Компьютерные сети делятся на три основных класса:
1. Локальные компьютерные сети (LAN – LocalAreaNetwork) – это сети, которые объединяют между собой компьютеры, находящиеся географически в одном месте. В локальную сеть объединяют компьютеры, расположенные физически близко друг от друга (в одном помещении или одном здании).
2. Региональные компьютерные сети (MAN – MetropolitanAreaNetwork) – это сети, которые объединяют между собой несколько локальных компьютерных сетей, расположенных в пределах одной территории (города, области или региона, например, Дальнего Востока).
3. Глобальные вычислительные сети (WAN – WideAreaNetwork) – это сети, которые объединяют множество локальных, региональных сетей и
компьютеров отдельных пользователей, расположенные на любом расстоянии друг от друга (Internet, FIDO).
На настоящий момент используются следующие стандарты построения локальных вычислительных сетей:
Arcnet;(IEEE 802.4)
Token Ring;(802,5)
Ethernet.(802,3)
Рассмотрим каждую из них подробнее
ТехнологияIEEE 802.4 ARCNET (или ARCnet, от англ. Attached Resource Computer NETwork) - технология ЛВС, назначение которой аналогично назначению Ethernet или Token ring. ARCNET являлась первой технологией для создания сетей микрокомпьютеров и стала очень популярной в 1980-х при автоматизации учрежденческой деятельности. Предназначена для организации ЛВС в сетевой топологии «звезда».
Основу коммуникационного оборудования составляет:
коммутатор (switch)
пассивный/активный концентратор
Преимущество имеет коммутаторное оборудование, так как позволяет формировать сетевые домены. Активные хабы применяются при большом удалении рабочей станции (они восстанавливают форму сигнала и усиливают его). Пассивные - при маленьком. В сети применяется назначаемый принцип доступа рабочих станций, то есть право на передачу имеет станция, получившая от сервера так называемый программный маркер. То есть реализуется детерминированный сетевой трафик.
Преимущества подхода:
Замечания : сообщения, передаваемые рабочими станциями образуют очередь на сервере. Если время обслуживания очереди значительно (более, чем в 2 раза) превышает максимальное время доставки пакета между двумя самыми удалёнными станциями, то считается, что пропускная способность сети достигла максимального предела. В этом случае дальнейшее наращивание сети невозможно и требуется установка второго сервера.
Предельные технические характеристики:
Минимальное расстояние между рабочими станциями, подключенными к одному кабелю - 0,9 м.
Максимальная длина сети по самому длинному маршруту - 6 км.
Ограничения связаны с аппаратной задержкой передачи информации при большом количестве коммутирующих элементов.
Максимальное расстояние между пассивным концентратором и рабочей станцией - 30 м.
Максимальное расстояние между активным и пассивным хабом - 30 м.
Между активным хабом и активным хабом - 600 м.
Достоинства:
Низкая стоимость сетевого оборудования и возможность создания протяжённых сетей.
Недостатки:
Невысокая скорость передачи данных. После распространения Ethernet в качестве технологии для создания ЛВС, ARCNET нашла применение во встраиваемых системах.
Поддержкой технологии ARCNET (в частности распространением спецификаций) занимается некоммерческая организация ARCNET Trade Association (ATA).
Технология - Архитектура ArcNET представлена двумя основными топологиями: шинная и звездная. В качестве среды передачи используется коаксиальный кабель RG-62 с волновым сопротивлением 93 Ом, обжатый на BNC вилки с соответствующим диаметром заделки (отличаются от вилок 10Base-2 («тонкий» Ethernet)).
Сетевое оборудование состоит из сетевых адаптеров и хабов. Сетевые адаптеры могут быть для шинной топологии, для звездной и универсальные. Хабы могут быть активными и пассивными. Пассивные хабы применяются для создания звездных участков сети. Активные хабы могут быть для шинной, звездной и смешанной топологии. Порты для шинной топологии физически не совместимы с портами для звездной топологии, хоть и имеют одинаковое физическое подключение (BNC розетка).
В случае шинной топологии, рабочие станции и серверы подключаются друг к другу с помощью T-коннекторов (таких же, как в 10Base-2 («тонкий» Ethernet)), подключенных к сетевым адаптерам и хабам и соединенных коаксиальным кабелем. Крайние точки сегмента терминируются наконечниками с сопротивлением 93 Ом. Количество устройств на одной шине ограничено. Минимальное расстояние между коннекторами - 0,9 метра и должно быть кратно этой величине. Для облегчения разделки, на кабель могут быть нанесены метки. Отдельные шины могут быть объединены с помощью шинных хабов.
При использовании звездной топологии применяются активные и пассивные хабы. Пассивный хаб представляет собой резистивный делитель-согласователь, позволяющий подключить четыре кабеля. Все кабели в этом
случае подключаются по принципу «точка-точка», без образования шин. Между двумя активными устройствами не должно быть подключено больше двух пассивных хабов. Минимальная длина любого сетевого кабеля - 0.9 метра и должна быть кратна этой величине. Существует ограничение длины кабеля между активным и пассивным портами, между двумя пассивными, между двумя активными.
При смешанной топологии применяются активные хабы, поддерживающие оба типа подключения.
На сетевых адаптерах рабочих станций и серверов с помощью джамперов или DIP-переключателей выставляется уникальный сетевой адрес, разрешение использования микросхемы расширения BIOS, позволяющего осуществить удаленную загрузку рабочей станции (может быть бездисковой), тип подключения (шинная или звездная топология), подключение встроенного терминатора (последние два пункта - опционально). Ограничение на количество рабочих станций - 255 (по разрядности регистра сетевого адреса). В случае, если два устройства имеют одинаковый сетевой адрес, оба теряют работоспособность, но на работу сети в целом эта коллизия не влияет.
При шинной топологии обрыв кабеля или терминатора приводит к неработоспособности сети для всех устройств, подключенных к сегменту, в который входит этот кабель(то есть от терминатора до терминатора). При звёздной топологии обрыв любого кабеля приводит к отказу того сегмента, который отключается этим кабелем от файл-сервера.
Логическая архитектура ArcNET - кольцо с маркерным доступом. Поскольку такая архитектура в принципе не допускает коллизий, при относительно большом количестве хостов (на практике испытывалось 25-30 рабочих станций) производительность сети ArcNET оказывалась выше, чем 10Base-2, при вчетверо меньшей скорости в среде (2,5 против 10 Mбит/с).
Технология 802,5 Token Ring - технология локальной вычислительной сети (LAN) кольца с «маркёрным доступом» - протокол локальной сети, который находится на канальном уровне(DLL) модели OSI. Он использует специальный трёхбайтовый фрейм, названный маркёром, который перемещается вокруг кольца. Владение маркёром предоставляет право обладателю передавать информацию на носителе. Кадры кольцевой сети с маркёрным доступом перемещаются в цикле.Станции на локальной вычислительной сети (LAN) Token ring логически организованы в кольцевую топологию с данными, передаваемыми последовательно от одной кольцевой станции до другой с управляющим маркером, циркулирующим вокруг кольцевого доступа управления. Этот механизм передачи маркёра совместно использован ARCNET, маркёрной шиной, и FDDI, и имеет теоретические преимущества перед стохастическим CSMA/CD Ethernet.
Передача маркёра Token Ring и IEEE 802.5 являются главными примерами сетей с передачей маркёра. Сети с передачей маркёра перемещают вдоль сети небольшой блок данных, называемый маркёром. Владение этим маркёром гарантирует право передачи. Если узел, принимающий маркёр, не имеет информации для отправки, он просто переправляет маркёр к следующей конечной станции. Каждая станция может удерживать маркёр в течение определенного максимального времени (по умолчанию - 10 мс).
Данная технология предлагает вариант решения проблемы коллизий, которая возникает при работе локальной сети. В технологии Ethernet, такие коллизии возникают при одновременной передаче информации несколькими рабочими станциями, находящимися в пределах одного сегмента, то есть использующих общий физический канал данных.
Если у станции, владеющей маркёром, имеется информация для передачи, она захватывает маркёр, изменяет у него один бит (в результате чего маркёр превращается в последовательность «начало блока данных»), дополняет информацией, которую он хочет передать и отсылает эту информацию к следующей станции кольцевой сети. Когда информационный блок циркулирует по кольцу, маркёр в сети отсутствует (если только кольцо не обеспечивает «раннего освобождения маркёра» - early token release), поэтому другие станции, желающие передать информацию, вынуждены ожидать. Следовательно, в сетях Token Ring не может быть коллизий. Если обеспечивается раннее высвобождение маркёра, то новый маркёр может быть выпущен после завершения передачи блока данных.
Информационный блок циркулирует по кольцу, пока не достигнет предполагаемой станции назначения, которая копирует информацию для дальнейшей обработки. Информационный блок продолжает циркулировать по кольцу; он окончательно удаляется после достижения станции, отославшей этот блок. Станция отправки может проверить вернувшийся блок, чтобы убедиться, что он был просмотрен и затем скопирован станцией назначения.
Сфера применения В отличие от сетей CSMA/CD (например, Ethernet) сети с передачей маркёра являются детерминистическими сетями. Это означает, что можно вычислить максимальное время, которое пройдет, прежде чем любая конечная станция сможет передавать. Эта характеристика, а также некоторые характеристики надежности, делают сеть Token Ring идеальной для применений, где задержка должна быть предсказуема и важна устойчивость функционирования сети. Примерами таких применений является среда автоматизированных станций на заводах.
Применяется как более дешёвая технология, получила распространение везде, где есть ответственные приложения, для которых важна не столько скорость, сколько надёжная доставка информации. В настоящее время Ethernet по надёжности не уступает Token Ring и существенно выше по производительности.
Модификации Token RingСуществуют 2 модификации по скоростям передачи: 4 Мбит/с и 16 Мбит/с. В Token Ring 16 Мбит/с используется
технология раннего освобождения маркера. Суть этой технологии заключается в том, что станция, «захватившая» маркёр, по окончании передачи данных генерирует свободный маркёр и запускает его в сеть. Попытки внедрить 100 Мбит/с технологию не увенчались коммерческим успехом. В настоящее время технология Token Ring не поддерживается.
Технология 802,3 Ethernet от англ. ether «эфир») - пакетная технология передачи данных преимущественно локальных компьютерных сетей.
Стандарты Ethernet определяют проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат кадров и протоколы управления доступом к среде - на канальном уровне модели OSI. Ethernet в основном описывается стандартамиIEEE группы 802.3. Ethernet стал самой распространённой технологией ЛВС в середине 90-х годов прошлого века, вытеснив такие устаревшие технологии, как Arcnet, FDDI и Token ring.
На выполнение работ по созданию локальной сети нужно учитывать следующее:
* Создание локальной сети и настройка оборудования для доступа к сети Интернет;
* Выбор оборудования должен быть основан на технических характеристиках, способных удовлетворить требованиям к скорости передачи данных;
* Оборудование должно быть безопасно, защищено от поражения людей электрическим током;
* У каждой рабочей станции, для подключения к сети должен быть сетевой кабель;
* Возможное наличие wi-fi по всему кабинету;
* Расположение рабочих мест должно удовлетворять требования стандартов размещения оборудования в учебных заведениях;
* Затраты на создание локальной сети должны быть экономически оправданы;
* Надежность локальной сети.
Что это такое - сетевая технология? Зачем она нужна? Для чего используется? Ответы на эти, а также на ряд других вопросов и будут даны в рамках данной статьи.
Несколько важных параметров
- Скорость передачи данных. От этой характеристики зависит, какое же количество информации (измеряется в большинстве случаев в битах) может быть передано через сеть за определённый промежуток времени.
- Формат кадров. Информация, которая передаётся через сеть, объединяется в пакеты информации. Они и называются кадрами.
- Тип кодирования сигналов. В данном случае решается, как же зашифровать информацию в электрических импульсах.
- Среда передачи. Такое обозначение используется для материала, как правило, это кабель, по которому и осуществляется проход потока информации, что в последующем и выводится на экраны мониторов.
- Топология сети. Это схематическое построение конструкции, по которой осуществляется передача информации. Используются, как правило, шина, звезда и кольцо.
- Метод доступа.
Набор всех этих параметров и определяет сетевую технологию, чем она является, какие приспособления использует и характеристики имеет. Как можете догадаться, их существует великое множество.
