероятностью 10-1. К тому же выявить ошибку в массиве из нескольких мегабайт намного сложнее, чем в пакете из нескольких килобайт. А при обнаружении ошибки придется повторить передачу всего большого массива. Но и при повторной передаче большого массива снова высока вероятность ошибки, и процесс этот при слишком большом массиве может повторяться до бесконечности.
С другой стороны, сравнительно большие пакеты имеют преимущества перед очень маленькими пакетами, например, перед побайтовой (8 бит) или пословной (16 бит или 32 бита) передачей информации.
Дело в том, что каждый пакет помимо собственно данных, которые требуется передать, должен содержать некоторое количество служебной информации. Прежде всего, это адресная информация, которая определяет, от кого и кому передается данный пакет (как на почтовом конверте – адреса получателя и отправителя). Если порция передаваемых данных будет очень маленькой (например, несколько байт), то доля служебной информации станет непозволительно высокой, что резко снизит интегральную скорость обмена информацией по 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 от уровня помех, метода управления обменом, количества абонентов сети, характера передаваемой информации, и от многих других факторов. Имеется диапазон длин, который близок к оптимуму.
Таким образом, процесс информационного обмена в сети представляет собой чередование пакетов, каждый из которых содержит информацию, передаваемую от абонента к абоненту.
Рис. 4.1. Передача пакетов в сети между двумя абонентами
В частном случае (рис. 4.1) все эти пакеты могут передаваться одним абонентом (когда другие абоненты не хотят передавать). Но обычно в сети чередуются пакеты, посланные разными абонентами (рис. 4.2).
Рис. 4.2. Передача пакетов в сети между несколькими абонентами
Кроме того, эти параметры зависят от используемого протокола (порядка обмена информацией).
Но существуют некоторые общие принципы формирования структуры пакета, которые учитывают характерные особенности обмена информацией по любым локальным сетям.
Чаще всего пакет содержит в себе следующие основные поля или части (рис. 4.3):
Рис. 4.3. Типичная структура пакета
Стартовая комбинация битов или преамбула, которая обеспечивает предварительную настройку аппаратуры адаптера или другого сетевого устройства на прием и обработку пакета. Это поле может полностью отсутствовать или же сводиться к 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 (при широком вещании).Сетевой адрес (идентификатор) передающего абонента, то есть индивидуальный 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 может указывать на тип пакета, его номер, размер, формат, маршрут его доставки, на то, что с ним надо делать приемнику и т.д.Данные (поле данных) – это та информация, ради передачи которой используется пакет.
В отличие от всех остальных полей пакета поле данных имеет переменную длину, которая, собственно, и определяет полную длину пакета. 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 и 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. Обычно используется циклическая контрольная сумма (CRC). Подробнее об этом рассказано в главе 7.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 определять момент окончания передачи пакета.
Рис. 4.4. Вложение кадра в пакет
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 (заключение, трейлер), куда входят контрольная сумма и стоповая комбинация, а также, возможно, служебная информация.
Как уже упоминалось, помимо термина "пакет" (packet) в литературе также нередко встречается термин "кадр" (frame). Иногда под этими терминами имеется в виду одно и то же. Но иногда подразумевается, что кадр и пакет различаются. Причем единства в объяснении этих различий не наблюдается.
В некоторых источниках утверждается, что кадр вложен в пакет. В этом случае все перечисленные поля пакета кроме преамбулы и стоповой комбинации относятся к кадру (рис. 4.4). Например, в описаниях сети Ethernet говорится, что в конце преамбулы передается признак начала кадра.
В других, напротив, поддерживается мнение о том, что пакет вложен в кадр. И тогда под пакетом подразумевается только информация, содержащаяся в кадре, который передается по сети и снабжен служебными полями.
Во избежание путаницы, в данной книге термин "пакет" будет использоваться как более понятный и универсальный.
В процессе сеанса обмена информацией по сети между передающим и принимающим абонентами происходит обмен информационными и управляющими пакетами по установленным правилам, называемым протоколом обмена. Это позволяет обеспечить надежную передачу информации при любой интенсивности обмена по сети.
Пример простейшего протокола показан на рис. 4.5.
Рис. 4.5. Пример обмена пакетами при сеансе связи
Сеанс обмена начинается с запроса передатчиком готовности приемника принять данные.
Для этого используется управляющий пакет "Запрос". Если приемник не готов, он отказывается от сеанса специальным управляющим пакетом. В случае, когда приемник готов, он посылает в ответ управляющий пакет "Готовность". Затем начинается собственно передача данных. При этом на каждый полученный информационный пакет приемник отвечает управляющим пакетом "Подтверждение". В случае, когда пакет данных передан с ошибками, в ответ на него приемник запрашивает повторную передачу. Заканчивается сеанс управляющим пакетом "Конец", 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). Подробнее о протоколах обмена будет рассказано в следующей главе.
При реальном обмене по сети применяются многоуровневые протоколы, каждый из уровней которых предполагает свою структуру пакета (адресацию, управляющую информацию, 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 пакеты более высоких уровней последовательно вкладываются в передаваемый пакет, точнее, в поле данных передаваемого пакета (рис. 4.6). Этот процесс последовательной упаковки данных для передачи называется также инкапсуляцией пакетов.
Рис. 4.6. Многоуровневая система вложения пакетов
Каждый следующий вкладываемый пакет может содержать собственную служебную информацию, располагающуюся как до данных (заголовок), так и после них (трейлер), причем ее назначение может быть различным. Безусловно, доля вспомогательной информации в пакетах при этом возрастает с каждым следующим уровнем, что снижает эффективную скорость передачи данных. Для увеличения этой скорости предпочтительнее, чтобы протоколы обмена были проще, и уровней этих протоколов было меньше. Иначе никакая скорость передачи битов не поможет, и быстрая сеть может передавать файл дольше, чем медленная сеть, которая пользуется более простым протоколом.
Обратный процесс последовательной распаковки данных приемником называется декапсуляцией пакетов.
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, который его передавал (так как топология замкнутая). Здесь нет одновременного распространения сигнала в две стороны, как в топологии шина. Как уже отмечалось, сети с топологией кольцо бывают однонаправленными и двунаправленными. Наиболее распространены однонаправленные.
В сети с топологией кольцо можно использовать различные централизованные методы управления (как в звезде), а также методы случайного доступа (как в шине), но чаще выбирают все-таки специфические методы управления, в наибольшей степени соответствующие особенностям кольца.
Самые популярные методы управления в кольцевых сетях маркерные (эстафетные), 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.
Работа маркерного метода управления в сети с топологией кольцо представлена на рис. 4.15.
Рис. 4.15. Маркерный метод управления обменом (СМ—свободный маркер, ЗМ— занятый маркер, МП— занятый маркер с подтверждением, ПД—пакет данных)
Управление обменом в сети с топологией шина
При топологии шина также возможно централизованное управление. При этом один из абонентов ("центральный") посылает по шине всем остальным ("периферийным") запросы (управляющие пакеты), выясняя, кто из них хочет передать, затем разрешает передачу одному из абонентов. Абонент, получивший право на передачу, по той же шине передает свой информационный пакет тому абоненту, которому хочет. А после окончания передачи передававший абонент все по той же шине сообщает "центру", что он закончил передачу (управляющим пакетом), и "центр" снова начинает опрос (рис. 4.9).
Рис. 4.9. Централизованное управление в сети с топологией шина
Преимущества и недостатки такого управления – те же самые, что и в случае централизованно управляемой 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.
Гораздо чаще в шине используется децентрализованное случайное управление, так как сетевые адаптеры всех абонентов в данном случае одинаковы, и именно этот метод наиболее органично подходит шине. При выборе децентрализованного управления все абоненты 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 возникает конкуренция между абонентами за захват сети, и, следовательно, возможны конфликты между ними и искажения передаваемой информации из-за наложения пакетов.
Существующие случайные методы управления обменом (арбитража) различаются тем, как они предотвращают возможные конфликты или же разрешают уже возникшие. Ни один конфликт не должен нарушать обмен, все абоненты должны, в конце концов, передать свои пакеты.
В процессе развития локальных сетей было разработано несколько разновидностей случайных методов управления обменом.
Рис. 4.10. Коллизии в случае начала передачи при свободной сети
Рис. 4.11. Коллизии в случае начала передачи после освобождения сети
Например, был предложен метод, при котором 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. Остальные, обнаружив коллизию, прекратят свою передачу и будут ждать освобождения сети для новой попытки. Для контроля коллизии каждый передающий абонент производит побитное сравнение передаваемой им в сеть информации и данных, присутствующих в сети. Побеждает тот абонент, заголовок пакета которого дольше других не искажается от коллизии. Этот метод, называемый децентрализованным кодовым приоритетным методом, отличается низким быстродействием и сложностью реализации.
При другом методе управления обменом каждый абонент начинает свою передачу после освобождения сети не сразу, а, выдержав свою, строго индивидуальную задержку, что предотвращает коллизии после освобождения сети и тем самым сводит к минимуму общее количество коллизий.
Максимальным приоритетом в этом случае будет обладать абонент с минимальной задержкой. Столкновения пакетов возможны только тогда, когда два и более абонентов захотели передавать одновременно при свободной сети. Этот метод, называемый децентрализованным временным приоритетным методом, хорошо работает только в небольших сетях, так как каждому абоненту нужно обеспечить свою индивидуальную задержку.
В обоих случаях имеется система приоритетов, все же данные методы относятся к случайным, так как исход конкуренции невозможно предсказать. Случайные приоритетные методы ставят абонентов в неравные условия при большой интенсивности обмена по сети, так как высокоприоритетные абоненты могут надолго заблокировать сеть для низкоприоритетных абонентов.
Чаще всего система приоритетов в методе управления обменом в шине отсутствует полностью. Именно так работает наиболее распространенный стандартный метод управления обменом CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection – множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий), используемый в 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). В этом методе коллизии не предотвращаются, а разрешаются.
Суть метода состоит в том, что абонент начинает передавать сразу, как только он выяснит, что сеть свободна. Если возникают коллизии, то они обнаруживаются всеми передающими абонентами. После чего все абоненты прекращают свою передачу и возобновляют попытку начать новую передачу пакета через временной интервал, длительность которого выбирается случайным образом.Поэтому повторные коллизии маловероятны. Подробнее метод CSMA/CD будет рассмотрен в главе 7.
Существует множество алгоритмов доступа или, как еще говорят, сценариев доступа, порой очень сложных. Их выбор зависит от скорости передачи в сети, длины шины, загруженности сети (интенсивности обмена или трафика сети), используемого кода передачи.
Иногда для управления доступом к шине применяется дополнительная линия связи, что позволяет упростить аппаратуру контроллеров и методы доступа, но заметно увеличивает стоимость сети за счет удвоения длины кабеля и количества приемопередатчиков. Поэтому данное решение не получило широкого распространения.
Суть всех случайных методов управления обменом довольно проста.
Если сеть свободна (то есть никто не передает своих пакетов), то абонент, желающий передавать, сразу начинает свою передачу. Время доступа в этом случае равно нулю.
Если же в момент возникновения у абонента заявки на передачу сеть занята, то абонент, желающий передавать, ждет освобождения сети. В противном случае исказятся и пропадут оба пакета. После освобождения сети абонент, желающий передавать, начинает свою передачу.
Возникновение конфликтных ситуаций (столкновений пакетов, коллизий), в результате которых передаваемая информация искажается, возможно в двух случаях.
При одновременном начале передачи двумя или более абонентами, когда сеть свободна (рис. 4.10). Это ситуация довольно редкая, но все-таки вполне возможная.При одновременном начале передачи двумя или более абонентами сразу после освобождения сети (рис. 4.11). Это ситуация наиболее типична, так как за время передачи пакета одним абонентом вполне может возникнуть несколько новых заявок на передачу у других абонентов.
Существующие случайные методы управления обменом (арбитража) различаются тем, как они предотвращают возможные конфликты или же разрешают уже возникшие. Ни один конфликт не должен нарушать обмен, все абоненты должны, в конце концов, передать свои пакеты.
В процессе развития локальных сетей было разработано несколько разновидностей случайных методов управления обменом.
Рис. 4.10. Коллизии в случае начала передачи при свободной сети
Рис. 4.11. Коллизии в случае начала передачи после освобождения сети
Например, был предложен метод, при котором 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. Остальные, обнаружив коллизию, прекратят свою передачу и будут ждать освобождения сети для новой попытки. Для контроля коллизии каждый передающий абонент производит побитное сравнение передаваемой им в сеть информации и данных, присутствующих в сети. Побеждает тот абонент, заголовок пакета которого дольше других не искажается от коллизии. Этот метод, называемый децентрализованным кодовым приоритетным методом, отличается низким быстродействием и сложностью реализации.
При другом методе управления обменом каждый абонент начинает свою передачу после освобождения сети не сразу, а, выдержав свою, строго индивидуальную задержку, что предотвращает коллизии после освобождения сети и тем самым сводит к минимуму общее количество коллизий.
Максимальным приоритетом в этом случае будет обладать абонент с минимальной задержкой. Столкновения пакетов возможны только тогда, когда два и более абонентов захотели передавать одновременно при свободной сети. Этот метод, называемый децентрализованным временным приоритетным методом, хорошо работает только в небольших сетях, так как каждому абоненту нужно обеспечить свою индивидуальную задержку.
В обоих случаях имеется система приоритетов, все же данные методы относятся к случайным, так как исход конкуренции невозможно предсказать. Случайные приоритетные методы ставят абонентов в неравные условия при большой интенсивности обмена по сети, так как высокоприоритетные абоненты могут надолго заблокировать сеть для низкоприоритетных абонентов.
Чаще всего система приоритетов в методе управления обменом в шине отсутствует полностью. Именно так работает наиболее распространенный стандартный метод управления обменом CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection – множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий), используемый в 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). В этом методе коллизии не предотвращаются, а разрешаются.
Суть метода состоит в том, что абонент начинает передавать сразу, как только он выяснит, что сеть свободна. Если возникают коллизии, то они обнаруживаются всеми передающими абонентами. После чего все абоненты прекращают свою передачу и возобновляют попытку начать новую передачу пакета через временной интервал, длительность которого выбирается случайным образом.
Поэтому повторные коллизии маловероятны. Подробнее метод CSMA/CD будет рассмотрен в главе 7.
Еще один распространенный метод случайного доступа – CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance – множественный доступ с контролем несущей и избежанием коллизий) применяющийся, например, в сети Apple LocalTalk. Абонент, желающий передавать и обнаруживший освобождение сети, передает сначала короткий управляющий пакет запроса на передачу. Затем он заданное время ждет ответного короткого управляющего пакета подтверждения запроса от абонента-приемника. Если ответа нет, передача откладывается. Если ответ получен, передается пакет. Коллизии полностью не устраняются, но в основном сталкиваются управляющие пакеты. Столкновения информационных пакетов выявляются на более высоких уровнях протокола.
Подобные методы будут хорошо работать только при не слишком большой интенсивности обмена по сети. Считается, что приемлемое качество связи обеспечивается при нагрузке не выше 30—40% (то есть когда сеть занята передачей информации примерно на 30—40% всего времени). При большей нагрузке повторные столкновения учащаются настолько, что наступает так называемый коллапс или крах сети, представляющий собой резкое падение ее производительности.
