Методические указания к практическим работам по курсу ''Телекоммуникации и сети''. Ч.2. Локальные компьютерные сети

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра Вычислительных машин, комплексов, систем и сетей

Ю.И.Синицын

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ПРАКТИЧЕСКИМ РАБОТАМ ПО КУРСУ “Телекоммуникации и сети” Часть 2 ЛОКАЛЬНЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ

Оренбург 1998

ББК 32.973.202 С-38 УДК 681.324(075.8)

1 Сети передачи данных 1.1 Коммутация каналов, сообщений и пакетов Сеть передачи данных является основой глобальных и региональных компьютерных сетей и, как уже отмечалось, представляет собой совокупность каналов передачи данных и узлов коммутации. Исторически сложилось, что системы передачи данных первых компьютерных сетей, как и систем телеобработки, создавались на базе аналоговых телефонных сетей. К настоящему времени для сетей данного типа разработан достаточно большой объем программного и аппаратного обеспечения, имеются стандартные протоколы управления передачей данных, что определяет их широкое использование в современных компьютерных сетях. Основным недостатком сетей данного типа является относительно низкая скорость передачи информации, для достижения более высоких скоростей передачи данных на большие расстояния в настоящее время находят применение цифровые сети передачи данных и спутниковые системы связи. В такой же последовательности и целесообразно рассматривать вопросы организации передачи данных в компьютерных сетях. Сеть передачи данных является сложной системой, на которую возлагается выполнение достаточно большого числа задач, связанных с надежностью, помехозащищенностью передачи данных и долговечностью ее работы. Эти функции возлагаются на специальную службу управления сетью передачи данных, которая осуществляет контроль работы и управление сетью. Контроль работы сети передачи данных включает: определение состояния аппаратных средств сети; контроль абонентских систем и их подключение к сети передачи данных; проведение статистики и учета состояния функциональных элементов сети и т.п. Управление сетью включает локализацию неисправностей, изменение конфигурации сети, распределение сетевых ресурсов, маршрутизацию и управление информационными потоками. Управление сетью передачи данных может быть централизованное и осуществляться одной компьютерной системой, либо децентрализованное — несколькими компьютерными системами. Одной из определяющих характеристик сети передачи данных является способ коммутации данных, в зависимости от которого различают сети передачи данных с коммутацией каналов, коммутацией сообщений, коммутацией пакетов и интегральные сети передачи данных. Наиболее простой и естественный способ передачи данных между двумя абонентскими системами, называемый коммутацией каналов, базируется на 2

реализации физического соединения между ними. По своей сути сети коммутации каналов подобны телефонным сетям коллективного пользования, на базе которых они, как правило, и реализуются. Физическое соединение между абонентами компьютерной сети создается, как правило, только на время сеанса передачи информации путем образования составного канала из последовательно соединенных каналов. При этом связь между отправителем и получателем устанавливается путем посылки отправителем соответствующего сообщения, которое передается по сети передачи данных от одного узла коммутации канала к другому и управляет коммутацией каналов связи, как бы прокладывая путь от отправителя к получателю. После образования физического соединения из пункта назначения отправителю передается ответное сообщение, подтверждающее наличие требуемого соединения. Затем осуществляется передача информации, ради которой был создан канал передачи данных. На время сеанса обмена информацией составной канал полностью оказывается недоступным для других абонентов. После завершения передачи отправитель информации вырабатывает соответствующее управляющее сообщение, которое передается по составному каналу, управляя его разъединением, а, достигнув адресата, информирует его об окончании сеанса обмена информацией. В рамках сетей коммутации каналов могут организовываться так называемые выделенные каналы, которые коммутируются в определенные, заранее заданные, интервалы времени, на протяжении которых только и допускается передача информации. Очевидно, что режим выделенных каналов обеспечивает максимально допустимую для конкретной сети скорость передачи данных, однако при низкой интенсивности переда-чи данных эффективность использования передающей среды резко сни-жается. Преимуществом сетей коммутации каналов является наличие постоянного соединения между абонентскими системами, которое позволяет достаточно просто организовать взаимодействие между ними в режиме реального времени, в диалоговом режиме. С целью повышения коэффициента использования каналов передачи данных предложены и реализованы различные способы их уплотнения и концентрации для создания на базе одного физического канала нескольких логических каналов, например, за счет использования принципа частотного и временного уплотнения каналов. Используемое, как правило, в цифровых каналах передачи данных временное уплотнение представляет собой статическое разделение канала и предполагает передачу информации повторяющимися кадрами фиксированной длины. Кадр разбивается на части в соответствии с числом каналов и за каждым каналом закрепляется определенная часть кадра. Концентрация каналов связи, в отличие от уплотнения, является динамической процедурой объединения нагрузки нескольких каналов для последующей передачи информации по меньшему числу других более высокоскоростных каналов.