Общая информация
Но что же собой представляет сетевая технология? Ведь определение этому понятию так и не было дано! Итак, сетевая технология - это согласованный набор стандартных протоколов и программно-аппаратных средств, которые их реализовывают в объеме, достаточном для построения локальной вычислительной сети. Это определяет, как же будет получен доступ к среде передачи данных. В качестве альтернативы можно ещё встретить название «базовые технологии». Рассмотреть их все в рамках статьи не представляется возможным из-за большого количества, поэтому внимание будет уделено самым популярным: Ethernet, Token-Ring, ArcNet и FDDI. Что же они собой представляют?
Ethernet
На данный момент это самая популярная во всём мире сетевая технология. Если подведёт кабель, то вероятность того, что используется именно она, близка к ста процентам. Ethernet можно смело зачислять в наилучшие сетевые информационные технологии, что обусловлено низкой стоимостью, большой скоростью и качеством связи. Наиболее известным является тип IEEE802.3/Ethernet. Но на его основе было разработано два очень интересных варианта. Первый (IEEE802.3u/Fast Ethernet) позволяет обеспечить скорость передачи в 100 Мбит/секунду. У этого варианта существует три модификации. Разнятся они между собой по использованному материалу для кабеля, длине активного сегмента и конкретным рамкам диапазона передачи. Но колебания происходят в стиле «плюс-минус 100 Мбит/секунду». Другой вариант - это IEEE802.3z/Gigabit Ethernet. У него передающая способность равна 1000 Мбит/с. У этой вариации существует четыре модификации.
Token-Ring
Сетевые информационные технологии данного типа используются для создания разделяемой среды передачи данных, которая в конечном итоге образуется как объединение всех узлов в одно кольцо. Строится данная технология на звездно-кольцевой топологии. Первая идёт как основная, а вторая - дополнительная. Чтобы получить доступ к сети, применяется маркерный метод. Максимальная длина кольца может составлять 4 тысячи метров, а количество узлов - 260 штук. Скорость передачи данных при этом не превышает 16 Мбит/секунду.
ArcNet
Этот вариант использует топологию «шина» и «пассивная звезда». При этом он может строиться на неэкранированной витой паре и оптоволоконном кабеле. ArcNet - это настоящий старожил в мире сетевых технологий. Длина сети может достигать 6000 метров, а максимальное количество абонентов - 255. При этом следует отметить основной недостаток этого подхода - его низкую скорость передачи данных, которая составляет только 2,5 Мбита/секунду. Но эта сетевая технология всё ещё широко используется. Это происходит благодаря ее высокой надежности, низкой стоимости адаптеров и гибкости. Сети и сетевые технологии, построенные по другим принципам, возможно, и обладают более высокими показателями скорости, но именно из-за того, что ArcNet обеспечивает высокую доходимость данных, это позволяет нам не скидывать её со счетов. Важным преимуществом данного варианта является то, что используется метод доступа посредством передачи полномочий.
FDDI
Сетевые компьютерные технологии данного вида являются стандартизированными спецификациями архитектуры высокоскоростной передачи данных, использующей оптоволоконные линии. На FDDI значительным образом повлияли ArcNet и Token-Ring. Поэтому эту сетевую технологию можно рассматривать как усовершенствованный механизм передачи данных на основании имеющихся наработок. Кольцо этой сети может достигать в длину сто километров. Несмотря на значительное расстояние, максимальное количество абонентов, которые могут подключиться к ней, составляет только 500 узлов. Следует отметить, что FDDI считается высоконадежной благодаря наличию основного и резервного путей передачи данных. Добавляет ей популярность и возможность быстро передавать данные - примерно 100 Мбит/секунду.
Технический аспект
Рассмотрев, что собой представляют основы сетевых технологий, что используются, сейчас давайте уделим внимание тому, как же всё устроено. Первоначально следует отметить, что рассмотренные ранее варианты - это исключительно локальные средства соединения электронно-вычислительных машин. Но есть и глобальные сети. Всего их в мире около двух сотен. Как же работают современные сетевые технологии? Для этого давайте рассмотрим действующий принцип построения. Итак, есть ЭВМ, которые объединены в одну сеть. Условно они делятся на абонентские (основные) и вспомогательные. Первые занимаются всеми информационно-вычислительными работами. От них же зависит то, каковы будут ресурсы сети. Вспомогательные занимаются преобразованием информации и её передачей по каналам связи. Из-за того что им приходится обрабатывать значительное количество данных, серверы могут похвастаться повышенной мощностью. Но конечным получателем любой информации всё же являются обычные хост-ЭВМ, которые чаще всего представлены персональными компьютерами. Сетевые информационные технологии могут использовать такие типы серверов:
- Сетевой. Занимается передачей информации.
- Терминальный. Обеспечивает функционирование многопользовательской системы.
- Баз данных. Занимается обработкой запросов к БД в многопользовательских системах.
Сети коммутации каналов
Они создаются благодаря физическому соединению клиентов на то время, когда будут передаваться сообщения. Как это выглядит на практике? В таких случаях для отправки и получения информации от точки А до точки Б создаётся прямое соединение. Оно включает в себя каналы одного из множества (как правило) вариантов доставки сообщения. И созданное соединение для успешной передачи должно быть неизменным в течение всего сеанса. Но в таком случае проявляются довольно сильные недостатки. Так, приходится относительно долго ожидать соединения. Это сопровождается высокой стоимостью передачи данных и низким коэффициентом использования канала. Поэтому использование сетевых технологий данного типа не распространено.
Сети коммутации сообщений
В этом случае вся информация передаётся небольшими порциями. Прямое соединение в таких случаях не устанавливается. Передача данных осуществляется по первому же свободному из доступных каналов. И так до тех пор, пока сообщение не будет передано своему адресату. Сервера при этом постоянно занимаются приёмом информации, её сбором, проверкой и установлением маршрута. И в последующем сообщение передаётся далее. Из преимуществ необходимо отметить низкую цену передачи. Но в таком случае всё ещё существуют такие проблемы, как низкая скорость и невозможность осуществления диалога между ЭВМ в режиме реального времени.
Сети коммутации пакетов
Это самый совершенный и популярный на сегодняшний день способ. Развитие сетевых технологий привело к тому, что сейчас обмен информацией осуществляется посредством коротких пакетов информации фиксированной структуры. Что же они собой представляют? Пакеты - это части сообщений, что удовлетворяют определённому стандарту. Небольшая их длина позволяет предотвратить блокировку сети. Благодаря этому уменьшается очередь в узлах коммутации. Осуществляется быстрое соединение, поддерживается невысокий уровень ошибок, а также достигнуты значительные высоты в плане увеличения надежности и эффективности сети. Следует отметить и то, что существуют различные конфигурации этого подхода к построению. Так, если сеть обеспечивает коммутацию сообщений, пакетов и каналов, то она называется интегральной, то есть можно провести её декомпозицию. Часть ресурсов при этом может использоваться монопольно. Так, некоторые каналы могут применяться для того, чтобы передавать прямые сообщения. Они создаются на время передачи данных между разными сетями. Когда сеанс отправки информации заканчивается, то они распадаются на независимые магистральные каналы. При использовании пакетной технологии важным является настройка и согласование большого количества клиентов, линий связи, серверов и целого ряда иных устройств. В этом помогает установление правил, которые известны как протоколы. Они являются частью используемой сетевой операционной системы и реализуются на аппаратном и программном уровнях.
Сетевые технологии локальных сетей
В локальных сетях, как правило, используется разделяемая среда передачи данных (моноканал) и основная роль отводится протоколами физического и канального уровней, так как эти уровни в наибольшей степени отражают специфику локальных сетей.
Сетевая технология – это согласованный набор стандартных протоколов и реализующих их программно-аппаратных средств, достаточный для построения вычислительной сети. Сетевые технологии называют базовыми технологиями или сетевыми архитектурами.
Сетевая архитектура определяет топологию и метод доступа к среде передачи данных, кабельную систему или среду передачи данных, формат сетевых кадров тип кодирования сигналов, скорость передачи. В современных вычислительных сетях широкое распространение получили такие технологии или сетевые архитектуры, как: Ethernet, Token-Ring, ArcNet, FDDI.
Сетевые технологии IEEE802.3/Ethernet
В настоящее время эта архитектура наиболее популярна в мире. Популярность обеспечивается простыми, надежными и недорогими технологиями. В классической сети Ethernet применяется стандартный коаксиальный кабель двух видов (толстый и тонкий).
Однако все большее распространение получила версия Ethernet, использующая в качестве среды передачи витые пары, так как монтаж и обслуживание их гораздо проще. В сетях Ethernet применяются топологии типа “шина” и типа “пассивная звезда”, а метод доступа CSMA/CD.
Стандарт IEEE802.3 в зависимости от типа среды передачи данных имеет модификации:
10BASE5 (толстый коаксиальный кабель) - обеспечивает скорость передачи данных 10 Мбит/с и длину сегмента до 500м;
10BASE2 (тонкий коаксиальный кабель) - обеспечивает скорость передачи данных 10 Мбит/с и длину сегмента до 200м;;
10BASE-T (неэкранированная витая пара) - позволяет создавать сеть по звездной топологии. Расстояние от концентратора до конечного узла до 100м. Общее количество узлов не должно превышать 1024;
10BASE-F (оптоволоконный кабель) - позволяет создавать сеть по звездной топологии. Расстояние от концентратора до конечного узла до 2000м.
В развитие технологии Ethernet созданы высокоскоростные варианты: IEEE802.3u/Fast Ethernet и IEEE802.3z/Gigabit Ethernet. Основная топология, которая используется в сетях Fast Ethernet и Gigabit Ethernet, пассивная звезда.
Сетевая технология Fast Ethernet обеспечивает скорость передачи 100 Мбит/с и имеет три модификации:
100BASE-T4 - используется неэкранированная витая пара (счетверенная витая пара). Расстояние от концентратора до конечного узла до 100м;
100BASE-TX - используются две витые пары (неэкранированная и экранированная). Расстояние от концентратора до конечного узла до 100м;
100BASE-FX - используется оптоволоконный кабель (два волокна в кабеле). Расстояние от концентратора до конечного узла до 2000м; .
Gigabit Ethernet – обеспечивает скорость передачи 1000 Мбит/с. Существуют следующие модификации стандарта:
1000BASE-SX – применяется оптоволоконный кабель с длиной волны светового сигнала 850 нм.
1000BASE-LX – используется оптоволоконный кабель с длиной волны светового сигнала 1300 нм.
1000BASE-CX – используется экранированная витая пара.
1000BASE-T – применяется счетверенная неэкранированная витая пара.
Сети Fast Ethernet и Gigabit Ethernet совместимы с сетями, выполненными по стандарту Ethernet, поэтому легко и просто соединять сегменты Ethernet, Fast Ethernet и Gigabit Ethernet в единую вычислительную сеть.
Единственным недостатком данной сети является отсутствие гарантии времени доступа к среде (и механизмов, обеспечивающих приоритетное обслуживание), что делает сеть малоперспективной для решения технологических задач реального времени. Определенные проблемы иногда создает ограничение на максимальное поле данных, равное ~1500 байт.
Для разного быстродействия Ethernet используются разные схемы кодирования, но алгоритм доступа и формат кадра остается неизменным, что гарантирует программную совместимость.
Кадр Ethernet имеет формат, показанный на рис..
Формат кадра сетей Ethernet (цифры в верхней части рисунка показывают размер поля в байтах)
Поле преамбула содержит 7 байт 0хАА и служит для стабилизации и синхронизации среды (чередующиеся сигналы CD1 и CD0 при завершающем CD0), далее следует поле SFD (start frame delimiter = 0xab), которое предназначено для выявления начала кадра. Поле EFD (end frame delimiter) задает конец кадра. Поле контрольной суммы (CRC - cyclic redundancy check), также как и преамбула, SFD и EFD, формируются и контролируются на аппаратном уровне. В некоторых модификациях протокола поле efd не используется. Пользователю доступны поля, начиная с адреса получателя и кончая полем информация , включительно. После crc следует межпакетная пауза (IPG - interpacket gap - межпакетный интервал) длиной 9,6 мксек или более. Максимальный размер кадра равен 1518 байт (сюда не включены поля преамбулы, SFD и EFD). Интерфейс просматривает все пакеты, следующие по кабельному сегменту, к которому он подключен, ведь определить, корректен ли принятый пакет и кому он адресован, можно лишь приняв его целиком. Корректность пакета по CRC, по длине и кратности целому числу байт производится после проверки адреса места назначения.