Недостаток всех случайных методов состоит 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, использующем детектирование коллизии (в частности, при CSMA/CD), 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 (диаметре сети) задержка распространения может составлять десятки и сотни микросекунд. Кроме того, информацию об одновременно происходящих событиях разные абоненты получают не в одно время. С тем чтобы рассчитать минимальную длительность пакета, следует обратиться к рис. 4.12.
Рис. 4.12. 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 и ждали освобождения сети.
После освобождения сети абонент 2 начнет передавать сразу же, так как он расположен рядом с абонентом 1. Абонент 3 после освобождения сети узнает об этом событии и начнет свою передачу через временной интервал прохождения сигнала по всей длине сети, то есть через время L/V. При этом 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 не должна закончиться, иначе абонент 2 так и не узнает о столкновении пакетов (о коллизии), в результате чего будет передан неправильный пакет.
Получается, что минимально допустимая длительность пакета в сети должна составлять 2L/V, то есть 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). Этот же временной интервал можно рассматривать как универсальную меру одновременности любых событий в сети.
Стандартом на сеть задается как раз величина PDV, определяющая минимальную длину пакета, и из нее уже рассчитывается допустимая длина сети. Дело в том, что скорость распространения сигнала в сети для разных кабелей отличается. Кроме того, надо еще учитывать задержки сигнала в различных сетевых устройствах. Расчетам допустимых конфигураций сети Ethernet посвящена глава 10.
Отдельно следует остановиться на том, как сетевые адаптеры распознают коллизию в кабеле шины, то есть столкновение пакетов. Ведь простое побитное сравнение передаваемой абонентом информации с той, которая реально присутствует в сети, возможно только в случае самого простого кода NRZ, используемого довольно редко. При применении манчестерского кода, который обычно подразумевается в случае метода управления обменом CSMA/CD, требуется принципиально другой подход.
Как уже отмечалось, сигнал в манчестерском коде всегда имеет постоянную составляющую, равную половине размаха сигнала (если один из двух уровней сигнала нулевой). Однако в случае столкновения двух и более пакетов (при коллизии) это правило выполняться не будет.
Постоянная составляющая суммарного сигнала в сети будет обязательно больше или меньше половины размаха (рис. 4.13). 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. 4.13. Определение факта коллизии в шине при использовании манчестерского кода
Задача обнаружения коллизии существенно упрощается, если используется не истинная шина, а равноценная ей пассивная звезда (рис. 4.14).
Рис. 4.14. Обнаружение коллизии в сети пассивная звезда
При этом каждый абонент соединяется с центральным концентратором, как правило, двумя кабелями, каждый из которых передает информацию в своем направлении. Во время передачи своего пакета абоненту достаточно всего лишь контролировать, не приходит ли ему в данный момент по встречному кабелю (приемному) другой пакет. Если встречный пакет приходит, то детектируется коллизия. Точно так же обнаруживает коллизии и концентратор.
Управление обменом в сети с топологией звезда
Для топологии звезда лучше всего подходит централизованный метод управления. Это связано с тем, что все информационные потоки проходят через центр, и именно этому центру логично доверить управление обменом в сети. Причем не так важно, что находится в центре звезды: компьютер (центральный абонент), как на рис. 1.6, или же специальный концентратор, управляющий обменом, но сам не участвующий в нем. В данном случае речь идет уже не о пассивной звезде (рис. 1.11), а о некой промежуточной ситуации, когда центр не является полноценным абонентом, но управляет обменом. Это, к примеру, реализовано в сети 100VG-AnyLAN.
Самый простейший централизованный метод состоит в следующем.
Периферийные абоненты, желающие передать свой пакет (или, как еще говорят, имеющие заявки на передачу), посылают центру свои запросы (управляющие пакеты или специальные сигналы). Центр же предоставляет им право передачи пакета в порядке очередности, например, по их физическому расположению в звезде 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. 4.8). Например, если передает второй абонент, то после него имеет право на передачу третий. Если же третьему абоненту не надо передавать, то право на передачу переходит к четвертому и т.д.
Рис. 4.8. Централизованный метод управления обменом в сети с топологией звезда
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. 4.8, она составит четыре длительности пакета. Никаких столкновений пакетов при этом методе в принципе быть не может, так как все решения о доступе принимаются в одном месте.
Рассмотренный метод управления можно назвать методом с пассивным центром, так как центр пассивно прослушивает всех абонентов. Возможен и другой принцип реализации централизованного управления (его можно назвать методом с активным центром).
В этом случае центр посылает запросы о готовности передавать (управляющие пакеты или специальные сигналы) по очереди всем периферийным абонентам. Тот периферийный абонент, который хочет передавать (первый из опрошенных) посылает ответ (или же сразу начинает свою передачу). В дальнейшем центр проводит сеанс обмена именно с ним. После окончания этого сеанса центральный абонент продолжает опрос периферийных абонентов по кругу (как на рис. 4.8). Если желает передавать центральный абонент, он передает вне очереди.
Как в первом, так и во втором случае никаких конфликтов быть не может (решение принимает единый центр, которому не с кем конфликтовать). Если все абоненты 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 передает только один абонент, ему все равно приходится ждать после каждого переданного пакета, пока центр опросит всех остальных абонентов.
Как правило, централизованные методы управления применяются в небольших сетях (с числом абонентов не более чем несколько десятков). В случае больших сетей нагрузка по управлению обменом на центр существенно возрастает.
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. 4.8, она составит четыре длительности пакета. Никаких столкновений пакетов при этом методе в принципе быть не может, так как все решения о доступе принимаются в одном месте.
Рассмотренный метод управления можно назвать методом с пассивным центром, так как центр пассивно прослушивает всех абонентов. Возможен и другой принцип реализации централизованного управления (его можно назвать методом с активным центром).
В этом случае центр посылает запросы о готовности передавать (управляющие пакеты или специальные сигналы) по очереди всем периферийным абонентам. Тот периферийный абонент, который хочет передавать (первый из опрошенных) посылает ответ (или же сразу начинает свою передачу). В дальнейшем центр проводит сеанс обмена именно с ним. После окончания этого сеанса центральный абонент продолжает опрос периферийных абонентов по кругу (как на рис. 4.8). Если желает передавать центральный абонент, он передает вне очереди.
Как в первом, так и во втором случае никаких конфликтов быть не может (решение принимает единый центр, которому не с кем конфликтовать). Если все абоненты 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 передает только один абонент, ему все равно приходится ждать после каждого переданного пакета, пока центр опросит всех остальных абонентов.
Как правило, централизованные методы управления применяются в небольших сетях (с числом абонентов не более чем несколько десятков). В случае больших сетей нагрузка по управлению обменом на центр существенно возрастает.
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. А сейчас следует остановиться на функциях остальных компонентов.
Сетевые адаптеры (они же контроллеры, карты, платы, интерфейсы, NIC – Network Interface Card) – это основная часть аппаратуры локальной сети. 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 реализуют функции двух нижних уровней модели OSI. Как правило, сетевые адаптеры выполняются в виде платы (рис. 5.5), вставляемой в слоты расширения системной магистрали (шины) компьютера (чаще всего PCI, ISA или PC-Card). Плата сетевого адаптера обычно имеет также один или несколько внешних разъемов для подключения к ней кабеля сети.
Рис. 5.5. Плата сетевого адаптера
Например, сетевые адаптеры Ethernet могут выпускаться со следующими наборами разъемов:
TPO – разъем RJ-45 ( для кабеля на витых парах по стандарту 10BASE-T).TPC – разъемы RJ-45 (для кабеля на витых парах 10BASE-T) и BNC (для коаксиального кабеля 10BASE2).TP – разъем RJ-45 (10BASE-T) и трансиверный разъем AUI.Combo – разъемы RJ-45 (10BASE-T), BNC (10BASE2), AUI.Coax – разъемы BNC, AUI.FL – разъем ST (для оптоволоконного кабеля 10BASE-FL).
Функции сетевого адаптера делятся на магистральные и сетевые. К магистральным относятся те функции, которые осуществляют взаимодействие 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.
К основным сетевым функциям адаптеров относятся:
гальваническая развязка компьютера и кабеля локальной сети (для этого обычно используется передача сигналов через импульсные трансформаторы);преобразование логических сигналов в сетевые (электрические или световые) и обратно;кодирование и декодирование сетевых сигналов, то есть прямое и обратное преобразование сетевых кодов передачи информации (например, манчестерский код);опознание принимаемых пакетов (выбор из всех приходящих пакетов тех, которые адресованы данному абоненту или всем абонентам сети одновременно);преобразование параллельного кода в последовательный при передаче и обратное преобразование при приеме;буферизация 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.
Типичный алгоритм взаимодействия компьютера с сетевым адаптером выглядит следующим образом.
Если компьютер хочет передать пакет, то он сначала формирует этот пакет в своей памяти, затем пересылает его в буферную память сетевого адаптера и дает команду адаптеру на передачу. Адаптер анализирует текущее состояние сети и при первой же возможности выдает пакет в сеть (выполняет управление доступом к сети). При этом он производит преобразование информации из буферной памяти в последовательный вид для побитной передачи по сети, подсчитывает контрольную сумму, кодирует биты пакета в сетевой код и через узел гальванической развязки выдает пакет в кабель сети. Буферная память в данном случае позволяет освободить компьютер от контроля состояния сети, а также обеспечить требуемый для сети темп выдачи информации.
Если по сети приходит пакет, то сетевой адаптер через узел гальванической развязки принимает биты пакета, производит их декодирование из сетевого кода и сравнивает сетевой адрес приемника из пакета со своим собственным адресом. Адрес сетевого адаптера, как правило, устанавливается производителем адаптера. Если адрес совпадает, то сетевой адаптер записывает пришедший пакет в свою буферную память и сообщает компьютеру (обычно – сигналом аппаратного прерывания) о том, что пришел пакет и его надо читать. Одновременно с записью пакета производится подсчет контрольной суммы, что позволяет к концу приема сделать вывод, имеются ли ошибки в этом пакете. Буферная память в данном случае опять же позволяет освободить компьютер от контроля сети, а также обеспечить высокую степень готовности сетевого адаптера к приему пакетов.
Чаще всего сетевые функции выполняются специальными микросхемами высокой степени интеграции, что дает возможность 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.
Сетевой адаптер выполняет функции первого и второго уровней модели OSI (рис. 5.6).
Рис. 5.6. Функции сетевого адаптера в модели OSI
Все остальные аппаратные средства локальных сетей (кроме адаптеров) имеют вспомогательный характер, и без них часто можно обойтись. Это сетевые промежуточные устройства.
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.
Репитеры или повторители (repeater) выполняют более простую функцию, чем трансиверы. Они не преобразуют ни уровни сигналов, ни их физическую природу, а только восстанавливают ослабленные сигналы (их амплитуду и форму), приводя их к исходному виду.
Цель такой ретрансляции сигналов состоит исключительно в увеличении длины сети (рис. 5.7).
Рис. 5.7. Соединение репитером двух сегментов сети
Однако часто репитеры выполняют и некоторые другие, вспомогательные функции, например, гальваническую развязку соединяемых сегментов и оконечное согласование. Репитеры так же как трансиверы не производят никакой информационной обработки проходящих через них сигналов.
Рис. 5.8. Структура репитерного концентратора
Эталонная модель OSI
Модель OSI была предложена Международной организацией стандартов ISO (International Standarts Organization) в 1984 году. С тех пор ее используют (более или менее строго) все производители сетевых продуктов. Как и любая универсальная 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.
Все сетевые функции в модели разделены на 7 уровней (рис. 5.1). 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 и конкретные функции. В идеале каждый уровень взаимодействует только с теми, которые находятся рядом с ним (выше и ниже него). Верхний уровень соответствует прикладной задаче, работающему в данный момент приложению, нижний – непосредственной передаче сигналов по каналу связи.
Рис. 5.1. Семь уровней модели OSI
Модель OSI относится не только к локальным сетям, но и к любым сетям связи между компьютерами или другими абонентами. В частности, функции сети Интернет также можно поделить на уровни в соответствии с моделью OSI. Принципиальные отличия локальных сетей от глобальных, с точки зрения модели OSI, наблюдаются только на нижних уровнях модели.
Функции, входящие в показанные на рис. 5. 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. Между одноименными уровнями абонентов сети существует виртуальная (логическая) связь, например, между прикладными уровнями взаимодействующих по сети абонентов. Реальную же, физическую связь (кабель, радиоканал) 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. 5.2).
Рис. 5.2. Путь информации от абонента к абоненту
Данные, которые необходимо передать по сети, на пути от верхнего (седьмого) уровня до нижнего (первого) проходят процесс инкапсуляции (рис. 4.6). Каждый нижеследующий уровень не только производит обработку данных, приходящих с более высокого уровня, но и снабжает их своим заголовком, а также служебной информацией. Такой процесс обрастания служебной информацией продолжается до последнего (физического) уровня. На физическом уровне вся эта многооболочечная конструкция передается по кабелю приемнику. Там она проделывает обратную процедуру декапсуляции, то есть при передаче на вышестоящий уровень убирается одна из оболочек. Верхнего седьмого уровня достигают уже данные, освобожденные от всех оболочек, то есть от всей служебной информации нижестоящих уровней.
При этом каждый уровень принимающего абонента производит обработку данных, полученных с нижеследующего уровня в соответствии с убираемой им служебной информацией.
Если на пути между абонентами в сети включаются некие промежуточные устройства (например, трансиверы, репитеры, концентраторы, коммутаторы, маршрутизаторы), то и они тоже могут выполнять функции, входящие в нижние уровни модели OSI. Чем больше сложность промежуточного устройства, тем больше уровней оно захватывает. Но любое промежуточное устройство должно принимать и возвращать информацию на нижнем, физическом уровне. Все внутренние преобразования данных должны производиться дважды и в противоположных направлениях (рис. 5.3). Промежуточные сетевые устройства в отличие от полноценных абонентов (например, компьютеров) работают только на нижних уровнях и к тому же выполняют двустороннее преобразование.
Рис. 5.3. Включение промежуточных устройств между абонентами сети
Здесь же производится шифрование и дешифрирование данных, а при необходимости – и их сжатие. Стандартные форматы существуют для текстовых файлов (ASCII, EBCDIC, HTML), звуковых файлов (MIDI, MPEG, WAV), рисунков (JPEG, GIF, TIFF), видео (AVI). Все преобразования форматов делаются на представительском уровне. Если данные передаются в виде двоичного кода, то преобразования формата не требуется.Сеансовый (5) уровень (Session Layer) управляет проведением сеансов связи (то есть устанавливает, поддерживает и прекращает связь). Этот уровень предусматривает три режима установки сеансов: симплексный (передача данных в одном направлении), полудуплексный (передача данных поочередно в двух направлениях) и полнодуплексный (передача данных одновременно в двух направлениях). Сеансовый уровень может также вставлять в поток данных специальные контрольные точки, которые позволяют контролировать процесс передачи при разрыве связи. Этот же уровень распознает логические имена абонентов, контролирует предоставленные им права доступа.Транспортный (4) уровень (Transport Layer) обеспечивает доставку пакетов без ошибок и потерь, а также в нужной последовательности. Здесь же производится разбивка на блоки передаваемых данных, помещаемые в пакеты, и восстановление принимаемых данных из пакетов. Доставка пакетов возможна как с установлением соединения (виртуального канала), так и без. Транспортный уровень является пограничным и связующим между верхними тремя, сильно зависящими от приложений, и тремя нижними уровнями, сильно привязанными к конкретной сети.Сетевой (3) уровень (Network Layer) отвечает за адресацию пакетов и перевод логических имен (логических адресов, например, IP-адресов или IPX-адресов) в физические сетевые MAC-адреса (и обратно).