3

Передача информации посредством так называемой коммутации сообщений осуществляется без образования физического соединения меж-

ду пунктом отправления и получения информации. Между ними устанавливается виртуальное (логическое) соединение, а физический канал устанавливается локально между смежными узлами коммутации и только на время передачи данных. При этом информация представляется и передается в виде блока данных, целиком содержащего все сообщение. Заголовок блока данных содержит адреса отправителя и получателя информации, а также другую управляющую информацию, необходимую для достоверной передачи сообщений абонентами. Передача блоков данных между абонентами осуществляется с промежуточным запоминанием их в узлах коммутации: поступившее в узел коммутации сообщение запоминается в буферном запоминающем устройстве и при наличии свободного канала связи в направлении адресата передается по этому каналу в следующий свободный узел. Такие узлы, согласно рисунку 1, осуществляющие промежуточное хранение и управление передачей сообщений, называются узлами коммутации сообщений, а сети передачи данных, использующие данный способ коммутации, получили название сетей коммутации сообщений.

Коммутатор сообщений Устройство управления Входные Каналы 1 а1 2 а2 . . . аn N

а1 Устройство записи в запоминающее устройство

Запоминающее устройство

Устройство управления выходными каналами

аn . . . а2 Выход. каналы

Рисунок 1 – Узел коммутации сообщений

Таким образом, сообщение последовательно передается от одного уз-ла 4

коммутации к другому, занимая в каждый период времени только канал передачи данных между смежными узлами. Остальные каналы на пути следования сообщения могут использоваться для других целей. Это позволяет, по сравнению с сетями коммутации каналов, существенно повысить коэффициент использования физических каналов связи, и тем самым увеличить общую пропускную способность сети передачи данных. Однако при этом усложняются узлы коммутации и появляются дополнительные задержки, связанные с необходимостью промежуточного запоминания сообщения в каждом узле сети. Кроме того, при передаче больших сообщений повышается вероятность появления ошибок, что приводит к увеличению повторных передач и, соответственно, к снижению эффективности работы сети передачи данных. Это приводит к необходимости разбиения сообщения на не-сколько блоков, которые последовательно передаются между узлами коммутации сообщений. Каждый принимающий узел собирает блоки в сообщение, которое после проверки снова разбивается на блоки для дальнейшей передачи. Процесс сборки-разборки сообщений осуществляется каждым узлом коммутации. Все это значительно снижает скорость передачи сообщений, поэтому в настоящее время наибольшее распространение получил метод коммутации пакетов. Коммутация пакетов в документах МККТТ определяется как передача данных при помощи адресуемых пакетов, осуществляемая таким образом, что канал связи занимается только на период передачи пакета. Пакет является протокольным блоком данных сетевого уровня и как все блоки данных эталонной модели, состоит из заголовка и поля данных. Сеть передачи данных, использующая коммутацию пакетов, называется сетью коммутации пакетов, а ее коммутационные узлы получили название узлов коммутации пакетов. В узлах коммутации пакетов реализуются три нижних уровня эталонной модели взаимодействия открытых систем, на которых, соответственно, используется три типа протокольных блоков данных: последовательность бит, кадр и пакет. На верхних уровнях систем протокольный блок данных рассматривается как некоторый информационный блок, который на сетевом уровне "упаковывается" в пакет. Коммутацию пакетов можно рассматривать как дальнейшее развитие коммутации сообщений, при котором сообщение — пакет имеет строго ограниченную длину. Процесс передачи информации в сети коммутации пакетов напоминает работу почтовой сети связи при пересылке писем. Фиксированная длина пакетов предполагает разбиение длинных сообщений на несколько пакетов. Большие массивы информации пере-даются несколькими пакетами, однако, в отличие от коммутации сообщений, операция сборки-разборки осуществляется только в абонентских системах, что упрощает структуру промежуточных узлов сети. Естественно, за счет дублирования управляющей информации в каждом пакете общая длина передаваемого сообщения увеличивается, однако, как будет показано ниже, время передачи 5