При подключении ЭВМ к сети непосредственно с помощью переключателя ограничение на минимальную длину кадра теоретически снимается. Но работа с более короткими кадрами в этом случае станет возможной лишь при замене сетевого интерфейса на нестандартный (причем, как у отправителя, так и получателя)!
Если в поле кадра протокол/тип записан код менее 1500, то это поле характеризует длину кадра. В противном случае - это код протокола, пакет которого инкапсулирован в кадр Ethernet.
Доступ к каналу Ethernet базируется на алгоритме CSMA/CD (carrier sense multiple access with collision detection). В Ethernet любая станция, подключенная к сети, может попытаться начать передачу пакета (кадра), если кабельный сегмент, к которому она подключена, свободен. Свободен ли сегмент, интерфейс определяет по отсутствию "несущей" в течение 9,6 мксек. Так как первый бит пакета достигает остальных станций сети не одновременно, может случиться, что попытку передачи совершат две или более станций, тем более что задержки в повторителях и кабелях могут достигать достаточно больших величин. Такие совпадения попыток называются столкновениями. Столкновение (коллизия) распознается по наличию в канале сигнала, уровень которого соответствует работе двух или более трансиверов одновременно. При обнаружении столкновения станция прерывает передачу. Возобновление попытки может быть произведено после выдержки (кратной 51,2 мксек, но не превосходящей 52 мсек), значения которой является псевдослучайной величиной и вычисляется каждой станцией независимо (t= RAND(0,2 min(n,10)), где n - содержимое счетчика попыток, а число 10 - backofflimit).
Обычно после столкновения время разбивается на ряд дискретных доменов с длиной равной удвоенному времени распространения пакета в сегменте (RTT). Для максимально возможного RTT это время равно 512 бит-тактам. После первого столкновения каждая станция ждет 0 или 2 временного домена, прежде чем совершить еще одну попытку. После второго столкновения каждая из станций может выждать 0, 1, 2 или 3 временного домена и т.д.. После n-ого столкновения случайное число лежит в пределах 0 - (2 n - 1). После 10 столкновений максимальное значение случайной выдержки перестает расти и остается на уровне 1023.
Таким образом, чем длиннее кабельный сегмент, тем больше среднее время доступа.
После выдержки станция увеличивает на единицу счетчик попыток и начинает очередную передачу. Предельное число попыток по умолчанию равно 16, если число попыток исчерпано, связь прерывается и выдается соответствующее сообщение. Передаваемый длинный кадр способствует "синхронизации" начала передачи пакетов несколькими станциями. Ведь за время передачи с заметной вероятностью может возникнуть необходимость передачи у двух и более станций. В момент, когда они обнаружат завершение пакета, будут включены таймеры IPG. К счастью информация о завершении передачи пакета доходит до станций сегмента не одновременно. Но задержки, с которыми это связано, являются также причиной того, что факт начала передачи нового пакета одной из станций не становится известным немедленно. При вовлечении в столкновение нескольких станций они могут уведомить остальные станции об этом, послав сигнал "затора" (jam - не менее 32 бит). Содержимое этих 32 бит не регламентируется. Такая схема делает менее вероятным повторное столкновение. Источником большого числа столкновений (помимо информационной перегрузки) может служить запредельная суммарная длина логического кабельного сегмента, слишком большое число повторителей, обрыв кабеля, отсутствие терминатора (50-омного согласователя кабеля) или неисправность одного из интерфейсов. Но сами по себе столкновения не являются чем-то негативным - это механизм, регулирующий доступ к сетевой среде.
В Ethernet при наличии синхронизации возможны следующие алгоритмы:
А.
- Если канал свободен, терминал передает пакет с вероятностью 1.
- Если канал занят, терминал ждет его освобождения, после чего производится передача.
Б.
- Если канал свободен, терминал передает пакет.
- Если канал занят, терминал определяет время следующей попытки передачи. Время этой задержки может задаваться некоторым статистическим распределением.
В.
- Если канал свободен, терминал с вероятностью р передает пакет, а с вероятностью 1-р он откладывает передачу на t секунд (например, на следующий временной домен).
- При повторении попытки при свободном канале алгоритм не изменяется.
- Если канал занят, терминал ждет пока канал не освободится, после чего действует снова согласно алгоритму пункта 1.
Алгоритм А на первый взгляд представляется привлекательным, но в нем заложена возможность столкновений с вероятностью 100%. Алгоритмы Б и В более устойчивы в отношении этой проблемы.
Эффективность алгоритма CSMA зависит от того, как быстро передающая сторона узнает о факте столкновения и прерывает передачу, ведь продолжение бессмысленно - данные уже повреждены. Это время зависит от длины сетевого сегмента и задержек в оборудовании сегмента. Удвоенное значение задержки определяет минимальную длину пакета, передаваемого в такой сети. Если пакет короче, он может быть передан так, что передающая сторона не узнает о его повреждении в результате столкновения. Для современных локальных сетей Ethernet, построенных на переключателях и полнодуплексных соединениях, эта проблема неактуальна
С целью пояснения этого утверждения рассмотрим случай, когда одна из станций (1) передает пакет самой удаленной ЭВМ (2) в данном сетевом сегменте. Время распространения сигнала до этой машины пусть равно Т. Предположим также, что машина (2) попытается начать передачу как раз в момент прихода пакета от станции (1). В этом случае станция (1) узнает о столкновение лишь спустя время 2Т после начала передачи (время распространения сигнала от (1) до (2) плюс время распространения сигнала столкновения от (2) к (1)). Следует учитывать, что регистрация столкновения это аналоговый процесс и передающая станция должна “прослушивать” сигнал в кабеле в процессе передачи, сравнивая результат чтения с тем, что она передает. Важно, чтобы схема кодирования сигнала допускала детектирование столкновение. Например, сумма двух сигналов с уровнем 0 этого сделать не позволит. Можно подумать, что передача короткого пакета с искажением из-за столкновения не такая уж большая беда, проблему может решить контроль доставки и повторная передача.
Следует только учесть, что повторная передача в случае зарегистрированного интерфейсом столкновения осуществляется самим интерфейсом, а повторная передача в случае контроля доставки по отклику выполняется прикладным процессом, требуя ресурсов центрального процессора рабочей станции.
Время двойного оборота и распознавание коллизий
Четкое распознавание коллизий всеми станциями сети является необходимым условием корректной работы сети Ethernet. Если какая-либо передающая станция не распознает коллизию и решит, что кадр данных ею передан верно, то этот кадр данных будет утерян. Из-за наложения сигналов при коллизии информация кадра исказится, и он будет отбракован принимающей станцией (возможно, из-за несовпадения контрольной суммы). Скорее всего, искаженная информация будет повторно передана каким-либо протоколом верхнего уровня, например транспортным или прикладным, работающим с установлением соединения. Но повторная передача сообщения протоколами верхних уровней произойдет через значительно более длительный интервал времени (иногда даже через несколько секунд) по сравнению с микросекундными интервалами, которыми оперирует протокол Ethernet. Поэтому если коллизии не будут надежно распознаваться узлами сети Ethernet, то это приведет к заметному снижению полезной пропускной способности данной сети.
Для надежного распознавания коллизий должно выполняться следующее соотношение:
T min >=PDV,
где Т min - время передачи кадра минимальной длины, a PDV - время, за которое сигнал коллизии успевает распространиться до самого дальнего узла сети. Так как в худшем случае сигнал должен пройти дважды между наиболее удаленными друг от друга станциями сети (в одну сторону проходит неискаженный сигнал, а на обратном пути распространяется уже искаженный коллизией сигнал), то это время называется временем двойного оборота (Path Delay Value, PDV).
При выполнении этого условия передающая станция должна успевать обнаружить коллизию, которую вызвал переданный ее кадр, еще до того, как она закончит передачу этого кадра.
Очевидно, что выполнение этого условия зависит, с одной стороны, от длины минимального кадра и пропускной способности сети, а с другой стороны, от длины кабельной системы сети и скорости распространения сигнала в кабеле (для разных типов кабеля эта скорость несколько отличается).
Все параметры протокола Ethernet подобраны таким образом, чтобы при нормальной работе узлов сети коллизии всегда четко распознавались. При выборе параметров, конечно, учитывалось и приведенное выше соотношение, связывающее между собой минимальную длину кадра и максимальное расстояние между станциями в сегменте сети.
В стандарте Ethernet принято, что минимальная длина поля данных кадра составляет 46 байт (что вместе со служебными полями дает минимальную длину кадра 64 байт, а вместе с преамбулой - 72 байт или 576 бит). Отсюда может быть определено ограничение на расстояние между станциями.
Итак, в 10-мегабитном Ethernet время передачи кадра минимальной длины равно 575 битовых интервалов, следовательно, время двойного оборота должно быть меньше 57,5 мкс. Расстояние, которое сигнал может пройти за это время, зависит от типа кабеля и для толстого коаксиального кабеля равно примерно 13 280 м. Учитывая, что за это время сигнал должен пройти по линии связи дважды, расстояние между двумя узлами не должно быть больше 6 635 м. В стандарте величина этого расстояния выбрана существенно меньше, с учетом других, более строгих ограничений.
Одно из таких ограничений связано с предельно допустимым затуханием сигнала. Для обеспечения необходимой мощности сигнала при его прохождении между наиболее удаленными друг от друга станциями сегмента кабеля максимальная длина непрерывного сегмента толстого коаксиального кабеля с учетом вносимого им затухания выбрана в 500 м. Очевидно, что на кабеле в 500 м условия распознавания коллизий будут выполняться с большим запасом для кадров любой стандартной длины, в том числе и 72 байт (время двойного оборота по кабелю 500 м составляет всего 43,3 битовых интервала). Поэтому минимальная длина кадра могла бы быть установлена еще меньше. Однако разработчики технологии не стали уменьшать минимальную длину кадра, имея в виду многосегментные сети, которые строятся из нескольких сегментов, соединенных повторителями.
Повторители увеличивают мощность передаваемых с сегмента на сегмент сигналов, в результате затухание сигналов уменьшается и можно использовать сеть гораздо большей длины, состоящую из нескольких сегментов. В коаксиальных реализациях Ethernet разработчики ограничили максимальное количество сегментов в сети пятью, что в свою очередь ограничивает общую длину сети 2500 метрами. Даже в такой многосегментной сети условие обнаружения коллизий по-прежнему выполняется с большим запасом (сравним полученное из условия допустимого затухания расстояние в 2500 м с вычисленным выше максимально возможным по времени распространения сигнала расстоянием 6635 м). Однако в действительности временной запас является существенно меньше, поскольку в многосегментных сетях сами повторители вносят в распространение сигнала дополнительную задержку в несколько десятков битовых интервалов. Естественно, небольшой запас был сделан также для компенсации отклонений параметров кабеля и повторителей.
В результате учета всех этих и некоторых других факторов было тщательно подобрано соотношение между минимальной длиной кадра и максимально возможным расстоянием между станциями сети, которое обеспечивает надежное распознавание коллизий. Это расстояние называют также максимальным диаметром сети.
С увеличением скорости передачи кадров, что имеет место в новых стандартах, базирующихся на том же методе доступа CSMA/CD, например Fast Ethernet, максимальное расстояние между станциями сети уменьшается пропорционально увеличению скорости передачи. В стандарте Fast Ethernet оно составляет около 210 м, а в стандарте Gigabit Ethernet оно было бы ограничено 25 метрами, если бы разработчики стандарта не предприняли некоторых мер по увеличению минимального размера пакета.
Расчет PDV
Для упрощения расчетов обычно используются справочные данные IEEE, содержащие значения задержек распространения сигналов в повторителях, приемопередатчиках и различных физических средах. В табл. 3.5 приведены данные, необходимые для расчета значения PDV для всех физических стандартов сетей Ethernet. Битовый интервал обозначен как bt.
Таблица 3.5. Данные для расчета значения PDV
Комитет 802.3 старался максимально упростить выполнение расчетов, поэтому данные, приведенные в таблице, включают сразу несколько этапов прохождения сигнала. Например, задержки, вносимые повторителем, состоят из задержки входного трансивера, задержки блока повторения и задержки выходного трансивера. Тем не менее в таблице все эти задержки представлены одной величиной, названной базой сегмента. Чтобы не нужно было два раза складывать задержки, вносимые кабелем, в таблице даются удвоенные величины задержек для каждого типа кабеля.