На этом же уровне решается задача выбора маршрута (пути), по которому пакет доставляется по назначению (если в сети имеется несколько маршрутов). На сетевом уровне действуют такие сложные промежуточные сетевые устройства, как маршрутизаторы.Канальный (2) уровень или уровень управления линией передачи (Data link Layer) отвечает за формирование пакетов (кадров) стандартного для данной сети (Ethernet, Token-Ring, FDDI) вида, включающих начальное и конечное управляющие поля. Здесь же производится управление доступом к сети, обнаруживаются ошибки передачи путем подсчета контрольных сумм, и производится повторная пересылка приемнику ошибочных пакетов. Канальный уровень делится на два подуровня: верхний LLC и нижний MAC. На канальном уровне работают такие промежуточные сетевые устройства, как, например, коммутаторы.Физический (1) уровень (Physical Layer) – это самый нижний уровень модели, который отвечает за кодирование передаваемой информации в уровни сигналов, принятые в используемой среде передачи, и обратное декодирование. Здесь же определяются требования к соединителям, разъемам, электрическому согласованию, заземлению, защите от помех и т.д. На физическом уровне работают такие сетевые устройства, как трансиверы, репитеры и репитерные концентраторы.
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, например, Ethernet, Token-Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN.
Более высокие уровни, как правило, не работают напрямую с конкретной аппаратурой, хотя уровни 3, 4 и 5 еще могут учитывать ее особенности. Уровни 6 и 7 никак не связаны с аппаратурой, замены одного типа аппаратуры на другой они не замечают.
Как уже отмечалось, в уровне 2 (канальном) нередко выделяют два подуровня (sublayers) LLC и MAC (рис. 5.4):
Верхний подуровень (LLC – Logical Link Control) осуществляет управление логической связью, то есть устанавливает виртуальный канал связи. Строго говоря, эти функции не связаны с конкретным типом сети, но часть из них все же возлагается на аппаратуру сети (сетевой адаптер). Другая часть функций подуровня LLC выполняется программой драйвера сетевого адаптера. Подуровень LLC отвечает за взаимодействие с уровнем 3 (сетевым).
Нижний подуровень (MAC – Media Access Control) обеспечивает непосредственный доступ к среде передачи информации (каналу связи). Он напрямую связан с аппаратурой сети. Именно на подуровне MAC осуществляется взаимодействие с физическим уровнем. Здесь производится контроль состояния сети, повторная передача пакетов заданное число раз при коллизиях, прием пакетов и проверка правильности передачи.
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) относятся к нижним двум уровням модели OSI и делятся на двенадцать категорий, каждой из которых присвоен свой номер:
Рис. 5.4. Подуровни LLC и MAC канального уровня
802.1 – объединение сетей с помощью мостов и коммутаторов
802.2 – управление логической связью на подуровне LLC.
802.3 – локальная сеть с методом доступа CSMA/CD и топологией шина (Ethernet).
802.4 – локальная сеть с топологией шина и маркерным доступом (Token-Bus).
802.5 – локальная сеть с топологией кольцо и маркерным доступом (Token-Ring).
802.6 – городская сеть (Metropolitan Area Network, MAN) с расстояниями между абонентами более 5 км.
802.7 – широкополосная технология передачи данных.
802.8 – оптоволоконная технология.
802.9 – интегрированные сети с возможностью передачи речи и данных.
802.10 – безопасность сетей, шифрование данных.
802.11 – беспроводная сеть по радиоканалу (WLAN – Wireless LAN).
802.12 – локальная сеть с централизованным управлением доступом по приоритетам запросов и топологией звезда (100VG-AnyLAN).
Одноранговые сети
Одноранговые сети (Peer-to-Peer Network) и соответствующие программные средства, как правило, используются для объединения небольшого количества компьютеров (рис. 6.10). Каждый компьютер такой сети может одновременно являться и сервером и клиентом сети, хотя вполне допустимо назначение одного компьютера только сервером, а другого только клиентом. Принципиальна возможность совмещения функций клиента и сервера. Важно также и то, что в одноранговой сети любой сервер может быть невыделенным (non-dedicated), может не только обслуживать сеть, но и работать как автономный компьютер (правда, запросы к нему по сети сильно снижают скорость его работы). В одноранговой сети могут быть и выделенные серверы, только обслуживающие сеть.
Рис. 6.10. 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 из них сразу же становится доступным всем остальным компьютерам, его не надо передавать на централизованный сервер.
Достоинством одноранговых сетей является их высокая гибкость: в зависимости от конкретной задачи сеть может использоваться очень активно либо совсем не использоваться. Из-за большой самостоятельности компьютеров в таких сетях редко бывает ситуация перегрузки (к тому же количество компьютеров обычно невелико). Установка одноранговых сетей довольно проста, к тому же не требуются дополнительные дорогостоящие серверы.
Кроме того, нет необходимости в системном администрировании, пользователи могут сами управлять своими ресурсами.
В одноранговых сетях допускается определение различных прав пользователей по доступу к сетевым ресурсам, но система разграничения прав не слишком развита. Если каждый ресурс защищен своим паролем, то пользователю приходится запоминать большое число паролей.
К недостаткам одноранговых сетей относятся также слабая система контроля и протоколирования работы сети, трудности с резервным копированием распределенной информации. 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, поскольку трудно обеспечить быстродействие 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 и решают другие задачи.
Несколько примеров одноранговых сетевых программных средств:
NetWare Lite компании Novell (сейчас уже не производится);LANtastic компании Artisoft (выпуск практически прекращен);Windows for Workgroups компании Microsoft (первая версия ОС Windows со встроенной поддержкой сети, выпущенная в 1992 году);Windows NT Workstation компании Microsoft;Windows 95... Windows XP компании Microsoft.
Первые одноранговые сетевые программные средства представляли собой сетевые оболочки, работающие под управлением DOS (например, NetWare Lite).
Они перехватывали все запросы DOS, те запросы, которые вызваны обращениями к сетевым устройствам, обрабатывались и выполнялись сетевой оболочкой, а те, которые вызваны обращениями к "местным", несетевым ресурсам, возвращались обратно в DOS и обрабатывались стандартным образом.
Более поздние одноранговые сетевые программные средства уже были встроены в операционную систему Windows. Это гораздо удобнее, так как исключается этап установки сетевых программ. Поэтому сетевые оболочки сейчас уже практически не используются, хотя многие их характеристики были заметно лучше, чем у сетевых средств Windows.
Сейчас считается, что одноранговая сеть наиболее эффективна в небольших сетях (около 10 компьютеров). При значительном количестве компьютеров сетевые операции сильно замедлят работу компьютеров и создадут множество других проблем. Тем не менее, для небольшого офиса одноранговая сеть – оптимальное решение.
Самая распространенная в настоящий момент одноранговая сеть – это сеть на основе Windows XP (или более ранних версий ОС Windows).
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.
Если приобретаемый компьютер еще и имеет установленный сетевой адаптер, то построить сеть пользователю совсем просто. Надо только соединить компьютеры кабелем и настроить сетевые программы.
В Windows предусмотрена поддержка совместного использования дисков (в том числе 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. Это означает, что все пользователи сети получают возможность совместно применять многие ресурсы ОС своего компьютера.
При настройке сети пользователь должен выбрать тип сетевого протокола. По умолчанию используется протокол TCP/IP, но возможно применение IPX/SPX (NWLink), а также NetBEUI. При выборе TCP/IP можно задавать адреса IP вручную или с помощью автоматической настройки адресации (в этом случае компьютер сам присвоит себе адрес из диапазона, не используемого в Интернет).
Кроме того, надо задать индивидуальное имя компьютера и определить рабочую группу, к которой он относится.
После этого можно разрешить доступ по сети к ресурсам каждого компьютера сети, к его файлам, папкам, принтерам, сканерам, доступу в Интернет.
Сети на основе сервера
Сети на основе сервера (Server-based Network) применяются в тех случаях, когда в сеть должно быть объединено много пользователей. В этом случае возможностей одноранговой сети может не хватить. Поэтому в сеть включается специализированный компьютер – сервер, который обслуживает только сеть и не решает никаких других задач (рис. 6.11). Такой сервер называется выделенным. Сервер может быть и специализирован на решении одной задачи, например, сервер печати, но чаще всего серверами выступают именно компьютеры. В сети может быть и несколько серверов, каждый из которых решает свою задачу.
Рис. 6.11. Сеть на основе сервера
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. Кроме того, в сети на основе серверов можно легко менять количество подключаемых компьютеров, такие сети называются масштабируемыми.
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 надежен. 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 отказу всей 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 сетевых программных средств на основе сервера:
NetWare компании Novell (самая распространенная сетевая ОС);LAN Server компании IBM (почти не используется);LAN Manager компании Microsoft;Windows NT Server компании Microsoft;Windows Server 2003 компании Microsoft.
На файл-сервере в данном случае устанавливается специальная сетевая операционная система, рассчитанная на работу сервера. Эта сетевая ОС оптимизирована для эффективного выполнения специфических операций по организации сетевого обмена. На рабочих станциях (клиентах) может устанавливаться любая совместимая операционная система, поддерживающая сеть.
Для обеспечения надежной работы сети при авариях электропитания применяется бесперебойное электропитание сервера. В данном случае это гораздо проще, чем при одноранговой сети, где желательно оснащать источниками бесперебойного питания все компьютеры сети. Для администрирования сети (то есть управления распределением ресурсов, контроля прав доступа, защиты данных, файловой системы, резервирования 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, при этом все пользователи сети должны иметь хоть какое-то представление об администрировании.
Процесс установки серверной сетевой операционной системы гораздо сложнее, чем в случае одноранговой сети. Так, он включает в себя следующие обязательные процедуры:
форматирование и разбиение на разделы жесткого диска компьютера-сервера;присвоение индивидуального имени серверу;присвоение имени сети;установка и настройка сетевого протокола;выбор сетевых служб;ввод пароля администратора.
Сетевая операционная система на базе сервера Windows Server 2003 предоставляет пользователям гораздо больше возможностей, чем в случае одноранговой сети.
Она позволяет строить сложные иерархические структуры сети на основе логических групп компьютеров (доменов, domain), наборов доменов (деревьев, tree) и наборов деревьев (леса, forest).
Домен представляет собой группу компьютеров, управляемых контроллером домена, специальным сервером. Домен использует собственную базу данных, содержащую учетные записи пользователей, и управляет собственными ресурсами, такими как принтеры и общие файлы. Каждому домену присваивается свое имя (обычно домен рассматривается как отдельная сеть со своим номером). В каждый домен может входить несколько рабочих групп, которые формируются из пользователей, решающих общую или сходные задачи. В принципе домен может включать тысячи пользователей, однако обычно домены не слишком велики, и несколько доменов объединяются в дерево доменов. Это упрощает управление сетью. Точно так же несколько деревьев может объединяться в лес, самую крупную административную структуру, поддерживаемую данной ОС.
В процессе установки Windows Server 2003 необходимо задать тип протокола сети. По умолчанию используется TCP/IP, но возможно применение NWLink (IPX/SPX).
Каждому серверу необходимо назначить роль, которую он будет выполнять в сети:
контроллер домена (управляет работой домена);файловый сервер (хранит совместно используемые файлы);сервер печати (управляет сетевым принтером);Web-сервер (содержит сайт, доступный по сети Интернет или по локальной сети);коммуникационный сервер (обеспечивает работу электронной почты и конференций);сервер удаленного доступа (обеспечивает удаленный доступ).
Каждому пользователю сети необходимо присвоить свое учетное имя и пароль, а также права доступа к ресурсам (полномочия). Права доступа могут задаваться как индивидуально, так и целой рабочей группе пользователей. Windows Server 2003 обеспечивает следующие виды полномочий для папок:
полный контроль (просмотр, чтение, запись, удаление папки, подпапок, файлов, запуск на исполнение, установка прав доступа к папке);изменение (просмотр, чтение, запись, удаление подпапок и файлов, запуск на исполнение);чтение и исполнение (просмотр, чтение, запуск на исполнение);просмотр содержимого папки;запись нового содержимого в папку;чтение информации из папки.
Те же самые уровни полномочий (кроме просмотра содержимого) предусмотрены и для файлов, доступных по сети.
Сетевые операционные системы NetWare компании Novell сегодня очень популярны, что объясняется их высокой производительностью, совместимостью с разными аппаратными средствами и развитой системой средств защиты данных.
Компания Novell выпускает сетевые программные средства с 1979 года: несколько версий сетевых ОС на базе файловых серверов (одна из последних версий – NetWare 6 и 6.5), клиентское программное обеспечение, а также средства диагностики работы сетей. Популярные до недавнего времени сетевые оболочки одноранговых сетей, такие как NetWare Lite и Personal NetWare сейчас уже не производятся.
Отличительной особенностью сетевых программных средств Novell всегда была их открытость, то есть совместимость с операционными системами различных фирм: Windows, UNIX, Macintosh, OS/2. Кроме того, они всегда обеспечивали возможность работы с аппаратными средствами практически всех известных производителей. Это позволяет строить на их основе сети из разнообразных абонентов – от самых простых до самых сложных.
Все сетевые продукты NetWare допускают подключение бездисковых рабочих станций (клиентов), что позволяет при необходимости значительно снизить стоимость сети. Во всех продуктах предусмотрена поддержка сетевых мостов.
Продуктам Novell NetWare присущи и недостатки, например, их стоимость для небольших сетей оказывается достаточно высокой по сравнению с ценой продуктов других производителей. Кроме того, их установка сравнительно сложна, но они уже стали фактическим стандартом, поэтому их позиции на рынке довольно прочны.
Рассмотрим кратко особенности сетевой ОС Novell NetWare 6.5.
Как и в случае Microsoft Windows Server 2003, Novell NetWare 6.5 требует создания древовидной иерархической структуры, включающей в себя сетевые деревья, серверы, пользователей, группы и прочие объекты.
Novell NetWare 6. 5 предусматривает обязательное разбиение жестких дисков с использованием собственной системы хранения файлов NSS (Novell Storage Services), которое требует создания логических разделов (Volumes) на диске. Это позволяет серверу более эффективно решать сетевые задачи.
Для каждого сервера сети надо выбрать один из трех типов:
Настраиваемый сервер (в частности, Web-сервер, FTP-сервер).Основной файловый сервер.Специальный сервер (например, DNS/DHCP-сервер, контролирующий сетевые адреса и имена, или сервер резервного копирования).
Кроме того, надо задать тип используемого протокола – TCP/IP или IPX/SPX.
На компьютеры-клиенты следует установить клиентское программное обеспечение. Это сравнительно простая процедура.
Каждому клиенту присваивается учетная запись, предоставляются свои права доступа к ресурсам. Клиенты могут быть объединены в рабочие группы, каждой из которых присваиваются имена и права доступа.
Предусмотрены следующие виды доступа к файлам и каталогам (папкам):
Изменение прав доступа к каталогу или файлу;Просмотр каталога;Создание каталогов и файлов в данном каталоге;Удаление каталогов и файлов в данном каталоге;Изменение содержимого файлов;Любые операции над файлами каталога;Запись в файл.
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 сетевое программное обеспечение. От выбора 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, 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.
Согласно с этим, выделяют и типы программных средств, реализующих данные виды сетей.
Стандартные сетевые протоколы
Протоколы – это набор правил и процедур, регулирующих порядок осуществления связи. Компьютеры, участвующие в обмене, должны работать по одним и тем же протоколам, чтобы в результате передачи вся информация восстанавливалась в первоначальном виде.
О протоколах нижних уровней (физического и канального), относящихся к аппаратуре, уже упоминалось в предыдущих разделах. В частности, к ним относятся методы кодирования и декодирования, а также управления обменом в сети. Подробнее некоторые из них будут изложены в главах книги, посвященных стандартным сетям. А сейчас следует остановиться 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 аппаратных особенностей адаптера (его адресов, правил обмена с ним, его характеристик). Драйвер унифицирует, делает единообразным взаимодействие программных средств высокого уровня с любым адаптером 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 функции канального уровня, хотя иногда они реализуют и часть функций сетевого уровня (рис. 6.1). Например, драйверы формируют передаваемый пакет в буферной памяти адаптера, читают из этой памяти пришедший по сети пакет, дают команду на передачу, информируют компьютер о приеме пакета.
Рис. 6.1. Функции драйвера сетевого адаптера в модели OSI
Качество написания программы драйвера во многом определяет эффективность работы сети в целом. Даже при самых лучших характеристиках сетевого адаптера некачественный драйвер может резко ухудшить обмен по сети.
Прежде чем приобрести плату адаптера, необходимо ознакомиться со списком совместимого оборудования (Hardware Compatibility List, HCL), который публикуют все производители сетевых операционных систем. Выбор там довольно велик (например, для Microsoft Windows Server список включает более сотни драйверов сетевых адаптеров). Если в перечень HCL не входит адаптер какого-то типа, лучше его не покупать.
Протоколы высоких уровней.
Существует несколько стандартных наборов (или, как их еще называют, стеков) протоколов, получивших сейчас широкое распространение:
набор протоколов ISO/OSI;IBM System Network Architecture (SNA);Digital DECnet;Novell NetWare;Apple AppleTalk;набор протоколов глобальной сети Интернет, TCP/IP.
Включение в этот список протоколов глобальной сети вполне объяснимо, ведь, как уже отмечалось, модель OSI используется для любой открытой системы: на базе как локальной, так и глобальной сети или комбинации локальной и глобальной сетей.
Протоколы перечисленных наборов делятся на три основных типа:
Прикладные протоколы (выполняющие функции трех верхних уровней модели OSI – прикладного, представительского и сеансового);Транспортные протоколы (реализующие функции средних уровней модели OSI – транспортного и сеансового);Сетевые протоколы (осуществляющие функции трех нижних уровней модели OSI).
Прикладные протоколы обеспечивают взаимодействие приложений и обмен данными между ними. Наиболее популярны:
FTAM (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 Интернет для обмена электронной почтой;FTP (File Transfer Protocol) – протокол глобальной сети Интернет для передачи файлов;SNMP (Simple Network Management Protocol) – протокол для мониторинга сети, контроля за работой сетевых компонентов и управления ими;Telnet – протокол глобальной сети Интернет для регистрации на удаленных серверах и обработки данных на них;Microsoft SMBs (Server Message Blocks, блоки сообщений сервера) и клиентские оболочки или редиректоры фирмы Microsoft;NCP (Novell NetWare Core Protocol) и клиентские оболочки или редиректоры фирмы Novell.
Транспортные протоколы поддерживают сеансы связи между компьютерами и гарантируют надежный обмен данными между ними. Наиболее популярные из них следующие:
TCP (Transmission Control Protocol) – часть набора протоколов TCP/IP для гарантированной доставки данных, разбитых на последовательность фрагментов;SPX – часть набора протоколов IPX/SPX (Internetwork Packet Exchange/Sequential Packet Exchange) для гарантированной доставки данных, разбитых на последовательность фрагментов, предложенных компанией Novell;NWLink – реализация протокола IPX/SPX компании 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. Широко распространены следующие из них:
IP (Internet Protocol) – TCP/IP-протокол для негарантированной передачи пакетов без установления соединений;IPX (Internetwork Packet Exchange) – протокол компании NetWare для негарантированной передачи пакетов и маршрутизации пакетов;NWLink – реализация протокола IPX/SPX компании 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. Но 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 компаний часто оказываются несовместимы между собой. Кроме того, протоколы могут быть успешно использованы исключительно в составе своего набора протоколов (стека протоколов), 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.
В качестве примера на рис. 6.2, рис. 6.3 и рис. 6.4 схематически показано соотношение протоколов, используемых популярными фирменными сетевыми операционными системами, и уровней стандартной модели OSI.Как видно из рисунков, практически ни на одном уровне нет четкого соответствия реального протокола какому-нибудь уровню идеальной модели. Выстраивание подобных соотношений довольно условно, так как трудно четко разграничить функции всех частей программного обеспечения. К тому же компании-производители программных средств далеко не всегда подробно описывают внутреннюю структуру продуктов.
Как видно из рисунков, практически ни на одном уровне нет четкого соответствия реального протокола какому-нибудь уровню идеальной модели. Выстраивание подобных соотношений довольно условно, так как трудно четко разграничить функции всех частей программного обеспечения. К тому же компании-производители программных средств далеко не всегда подробно описывают внутреннюю структуру продуктов.
Теперь следует подробнее рассмотреть некоторые наиболее распространенные протоколы.
Модель OSI допускает два основных метода взаимодействия абонентов в сети:
Метод взаимодействия без логического соединения (или метод дейтаграмм).Метод взаимодействия с логическим соединением.
Метод дейтаграмм – это простейший метод, в котором каждый пакет рассматривается как самостоятельный объект (рис. 6.5).
Пакет при этом методе 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). Достоинства метода в том, что передатчик и приемник работают независимо друг от друга, к тому же пакеты могут накапливаться в буфере и затем передаваться вместе, можно также использовать широковещательную передачу, то есть адресовать пакет всем абонентам одновременно.
Недостатки метода – это возможность потери пакетов, а также бесполезной загрузки сети пакетами в случае отсутствия или неготовности приемника.
Метод с логическим соединением (рис. 6.6, рис. 4.5) разработан позднее, чем метод дейтаграмм, и отличается усложненным порядком взаимодействия.
При этом методе 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, разрыв соединения). Логический канал может устанавливаться на время передачи одного или нескольких пакетов.
Рис. 6.2. Соотношение уровней модели OSI и протоколов сети Интернет
Рис. 6.3. Соотношение уровней модели OSI и протоколов операционной системы Windows Server
Рис. 6.4. Соотношение уровней модели OSI и протоколов операционной системы NetWare
Рис. 6.5. Метод дейтаграмм
Рис. 6.6. Метод с логическим соединением
Метод с логическим соединением, как уже говорилось, более сложен, чем метод дейтаграмм, но гораздо надежнее, поскольку 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. 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. Не может этот метод передавать широковещательные пакеты (то есть адресованные всем абонентам), так как нельзя организовать логические каналы сразу со всеми абонентами.
Примеры протоколов, работающих по методу дейтаграмм— это протоколы IP и IPX.
Примеры протоколов, работающих по методу с логическим соединением – это TCP и SPX.
Именно для того, чтобы объединить достоинства обоих методов, 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.
Протоколы IPX/SPX, разработанные компанией Novell, образуют набор (стек), используемый в сетевых программных средствах довольно широко распространенных локальных сетей Novell (NetWare). 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 прикладные программы применяют еще более высокий уровень, например, протокол NetBIOS, предоставляющий удобный сервис. Компанией Microsoft предложена своя реализация протокола IPX/SPX, называемая NWLink. Протоколы IPX/SPX и NWLink поддерживаются операционными системами NetWare и Windows.
Выбор этих протоколов обеспечивает совместимость по сети любых абонентов с данными операционными системами.
Набор (стек) протоколов TCP/IP был специально разработан для глобальных сетей и для межсетевого взаимодействия. Он изначально ориентирован на низкое качество каналов связи, на большую вероятность ошибок и разрывов связей. Этот протокол принят во всемирной компьютерной сети Интернет, значительная часть абонентов которой подключается по коммутируемым линиям (то есть обычным телефонным линиям). Как и протокол IPX/SPX, протокол TCP/IP также поддерживает маршрутизацию. На его основе работают протоколы высоких уровней, такие как SMTP, FTP, SNMP. Недостаток протокола TCP/IP —более низкая скорость работы, чем у IPX/SPX. Однако сейчас протокол TCP/IP используется и в локальных сетях, чтобы упростить согласование протоколов локальных и глобальных сетей. В настоящее время он считается основным в самых распространенных операционных системах.
В стек протоколов TCP/IP часто включают и протоколы всех верхних уровней (рис. 6.7). И тогда уже можно говорить о функциональной полноте стека TCP/IP.
Как протокол IPX, так и протокол IP являются самыми низкоуровневыми протоколами, поэтому они непосредственно инкапсулируют свою информацию, называемую дейтаграммой, в поле данных передаваемого по сети пакета (см. рис. 4.6). При этом в заголовок дейтаграммы входят адреса абонентов (отправителя и получателя) более высокого уровня, чем MAC-адреса, – это IPX-адреса для протокола IPX или IP-адреса для протокола IP.
Эти адреса включают номера сети и узла, хоста (индивидуальный идентификатор абонента). При этом IPX-адреса (рис. 6.8) более простые, имеют всего один формат, а в IP-адрес (рис. 6.9) могут входить три формата (класса A, B и C), различающиеся значениями трех начальных битов.
Рис. 6.7. Соотношение уровней модели OSI и стека протоколов TCP/IP
Рис. 6.8. Формат IPX- адреса
Рис. 6.9. Форматы IP-адреса
Интересно, что IP-адрес не имеет никакой связи с MAC-адресами абонентов. Номер узла в нем присваивается абоненту независимо от его MAC-адреса. В качестве идентификатора станции IPX-адрес включает в себя полный MAC-адрес абонента.
Номер сети – это код, присвоенный каждой конкретной сети, то есть каждой широковещательной области общей, единой сети. Под широковещательной областью понимается часть сети, которая прозрачна для широковещательных пакетов, пропускает их беспрепятственно.
Протокол NetBIOS (сетевая базовая система ввода/вывода) был разработан компанией IBM для сетей IBM PC Network и IBM Token-Ring по образцу системы BIOS персонального компьютера. С тех пор 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, однако в последующих сетях на более низких уровнях используются стандартные протоколы (например, IPX/SPX), а на долю эмулятора NetBIOS остается только сеансовый уровень.
NetBIOS обеспечивает более высокий уровень сервиса, чем IPX/SPX, но работает медленнее.
На основе протокола NetBIOS был разработан протокол NetBEUI, который представляет собой развитие протокола NetBIOS до транспортного уровня. Однако недостаток NetBEUI состоит в том, что он не поддерживает межсетевое взаимодействие и не обеспечивает маршрутизацию. Поэтому данный протокол используется только в простых сетях, не рассчитанных на подключение к Интернет. Сложные сети ориентируются на более универсальные протоколы TCP/IP и IPX/SPX. Протокол NetBEUI в настоящее время считается устаревшим, хотя даже в операционной системе Windows XP предусмотрена его поддержка, правда, только как дополнительная опция.
Наконец, упоминавшийся уже набор протоколов OSI – это полный набор (стек) протоколов, где каждый протокол точно соответствует определенному уровню стандартной модели OSI. 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 OSI.
Сеть Arcnet
Сеть Arcnet (или ARCnet от английского Attached Resource Computer Net, компьютерная сеть соединенных ресурсов) – это одна из старейших сетей. Она была разработана компанией 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 (в 1980 – 1990 г.г.) пользовалась популярностью, даже серьезно конкурировала с Ethernet. Большое количество компаний (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 по сравнению с Ethernet можно назвать ограниченную величину времени доступа, высокую надежность связи, простоту диагностики, а также сравнительно низкую стоимость адаптеров. К наиболее существенным недостаткам сети относятся низкая скорость передачи информации (2,5 Мбит/с), система адресации и формат пакета.
Для передачи информации в сети Arcnet используется довольно редкий код, в котором логической единице соответствует два импульса в течение битового интервала, а логическому нулю – один импульс. Очевидно, что это самосинхронизирующийся код, который требует еще большей пропускной способности кабеля, чем даже манчестерский.
В качестве среды передачи в сети используется коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 93 Ом, к примеру, марки RG-62A/U. Варианты с витой парой (экранированной и неэкранированной) не получили широкого распространения.
Были предложены и варианты на оптоволоконном кабеле, но и они также не спасли Arcnet.
В качестве топологии сеть Arcnet использует классическую шину (Arcnet-BUS), а также пассивную звезду (Arcnet-STAR). В звезде применяются концентраторы (хабы). Возможно объединение с помощью концентраторов шинных и звездных сегментов в древовидную топологию (как и в Ethernet). Главное ограничение – в топологии не должно быть замкнутых путей (петель). Еще одно ограничение: количество сегментов, соединенных последовательной цепочкой с помощью концентраторов, не должно превышать трех.
Концентраторы бывают двух видов:
Активные концентраторы (восстанавливают форму приходящих сигналов и усиливают их). Количество портов – от 4 до 64. Активные концентраторы могут соединяться между собой (каскадироваться).Пассивные концентраторы (просто смешивают приходящие сигналы без усиления). Количество портов – 4. Пассивные концентраторы не могут соединяться между собой. Они могут связывать только активные концентраторы и/или сетевые адаптеры.
Шинные сегменты могут подключаться только к активным концентраторам.
Сетевые адаптеры также бывают двух видов:
Высокоимпедансные (Bus), предназначенные для использования в шинных сегментах:Низкоимпедансные (Star), предназначенные для использования в пассивной звезде.
Низкоимпедансные адаптеры отличаются от высокоимпедансных тем, что они содержат в своем составе согласующие 93-омные терминаторы. При их применении внешнее согласование не требуется. В шинных сегментах низкоимпедансные адаптеры могут использоваться как оконечные для согласования шины.
Высокоимпедансные адаптеры требуют применения внешних 93-омных терминаторов. Некоторые сетевые адаптеры имеют возможность переключения из высокоимпедансного состояния в низкоимпедансное, они могут работать и в шине, и в звезде.
Таким образом, топология сети Arcnet имеет следующий вид (рис. 7.15).
Рис. 7.15. Топология сети Arcnet типа шина (B – адаптеры для работы в шине, S – адаптеры для работы в звезде)
Основные технические характеристики сети Arcnet следующие.