В таблице используются также такие понятия, как левый сегмент, правый сегмент и промежуточный сегмент. Поясним эти термины на примере сети, приведенной на рис. 3.13. Левым сегментом называется сегмент, в котором начинается путь сигнала от выхода передатчика (выход Т х на рис. 3.10) конечного узла. На примере это сегмент 1 . Затем сигнал проходит через промежуточные сегменты 2-5 и доходит до приемника (вход R х на рис. 3.10) наиболее удаленного узла наиболее удаленного сегмента 6, который называется правым. Именно здесь в худшем случае происходит столкновение кадров и возникает коллизия, что, и подразумевается в таблице.
Рис. 3.13. Пример сети Ethernet, состоящей из сегментов различных физических стандартов
С каждым сегментом связана постоянная задержка, названная базой, которая зависит только от типа сегмента и от положения сегмента на пути сигнала (левый, промежуточный или правый). База правого сегмента, в котором возникает коллизия, намного превышает базу левого и промежуточных сегментов.
Кроме этого, с каждым сегментом связана задержка распространения сигнала вдоль кабеля сегмента, которая зависит от длины сегмента и вычисляется путем умножения времени распространения сигнала по одному метру кабеля (в битовых интервалах) на длину кабеля в метрах.
Расчет заключается в вычислении задержек, вносимых каждым отрезком кабеля (приведенная в таблице задержка сигнала на 1 м кабеля умножается на длину сегмента), а затем суммировании этих задержек с базами левого, промежуточных и правого сегментов. Общее значение PDV не должно превышать 575.
Так как левый и правый сегменты имеют различные величины базовой задержки, то в случае различных типов сегментов на удаленных краях сети необходимо выполнить расчеты дважды: один раз принять в качестве левого сегмента сегмент одного типа, а во второй - сегмент другого типа. Результатом можно считать максимальное значение PDV. В нашем примере крайние сегменты сети принадлежат к одному типу - стандарту 10Base-T, поэтому двойной расчет не требуется, но если бы они были сегментами разного типа, то в первом случае нужно было бы принять в качестве левого сегмент между станцией и концентратором 1 , а во втором считать левым сегмент между станцией и концентратором 5 .
Приведенная на рисунке сеть в соответствии с правилом 4-х хабов не является корректной - в сети между узлами сегментов 1 и 6 имеется 5 хабов, хотя не все сегменты являются сегментами lOBase-FB. Кроме того, общая длина сети равна 2800 м, что нарушает правило 2500 м. Рассчитаем значение PDV для нашего примера.
Левый сегмент 1 / 15,3 (база) + 100 * 0,113= 26,6.
Промежуточный сегмент 2/ 33,5 + 1000 * 0,1 = 133,5.
Промежуточный сегмент 3/ 24 + 500 * 0,1 = 74,0.
Промежуточный сегмент 4/ 24 + 500 * 0,1 = 74,0.
Промежуточный сегмент 5/ 24 + 600 * 0,1 = 84,0.
Правый сегмент 6 /165 + 100 * 0,113 = 176,3.
Сумма всех составляющих дает значение PDV, равное 568,4.
Так как значение PDV меньше максимально допустимой величины 575, то эта сеть проходит по критерию времени двойного оборота сигнала несмотря на то, что ее общая длина составляет больше 2500 м, а количество повторителей - больше 4-х
Расчет PW
Чтобы признать конфигурацию сети корректной, нужно рассчитать также уменьшение межкадрового интервала повторителями, то есть величину PW.
Для расчета PW также можно воспользоваться значениями максимальных величин уменьшения межкадрового интервала при прохождении повторителей различных физических сред, рекомендованными IEEE и приведенными в табл. 3.6.
Таблица 3.6. Сокращение межкадрового интервала повторителями
В соответствии с этими данными рассчитаем значение PVV для нашего примера.
Левый сегмент 1 10Base-T: сокращение в 10,5 bt.
Промежуточный сегмент 2 10Base-FL: 8.
Промежуточный сегмент 3 10Base-FB: 2.
Промежуточный сегмент 4 10Base-FB: 2.
Промежуточный сегмент 5 10Base-FB: 2.
Сумма этих величин дает значение PW, равное 24,5, что меньше предельного значения в 49 битовых интервала.
В результате приведенная в примере сеть соответствует стандартам Ethernet по всем параметрам, связанным и с длинами сегментов, и с количеством повторителей
Максимальная производительность сети Ethernet
Количество обрабатываемых кадров Ethernet в секунду часто указывается производителями мостов/коммутаторов и маршрутизаторов как основная характеристика производительности этих устройств. В свою очередь, интересно знать чистую максимальную пропускную способность сегмента Ethernet в кадрах в секунду в идеальном случае, когда в сети нет коллизий и нет дополнительных задержек, вносимых мостами и маршрутизаторами. Такой показатель помогает оценить требования к производительности коммуникационных устройств, так как в каждый порт устройства не может поступать больше кадров в единицу времени, чем позволяет это сделать соответствующий протокол.
Для коммуникационного оборудования наиболее тяжелым режимом является обработка кадров минимальной длины. Это объясняется тем, что на обработку каждого кадра мост, коммутатор или маршрутизатор тратит примерно одно и то же время, связанное с просмотром таблицы продвижения пакета, формированием нового кадра (для маршрутизатора) и т. п. А количество кадров минимальной длины, поступающих на устройство в единицу времени, естественно больше, чем кадров любой другой длины. Другая характеристика производительности коммуникационного оборудования - бит в секунду - используется реже, так как она не говорит о том, какого размера кадры при этом обрабатывало устройство, а на кадрах максимального размера достичь высокой производительности, измеряемой в битах в секунду гораздо легче.
Используя параметры, приведенные в табл. 3.1, рассчитаем максимальную производительность сегмента Ethernet в таких единицах, как число переданных кадров (пакетов) минимальной длины в секунду.
ПРИМЕЧАНИЕ При указании пропускной способности сетей термины кадр и пакет обычно используются как синонимы. Соответственно, аналогичными являются и единицы измерения производительности frames-per-second, fps и packets-per-second, pps.
Для расчета максимального количества кадров минимальной длины, проходящих по сегменту Ethernet, заметим, что размер кадра минимальной длины вместе с преамбулой составляет 72 байт или 576 бит (рис. 3.5.), поэтому на его передачу затрачивается 57,5 мкс. Прибавив межкадровый интервал в 9,6 мкс, получаем, что период следования кадров минимальной длины составляет 67,1 мкс. Отсюда максимально возможная пропускная способность сегмента Ethernet составляет 14 880 кадр/с.
Рис. 3.5. К расчету пропускной способности протокола Ethernet
Естественно, что наличие в сегменте нескольких узлов снижает эту величину за счет ожидания доступа к среде, а также за счет коллизий, приводящих к необходимости повторной передачи кадров.
Кадры максимальной длины технологии Ethernet имеют поле длины 1500 байт, что вместе со служебной информацией дает 1518 байт, а с преамбулой составляет 1526 байт или 12 208 бит. Максимально возможная пропускная способность сегмента Ethernet для кадров максимальной длины составляет 813 кадр/с. Очевидно, что при работе с большими кадрами нагрузка на мосты, коммутаторы и маршрутизаторы довольно ощутимо снижается.
Теперь рассчитаем, какой максимальной полезной пропускной способностью в бит в секунду обладают сегменты Ethernet при использовании кадров разного размера.
Под полезной пропускной способностью протокола понимается скорость передачи пользовательских данных, которые переносятся полем данных кадра. Эта пропускная способность всегда меньше номинальной битовой скорости протокола Ethernet за счет нескольких факторов:
· служебной информации кадра;
· межкадровых интервалов (IPG);
· ожидания доступа к среде.
Для кадров минимальной длины полезная пропускная способность равна:
С П =14880 * 46 *8 = 5,48 Мбит/с.
Это намного меньше 10 Мбит/с, но следует учесть, что кадры минимальной длины используются в основном для передачи квитанций, так что к передаче собственно данных файлов эта скорость отношения не имеет.
Для кадров максимальной длины полезная пропускная способность равна:
С П = 813 *1500 * 8 =9,76 Мбит/с,
что весьма близко к номинальной скорости протокола.
Еще раз подчеркнем, что такой скорости можно достигнуть только в том случае, когда двум взаимодействующим узлам в сети Ethernet другие узлы не мешают, что бывает крайне редко,
При использовании кадров среднего размера с полем данных в 512 байт пропускная способность сети составит 9,29 Мбит/с, что тоже достаточно близко к предельной пропускной способности в 10 Мбит/с.
ВНИМАНИЕ Отношение текущей пропускной способности сети к ее максимальной пропускной способности называется коэффициентом использования сети (network utilization). При этом при определении текущей пропускной способности принимается во внимание передача по сети любой информации, как пользовательской, так и служебной. Коэффициент является важным показателем для технологий разделяемых сред, так как при случайном характере метода доступа высокое значение коэффициента использования часто говорит о низкой полезной пропускной способности сети (то есть скорости передачи пользовательских донных) - слишком много времени узлы тратят на процедуру получения доступа и повторные передачи кадров после коллизий.
При отсутствии коллизий и ожидания доступа коэффициент использования сети зависит от размера поля данных кадра и имеет максимальное значение 0,976 при передаче кадров максимальной длины. Очевидно, что в реальной сети Ethernet среднее значение коэффициента использования сети может значительно отличаться от этой величины. Более сложные случаи определения пропускной способности сети с учетом ожидания доступа и отработки коллизий будут рассмотрены ниже.
Форматы кадров технологии Ethernet
Стандарт технологии Ethernet, описанный в документе IEEE 802.3, дает описание единственного формата кадра уровня MAC. Так как в кадр уровня MAC должен вкладываться кадр уровня LLC, описанный в документе IEEE 802.2, то по стандартам IEEE в сети Ethernet может использоваться только единственный вариант кадра канального уровня, заголовок которого является комбинацией заголовков MAC и LLC подуровней.
Тем не менее на практике в сетях Ethernet на канальном уровне используются кадры 4-х различных форматов (типов). Это связано с длительной историей развития технологии Ethernet, насчитывающей период существования до принятия стандартов IEEE 802, когда подуровень LLC не выделялся из общего протокола и, соответственно, заголовок LLC не применялся.
Консорциум трех фирм Digital, Intel и Xerox в 1980 году представил на рассмотрение комитету 802.3 свою фирменную версию стандарта Ethernet (в которой был, естественно, описан определенный формат кадра) в качестве проекта международного стандарта, но комитет 802.3 принял стандарт, отличающийся в некоторых деталях от предложения DIX. Отличия касались и формата кадра, что породило существование двух различных типов кадров в сетях Ethernet.
Еще один формат кадра появился в результате усилий компании Novell по ускорению работы своего стека протоколов в сетях Ethernet.
И наконец, четвертый формат кадра стал результатом деятельности комитета 802.2 по приведению предыдущих форматов кадров к некоторому общему стандарту.
Различия в форматах кадров могут приводить к несовместимости в работе аппаратуры и сетевого программного обеспечения, рассчитанного на работу только с одним стандартом кадра Ethernet. Однако сегодня практически все сетевые адаптеры, драйверы сетевых адаптеров, мосты/коммутаторы и маршрутизаторы умеют работать со всеми используемыми на практике форматами кадров технологии Ethernet, причем распознавание типа кадра выполняется автоматически.
Ниже приводится описание всех четырех типов кадров Ethernet (здесь под кадром понимается весь набор полей, которые относятся к канальному уровню, то есть поля MAC и LLC уровней). Один и тот же тип кадра может иметь разные названия, поэтому ниже для каждого типа кадра приведено по нескольку наиболее употребительных названий:
· кадр 802.3/LLC (кадр 802.3/802.2 или кадр Novell 802.2);
· кадр Raw 802.3 (или кадр Novell 802.3);
· кадр Ethernet DIX (или кадр Ethernet II);
· кадр Ethernet SNAP.
Форматы всех этих четырех типов кадров Ethernet приведены на рис. 3.6.
Выводы
· Ethernet - это самая распространенная на сегодняшний день технология локальных сетей. В широком смысле Ethernet - это целое семейство технологий, включающее различные фирменные и стандартные варианты, из которых наиболее известны фирменный вариант Ethernet DIX, 10-мегабитные варианты стандарта IEEE 802.3, а также новые высокоскоростные технологии Fast Ethernet и Gigabit Ethernet. Почти все виды технологий Ethernet используют один и тот же метод разделения среды передачи данных - метод случайного доступа CSMA/CD, который определяет облик технологии в целом.
· В узком смысле Ethernet - это 10-мегабитная технология, описанная в стандарте IEEE 802.3.