Среда передачи – коаксиальный кабель, витая пара.Максимальная длина сети – 6 километров.Максимальная длина кабеля от абонента до пассивного концентратора – 30 метров.Максимальная длина кабеля от абонента до активного концентратора – 600 метров.Максимальная длина кабеля между активным и пассивным концентраторами – 30 метров.Максимальная длина кабеля между активными концентраторами – 600 метров.Максимальное количество абонентов в сети – 255.Максимальное количество абонентов на шинном сегменте – 8.Минимальное расстояние между абонентами в шине – 1 метр.Максимальная длина шинного сегмента – 300 метров. Скорость передачи данных – 2,5 Мбит/с.
При создании сложных топологий необходимо следить за тем, чтобы задержка распространения сигналов в сети между абонентами не превышала 30 мкс. Максимальное затухание сигнала в кабеле на частоте 5 МГц не должно превышать 11 дБ.
В сети Arcnet используется маркерный метод доступа (метод передачи права), но он несколько отличается от аналогичного в сети Token-Ring.
Ближе всего этот метод к тому, который предусмотрен в стандарте IEEE 802.4. Последовательность действий абонентов при данном методе:
Абонент, желающий передавать, ждет прихода маркера.Получив маркер, он посылает запрос на передачу абоненту-приемнику информации (спрашивает, готов ли приемник принять его пакет).Приемник, получив запрос, посылает ответ (подтверждает свою готовность).Получив подтверждение готовности, абонент-передатчик посылает свой пакет.Получив пакет, приемник посылает подтверждение приема пакета.Передатчик, получив подтверждение приема пакета, заканчивает свой сеанс связи. После этого маркер передается следующему абоненту по порядку убывания сетевых адресов.
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). Полное время обхода маркером всех абонентов составляет 840 мс. Соответственно, этот же интервал определяет верхний предел времени доступа к сети.
Маркер формируется специальным абонентом – контроллером сети. Им является абонент с минимальным (нулевым) адресом.
Если абонент не получает свободный маркер в течение 840 мс, то он посылает в сеть длинную битовую последовательность (для гарантированного уничтожения испорченного старого маркера).
После этого производится процедура контроля сети и назначения (при необходимости) нового контроллера.
Размер пакета сети Arcnet составляет 0,5 Кбайта. Помимо поля данных в него входят также 8-битные адреса приемника и передатчика и 16-битная циклическая контрольная сумма (CRC). Такой небольшой размер пакета оказывается не слишком удобным при высокой интенсивности обмена по сети.
Адаптеры сети Arcnet отличаются от адаптеров других сетей тем, что в них необходимо с помощью переключателей или перемычек установить собственный сетевой адрес (всего их может быть 255, так как последний, 256-ой адрес применяется в сети для режима широкого вещания). Контроль уникальности каждого адреса сети полностью возлагается на пользователей сети. Подключение новых абонентов становится при этом довольно сложным, так как необходимо задавать тот адрес, который еще не использовался. Выбор 8-битного формата адреса ограничивает допустимое количество абонентов в сети – 255, что может быть недостаточно для крупных компаний.
В результате все это привело к практически полному отказу от сети Arcnet. Существовали варианты сети Arcnet, рассчитанные на скорость передачи 20 Мбит/с, но они не получили широкого распространения.
Сеть Token-Ring
Сеть Token-Ring (маркерное кольцо) была предложена компанией IBM в 1985 году (первый вариант появился в 1980 году). Она предназначалась для объединения в сеть всех типов компьютеров, выпускаемых IBM. Уже тот факт, что ее поддерживает компания 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 (хотя между Token-Ring и IEEE 802.5 есть незначительные отличия). Это ставит данную сеть на один уровень по статусу с Ethernet.
Разрабатывалась Token-Ring как надежная альтернатива Ethernet. И хотя сейчас Ethernet вытесняет все остальные сети, Token-Ring нельзя считать безнадежно устаревшей. Более 10 миллионов компьютеров по всему миру объединены этой сетью.
Компания IBM сделала все для максимально широкого распространения своей сети: была выпущена подробная документация вплоть до принципиальных схем адаптеров. В результате многие компании, например, 3СOM, Novell, Western Digital, Proteon и другие приступили к производству адаптеров. Кстати, специально для этой сети, а также для другой сети IBM PC Network была разработана концепция NetBIOS. Если в созданной ранее сети PC Network программы NetBIOS хранились во встроенной в адаптер постоянной памяти, то в сети Token-Ring уже применялась эмулирующая NetBIOS программа. Это позволило более гибко реагировать на особенности аппаратуры и поддерживать совместимость с программами более высокого уровня.
Сеть Token- Ring имеет топологию кольцо, хотя внешне она больше напоминает звезду. Это связано с тем, что отдельные абоненты (компьютеры) присоединяются к сети не напрямую, а через специальные концентраторы или многостанционные устройства доступа (MSAU или MAU – Multistation Access Unit). Физически сеть образует звездно-кольцевую топологию (рис. 7.3). В действительности же абоненты объединяются все-таки в кольцо, то есть каждый из них передает информацию одному соседнему абоненту, а принимает информацию от другого.
Рис. 7.3. Звездно-кольцевая топология сети Token-Ring
Концентратор (MAU) при этом позволяет централизовать задание конфигурации, отключение неисправных абонентов, контроль работы сети и т.д. (рис. 7.4). Никакой обработки информации он не производит.
Рис. 7.4. Соединение абонентов сети Token-Ring в кольцо с помощью концентратора (MAU)
Для каждого абонента в составе концентратора применяется специальный блок подключения к магистрали (TCU – Trunk Coupling Unit), который обеспечивает автоматическое включение абонента в кольцо, если он подключен к концентратору и исправен. Если абонент отключается от концентратора или же он неисправен, то блок TCU автоматически восстанавливает целостность кольца без участия данного абонента. Срабатывает TCU по сигналу постоянного тока (так называемый "фантомный" ток), который приходит от абонента, желающего включиться в кольцо. Абонент может также отключиться от кольца и провести процедуру самотестирования (крайний правый абонент на рис. 7.4). "Фантомный" ток никак не влияет на информационный сигнал, так как сигнал в кольце не имеет постоянной составляющей.
Конструктивно концентратор представляет собой автономный блок с десятью разъемами на передней панели (рис. 7.5).
Рис. 7.5. Концентратор Token-Ring (8228 MAU)
Восемь центральных разъемов (1...8) предназначены для подключения абонентов (компьютеров) с помощью адаптерных (Adapter cable) или радиальных кабелей. Два крайних разъема: входной RI (Ring In) и выходной RO (Ring Out) служат для подключения к другим концентраторам с помощью специальных магистральных кабелей (Path cable). Предлагаются настенный и настольный варианты концентратора.
Существуют как пассивные, так и активные концентраторы MAU. Активный концентратор восстанавливает сигнал, приходящий от абонента (то есть работает, как концентратор Ethernet). Пассивный концентратор не выполняет восстановление сигнала, только перекоммутирует линии связи.
Концентратор в сети может быть единственным (как на рис.7.4), в этом случае в кольцо замыкаются только абоненты, подключенные к нему. Внешне такая топология выглядит, как звезда. Если же нужно подключить к сети более восьми абонентов, то несколько концентраторов соединяются магистральными кабелями и образуют звездно-кольцевую топологию.
Как уже отмечалось, кольцевая топология очень чувствительна к обрывам кабеля кольца. Для повышения живучести сети, в Token-Ring предусмотрен режим так называемого сворачивания кольца, что позволяет обойти место обрыва.
В нормальном режиме концентраторы соединены в кольцо двумя параллельными кабелями, но передача информации производится при этом только по одному из них (рис. 7.6).
Рис. 7.6. Объединение концентраторов MAU в нормальном режиме
В случае одиночного повреждения (обрыва) кабеля сеть осуществляет передачу по обоим кабелям, обходя тем самым поврежденный участок. При этом даже сохраняется порядок обхода абонентов, подключенных к концентраторам (рис. 7.7). Правда, увеличивается суммарная длина кольца.
В случае множественных повреждений кабеля сеть распадается на несколько частей (сегментов), не связанных между собой, но сохраняющих полную работоспособность (рис. 7.8). Максимальная часть сети остается при этом связанной, как и прежде. Конечно, это уже не спасает сеть в целом, но позволяет при правильном распределении абонентов по концентраторам сохранять значительную часть функций поврежденной сети.
Несколько концентраторов может конструктивно объединяться в группу, кластер (cluster), внутри которого абоненты также соединены в кольцо. Применение кластеров позволяет увеличивать количество абонентов, подключенных к одному центру, например, до 16 (если в кластер входит два концентратора).
Рис. 7.7. Сворачивание кольца при повреждении кабеля
Рис. 7.8. Распад кольца при множественных повреждениях кабеля
В качестве среды передачи в сети IBM Token-Ring сначала применялась витая пара, как неэкранированная (UTP), так и экранированная (STP), но затем появились варианты аппаратуры для коаксиального кабеля, а также для оптоволоконного кабеля в стандарте FDDI.
Основные технические характеристики классического варианта сети Token-Ring:
максимальное количество концентраторов типа IBM 8228 MAU – 12;максимальное количество абонентов в сети – 96;максимальная длина кабеля между абонентом и концентратором – 45 метров;максимальная длина кабеля между концентраторами – 45 метров;максимальная длина кабеля, соединяющего все концентраторы – 120 метров;скорость передачи данных – 4 Мбит/с и 16 Мбит/с.
Все приведенные характеристики относятся к случаю использования неэкранированной витой пары. Если применяется другая среда передачи, характеристики сети могут отличаться. Например, при использовании экранированной витой пары (STP) количество абонентов может быть увеличено до 260 (вместо 96), длина кабеля – до 100 метров (вместо 45), количество концентраторов – до 33, а полная длина кольца, соединяющего концентраторы – до 200 метров. Оптоволоконный кабель позволяет увеличивать длину кабеля до двух километров.
Для передачи информации в Token-Ring применяется бифазный код (точнее, его вариант с обязательным переходом в центре битового интервала). Как и в любой звездообразной топологии, никаких дополнительных мер по электрическому согласованию и внешнему заземлению не требуется. Согласование выполняется аппаратурой сетевых адаптеров и концентраторов.
Для присоединения кабелей в Token-Ring используются разъемы RJ-45 (для неэкранированной витой пары), а также MIC и DB9P. Провода в кабеле соединяют одноименные контакты разъемов (то есть используются так называемые "прямые" кабели).
Сеть Token-Ring в классическом варианте уступает сети Ethernet как по допустимому размеру, так и по максимальному количеству абонентов.
Что касается скорости передачи, то в настоящее время имеются версии Token-Ring на скорость 100 Мбит/с (High Speed Token-Ring, HSTR) и на 1000 Мбит/с (Gigabit Token-Ring). Компании, поддерживающие Token-Ring (среди которых IBM, Olicom, Madge), не намерены отказываться от своей сети, рассматривая ее как достойного конкурента Ethernet.
По сравнению с аппаратурой Ethernet аппаратура Token-Ring заметно дороже, так как используется более сложный метод управления обменом, поэтому сеть Token-Ring не получила столь широкого распространения.
Однако в отличие от Ethernet сеть Token-Ring значительно лучше держит высокий уровень нагрузки (более 30—40%) и обеспечивает гарантированное время доступа. Это 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 (см. рис. 4.15). Отсюда следует такое важное достоинство данной сети, как отсутствие конфликтов, но есть и недостатки, в частности необходимость контроля целостности маркера и зависимость функционирования сети от каждого абонента (в случае неисправности абонент обязательно должен быть исключен из кольца).
Предельное время передачи пакета в Token-Ring 10 мс. При максимальном количестве абонентов 260 полный цикл работы кольца составит 260 x 10 мс = 2,6 с. За это время все 260 абонентов смогут передать свои пакеты (если, конечно, им есть чего передавать).За это же время свободный маркер обязательно дойдет до каждого абонента. Этот же интервал является верхним пределом времени доступа Token-Ring.
Каждый абонент сети (его сетевой адаптер) должен выполнять следующие функции:
выявление ошибок передачи;контроль конфигурации сети (восстановление сети при выходе из строя того абонента, который предшествует ему в кольце); контроль многочисленных временных соотношений, принятых в сети.
Большое количество функций, конечно, усложняет и удорожает аппаратуру сетевого адаптера.
За это же время свободный маркер обязательно дойдет до каждого абонента. Этот же интервал является верхним пределом времени доступа Token-Ring.
Каждый абонент сети (его сетевой адаптер) должен выполнять следующие функции:
выявление ошибок передачи;контроль конфигурации сети (восстановление сети при выходе из строя того абонента, который предшествует ему в кольце); контроль многочисленных временных соотношений, принятых в сети.
Большое количество функций, конечно, усложняет и удорожает аппаратуру сетевого адаптера.
Для контроля целостности маркера в сети используется один из абонентов (так называемый активный монитор). При этом 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 выполняет следующие функции:
запускает в кольцо маркер в начале работы и при его исчезновении;регулярно (раз в 7 с) сообщает о своем присутствии специальным управляющим пакетом (AMP – Active Monitor Present);удаляет из кольца пакет, который не был удален пославшим его абонентом;следит за допустимым временем передачи пакета.
Активный монитор выбирается при инициализации сети, им может быть любой компьютер сети, но, как правило, становится первый включенный в сеть абонент. Абонент, ставший активным монитором, включает в сеть свой буфер (сдвиговый регистр), который гарантирует, что маркер будет умещаться в кольце даже при минимальной длине кольца. Размер этого буфера – 24 бита для скорости 4 Мбит/с и 32 бита для скорости 16 Мбит/с.
Каждый абонент постоянно следит за тем, как активный монитор выполняет свои обязанности. Если активный монитор по какой-то причине выходит из строя, то включается специальный механизм, посредством которого все другие абоненты (запасные, резервные мониторы) принимают решение о назначении нового активного монитора. Для этого абонент, обнаруживший аварию активного монитора, передает по кольцу управляющий пакет (пакет запроса маркера) со своим MAC-адресом. Каждый следующий абонент сравнивает MAC-адрес из пакета с собственным. Если его собственный адрес меньше, он передает пакет дальше без изменений. Если же больше, то он устанавливает в пакете свой MAC-адрес. Активным монитором станет тот абонент, у которого значение MAC-адреса больше, чем у остальных (он должен трижды получить обратно пакет со своим MAC-адресом). Признаком выхода из строя активного монитора является невыполнение им одной из перечисленных функций.
Маркер сети Token-Ring представляет собой управляющий пакет, содержащий всего три байта (рис. 7.9): байт начального разделителя (SD – Start Delimiter), байт управления доступом (AC – Access Control) и байт конечного разделителя (ED – End Delimiter). Все эти три байта входят также в состав информационного пакета, правда, функции их в маркере и в пакете несколько различаются.
Начальный и конечный разделители представляют собой не просто последовательность нулей и единиц, а содержат сигналы специального вида. Это было сделано для того, чтобы разделители нельзя было спутать ни с какими другими байтами пакетов.
Рис. 7.9. Формат маркера сети Token-Ring
Начальный разделитель SD содержит четыре нестандартных битовых интервала (рис. 7.10). Два из них, обозначающихся J, представляют собой низкий уровень сигнала в течение всего битового интервала. Два других бита, обозначающихся К, представляют собой высокий уровень сигнала в течение всего битового интервала. Понятно, что такие сбои в синхронизации легко выявляются приемником. Биты J и K никогда не могут встречаться среди битов полезной информации.
Рис. 7.10. Форматы начального (SD) и конечного (ED) разделителей
Конечный разделитель ED также содержит в себе четыре бита специального вида (два бита J и два бита K), а также два единичных бита. Но, кроме того, в него входят и два информационных бита, которые имеют смысл только в составе информационного пакета:
Бит I (Intermediate) представляет собой признак промежуточного пакета (1 соответствует первому в цепочке или промежуточному пакету, 0 – последнему в цепочке или единственному пакету). Бит E (Error) является признаком обнаруженной ошибки (0 соответствует отсутствию ошибок, 1 – их наличию).
Байт управления доступом (AC – Access Control) разделен на четыре поля (рис. 7.11): поле приоритета (три бита), бит маркера, бит монитора и поле резервирования (три бита).
Рис. 7.11. Формат байта управления доступом
Биты (поле) приоритета позволяют абоненту присваивать приоритет своим пакетам или маркеру (приоритет может быть от 0 до 7, причем 7 соответствует наивысшему приоритету, а 0 – низшему).
Абонент может присоединить к маркеру свой пакет только тогда, когда его собственный приоритет (приоритет его пакетов) такой же или выше приоритета маркера.
Бит маркера определяет, присоединен ли к маркеру пакет или нет (единица соответствует маркеру без пакета, нуль – маркеру с пакетом). Бит монитора, установленный в единицу, говорит о том, что данный маркер передан активным монитором.
Биты (поле) резервирования позволяют абоненту зарезервировать свое право на дальнейший захват сети, то есть занять очередь на обслуживание. Если приоритет абонента (приоритет его пакетов) выше, чем текущее значение поля резервирования, то он может записать туда свой приоритет вместо прежнего. После обхода по кольцу в поле резервирования будет записан наивысший приоритет из всех абонентов. Содержимое поля резервирования аналогично содержимому поля приоритета, но говорит о будущем приоритете.
В результате использования полей приоритета и резервирования обеспечивается возможность доступа к сети только абонентам, имеющим пакеты для передачи с наивысшим приоритетом. Менее приоритетные пакеты будут обслуживаться только по исчерпании более приоритетных пакетов.
Формат информационного пакета (кадра) Token-Ring представлен на рис. 7.12. Помимо начального и конечного разделителей, а также байта управления доступом в этот пакет входят также байт управления пакетом, сетевые адреса приемника и передатчика, данные, контрольная сумма и байт состояния пакета.
Рис. 7.12. Формат пакета (кадра) сети Token-Ring (длина полей дана в байтах)
Назначение полей пакета (кадра).
Начальный разделитель (SD) является признаком начала пакета, формат – такой же, как и в маркере. Байт управления доступом (AC) имеет тот же формат, что и в маркере.Байт управления пакетом (FC – Frame Control) определяет тип пакета (кадра).Шестибайтовые MAC-адреса отправителя и получателя пакета имеют стандартный формат, описанный в лекции 3. Поле данных (Data) включает в себя передаваемые данные (в информационном пакете) или информацию для управления обменом (в управляющем пакете).Поле контрольной суммы (FCS – Frame Check Sequence) представляет собой 32-разрядную циклическую контрольную сумму пакета (CRC).Конечный разделитель (ED), как и в маркере, указывает на конец пакета. Кроме того, он определяет, является ли данный пакет промежуточным или заключительным в последовательности передаваемых пакетов, а также содержит признак ошибочности пакета (см. рис. 7.10).Байт состояния пакета (FS – Frame Status) говорит о том, что происходило с данным пакетом: был ли он увиден приемником (то есть, существует ли приемник с заданным адресом) и скопирован в память приемника. По нему отправитель пакета узнает, дошел ли пакет по назначению и без ошибок или его надо передавать заново.
Следует отметить, что больший допустимый размер передаваемых данных в одном пакете по сравнению с сетью Ethernet может стать решающим фактором для увеличения производительности сети. Теоретически для скоростей передачи 16 Мбит/с и 100 Мбит/с длина поля данных может достигать даже 18 Кбайт, что принципиально 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 сеть Ethernet (10 Мбит/с). Особенно заметно преимущество Token-Ring при больших нагрузках (свыше 30—40%), так как в этом случае метод CSMA/CD требует много времени на разрешение повторных конфликтов.
Абонент, желающий передавать пакет, ждет прихода свободного маркера и захватывает его. Захваченный маркер превращается в обрамление информационного пакета. Затем абонент передает информационный пакет в кольцо и ждет его возвращения. После этого он освобождает маркер и снова посылает его в сеть.
Помимо маркера и обычного пакета в сети Token-Ring может передаваться специальный управляющий пакет, служащий для прерывания передачи (Abort). Он может быть послан в любой момент и в любом месте потока данных. Пакет этот состоит из двух однобайтовых полей – начального (SD) и конечного (ED) 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. Другие абоненты могут начинать передачу своих пакетов сразу же после окончания пакета предыдущего абонента, не дожидаясь, пока он завершит обход всего кольца сети.
В результате в сети может находиться несколько пакетов одновременно, но всегда будет не более одного свободного маркера. Этот конвейер особенно эффективен в сетях большой протяженности, имеющих значительную задержку распространения.
При подключении абонента к концентратору он выполняет процедуру автономного самотестирования и тестирования кабеля (в кольцо он пока не включается, так как нет сигнала "фантомного" тока). Абонент посылает сам себе ряд пакетов и проверяет правильность их прохождения (его вход напрямую соединен с его же выходом блоком TCU, как показано на рис. 7.4). После этого абонент включает себя в кольцо, посылая "фантомный" ток. В момент включения, передаваемый по кольцу пакет может быть испорчен. Далее абонент настраивает синхронизацию и проверяет наличие в сети активного монитора. Если активного монитора нет, абонент начинает состязание за право стать им. Затем абонент проверяет уникальность собственного адреса в кольце и собирает информацию о других абонентах. После чего он становится полноправным участником обмена по сети.
В процессе обмена каждый абонент следит за исправностью предыдущего абонента (по кольцу). Если он подозревает отказ предыдущего абонента, он запускает процедуру автоматического восстановления кольца. Специальный управляющий пакет (бакен) говорит предыдущему абоненту о необходимости провести самотестирование и, возможно, отключиться от кольца.
В сети Token-Ring предусмотрено также использование мостов и коммутаторов.
Они применяются для разделения большого кольца на несколько кольцевых сегментов, имеющих возможность обмена пакетами между собой. Это позволяет снизить нагрузку на каждый сегмент и увеличить долю времени, предоставляемую каждому абоненту.
В результате можно сформировать распределенное кольцо, то есть объединение нескольких кольцевых сегментов одним большим магистральным кольцом (рис. 7.13) или же звездно-кольцевую структуру с центральным коммутатором, к которому подключены кольцевые сегменты (рис. 7.14).
Рис. 7.13. Объединение сегментов магистральным кольцом с помощью мостов
Рис. 7.14. Объединение сегментов центральным коммутатором
Сети Ethernet и Fast Ethernet
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 компании, как DEC и Intel (объединение этих компаний назвали DIX по первым буквам их названий). Их стараниями 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 ECMA (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. Этому стандарту удовлетворяли и некоторые другие сети, так как уровень его детализации невысок. В результате сети стандарта IEEE 802.3 нередко были несовместимы между собой как по конструктивным, так и по электрическим характеристикам. Однако в последнее время стандарт IEEE 802.3 считается стандартом именно сети Ethernet.
Основные характеристики первоначального стандарта IEEE 802.3:
топология – шина;среда передачи – коаксиальный кабель; скорость передачи – 10 Мбит/с;максимальная длина сети – 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 незначительные отличия, но о них обычно предпочитают не вспоминать.
Сеть Ethernet сейчас наиболее популярна в мире (более 90% рынка), предположительно таковой она и останется в ближайшие годы. Этому в немалой степени способствовало то, что с самого начала характеристики, параметры, протоколы сети были открыты, в результате чего огромное число производителей во всем мире стали выпускать аппаратуру Ethernet, полностью совместимую между собой.
В классической сети Ethernet применялся 50-омный коаксиальный кабель двух видов (толстый и тонкий). Однако в последнее время (с начала 90-х годов) наибольшее распространение получила версия Ethernet, использующая в качестве среды передачи витые пары. Определен также стандарт для применения в сети оптоволоконного кабеля. Для учета этих изменений в изначальный стандарт IEEE 802.3 были сделаны соответствующие добавления. В 1995 году появился дополнительный 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. В 1997 году появилась и версия на скорость 1000 Мбит/с (Gigabit Ethernet, стандарт IEEE 802.3z).
Помимо стандартной топологии шина все шире применяются топологии типа пассивная звезда и пассивное дерево. При этом предполагается использование репитеров и репитерных концентраторов, соединяющих между собой различные части (сегменты) сети.
В результате может сформироваться древовидная структура на сегментах разных типов (рис. 7.1).
Рис. 7.1. Классическая топология сети Ethernet
В качестве сегмента (части сети) может выступать классическая шина или единичный абонент. Для шинных сегментов используется коаксиальный кабель, а для лучей пассивной звезды (для присоединения к концентратору одиночных компьютеров) – витая пара и оптоволоконный кабель. Главное требование к полученной в результате топологии – чтобы в ней не было замкнутых путей (петель). Фактически получается, что все 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 сети в целом (максимальный путь сигнала) теоретически может достигать 6,5 километров, но практически не превышает 3,5 километров.
В сети используются пакеты переменной длины со структурой, представленной на рис. 7.2. (цифры показывают количество байт)
Рис. 7.2. Структура пакета сети Ethernet
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 представляют собой код 10101010, а последний байт – код 10101011. В стандарте IEEE 802.3 восьмой байт называется признаком начала кадра (SFD – Start of Frame Delimiter) и образует отдельное поле пакета.Адреса получателя (приемника) и отправителя (передатчика) включают по 6 байт и строятся по стандарту, описанному в разделе "Адресация пакетов" лекции 4. 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 указывает на 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 или 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.
Выбор формата преамбулы не случаен. Дело в том, что последовательность чередующихся единиц и нулей (101010...10) в манчестерском коде характеризуется тем, что имеет переходы только в середине битовых интервалов (см. раздел 2.6.3), то есть только информационные переходы. Безусловно, приемнику просто настроиться (синхронизоваться) при такой последовательности, даже если она по какой-то причине укорачивается на несколько бит. Последние два единичные бита преамбулы (11) существенно отличаются от последовательности 101010...10 (появляются переходы еще и на границе битовых интервалов). Поэтому уже настроившийся приемник легко может выделить их и детектировать тем самым начало полезной информации (начало кадра).
Для сети Ethernet, работающей на скорости 10 Мбит/с, стандарт определяет четыре основных типа сегментов сети, ориентированных на различные среды передачи информации:
10BASE5 (толстый коаксиальный кабель);10BASE2 (тонкий коаксиальный кабель);10BASE-T (витая пара);10BASE-FL (оптоволоконный кабель).
Наименование сегмента включает в себя три элемента: цифра "10" означает скорость передачи 10 Мбит/с, слово BASE – передачу в основной полосе частот (то есть без модуляции высокочастотного сигнала), а последний элемент – 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 сегментов, отличающихся типами 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" – витую пару, буква "F" – оптоволоконный кабель. Типы 100BASE-TX 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 курса. Здесь следует отметить только то, 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 выгодно выделяется среди других стандартных сетей, и поэтому любую другую сетевую технологию принято сравнивать именно с Ethernet.
Развитие технологии Ethernet идет по пути все большего отхода от первоначального стандарта. Применение новых сред передачи и коммутаторов позволяет существенно увеличить размер сети. Отказ от манчестерского кода (в сети Fast Ethernet и Gigabit Ethernet) обеспечивает увеличение скорости передачи данных и снижение требований к кабелю. Отказ от метода управления CSMA/CD (при полнодуплексном режиме обмена) дает возможность резко повысить эффективность работы и снять ограничения с длины сети. Тем не менее, все новые разновидности сети также называются сетью Ethernet.
Вступление
За время, прошедшее с момента появления первых локальных сетей, было разработано несколько сот самых разных сетевых технологий, однако заметное распространение получили немногие. Это связано, прежде всего, с высоким уровнем стандартизации принципов организации сетей и с поддержкой их известными компаниями. Тем не менее, не всегда стандартные сети обладают рекордными характеристиками, обеспечивают наиболее оптимальные режимы обмена. Но большие объемы выпуска их аппаратуры и, следовательно, ее невысокая стоимость дают 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 уменьшение количества типов используемых сетей стало тенденцией. Дело в том, что увеличение скорости передачи в локальных сетях до 100 и даже до 1000 Мбит/с требует применения самых передовых технологий, проведения дорогих научных исследований. Естественно, это могут позволить себе только крупнейшие фирмы, которые поддерживают свои стандартные сети и их более совершенные разновидности. К тому же большинство потребителей уже установило у себя какие-то сети и не желает сразу и полностью заменять сетевое оборудование. В ближайшем будущем вряд ли стоит ожидать того, что будут приняты принципиально новые стандарты.
На рынке предлагаются стандартные локальные сети всех возможных топологий, так что выбор у пользователей имеется.
Стандартные сети обеспечивают широкий диапазон допустимых размеров сети, количества абонентов и, что не менее важно, цен на аппаратуру. Но сделать выбор все равно непросто. Ведь в отличие от программных средств, заменить которые нетрудно, аппаратура обычно служит многие годы, ее замена ведет не только к значительным затратам, к необходимости перекладки кабелей, но и к пересмотру системы компьютерных средств организации. В связи с этим ошибки в выборе аппаратуры обычно обходятся гораздо дороже ошибок при выборе программных средств.
В данной главе будут рассмотрены основные особенности аппаратуры наиболее популярных локальных сетей, что несомненно поможет читателю при необходимости сделать правильный выбор.
В табл. 7.1 приведены характеристики классических вариантов стандартных локальных сетей. Все стандартные сети имеют несколько вариантов, отличающихся типом используемого кабеля, скоростями передачи, допустимыми размерами сети. О них подробнее рассказано в разделах, посвященных конкретным типам сетей.
| Стандарт | IEEE 802.3 | IEEE 802.5 | Datapoint | ISO 9314 | IEEE 802.12 |
| Топология | Шина | Кольцо | Шина | Кольцо | Звезда |
| Скорость передачи | 10 (100) Мбит/с | (16) Мбит/с | 2,5 Мбит/с | 100 Мбит/с | 100 Мбит/с |
| Длина | 5 км | 120 м | 6 км | 20 км | 1 км |
| Среда | КК | ВП | КК | ОВ | ВП |
| Метод управления | CSMA/CD | Маркер | Маркер | Маркер | Центр |
| Код | Манчестер | Бифазный | Arcnet | 4B/5B | 5B/6B |
| Количество | До 1024 | До 260 | До 255 | До 1000 | До 1024 |
| КК — коаксиальный кабель, ВП — кабель на витых парах, ОВ — оптоволоконный кабель | |||||
Беспроводные сети
До недавнего времени беспроводная связь в локальных сетях практически не применялась. Однако с конца 90-х годов 20 века наблюдается настоящий бум беспроводных локальных сетей (WLAN – Wireless LAN). Это связано в первую очередь с успехами технологии и с теми удобствами, которые способны предоставить беспроводные сети. По имеющимся прогнозам, число пользователей беспроводных сетей в 2005 году достигнет 44 миллионов, а 80% всех мобильных компьютеров будут оснащены встроенными средствами доступа к таким сетям.