· Важным явлением в сетях Ethernet является коллизия - ситуация, когда две станции одновременно пытаются передать кадр данных по общей среде. Наличие коллизий - это неотъемлемое свойство сетей Ethernet, являющееся следствием принятого случайного метода доступа. Возможность четкого распознавания коллизий обусловлена правильным выбором параметров сети, в частности соблюдением соотношения между минимальной длиной кадра и максимально возможным диаметром сети.
· На характеристики производительности сети большое значение оказывает коэффициент использования сети, который отражает ее загруженность. При значениях этого коэффициента свыше 50 % полезная пропускная способность сети резко падает: из-за роста интенсивности коллизий, а также увеличения времени ожидания доступа к среде.
· Максимально возможная пропускная способность сегмента Ethernet в кадрах в секунду достигается при передаче кадров минимальной длины и составляет 14 880 кадр/с. При этом полезная пропускная способность сети составляет всего 5,48 Мбит/с, что лишь ненамного превышает половину номинальной пропускной способности - 10 Мбит/с.
· Максимально возможная полезная пропускная способность сети Ethernet составляет 9,75 Мбит/с, что соответствует использованию кадров максимальной длины в 1518 байт, которые передаются по сети со скоростью 513 кадр/с.
· При отсутствии коллизий и ожидания доступа коэффициент использования сети зависит от размера поля данных кадра и имеет максимальное значение 0,96.
· Технология Ethernet поддерживает 4 разных типа кадров, которые имеют общий формат адресов узлов. Существуют формальные признаки, по которым сетевые адаптеры автоматически распознают тип кадра.
· В зависимости от типа физической среды стандарт IEEE 802.3 определяет различные спецификации: 10Base-5, 10Base-2, 10Base-T, FOIRL, 10Base-FL, 10Base-FB. Для каждой спецификации определяются тип кабеля, максимальные длины непрерывных отрезков кабеля, а также правила использования повторителей для увеличения диаметра сети: правило «5-4-3» для коаксиальных вариантов сетей, и правило «4-х хабов» для витой пары и оптоволокна.
· Для «смешанной» сети, состоящей из физических сегментов различного типа, полезно проводить расчет общей длины сети и допустимого количества повторителей. Комитет IEEE 802.3 приводит исходные данные для таких расчетов, в которых указываются задержки, вносимые повторителями различных спецификаций физической среды, сетевыми адаптерами и сегментами кабеля.
Сетевые технологии IEEE802.5/Token-Ring
Сети Token Ring, так же как и сети Ethernet, характеризует разделяемая среда передачи данных, которая в данном случае состоит из отрезков кабеля, соединяющих все станции сети в кольцо. Кольцо рассматривается как общий разделяемый ресурс, и для доступа к нему требуется не случайный алгоритм, как в сетях Ethernet, а детерминированный, основанный на передаче станциям права на использование кольца в определенном порядке. Это право передается с помощью кадра специального формата, называемого маркером или токеном (token) .
Сети Token Ring работают с двумя битовыми скоростями - 4 и 16 Мбит/с. Смешение станций, работающих на различных скоростях, в одном кольце не допускается. Сети Token Ring, работающие со скоростью 16 Мбит/с, имеют некоторые усовершенствования в алгоритме доступа по сравнению со стандартом 4 Мбит/с.
Технология Token Ring является более сложной технологией, чем Ethernet. Она обладает свойствами отказоустойчивости. В сети Token Ring определены процедуры контроля работы сети, которые используют обратную связь кольцеобразной структуры - посланный кадр всегда возвращается в станцию - отправитель. В некоторых случаях обнаруженные ошибки в работе сети устраняются автоматически, например может быть восстановлен потерянный маркер. В других случаях ошибки только фиксируются, а их устранение выполняется вручную обслуживающим персоналом.
Для контроля сети одна из станций выполняет роль так называемого активного монитора . Активный монитор выбирается во время инициализации кольца как станция с максимальным значением МАС-адреса, Если активный монитор выходит из строя, процедура инициализации кольца повторяется и выбирается новый активный монитор. Чтобы сеть могла обнаружить отказ активного монитора, последний в работоспособном состоянии каждые 3 секунды генерирует специальный кадр своего присутствия. Если этот кадр не появляется в сети более 7 секунд, то остальные станции сети начинают процедуру выборов нового активного монитора.
Форматы кадров Token Ring
В Token Ring существуют три различных формата кадров:
· маркер;
· кадр данных;
· прерывающая последовательность
Физический уровень технологии Token Ring
Стандарт Token Ring фирмы IBM изначально предусматривал построение связей в сети с помощью концентраторов, называемых MAU (Multistation Access Unit) или MSAU (Multi-Station Access Unit), то есть устройствами многостанционного доступа (рис. 3.15). Сеть Token Ring может включать до 260 узлов.
Рис. 3.15. Физическая конфигурация сети Token Ring
Концентратор Token Ring может быть активным или пассивным. Пассивный концентратор просто соединяет порты внутренними связями так, чтобы станции, подключаемые к этим портам, образовали кольцо. Ни усиление сигналов, ни их ресинхронизацию пассивный MSAU не выполняет. Такое устройство можно считать простым кроссовым блоком за одним исключением - MSAU обеспечивает обход какого-либо порта, когда присоединенный к этому порту компьютер выключают. Такая функция необходима для обеспечения связности кольца вне зависимости от состояния подключенных компьютеров. Обычно обход порта выполняется за счет релейных схем, которые питаются постоянным током от сетевого адаптера, а при выключении сетевого адаптера нормально замкнутые контакты реле соединяют вход порта с его выходом.
Активный концентратор выполняет функции регенерации сигналов и поэтому иногда называется повторителем, как в стандарте Ethernet.
Возникает вопрос - если концентратор является пассивным устройством, то каким образом обеспечивается качественная передача сигналов на большие расстояния, которые возникают при включении в сеть нескольких сот компьютеров? Ответ состоит в том, что роль усилителя сигналов в этом случае берет на себя каждый сетевой адаптер, а роль ресинхронизирующего блока выполняет сетевой адаптер активного монитора кольца. Каждый сетевой адаптер Token Ring имеет блок повторения, который умеет регенерировать и ресинхронизировать сигналы, однако последнюю функцию выполняет в кольце только блок повторения активного монитора.
Блок ресинхронизации состоит из 30-битного буфера, который принимает манчестерские сигналы с несколько искаженными за время оборота по кольцу интервалами следования. При максимальном количестве станций в кольце (260) вариация задержки циркуляции бита по кольцу может достигать 3-битовых интервалов. Активный монитор «вставляет» свой буфер в кольцо и синхронизирует битовые сигналы, выдавая их на выход с требуемой частотой.
В общем случае сеть Token Ring имеет комбинированную звездно-кольцевую конфигурацию. Конечные узлы подключаются к MSAU по топологии звезды, а сами MSAU объединяются через специальные порты Ring In (RI) и Ring Out (RO) для образования магистрального физического кольца.
Все станции в кольце должны работать на одной скорости - либо 4 Мбит/с, либо 16 Мбит/с. Кабели, соединяющие станцию с концентратором, называются ответвительными (lobe cable), а кабели, соединяющие концентраторы, - магистральными (trunk cable).
Технология Token Ring позволяет использовать для соединения конечных станций и концентраторов различные типы кабеля: STP Type I, UTP Type 3, UTP Type 6, а также волоконно-оптический кабель.
При использовании экранированной витой пары STP Type 1 из номенклатуры кабельной системы IBM в кольцо допускается объединять до 260 станций при длине ответвительных кабелей до 100 метров, а при использовании неэкранированной витой пары максимальное количество станций сокращается до 72 при длине ответвительных кабелей до 45 метров.
Расстояние между пассивными MSAU может достигать 100 м при использовании кабеля STP Type 1 и 45 м при использовании кабеля UTP Type 3. Между активными MSAU максимальное расстояние увеличивается соответственно до 730 м или 365 м в зависимости от типа кабеля.
Максимальная длина кольца Token Ring составляет 4000 м. Ограничения на максимальную длину кольца и количество станций в кольце в технологии Token Ring не являются такими жесткими, как в технологии Ethernet. Здесь эти ограничения во многом связаны со временем оборота маркера по кольцу (но не только -есть и другие соображения, диктующие выбор ограничений). Так, если кольцо состоит из 260 станций, то при времени удержания маркера в 10 мс маркер вернется в активный монитор в худшем случае через 2,6 с, а это время как раз составляет тайм-аут контроля оборота маркера. В принципе, все значения тайм-аутов в сетевых адаптерах узлов сети Token Ring можно настраивать, поэтому можно построить сеть Token Ring с большим количеством станций и с большей длиной кольца.
Выводы
· Технология Token Ring развивается в основном компанией IBM и имеет также статус стандарта IEEE 802.5, который отражает наиболее важные усовершенствования, вносимые в технологию IBM.
· В сетях Token Ring используется маркерный метод доступа, который гарантирует каждой станции получение доступа к разделяемому кольцу в течение времени оборота маркера. Из-за этого свойства этот метод иногда называют детерминированным.
· Метод доступа основан на приоритетах: от 0 (низший) до 7 (высший). Станция сама определяет приоритет текущего кадра и может захватить кольцо только в том случае, когда в кольце нет более приоритетных кадров.
· Сети Token Ring работают на двух скоростях: 4 и 16 Мбит/с и могут использовать в качестве физической среды экранированную витую пару, неэкранированную витую пару, а также волоконно-оптический кабель. Максимальное количество станций в кольце - 260, а максимальная длина кольца - 4 км.
· Технология Token Ring обладает элементами отказоустойчивости. За счет обратной связи кольца одна из станций - активный монитор - непрерывно контролирует наличие маркера, а также время оборота маркера и кадров данных. При некорректной работе кольца запускается процедура его повторной инициализации, а если она не помогает, то для локализации неисправного участка кабеля или неисправной станции используется процедура beaconing.
· Максимальный размер поля данных кадра Token Ring зависит от скорости работы кольца. Для скорости 4 Мбит/с он равен около 5000 байт, а при скорости 16 Мбит/с - около 16 Кбайт. Минимальный размер поля данных кадра не определен, то есть может быть равен 0.
· В сети Token Ring станции в кольцо объединяют с помощью концентраторов, называемых MSAU. Пассивный концентратор MSAU выполняет роль кроссовой панели, которая соединяет выход предыдущей станции в кольце со входом последующей. Максимальное расстояние от станции до MSAU - 100 м для STP и 45 м для UTP.
· Активный монитор выполняет в кольце также роль повторителя - он ресинхронизирует сигналы, проходящие по кольцу.
· Кольцо может быть построено на основе активного концентратора MSAU, который в этом случае называют повторителем.
· Сеть Token Ring может строиться на основе нескольких колец, разделенных мостами, маршрутизирующими кадры по принципу «от источника», для чего в кадр Token Ring добавляется специальное поле с маршрутом прохождения колец.
Сетевые технологии IEEE802.4/ArcNet
В качестве топологии сеть ArcNet использует “шину” и “пассивную звезду”. Поддерживает экранированную и неэкранированную витую пару и оптоволоконный кабель. В сети ArcNet для доступа к среде передачи данных используется метод передачи полномочий. Сеть ArcNet - это одна из старейших сетей и пользовалась большой популярностью. Среди основных достоинств сети ArcNet можно назвать высокую надежность, низкую стоимость адаптеров и гибкость. Основным недостаткам сети является низкая скорость передачи информации (2,5 Мбит/с). Максимальное количество абонентов - 255. Максимальная длина сети - 6000 метров.
Сетевая технология FDDI (Fiber Distributed Data Interface)
FDDI–
стандартизованная спецификация для сетевой архитектуры высокоскоростной передачи данных по оптоволоконным линиям. Скорость передачи – 100 Мбит/с. Эта технология во многом базируется на архитектуре Token-Ring и используется детерминированный маркерный доступ к среде передачи данных. Максимальная протяженность кольца сети – 100 км. Максимальное количество абонентов сети – 500. Сеть FDDI - это очень высоконадежная сеть, которая создается на основе двух оптоволоконных колец, образующих основной и резервный пути передачи данных между узлами.