В 1997 году был принят стандарт для беспроводных сетей IEEE 802.11. Сейчас этот стандарт активно развивается и включает в себя уже несколько разделов, в том числе три локальные сети (802.11a, 802.11b и 802.11g). Стандарт содержит следующие спецификации:
802.11 – первоначальный стандарт WLAN. Поддерживает передачу данных со скоростями от 1 до 2 Мбит/с.802.11a – высокоскоростной стандарт WLAN для частоты 5 ГГц. Поддерживает скорость передачи данных 54 Мбит/с.802.11b – стандарт WLAN для частоты 2,4 ГГц. Поддерживает скорость передачи данных 11 Мбит/с.802.11e – устанавливает требования качества запроса, необходимое для всех радио интерфейсов IEEE WLAN.802.11f – описывает порядок связи между равнозначными точками доступа.802.11g – устанавливает дополнительную технику модуляции для частоты 2,4 ГГц. Предназначен для обеспечения скоростей передачи данных до 54 Мбит/с.v802.11h – описывает управление спектром частоты 5 ГГц для использования в Европе и Азии.802.11i – исправляет существующие проблемы безопасности в областях аутентификации и протоколов шифрования.
Разработкой и поддержкой стандарта IEEE 802.11 занимается комитет Wi-Fi Alliance. Термин Wi-Fi (wireless fidelity) используется в качестве общего имени для стандартов 802.11a и 802.11b, а также всех последующих, относящихся к беспроводным локальным сетям (WLAN).
Оборудование беспроводных сетей включает в себя точки беспроводного доступа (Access Point) и беспроводные адаптеры для каждого абонента.
Точки доступа выполняют роль концентраторов, обеспечивающих связь между абонентами и между собой, а также функцию мостов, осуществляющих связь с кабельной локальной сетью и с Интернет. Несколько близкорасположенных точек доступа образуют зону доступа Wi-Fi, в пределах которой все абоненты, снабженные беспроводными адаптерами, получают доступ к сети. Такие зоны доступа (Hotspot) создаются в местах массового скопления людей: в аэропортах, студенческих городках, библиотеках, магазинах, бизнес-центрах и т.д.
Каждая точка доступа может обслуживать несколько абонентов, но чем больше абонентов, тем меньше эффективная скорость передачи для каждого из них. Метод доступа к сети – CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance). Сеть строится по сотовому принципу. В сети предусмотрен механизм роуминга, то есть поддерживается автоматическое подключение к точке доступа и переключение между точками доступа при перемещении абонентов, хотя строгих правил роуминга стандарт не устанавливает.
Поскольку радиоканал не обеспечивает высокой степени защиты от прослушивания, в сети Wi-Fi используется специальный встроенный механизм защиты информации.
Он включает средства и процедуры аутентификации для противодействия несанкционированному доступу к сети и шифрование для предотвращения перехвата информации.
Стандарт IEEE 802.11b был принят в 1999 г. и благодаря ориентации на освоенный диапазон 2,4 ГГц завоевал наибольшую популярность у производителей оборудования. В качестве базовой радиотехнологии в нем используется метод DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum), который отличается высокой устойчивостью к искажению данных, помехам, в том числе преднамеренным, а также к обнаружению. Поскольку оборудование 802.11b, работающее на максимальной скорости 11 Мбит/с, имеет меньший радиус действия, чем на более низких скоростях, то стандартом 802.11b предусмотрено автоматическое понижение скорости при ухудшении качества сигнала. Пропускная способность (теоретическая 11 Мбит/с, реальная – от 1 до 6 Мбит/с) отвечает требованиям большинства приложений. Расстояния – до 300 метров, но обычно – до 160 метров.
Стандарт IEEE 802.11a рассчитан на работу в частотном диапазоне 5 ГГц. Скорость передачи данных до 54 Мбит/с, то есть примерно в пять раз быстрее сетей 802.11b. Это наиболее широкополосный из семейства стандартов 802.11. Определены три обязательные скорости – 6, 12 и 24 Мбит/с и пять необязательных – 9, 18, 36, 48 и 54 Мбит/с. В качестве метода модуляции сигнала принято ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM). Его наиболее существенное отличие от методов DSSS заключается в том, что OFDM предполагает параллельную передачу полезного сигнала одновременно по нескольким частотам диапазона, в то время как технологии расширения спектра передают сигналы последовательно.
В результате повышается пропускная способность канала и качество сигнала. К недостаткам 802.11а относятся большая потребляемая мощность радиопередатчиков для частот 5 ГГц, а также меньший радиус действия (около 100 м). Кроме того, устройства для 802.11а дороже, но со временем ценовой разрыв между продуктами 802.11b и 802.11a будет уменьшаться.
Стандарт IEEE 802.11g является новым стандартом, регламентирующим метод построения WLAN, функционирующих в нелицензируемом частотном диапазоне 2,4 ГГц. Благодаря применению технологии ортогонального частотного мультиплексирования (OFDM) максимальная скорость передачи данных в беспроводных сетях IEEE 802.11g составляет 54 Мбит/с. Оборудование, поддерживающее стандарт IEEE 802.11g, например точки доступа беспроводных сетей, обеспечивает одновременное подключение к сети беспроводных устройств стандартов IEEE 802.11g и IEEE 802.11b. Стандарт 802.11g представляет собой развитие 802.11b и обратно совместим с 802.11b. Теоретически 802.11g обладает достоинствами двух своих предшественников. В числе преимуществ 802.11g надо отметить низкую потребляемую мощность, большие расстояния (до 300 м) и высокую проникающую способность сигнала.
Спецификация IEEE 802.11d. устанавливает универсальные требования к физическому уровню (процедуры формирования каналов, псевдослучайные последовательности частот и т. д.). Стандарт 802.11d пока находится в стадии разработки.
Спецификация IEEE 802.11e позволит создавать мультисервисные беспроводные сети для корпораций и индивидуальных потребителей.
При сохранении полной совместимости с действующими стандартами 802.11а и b она расширит их функциональность за счет обслуживания потоковых мультимедиа-данных и гарантированного качества услуг. Пока утвержден предварительный вариант спецификаций 802.11е.
Спецификация IEEE 802.11f описывает протокол обмена служебной информацией между точками доступа (Inter-Access Point Protocol, IAPP), что необходимо для построения распределенных беспроводных сетей передачи данных. Находится в стадии разработки.
Спецификация IEEE 802.11h предусматривает возможность дополнения действующих алгоритмами эффективного выбора частот для офисных и уличных беспроводных сетей, а также средствами управления использованием спектра, контроля излучаемой мощности и генерации соответствующих отчетов. Находится в стадии разработки.
Среди изготовителей Wi-Fi оборудования такие известные компании, как Cisco Systems, Intel, Texas Instruments и Proxim.
Таким образом, беспроводные сети весьма перспективны. Несмотря на свои недостатки, главный из которых – незащищенность среды передачи, они обеспечивают простое подключение абонентов, не требующее кабелей, мобильность, гибкость и масштабируемость сети. К тому же, что немаловажно, от пользователей не требуется знания сетевых технологий.
Сеть 100VG-AnyLAN
Сеть 100VG-AnyLAN – это одна из последних разработок высокоскоростных локальных сетей, недавно появившаяся на рынке. Она разработана компаниями Hewlett-Packard и IBM и соответствует международному 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 оборудования наиболее популярной сети Ethernet 10BASE-T), централизованный метод управления обменом без конфликтов, а также совместимость на уровне форматов пакетов с сетями Ethernet и Token-Ring.
В названии сети 100VG-AnyLAN цифра 100 соответствует скорости 100 Мбит/с, буквы VG обозначают дешевую неэкранированную витую пару категории 3 (Voice Grade), а AnyLAN (любая сеть) обозначает то, что сеть совместима с двумя самыми распространенными сетями.
Основные технические характеристики сети 100VG-AnyLAN:
Скорость передачи – 100 Мбит/с.Топология – звезда с возможностью наращивания (дерево). Количество уровней каскадирования концентраторов (хабов) – до 5.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 метров (для UTP кабеля категории 3), 200 метров (для UTP кабеля категории 5 и экранированного кабеля), 2 километра (для оптоволоконного кабеля).
Максимально возможный размер сети – 2 километра (определяется допустимыми задержками).Максимальное количество абонентов – 1024, рекомендуемое – до 250.
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 100VG-AnyLAN для этого требуется мост). В то же время, централизованное управление 100VG-AnyLAN, исключающее конфликты и гарантирующее предельную величину времени доступа (чего не предусмотрено в сети Ethernet), также нельзя сбрасывать со счетов.
Пример структуры сети 100VG-AnyLAN показан на рис. 8.8.
Рис. 8.8. Структура сети 100VG-AnyLAN
Сеть 100VG-AnyLAN состоит из центрального (основного, корневого) 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 и т.д. При этом сеть может иметь не более пяти таких уровней (в первоначальном варианте было не более трех). Максимальный размер сети может составлять 1000 метров для неэкранированной витой пары.
В отличие от неинтеллектуальных концентраторов других сетей (например, Ethernet, Token-Ring, FDDI), концентраторы сети 100VG-AnyLAN – это интеллектуальные контроллеры, которые управляют доступом к сети. Для этого они непрерывно контролируют запросы, поступающие на все порты. Концентраторы принимают 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 активная, но и не пассивная звезда. Полноценными абонентами концентраторы назвать нельзя.
Каждый из концентраторов может быть настроен на работу с форматами пакетов Ethernet или 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. К порту нижнего уровня может также присоединяться другой концентратор.
Каждый порт концентратора может быть установлен в один из двух возможных режимов работы:
Нормальный режим предполагает пересылку абоненту, присоединенному к порту, только 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 100VG-AnyLAN типичен для сетей с топологией звезда и состоит в следующем.
Каждый абонент, желающий передавать, 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.
Величина времени доступа гарантирована. Приоритет у абонентов – географический, то есть определяется номером порта нижнего уровня, к которому подключен абонент. Однако этот простейший алгоритм усложнен в сети 100VG-AnyLAN, так как запросы на передачу 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 (высокоприоритетные) обслуживаются раньше, чем запросы с нормальным приоритетом (низкоприоритетные). 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. Можно сказать, что высокоприоритетные запросы обслуживаются вне очереди, но они образуют свою очередь.
При этом концентратор следит за тем, чтобы не была превышена установленная величина гарантированного времени доступа для низкоприоритетных запросов. Если высокоприоритетных запросов слишком много, то запросы с нормальным приоритетом автоматически переводятся им в ранг высокоприоритетных. Типичная величина времени повышения приоритета равна 200—300 мс (устанавливается при конфигурировании сети). 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 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.
Так, для примера на рис. 8.9 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.
Рис. 8.9. Порядок обслуживания запросов абонентов на различных уровнях сети
При этом проверяется правильность присоединения линий связи и их исправность, а также уровень ошибок: если 24 пакета подряд не проходят без ошибок, то абонент не включается в работу. Одновременно концентратор получает информацию об особенностях абонентов, подключенных к нему, их назначении и сетевых адресах, которые он заносит в таблицу. Запускается данная процедура абонентом при включении питания или после подключения к концентратору, а также автоматически при большом уровне ошибок.
Интересно решена в сети 100VG-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 5В/6В (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 всех 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 манчестерского кода.
При использовании счетверенной витой пары передача по каждой из четырех витых пар производится со скоростью 30 Мбит/с (рис. 8.10).
Суммарная скорость передачи составляет 120 Мбит/с. Однако полезная информация вследствие использования кода 5В/6В передается 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 (полоса пропускания – 16 МГц).
Рис. 8.10. Кодирование информации в сети 100VG-AnyLAN
В сети 100VG-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). Данный режим используется для передачи пакетов.
При полнодуплексном обмене две витые пары (1 и 4) передают в одном направлении, а две другие (2 и 3) – в другом направлении. Этот режим используется для передачи управляющих сигналов.
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 равна 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 комбинациями этих двух тональных сигналов.
В таблице 8.2 приведена расшифровка различных комбинаций этих сигналов, передаваемых абоненту и концентратору.
Когда ни у абонента, ни у концентратора нет информации для передачи, оба они посылают по обеим линиям первый тоновый сигнал (комбинация 1—1).
Если принимаемый концентратором пакет может быть адресован данному абоненту, ему посылается комбинация сигналов 1—2. При этом абонент должен прекратить передачу управляющих сигналов концентратору и освободить эти две линии связи для пересылки информационных пакетов. Такая же комбинация (1—2), полученная концентратором, означает запрос на передачу пакета с нормальным приоритетом. Запрос на передачу пакета с высоким приоритетом передается комбинацией 2—1. Наконец, комбинация 2—2 сообщает как абоненту, так и концентратору о необходимости перейти к процедуре подготовки к связи (Link Training).
| 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 |
Если говорить о наиболее распространенной 100-мегабитной сети Fast Ethernet, то 100VG-AnyLAN обеспечивает вдвое большую длину кабеля UTP категории 5 (до 200 метров), а также бесконфликтный метод управления обменом.
Сеть FDDI
Сеть FDDI (от английского Fiber Distributed Data Interface, оптоволоконный распределенный интерфейс данных) – это одна из новейших разработок стандартов локальных сетей. Стандарт FDDI был предложен Американским национальным институтом стандартов ANSI (спецификация ANSI X3T9.5). Затем был принят стандарт ISO 9314, соответствующий спецификациям ANSI. Уровень стандартизации сети достаточно высок.
В отличие от других стандартных локальных сетей, стандарт FDDI изначально ориентировался на высокую скорость передачи (100 Мбит/с) и на применение наиболее перспективного оптоволоконного кабеля. Поэтому в данном случае разработчики не были стеснены рамками старых 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 большие по размерам сети, охватывающие даже целые города и имеющие при этом все преимущества локальных сетей (в частности, низкий уровень ошибок). Все это определило популярность сети FDDI, хотя она распространена еще не так широко, как Ethernet и Token-Ring.
За основу стандарта FDDI был взят метод маркерного доступа, предусмотренный международным стандартом IEEE 802.5 (Token-Ring). Несущественные отличия от этого стандарта определяются необходимостью обеспечить высокую скорость передачи информации на большие расстояния. Топология сети FDDI – это кольцо, наиболее подходящая топология для оптоволоконного кабеля. В сети применяется два разнонаправленных оптоволоконных кабеля, один из которых обычно находится в резерве, однако такое решение позволяет использовать и полнодуплексную передачу информации (одновременно в двух направлениях) 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 (как в Token-Ring).
Основные технические характеристики сети FDDI.
Максимальное количество абонентов сети – 1000.Максимальная протяженность кольца сети – 20 километров.Максимальное расстояние между абонентами сети – 2 километра.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).
Стандарт FDDI имеет значительные преимущества по сравнению со всеми рассмотренными ранее сетями. Например, сеть Fast Ethernet, имеющая такую же пропускную способность 100 Мбит/с, не может сравниться с FDDI по допустимым размерам сети. К тому же маркерный метод доступа FDDI обеспечивает в отличие от CSMA/CD гарантированное время доступа и отсутствие конфликтов при любом уровне нагрузки.
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 – 200 километров.