Основные характеристики технологии
Технология FDDI во многом основывается на технологии Token Ring, развивая и совершенствуя ее основные идеи. Разработчики технологии FDDI ставили перед собой в качестве наиболее приоритетных следующие цели:
· повысить битовую скорость передачи данных до 100 Мбит/с;
· повысить отказоустойчивость сети за счет стандартных процедур восстановления ее после отказов различного рода - повреждения кабеля, некорректной работы узла, концентратора, возникновения высокого уровня помех на линии и т. п.;
· максимально эффективно использовать потенциальную пропускную способность сети как для асинхронного, так и для синхронного (чувствительного к задержкам) трафиков.
Сеть FDDI строится на основе двух оптоволоконных колец, которые образуют основной и резервный пути передачи данных между узлами сети. Наличие двух колец - это основной способ повышения отказоустойчивости в сети FDDI, и узлы, которые хотят воспользоваться этим повышенным потенциалом надежности, должны быть подключены к обоим кольцам.
В нормальном режиме работы сети данные проходят через все узлы и все участки кабеля только первичного (Primary) кольца, этот режим назван режимом Thru - «сквозным» или «транзитным». Вторичное кольцо (Secondary) в этом режиме не используется.
В случае какого-либо вида отказа, когда часть первичного кольца не может передавать данные (например, обрыв кабеля или отказ узла), первичное кольцо объединяется со вторичным (рис. 3.16), вновь образуя единое кольцо. Этот режим работы сети называется Wrap, то есть «свертывание» или «сворачивание» колец. Операция свертывания производится средствами концентраторов и/или сетевых адаптеров FDDI. Для упрощения этой процедуры данные по первичному кольцу всегда передаются в одном направлении (на диаграммах это направление изображается против часовой стрелки), а по вторичному - в обратном (изображается по часовой стрелке). Поэтому при образовании общего кольца из двух колец передатчики станций по-прежнему остаются подключенными к приемникам соседних станций, что позволяет правильно передавать и принимать информацию соседними станциями.
Рис. 3.16. Реконфигурация колец FDDI при отказе
В стандартах FDDI много внимания отводится различным процедурам, которые позволяют определить наличие отказа в сети, а затем произвести необходимую реконфигурацию. Сеть FDDI может полностью восстанавливать свою работоспособность в случае единичных отказов ее элементов. При множественных отказах сеть распадается на несколько не связанных сетей. Технология FDDI дополняет механизмы обнаружения отказов технологии Token Ring механизмами реконфигурации пути передачи данных в сети, основанными на наличии резервных связей, обеспечиваемых вторым кольцом.
Кольца в сетях FDDI рассматриваются как общая разделяемая среда передачи данных, поэтому для нее определен специальный метод доступа. Этот метод очень близок к методу доступа сетей Token Ring и также называется методом маркерного (или токенного) кольца - token ring.
Отличия метода доступа заключаются в том, что время удержания маркера в сети FDDI не является постоянной величиной, как в сети Token Ring. Это время зависит от загрузки кольца - при небольшой загрузке оно увеличивается, а при больших перегрузках может уменьшаться до нуля. Эти изменения в методе доступа касаются только асинхронного трафика, который не критичен к небольшим задержкам передачи кадров. Для синхронного трафика время удержания маркера по-прежнему остается фиксированной величиной. Механизм приоритетов кадров, аналогичный принятому в технологии Token Ring, в технологии FDDI отсутствует. Разработчики технологии решили, что деление трафика на 8 уровней приоритетов избыточно и достаточно разделить трафик на два класса - асинхронный и синхронный, последний из которых обслуживается всегда, даже при перегрузках кольца.
В остальном пересылка кадров между станциями кольца на уровне MAC полностью соответствует технологии Token Ring. Станции FDDI применяют алгоритм раннего освобождения маркера, как и сети Token Ring со скоростью 16 Мбит/с.
Адреса уровня MAC имеют стандартный для технологий IEEE 802 формат. Формат кадра FDDI близок к формату кадра Token Ring, основные отличия заключаются в отсутствии полей приоритетов. Признаки распознавания адреса, копирования кадра и ошибки позволяют сохранить имеющиеся в сетях Token Ring процедуры обработки кадров станцией-отправителем, промежуточными станциями и станцией-получателем.
На рис. 3.17 приведено соответствие структуры протоколов технологии FDDI семиуровневой модели OSI. FDDI определяет протокол физического уровня и протокол подуровня доступа к среде (MAC) канального уровня. Как и во многих других технологиях локальных сетей, в технологии FDDI используется протокол подуровня управления каналом данных LLC, определенный в стандарте IEEE 802.2. Таким образом, несмотря на то что технология FDDI была разработана и стандартизована институтом ANSI, а не комитетом IEEE, она полностью вписывается в структуру стандартов 802.
Рис. 3.17. Структура протоколов технологии FDDI
Отличительной особенностью технологии FDDI является уровень управления станцией - Station Management (SMT). Именно уровень SMT выполняет все функции по управлению и мониторингу всех остальных уровней стека протоколов FDDI. В управлении кольцом принимает участие каждый узел сети FDDI. Поэтому все узлы обмениваются специальными кадрами SMT для управления сетью.
Отказоустойчивость сетей FDDI обеспечивается протоколами и других уровней: с помощью физического уровня устраняются отказы сети по физическим причинам, например из-за обрыва кабеля, а с помощью уровня MAC - логические отказы сети, например потеря нужного внутреннего пути передачи маркера и кадров данных между портами концентратора.
Выводы
· Технология FDDI первой использовала волоконно-оптический кабель в локальных сетях, а также работу на скорости 100 Мбит/с.
· Существует значительная преемственность между технологиями Token Ring и FDDI: для обеих характерны кольцевая топология и маркерный метод доступа.
· Технология FDDI является наиболее отказоустойчивой технологией локальных сетей. При однократных отказах кабельной системы или станции сеть, за счет «сворачивания» двойного кольца в одинарное, остается вполне работоспособной.
· Маркерный метод доступа FDDI работает по-разному для синхронных и асинхронных кадров (тип кадра определяет станция). Для передачи синхронного кадра станция всегда может захватить пришедший маркер на фиксированное время. Для передачи асинхронного кадра станция может захватить маркер только в том случае, когда маркер выполнил оборот по кольцу достаточно быстро, что говорит об отсутствии перегрузок кольца. Такой метод доступа, во-первых, отдает предпочтение синхронным кадрам, а во-вторых, регулирует загрузку кольца, притормаживая передачу несрочных асинхронных кадров.
· В качестве физической среды технология FDDI использует волоконно-оптические кабели и UTP категории 5 (этот вариант физического уровня называется TP-PMD).
· Максимальное количество станций двойного подключения в кольце - 500, максимальный диаметр двойного кольца - 100 км. Максимальные расстояния между соседними узлами для многомодового кабеля равны 2 км, для витой пары UPT категории 5-100 м, а для одномодового оптоволокна зависят от его качества
Рассмотрим применение вышесказанного в реальных сетевых технологиях. Сетевая технология - это согласованный набор стандартных протоколов и реализующих их программно-аппаратных средств (например, сетевых адаптеров, драйверов, кабелей и разъемов), достаточный для построения вычислительной сети, т.е. это минимальный набор средств, с помощью которых можно построить работоспособную сеть; иногда сетевые технологии называют базовыми технологиями, имея в виду то, что на их основе строится базис любой сети. В настоящее время насчитывается более 200 сетей, имеющих тот или иной уровень стандартизации, но широкое распространение и всеобщее признание получили не более 10 из них. Это связано с тем, что именно эти сети поддерживаются наиболее мощными фирмами и поэтому доведены до уровня международных стандартов. Примерами базовых технологий могут служить такие известные технологии, как Ethernet, Token-Ring, Arcnet, FDDI.
СЕТЬ ETHERNET. Наибольшее распространение среди стандартных сетей получила сеть Ethernet. Она появилась в 1972 году (разработчиком выступила известная фирма Xerox). В 1985 году сеть Ethernet стала международным стандартом, ее приняли крупнейшие международные организации по стандартам: комитет 802 IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) и ЕСМА (European Computer Manufacturers Association). Стандарт получил название IEEE 802.3. Он определяет множественный доступ к каналу типа "шина" с обнаружением конфликтов и контролем передачи, т.е. с уже упоминавшимся методом доступа CSMA/CD.
Основные характеристики стандарта IEEE 802.3 следующие: топология - "шина", среда передачи - коаксиальный кабель, скорость передачи - 10 Мбит/с, максимальное количество абонентов - до 1024, длина сегмента сети - до 500 м, количество абонентов на одном сегменте - до 100.
В классической сети Ethernet применяется стандартный коаксиальный кабель двух видов (толстый и тонкий). Однако в последнее время все большее распространение получает версия Ethernet, использующая в качестве среды передачи витые пары, так как монтаж и обслуживание их гораздо проще. В последние годы появилась более быстрая версия Ethernet, работающая на скорости 100 Мбит/с (Fast Ethernet). Определен также стандарт для применения в сети оптоволоконного кабеля. Помимо стандартной топологии типа "шина" применяется также топология типа "пассивная звезда". Главное - чтобы в полученной в результате топологии не было замкнутых путей (петель). Фактически получается, что абоненты соединены все в ту же "шину", так как сигнал от каждого из них распространяется сразу во все стороны и не возвращается назад. Максимальная длина кабеля всей сети в целом (максимальный путь сигнала) теоретически может достигать 6,5 км, но практически не превышает 2,5 км.
СЕТЬ FAST ETHERNET. Сеть Fast Ethernet - это составная часть стандарта IEEE 802.3, появившаяся совсем недавно, в 1995 году. Она представляет собой более быструю версию стандартной сети Ethernet, работающую на скорости передачи 100 Мбит/с. С целью сохранения совместимости с более ранними версиями Ethernet стандарт определяет для Fast Ethernet специальный механизм автоматического определения скорости передачи в режиме автодиалога, что позволяет сетевым адаптерам Fast Ethernet автоматически переключаться со скорости 10 Мбит/с на скорость 100 Мбит/с и наоборот.
Основная топология сети Fast Ethernet - пассивная звезда. Fast Ethernet требует обязательного применения более дорогих концентраторов, чем при использовании Ethernet. Концентраторы в этом случае могут соединяться между собой связными сегментами, что позволяет строить сложные конфигурации.
Локальные сети всех остальных типов, кроме Ethernet, распространены гораздо меньше.
СЕТЬ FDDI. Сеть FDDI (от английского Fiber Distributed Data Interface) -это одна из новейших разработок стандартов локальных сетей. Стандарт FDDI, предложенный Американским национальным институтом стандартов (American National Standards Institute, ANSI), изначально ориентировался на высокую скорость передачи (100 Мбит/с) и на применение перспективного оптоволоконного кабеля (длина волны света - 850 нм). Поэтому в этом случае разработчики не были стеснены рамками стандартов, ориентировавшихся на низкие скорости и электрический кабель.
Выбор оптоволокна в качестве среды передачи сразу же определил преимущества новой сети: высокую помехозащищенность и секретность передачи информации. Высокая скорость передачи, которую при использовании оптоволоконного кабеля достичь гораздо проще, позволяет решать многие задачи, недоступные менее скоростным сетям, например, передачу изображений в реальном масштабе времени. Кроме того, оптоволоконный кабель легко решает проблему передачи данных на расстояние нескольких километров без ретрансляции, что позволяет строить гораздо большие по размерам сети, охватывающие даже целые города и имеющие при этом все преимущества локальных сетей (в частности, низкий уровень ошибок). И хотя к настоящему времени аппаратура FDDI не получила еще широкого распространения, она очень перспективна.
За основу стандарта FDDI был взят метод маркерного доступа, предусмотренный международным стандартом IEEE 802.5 Token-Ring. Небольшие отличия от этого стандарта определяются необходимостью обеспечить высокую скорость передачи информации на большие расстояния. Топология сети FDDI - это кольцо, причем применяются два разнонаправленных оптоволоконных кабеля, что позволяет использовать передачу информации с удвоенной эффективной скоростью в 200 Мбит/с (при этом каждый из двух каналов работает на скорости 100 Мбит/с).
Основные технические характеристики сети FDDI следующие: Максимальное количество абонентов сети - 1000. Максимальная протяженность кольца сети - 20 км. Максимальное расстояние между абонентами сети - 2 км. Среда передачи - оптоволоконный кабель (возможно применение электрической витой пары).
Метод доступа - маркерный.
Скорость передачи информации - 100 Мбит/с (200 Мбит/с для дуплексного режима передачи).
Как видим, FDDI имеет большие преимущества по сравнению со всеми рассмотренными ранее сетями. Даже сеть Fast Ethernet, имеющая такую же пропускную способность 100 Мбит/с, не может сравниться с FDDI по допустимым размерам сети и допустимому количеству абонентов.. Ограничение на общую длину сети в 20 км связано не с затуханием сигналов, а с необходимостью ограничения времени полного прохождения сигнала по кольцу для обеспечения предельно допустимого времени доступа.
Стандарт FDDI для достижения высокой гибкости сети предусматривает включение в кольцо сетевых адаптеров двух типов:
1. Адаптеры класса А подключаются к внутреннему и внешнему, кольцам сети. При этом реализуется возможность обмена со скоростью до 200 Мбит/с или же возможность резервирования кабеля сети (при повреждении основного кабеля используется резервный кабель). Аппаратура этого класса используется в самых критичных частях сети.
2. Адаптеры класса В подключаются только к внешнему кольцу сети. Они могут быть более простыми и дешевыми, чем адаптеры класса А, но не будут иметь их возможностей.
Стандарт FDDI предусматривает возможность реконфигурации сети с целью сохранения ее работоспособности в случае повреждения кабеля. Поврежденный участок кабеля исключается из кольца, но целостность сети при этом не нарушается вследствие перехода на одно кольцо вместо двух (т.е. адаптеры класса А начинают работать как адаптеры класса В).
Несмотря на очевидные преимущества, сеть FDDI не получила пока широкого распространения, это связано главным образом с высокой стоимостью ее аппаратуры. Однако в ближайшее время ситуация может измениться.
СЕТЬ GIGABIT ETHERNET. Быстродействие сети Fast Ethernet, других сетей, работающих на скорости в 100 Мбит/с, в настоящее время удовлетворяет требованиям большинства задач, но в ряде случаев даже его оказывается недостаточно. Особенно это касается тех ситуаций, когда необходимо подключать к сети современные высокопроизводительные серверы или строить сети с большим количеством абонентов, требующих высокой интенсивности обмена.
Сохранение преемственности позволяет легко и просто соединять сегменты Ethernet, Fast Ethernet и Gigabit Ethernet в единую сеть и 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.
Стремительное развитие локальных сетей, получившее в наши дни дальнейшее воплощение в стандарте 10 Gigabit Ethernet и технологиях построения беспроводных сетей IEEE 802.11b/a, приковывает к себе все большее внимание. Для кабельных сетей в настоящее время стандартом де-факто стала технология Ethernet. И хотя в классическом виде технология Ethernet уже давно не встречается, те идеи, которые были изначально заложены в протоколе IEEE 802.3, получили свое логическое продолжение как в технологии Fast Ethernet, так и в Gigabit Ethernet. Ради исторической справедливости отметим, что заслуживают внимания и такие технологии, как Token Ring, ARCNET, 100VG-AnyLAN, FDDI и Apple Talk. Ну что ж. Восстановим историческую справедливость и вспомним технологии минувших дней.
умаю, можно не рассказывать о стремительном прогрессе в полупроводниковой индустрии, наблюдавшемся в последнее десятилетие. Сетевое оборудование постигла судьба всей отрасли: лавинообразный рост производства, большие скорости и минимальные цены. В 1995 году, который считается переломным в истории развития Интернета, было продано около 50 млн. новых портов Ethernet. Неплохой задел для доминирования на рынке, которое за следующие пять лет стало подавляющим.
Для специализированного телекоммуникационного оборудования такой уровень цен недоступен. Сложность устройства при этом не играет особой роли - вопрос, скорее, в количестве. Сейчас это кажется вполне естественным, но еще десять лет назад безусловное господство Ethernet было далеко не очевидным (например, в промышленных сетях до сих пор нет явного лидера).
Однако только в сравнении с другими способами построения сетей можно выявить преимущества (или недостатки) сегодняшнего лидера.
Основные способы доступа к среде к среде передачи
изические принципы, в соответствии с которыми функционирует оборудование, не слишком сложны. По методу получения доступа к среде передачи их можно разделить на два класса: детерминированные и недетерминированные.
При детерминированных методах доступа передающая среда распределяется между узлами с помощью специального механизма управления, гарантирующего передачу данных узла в течение некоторого промежутка времени.
Наиболее распространенными (но далеко не единственными) детерминированными методами доступа являются метод опроса и метод передачи права. Метод опроса мало применим в локальных сетях, но широко используется в промышленности для управления технологическими процессами.
Метод передачи права, наоборот, удобен для передачи данных между компьютерами. Принцип работы состоит в передаче по сети с кольцевой логической топологией служебного сообщения - маркера.
Получение маркера предоставляет устройству право на доступ к разделяемому ресурсу. Выбор у рабочей станции в этом случае ограничен лишь двумя вариантами. В любом случае она должна отправить маркер следующему по очереди устройству. Причем сделать это можно после доставки данных адресату (при их наличии) или сразу (при отсутствии информации, нуждающейся в передаче). На время прохождения данных маркер в сети отсутствует, остальные станции не имеют возможности передачи, и коллизии невозможны в принципе. Для обработки возможных ошибок, в результате которых маркер может быть утерян, существует механизм его регенерации.
Недетерминированными называют случайные методы доступа. Они предусматривают конкуренцию всех узлов сети за право передачи. Возможны одновременные попытки передачи со стороны нескольких узлов, в результате чего возникают коллизии.
Наиболее распространенным методом такого типа является CSMA/CD (carrier-sense multiple access/collision detection) - множественный доступ с контролем несущей/обнаружением коллизий. Перед началом передачи данных устройство «прослушивает» сеть, чтобы убедиться, что никто больше ее не использует. Если среда передачи в этот момент кем-то используется, адаптер задерживает передачу, если же нет - начинает передавать данные.
В случае когда два адаптера, обнаружив свободную линию, начинают передачу одновременно, происходит коллизия. При ее обнаружении обе передачи прерываются и устройства повторяют передачу через некоторое произвольное время (естественно, предварительно опять «прослушав» канал на предмет занятости). Для получения информации устройство должно принимать все пакеты в сети, чтобы определить, не оно ли является адресатом.
Из истории Ethernet
сли бы мы начали рассмотрение локальных сетей с какой-либо другой технологии, то не учли бы реального значения, которое Ethernet имеет в настоящее время в этой области. Волею ли сложившихся обстоятельств или вследствие технических преимуществ, но конкуренции он на сегодня не имеет, занимая около 95% рынка.
Днем рождения Ethernet считается 22 мая 1973 года. Именно в этот день Роберт Меткалф (Robert Metcalfe) и Дэвид Боггс (David Boggs) опубликовали описание экспериментальной сети, построенной ими в Исследовательском центре Xerox. Базировалась она на толстом коаксиальном кабеле и обеспечивала скорость передачи данных 2,94 Мбит/с. Новая технология получила имя Ethernet (эфирная сеть), в честь радиосети Гавайского университета ALOHA, в которой был использован схожий механизм разделения среды передачи (радиоэфира).
К концу 70-х годов под Ethernet была подведена солидная теоретическая база. А в феврале 1980 года фирма Xerox совместно с DEC и Intel представила разработку IEEE, которая спустя три года была утверждена в качестве стандарта 802.3.
Метод получения доступа к среде передачи данных у Ethernet недетерминированный - это множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD). Проще говоря, устройства разделяют среду передачи хаотично, случайным образом. При этом алгоритм может приводить к далеко не равноправному разрешению соперничества станций за доступ к среде. Это, в свою очередь, может породить длительные задержки доступа, особенно в условиях перегрузки. В экстремальных случаях скорость передачи может упасть до нуля.
Из-за такого неупорядоченного подхода долгое время считалось (и считается до сих пор), что Ethernet не обеспечивает качественной передачи данных. Предсказывали его вытеснение сначала маркерным Token Ring, потом АТМ, но в действительности все произошло наоборот.
То, что Ethernet до сих пор доминирует на рынке, объясняется большими изменениями, которым он подвергся за время своего 20-летнего существования. Тот «гигабит» в полном дуплексе, который мы видим сейчас уже в сетях начального уровня, мало похож на родоначальника семейства 10Base 5. В то же время после введения 10Base-T совместимость сохраняется как на уровне взаимодействия устройств, так и на уровне кабельной инфраструктуры.
Развитие от простого к сложному, рост вместе с потребностями пользователей - вот ключ невероятного успеха технологии. Судите сами:
- март 1981 года - фирма 3Сom представляет Ethernet-трансивер;
- сентябрь 1982 года - создан первый сетевой адаптер для персонального компьютера;
- 1983 год - появилась спецификация IEEE 802.3, определена шинная топология сети 10Base 5 (толстый Ethernet) и 10Base 2 (тонкий Ethernet). Скорость передачи - 10 Мбит/с. Установлено предельное расстояние между точками одного сегмента - 2,5 км;
- 1985 год - выпущена вторая версия спецификации IEEE 802.3 (Ethernet II), в которой небольшие изменения были внесены в структуру заголовка пакета. Сформирована жесткая идентификация Ethernet-устройств (МАС-адреса). Был создан список адресов, в котором любой производитель может зарегистрировать уникальный диапазон (сейчас это стоит всего 1250 долл.);
- сентябрь 1990 года - IEEE утверждает технологию 10Вase-T (витая пара) с физической топологией «звезда» и концентраторами (hub). Логическая топология CSMA/CD не изменилась. В основу стандарта легли разработки SynOptics Communications под общим названием LattisNet;
- 1990 год - фирма Kalpana (впоследствии она была быстро куплена вместе с разработанным коммутатором CPW16 будущим гигантом Cisco) предлагает технологию коммутации, основанную на отказе от использования разделяемых линий связи между всеми узлами сегмента;
- 1992 год - начало применения коммутаторов (swich). Используя адресную информацию, содержащуюся в пакете (МАС-адрес), коммутатор организует независимые виртуальные каналы между парами узлов. Коммутация фактически незаметно для пользователя преобразует недетерминированную модель Ethernet (с конкурентной борьбой за полосу пропускания) в систему с адресной передачей данных;
- 1993 год - спецификация IEEE 802.3x, появляется полный дуплекс и контроль соединения для 10Вase-T, спецификация IEEE 802.1p добавляет групповую адресацию и 8-уровневую систему приоритетов. Предложен Fast Ethernet;
- в июне 1995 года введен Fast Ethernet, стандарт IEEE 802.3u (100Base-T).
На этом краткую историю можно закончить: Ethernet принял вполне современные очертания, но развитие технологии, конечно, не остановилось - речь об этом пойдет немного позже.
Незаслуженно забытый ARCNET
ttached Resourse Computing Network (ARCNET) - сетевая архитектура, разработанная компанией Datapoint в середине 70-х годов. В качестве стандарта IEEE ARCNET принят не был, но частично соответствует IEEE 802.4 как сеть с передачей маркера (логическое кольцо). Пакет данных может иметь любой размер в пределах от 1 до 507 байт.
Из всех локальных сетей ARCNET обладает самыми широкими возможностями в области топологий. Кольцо, общая шина, «звезда», «дерево» могут быть применены в одной сети. В дополнение к этому можно использовать весьма протяженные сегменты (до нескольких километров). Такие же широкие возможности касаются и среды передачи - подходят и коаксиальный, и оптоволоконный кабели, а также витая пара.
Доминировать на рынке этому недорогому стандарту помешало низкое быстродействие - всего-то 2,5 Мбит/с. Когда в начале 90-х годов Datapoint разработала ARCNET PLUS со скоростью передачи до 20 Мбит/с, время было уже упущено. Fast Ethernet не оставил ARCNET ни малейшего шанса на широкое применение.
Тем не менее в пользу большого (но так и не реализованного) потенциала этой технологии можно сказать, что в некоторых отраслях (обычно АСУТП) эти сети живут до сих пор. Детерминированный доступ, возможности автоконфигурирования, согласования скорости обмена в диапазоне от 120 Кбит/с до 10 Мбит/с в сложных условиях реального производства делают ARCNET просто незаменимой.
Кроме того, ARCNET обеспечивает необходимую для систем управления возможность точно определять максимальное время доступа к любому устройству в сети при любой нагрузке по простой формуле: T = (TDP + TOBЅNb)ЅND, где TDP и TOB - соответственно время передачи пакета данных и одного байта, зависящее от выбранной скорости передачи, Nb - количество байтов данных, ND - количество устройств в сети.