Имеется также 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 метров. Стоимость оборудования сети на электрическом кабеле в несколько раз меньше. Но эта версия сети уже не имеет столь очевидных преимуществ перед конкурентами, как изначальная оптоволоконная FDDI. Электрические версии FDDI стандартизованы гораздо хуже оптоволоконных, поэтому совместимость оборудования разных производителей не гарантируется.
| 0000 | 11110 | 1000 | 10010 |
| 0001 | 01001 | 1001 | 10011 |
| 0010 | 10100 | 1010 | 10110 |
| 0011 | 10101 | 1011 | 10111 |
| 0100 | 01010 | 1100 | 11010 |
| 0101 | 01011 | 1101 | 11011 |
| 0110 | 01110 | 1110 | 11100 |
| 0111 | 01111 | 1111 | 11101 |
табл. 8.1), специально разработанный для этого стандарта. Главный принцип кода – избежать длинных последовательностей нулей и единиц. Код 4В/5В 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 манчестерского кода. 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. Таким образом, достигается компромисс между простейшим кодом NRZ и самосинхронизирующимся на каждом бите манчестерским кодом. Дополнительно сигналы кодируются кодом NRZI (в случае TPDDI) и MLT-3 (в случае FDDI).
Стандарт FDDI для достижения высокой гибкости сети предусматривает включение в кольцо абонентов двух типов:
Абоненты (станции) класса А (абоненты двойного подключения, DAS – Dual-Attachment Stations) подключаются к обоим (внутреннему и внешнему) кольцам сети. При этом реализуется возможность обмена со скоростью до 200 Мбит/с или резервирования кабеля сети (при повреждении основного кабеля используется резервный). Аппаратура этого класса применяется в самых критичных с точки зрения быстродействия частях сети.Абоненты (станции) класса В (абоненты одинарного подключения, SAS – Single-Attachment Stations) подключаются только к одному (внешнему) кольцу сети. Они более простые и дешевые, по сравнению с адаптерами 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 работы 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 конфигурации сети FDDI представлен на рис. 8.1. Принцип объединения устройств сети иллюстрируется на рис. 8.2.
Рис. 8.1. Пример конфигурации сети FDDI
FDDI определяет четыре типа портов абонентов (рис. 8.2):
Порт A определен только для устройств двойного подключения, его вход подключается к первичному (внешнему) кольцу, а выход – к вторичному (внутреннему) кольцу.Порт B определен только для устройств двойного подключения, его вход подключается к вторичному (внутреннему) кольцу, а выход – к первичному (внешнему) кольцу. Порт A обычно соединяется с портом B, а порт В – с портом A.Порт M (Master) определен для концентраторов и соединяет два концентратора между собой или концентратор с абонентом при одном кольце. Порт M как правило соединяется с портом S.Порт S (Slave) определен только для устройств одинарного подключения (концентраторов и абонентов).Порт S обычно соединяется с портом M.
Структура портов для абонентов DAS и SAS, а также концентратора DAC видна на рис. 8.2. Концентратор SAC имеет один порт S для включения в одинарное кольцо и несколько портов М для подключения абонентов SAS.
Рис. 8.2. Объединение устройств сети FDDI
Порт S обычно соединяется с портом M.
Структура портов для абонентов DAS и SAS, а также концентратора DAC видна на рис. 8.2. Концентратор SAC имеет один порт S для включения в одинарное кольцо и несколько портов М для подключения абонентов SAS.
Рис. 8.2. Объединение устройств сети FDDI
Стандарт FDDI предусматривает также возможность реконфигурации сети с целью сохранения ее работоспособности в случае повреждения кабеля (рис. 8.3).
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 DAS начинают работать, как абоненты SAS). Это равносильно процедуре сворачивания кольца в сети Token-Ring.
Рис. 8.3. Реконфигурация сети FDDI при повреждении кабеля
Кроме абонентов (станций) и концентраторов в сети FDDI применяются обходные коммутаторы (bypass switch). Обходные коммутаторы включаются между абонентом и кольцом и позволяют отключить абонента от кольца в случае его неисправности. Управляется обходной коммутатор электрическим сигналом от абонента. В зависимости от управляющего сигнала он или включает абонента в кольцо или же исключает его из кольца, замыкая его на самого себя (рис. 8.4).
При использовании обходных коммутаторов необходимо учитывать дополнительные затухания, вносимые ими (около 2,5 дБ на один коммутатор).
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 (подобно тому, как это делается при методе ETR в сети Token-Ring). 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. Таким образом, в сети может быть одновременно несколько пакетов, но только один маркер. Сразу после передачи своего пакета абонент посылает новый маркер.Абонент-получатель, которому адресован пакет, копирует его из сети и, сделав пометку в поле статуса пакета, отправляет его дальше по кольцу.Получив обратно по кольцу свой пакет, абонент уничтожает его. В поле статуса пакета он имеет информацию о том, были ли ошибки, и получил ли пакет приемник.
Рис. 8.4. Включение обходного коммутатора
В сети FDDI не используется система приоритетов и резервирования, как в Token-Ring. Но предусмотрен механизм адаптивного планирования нагрузки.
Каждый абонент ведет свой отсчет времени, сравнивая реальное время обращения маркера по кольцу (TRT – Token-Rotation Time) с заранее установленным контрольным (операционным) временем его прибытия (T_OPR).
Если маркер возвращается раньше, чем установлено T_OPR, то делается вывод о том, что сеть загружена мало, и, следовательно, абонент может передавать всю информацию в асинхронном режиме, то есть независимо от других.
Для этого абонент может использовать весь оставшийся временной интервал (T_OPR –TRT).
Если же маркер возвращается позже, чем установлено T_OPR, то сеть загружена сильно, и абонент может передавать только самую важную информацию в течение того интервала времени, который отводится ему в синхронном режиме.
Величина T_OPR выбирается на этапе инициализации сети всеми абонентами в процессе состязания.
Такой механизм позволяет абонентам гибко реагировать на загрузку сети и автоматически поддерживать ее на оптимальном уровне.
Для правильной работы сети задержка прохождения сигнала по кольцу должна быть ограничена. Так, в случае максимальной длины кольца 200 км и максимальном количестве абонентов 1000 полное время задержки не должно превышать 1,617 мс.
Форматы маркера (рис. 8.5) и пакета (рис. 8.6) сети FDDI несколько отличаются от форматов, используемых в сети Token-Ring.
Рис. 8.5. Формат маркера FDDI
Рис. 8.6. Формат пакета FDDI
Назначение полей:
Преамбула (Preamble) используется для синхронизации. Первоначально она содержит 64 бита, но абоненты, через которых проходит пакет, могут менять ее размер.Начальный разделитель (SD— Start Delimiter) выполняет функцию признака начала кадра.Байт управления (FC – Frame Control) содержит информацию о пакете (размер поля адреса, синхронная/асинхронная передача, тип пакета – служебный или информационный, код команды).Адреса приемника и источника (SA – Source Address и DA – Destination Address) могут быть 6-байтовыми (аналогично Ethernet и Token-Ring) или 2-байтовыми.Поле данных (Info) имеет переменную длину (от 0 до 4478 байт).
В служебных (командных) пакетах поле данных обладает нулевой длиной.Поле контрольной суммы (FCS – Frame Check Sequence) содержит 32-битную циклическую контрольную сумму пакета (CRC).Конечный разделитель (ED – End Delimiter) определяет конец кадра.Байт состояния пакета (FS – Frame Status) включает в себя бит обнаружения ошибки, бит распознавания адреса и бит копирования (аналогично Token-Ring).
Формат байта управления сети FDDI (рис. 8.7):
Бит класса пакета определяет тип пакета: синхронный или асинхронный.Бит длины адреса устанавливает, какой адрес (6-байтовый или 2-байтовый) используется в данном пакете.Поле типа пакета (два бита) определяет, управляющий это пакет или информационный.Поле кода команды (четыре бита) указывает на то, какую команду должен выполнить приемник (если это управляющий пакет).
Рис. 8.7. Формат байта управления
В заключение следует отметить, что несмотря на очевидные преимущества FDDI данная сеть не получила широкого распространения, что связано главным образом с высокой стоимостью ее аппаратуры (порядка нескольких сот и даже тысяч долларов). Основная область применения FDDI сейчас – это базовые, опорные (Backbone) сети, объединяющие несколько сетей. Применяется FDDI также 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 уменьшиться с ростом объема ее выпуска.
Сверхвысокоскоростные сети
Быстродействие сети Fast Ethernet и 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 в тех ситуациях, 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) в последние годы ведутся довольно интенсивно несколькими компаниями. 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 версия Fast Ethernet сегодня 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. Безусловно, 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 достаточно просто соединять сегменты Ethernet, Fast Ethernet и Gigabit Ethernet в 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 большим 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 их размеры. Не требуется никакого преобразования протоколов в местах соединения с сегментами Ethernet и Fast Ethernet. 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 становятся все более явными. Так, 64-разрядная системная магистраль PCI, уже фактический стандарт, вполне достигает требуемой для такой сети скорости передачи данных.
Работы по созданию сети Gigabit Ethernet ведутся с 1995 года. В 1998 году принят стандарт, получивший наименование IEEE 802.3z (1000BASE-SX, 1000BASE-LX и 1000BASE-CX). Разработкой занимается специально созданный альянс (Gigabit Ethernet Alliance), в который, в частности, входит такая известная компания, занимающаяся сетевой аппаратурой, как 3Com.
В 1999 году принят стандарт IEEE 802.3ab (1000BASE-T).
Номенклатура сегментов сети Gigabit Ethernet в настоящее время включает в себя следующие типы:
1000BASE-SX – сегмент на мультимодовом оптоволоконном кабеле с длиной волны светового сигнала 850 нм (длиной до 500 метров). Используются лазерные передатчики.1000BASE-LX – сегмент на мультимодовом (длиной до 500 метров) и одномодовом (длиной до 2000 метров) оптоволоконном кабеле с длиной волны светового сигнала 1300 нм. Используются лазерные передатчики. 1000BASE-CX – сегмент на экранированной витой паре (длиной до 25 метров).1000BASE-T (стандарт IEEE 802.3ab) – сегмент на счетверенной неэкранированной витой паре категории 5 (длиной до 100 метров). Используется 5-уровневое кодирование (PAM-5), причем в полнодуплексном режиме передача ведется по каждой паре в двух направлениях.
Специально для сети Gigabit Ethernet предложен метод кодирования передаваемой информации 8В/10В, построенный по тому же принципу, что и код 4В/5В сети FDDI (кроме 1000BASE-T). Таким образом, восьми битам информации, которую нужно передать, ставится в соответствие 10 бит, передаваемых по сети. Этот код позволяет сохранить самосинхронизацию, легко обнаруживать несущую (факт передачи), но не требует удвоения полосы пропускания, как в случае манчестерского кода.
Для увеличения 512-битного интервала сети Ethernet, соответствующего минимальной длине пакета, (51,2 мкс 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. Поле расширения вставляется в пакет после поля контрольной суммы. Это требует дополнительной обработки пакетов, но зато максимально допустимый размер сети становится в 8 раз больше, чем без принятия таких мер.
Кроме того, в Gigabit Ethernet предусмотрена возможность блочного режима передачи пакетов (frame bursting). При этом абонент, получивший право передавать и имеющий для передачи несколько пакетов, может передать не один, а несколько пакетов, последовательно, причем адресованных разным абонентам-получателям. Дополнительные передаваемые пакеты могут быть только короткими, а суммарная длина всех пакетов блока не должна превышать 8192 байта. Такое решение позволяет снизить количество захватов сети и уменьшить число коллизий. При использовании блочного режима расширяется до 512 байт только первый пакет блока для того, чтобы проверить, нет ли в сети коллизий. Остальные пакеты до 512 байт могут не расширяться.
Передача в сети Gigabit Ethernet производится как в полудуплексном режиме (с сохранением метода доступа CSMA/CD), так и в более быстром полнодуплексном режиме (аналогично предшествующей сети Fast Ethernet). Ожидается, что полнодуплексный режим, не налагающий ограничений на длину сети (кроме ограничений в связи с затуханием сигнала в кабеле) и обеспечивающий отсутствие конфликтов, станет в будущем основным для Gigabit Ethernet.
Подробнее о полнодуплексном режиме будет рассказано в главе 9.
Рис. 8.11. Использование сети Gigabit Ethernet для соединения групп компьютеров
Рис. 8.12. Использование сети Gigabit Ethernet для подключения быстродействующих серверов
Сеть Gigabit Ethernet, прежде всего, находит применение в сетях, объединяющих компьютеры крупных предприятий, которые располагаются в нескольких зданиях. Она позволяет с помощью соответствующих коммутаторов, преобразующих скорости передачи, обеспечить каналы связи с высокой пропускной способностью между отдельными частями сложной сети (рис. 8.11) или линии связи коммутаторов со сверхбыстродействующими серверами (рис. 8.12).
Вероятно, в ряде случаев Gigabit Ethernet будет вытеснять оптоволоконную сеть FDDI, которая в настоящее время все чаще используется для объединения в сеть нескольких локальных сетей, в том числе, и Ethernet. Правда, FDDI может связывать абонентов, находящихся гораздо дальше друг от друга, но по скорости передачи информации Gigabit Ethernet существенно превосходит FDDI.
Но даже сеть Gigabit Ethernet не может решить некоторых задач. Уже предлагается и 10-гигабитная версия Ethernet, называемая 10Gigabit Ethernet (стандарт IEEE 802.3ae, принятый в 2002 году). Она принципиально отличается от предыдущих версий. В качестве среды передачи используется исключительно оптоволоконный кабель. Электрический кабель может иногда применяться только для связи на короткие расстояния (порядка 10 метров).
Режим обмена – полнодуплексный. Формат пакета Ethernet прежний. Это, наверное, единственное, что остается от изначального стандарта Ethernet (IEEE 802.3).
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 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. 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 неэкранированной витой пары. Используемые коды – 4В/5В и 8В/10В.
Принципиальное отличие ATM от остальных сетей состоит в отказе от привычных пакетов с полями адресации, управления и данных. Вся передаваемая информация упакована в микропакеты (ячейки, cells) длиной 53 байта. Каждая ячейка имеет 5-байтовый заголовок, который позволяет интеллектуальным распределительным устройствам сортировать ячейки и следить за тем, чтобы они передавались в нужной последовательности. Каждая ячейка имеет 48 байт информации. Их минимальный размер позволяет осуществлять коррекцию ошибок и маршрутизацию на аппаратном уровне.
Он же обеспечивает равномерность всех информационных потоков сети и минимальное время ожидания доступа к сети.
Заголовок включает в себя идентификаторы пути, канала доставки, типа информации, указатель приоритета доставки, а также контрольную сумму заголовка, позволяющую определить наличие ошибок передачи.
Главный недостаток сетей с технологией ATM состоит в их полной несовместимости ни с одной из имеющихся сетей. Плавный переход на АТМ 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. Тем более что задач по передаче изображений по компьютерным сетям становится все больше и больше.
Технология АТМ еще в недалеком прошлом считалась перспективной и универсальной, способной потеснить привычные локальные сети. Однако в настоящий момент вследствие успешного развития традиционных локальных сетей применение АТМ ограничено только глобальными и магистральными сетями.