Token Ring - классический пример передачи маркера
oken Ring - еще одна технология, берущая свое начало в 70-х годах. Эта разработка голубого гиганта - IBM, являющаяся основой стандарта IEEE 802.5, имела больше шансов на успех, чем многие другие локальные сети. Token Ring является классической сетью с передачей маркера. Логическая топология (и физическая в первых версиях сети) - кольцо. Более современные модификации построены на витой паре по топологии «звезда», и с некоторыми оговорками совместимы с Ethernet.
Изначальная скорость передачи, описанная в IEEE 802.5, составляла 4 Мбит/с, однако существует более поздняя реализация на 16 Мбит/с. Из-за более упорядоченного (детерминированного) метода доступа к среде Token Ring на ранних этапах развития часто продвигалась как более качественная замена Ethernet.
Несмотря на существование схемы приоритетного доступа (который назначался каждой станции в отдельности), обеспечить постоянный темп передачи битов (Constant Bit Rate, CBR) не удавалось по весьма простой причине: приложений, которые могли бы использовать преимущества этих схем, тогда не существовало. Да и в настоящее время их стало не намного больше.
Учитывая это обстоятельство, можно было гарантировать только то, что производительность для всех станций сети снизится в равной мере. Но для победы в конкурентной борьбе этого было мало, и сейчас найти реально работающую сеть Token Ring практически невозможно.
FDDI - первая локальная сеть на оптоволокне
ехнология Fiber Distributed Data Interface (FDDI) была разработана в 1980 году комитетом ANSI. Это была первая компьютерная сеть, использовавшая в качестве среды передачи только оптоволоконный кабель. Причинами, побудившими производителей создать FDDI, были недостаточные в то время скорость (не более 10 Мбит/с) и надежность (отсутствие схем резервирования) локальных сетей. Кроме того, это была первая (и не слишком удачная) попытка вывести сети передачи данных на «транспортный» уровень, составив конкуренцию SDH.
Стандарт FDDI оговаривает передачу данных по двойному кольцу оптоволоконного кабеля со скоростью 100 Мбит/с, что позволяет получить надежный (зарезервированный) и быстрый канал. Расстояния довольно значительные - до 100 км по периметру. Логически работа сети была построена на передаче маркера.
Дополнительно предусматривалась развитая схема приоритезации трафика. Сначала рабочие станции разделялись на два вида: синхронные (имеющие постоянную полосу пропускания) и асинхронные. Последние, в свою очередь, распределяли среду передачи с помощью восьмиуровневой системы приоритетов.
Несовместимость с сетями SDH не позволила FDDI занять сколько-нибудь значимую нишу в области транспортных сетей. Сегодня эта технология практически вытеснена АТМ . А высокая стоимость не оставила шансов FDDI в борьбе с Ethernet за локальную нишу. Не помогли стандарту и попытки прейти на более дешевый медный кабель. Технология CDDI, основанная на принципах FDDI, но с применением в качестве среды передачи витой пары, популярностью не пользовалась и сохранилась только в учебниках.
Разработка AT&T и HP - 100VG-AnyLAN
ту технологию, как и FDDI, можно отнести ко второму поколению локальных сетей. Создавалась она в начале 90-х годов совместными усилиями компаний AT&T и HP как альтернатива технологии Fast Ethernet. Летом 1995 года она практически одновременно со своим конкурентом получила статус стандарта IEEE 802.12. 100VG-AnyLAN имела неплохой шанс на победу благодаря своей универсальности, детерминированности и более полной, чем у Ethernet, совместимости с существующими кабельными сетями (витая пара категории 3).
Схема квартетного кодирования Quartet Coding, использующая избыточный код 5В/6В, позволяла применять 4-парную витую пару категории 3, которая была тогда распространена едва ли не больше, чем современная 5-я категория. Переходный период, по сути, не затронул Россию, где из-за более позднего начала строительства коммуникационных систем сети были повсеместно проложены уже с использованием 5-й категории.
Кроме использования старой проводки каждый концентратор 100VG-AnyLAN может быть настроен на поддержку кадров 802.3 (Ethernet) либо кадров 802.5 (Token Ring). Метод доступа к среде Demand Priority определяет простую двухуровневую систему приоритетов - высокий для мультимедийных приложений и низкий для всех остальных.
Надо сказать, это была серьезнейшая заявка на успех. Подвела высокая стоимость, обусловленная большей сложностью и в немалой мере закрытостью технологии от тиражирования сторонними производителями. К этому прибавилось уже знакомое по Token Ring отсутствие реальных приложений, использующих преимущества системы приоритетов. В результате 100Вase-T удалось надолго и окончательно захватить лидерство в отрасли.
Новаторские технические идеи немного позже нашли применение сначала в 100Base-T2 (IEEE 802.3у), а затем и в «гигабитном» Ethernet 1000Вase-T.
Apple Talk, Local Talk
Apple Talk - стек протоколов, предложенный компанией Apple в начале 80-х годов. Изначально протоколы Apple Talk применялись для работы с сетевым оборудованием, объединяемым названием Local Talk (адаптеры, встроенные в компьютеры Apple).
Топология сети строилась как общая шина или «дерево», максимальная длина ее составляла 300 м, скорость передачи - 230,4 Кбит/с. Среда передачи - экранированная витая пара. Сегмент Local Talk мог объединять до 32 узлов.
Малая пропускная способность быстро вызвала необходимость разработки адаптеров для сетевых сред с большей пропускной способностью: Ether Talk, Token Talk и FDDI Talk для сетей стандарта Ethernet, Token Ring и FDDI соответственно. Таким образом, Apple Talk пошел путем универсальности на канальном уровне и может подстраиваться под любую физическую реализацию сети.
Как и большинство других изделий компании Apple, эти сети живут внутри «яблочного» мира и практически не пересекаются с PC.
UltraNet - сеть для суперкомпьютеров
Еще одним практически неизвестным в России видом сетей является UltraNet. Она активно использовалась для работы с вычислительными системами класса суперкомпьютеров и мэйнфреймами, но в настоящее время активно вытесняется Gigabit Ethernet.
UltraNet использует топологию «звезда» и способна обеспечить скорость обмена информацией между устройствами до 1 Гбит/с. Эта сеть отличается весьма сложной физической реализацией и очень высокими, под стать суперкомпьютерам, ценами. Для управления UltraNet используются компьютеры РС, которые подключаются к центральному концентратору. Дополнительно в состав сети могут входить мосты и роутеры для соединения с сетями, построенными по технологиям Ethernet или Token Ring.
В качестве среды передачи могут использоваться коаксиальный кабель и оптоволокно (на расстояния до 30 км).
Промышленные и специализированные сети
Следует отметить, что сети передачи данных используются не только для связи между компьютерами или для телефонии. Есть еще довольно большая ниша промышленных и специализированных устройств. Например, достаточно популярна технология CANBUS, созданная для замены одной общей шиной толстых и дорогих жгутов проводов в автомобилях. В этой сети нет большого выбора физических соединений, ограничена длина сегмента, небольшая (до 1 Mбит/с) скорость передачи. Однако CANBUS - это удачное сочетание необходимых для малой и средней автоматизации показателей качества и низкого ценового уровня реализаций. К подобным системам можно также отнести ModBus, PROFIBUS, FieldBus.
Сегодня интересы разработчиков CAN-контроллеров постепенно смещаются в сторону домашней автоматизации.
ATM как универсальная технология передачи данных
Описание стандарта АТМ не зря помещено в конец статьи. Это, пожалуй, одна из последних, но безуспешных попыток дать бой Ethernet на его поле. Эти технологии являются полной противоположностью друг другу по истории создания, ходу внедрения и идеологии. Если Ethernet поднимался «снизу вверх, от частного к общему», увеличивал скорость и качество, следуя за потребностью пользователей, то АТМ развивался совсем иначе.
В середине 80-х годов Американский национальный институт стандартов (ANSI) и Международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии (CCITT, МККТТ) начали разработку стандартов ATM (Asynchronous Transfer Mode - Асинхронный режим передачи) как набора рекомендаций для сети B-ISDN (Broadband Integrated Services Digital Network). Только в 1991 году усилия академической науки увенчались созданием АТМ-Форума, который до сих пор определяет развитие технологии. Первым же крупным проектом, сделанным с использованием этой технологии в 1994 году, стала магистраль известной сети NSFNET, до этого использовавшей канал Т3.
Суть работы АТМ очень проста: нужно смешать все виды трафика (голос, видео, данные), уплотнить и передать по одному каналу связи. Как уже отмечалось выше, достигается это не путем каких-либо технических прорывов, а скорее многочисленными компромиссами. В чем-то это похоже на способ решения дифференциальных уравнений. Непрерывные данные разбиваются на интервалы, которые достаточно малы и с которыми можно проводить операции по коммутации.
Естественно, такой подход сильно усложнил и без того непростую задачу разработчиков и производителей реального оборудования и недопустимо для рынка задержал сроки внедрения.
На размер минимальной порции данных (ячеек - в терминологии АТМ) влияют несколько факторов. С одной стороны, увеличение размера снижает требования к скорости процессора-коммутатора ячеек и повышает эффективность использования канала. С другой стороны, чем меньше ячейка, тем скорее возможна передача.
Действительно, пока одна ячейка передается, вторая (пусть самая первоочередная) ждет. Сильная математика, механизм очередей и приоритетов может немного сгладить эффект, но не устранить причину. После достаточно долгих экспериментов в 1989 году для ячейки был определен размер в 53 байта (5 байт служебных и 48 - данных). Очевидно, что для разной скорости этот размер может быть различным. Если для скоростей от 25 до 155 Мбит/с подходит размер в 53 байта, то для гигабита 500 байт будут ничем не хуже, а для 10 гигабит годятся и 5000 байт. Но в этом случае проблема совместимости становится неразрешимой. Рассуждения носят отнюдь не академический характер - именно ограничение на скорость коммутации поставило технический предел повышению скорости АТМ более 622 Мбит и резко повысило стоимость на меньших скоростях.
Второй компромисс АТМ - технология с установлением соединения. Перед сеансом передачи на канальном уровне устанавливается виртуальный канал отправитель-получатель, который не может использоваться другими станциями, тогда как в традиционных технологиях статистического уплотнения соединение не устанавливается, а в среду передачи помещаются пакеты с указанным адресом. Для этого в таблицу коммутации заносятся номер порта и идентификатор соединения, который присутствует в заголовке каждой ячейки. Впоследствии коммутатор обрабатывает поступающие ячейки, основываясь на идентификаторах соединения в их заголовках. Опираясь на этот механизм, можно регламентировать для каждого соединения пропускную способность, задержку и максимальную потерю данных - то есть обеспечить определенное качество обслуживания.
Все перечисленные свойства плюс хорошая совместимость с иерархией SDH позволили АТМ сравнительно быстро стать стандартом магистральных сетей передачи данных. Но с полной реализацией всех возможностей технологии возникли большие проблемы. Как это бывало не раз, локальные сети и клиентские приложения не поддерживали функций АТМ, а без этого мощная технология с большим потенциалом оказывалась только лишним преобразованием между мирами IP (по сути Ethernet) и SDH. Сложилась весьма неприятная ситуация, которую сообщество АТМ попыталось исправить. К сожалению, не обошлось без стратегических просчетов. Несмотря на все преимущества волоконной оптики по сравнению с медными кабелями, высокая цена интерфейсных плат и портов коммутаторов делала ATM на 155 Мбит/с чрезвычайно дорогой для использования в этом сегменте рынка.
Предприняв попытку определить низкоскоростные решения для настольных систем, ATM Forum ввязался в разрушительные споры по поводу того, на какие скорость и тип соединения следует ориентироваться. Производители разделились на два лагеря: сторонников медного кабеля со скоростью 25,6 Мбит/с и сторонников оптического кабеля со скоростью 51,82 Мбит/с. После ряда громких конфликтов (первоначально была выбрана скорость 51,82 Мбит/с) ATM Forum провозгласил 25 Мбит/с в качестве стандарта. Но драгоценное время было потеряно безвозвратно. На рынке технологии пришлось встретиться уже не с «классическим» Ethernet с его разделяемой средой передачи, а с Fast Ethernet и коммутируемым 10Вase-T (с надеждой на скорое появление коммутируемого 100Вase-T). Высокая цена, небольшое количество производителей, необходимость в более квалифицированном обслуживании, проблемы с драйверами и т.п. только усугубили ситуацию. Надежды на внедрение в сегмент корпоративных сетей рухнули, и достаточно слабая промежуточная позиция АТМ на некоторое время закрепилась. Таково ее положение в отрасли и сегодня.
КомпьютерПресс 10"2002
Загрузка...