всего сообщения не увеличивается, а, как правило, даже сокращается. Вводимое ограничение на длину пакета позволяет сократить объем запоминающих устройств узлов коммутации, что способствует сокращению времени пребывания пакета в узле коммутации, приводит к сокращению времени передачи сообщений и в целом повышает пропускную способность сети. При коммутации пакетов по сравнению с коммутацией сообщений время передачи информации сокращается, этому также способствует одновременная передача нескольких пакетов одного сообщения. Пакеты одного сообщения могут передаваться по различным маршрутам, независимо друг от друга, в этом случае говорят о так называемом дейтаграммном способе передачи данных. Данный способ передачи характеризуется использованием простейшего транспортного протокола и используется в основном для передачи короткой последовательности пакетов. Формирование маршрута осуществляется, как правило, перед началом передачи сообщения. Более подробно данный вопрос рассматривается ниже.

1.2 Маршрутизация в сетях передачи данных Под маршрутизацией в сетях передачи данных понимается процесс определения (выбора) пути следования информации от источника к адресату. Основной целью маршрутизации является обеспечение наилучшего пути следования информации с точки зрения ее минимально возможной задержки и максимальной пропускной способности сети. Кроме того, должна обеспечиваться достаточная защита и надежность передачи информации. Маршрутизация является одной из основных функций сетевого уровня и в общем случае сводится к выбору узлом коммутации пути дальнейшей передачи поступившей на его вход информации. При всей простоте постановки задачи, выбор оптимального маршрута является достаточно сложной задачей, не имеющей однозначного решения для сетей с различной топологией, величиной и характером потока данных. Сложность решения этой задачи обусловлена рядом причин. Во-первых, маршрутизация, как правило, требует координации работы всех узлов сети передачи данных. Во-вторых, система маршрутизации должна справляться с выходом из строя отдельных узлов и линий связи. В-третьих, система должна учитывать перегрузку отдельных областей сети передачи данных и изменять маршруты следования сообщений. Принято различать централизованные и децентрализованные (распределенные) способы маршрутизации. В случае централизованного способа маршрутизация осуществляется одним центром управления (менеджером сети), который определяет направление движения пакетов через сеть передачи данных. Узлы коммутации данной сети принимают минимальное участие в 6

маршрутизации и обладают относительно простой структурой. В свою очередь, при увеличении числа узлов возрастает сложность организации централизованного управления сетью передачи данных. Существенным недостатком централизованного управления является прямая зависимость надежности сети от надежности ее менеджера, которая с увеличением сложности последнего имеет тенденцию к снижению. Кроме того, менеджер сети должен иметь оперативную информацию о состоянии сети, так как выход из строя узла или его перегрузка может привести к потере работоспособности всей сети. В основе лавинной маршрутизации лежит эффект размножения пакетов, при котором узел, получив пакет, генерирует дополнительные, идентичные с ним пакеты и передает их во всех направлениях, кроме того по которому поступил пакет . Таким образом копии пакета лавинообразно распространяются по сети. Достоинством метода является то что он обеспечивает минимальную задержку распространения пакетов, поскольку используются все пути через сеть, в том числе и кратчайший, по которому и придет первый пакет. При распределенном управлении каждый узел самостоятельно, на основе хранящейся в нем управляющей информации, определяет направление передачи пакетов. Это приводит к увеличению сложности узлов коммутации. Однако система обладает более высокой живучестью, так как выход из строя какого-либо узла коммутации не влечет за собой потерю работоспособности всей сети. Далее, различают простую и табличную маршрутизацию. Простая маршрутизация реализуется без учета топологии и загрузки сети передачи данных и, как правило, отличается низкой эффективностью. При табличной маршрутизации в каждом узле коммутации формируется специальная таблица маршрутов, указывающая, по какому пути может переда-ваться пакет с заданным адресом, чтобы он в кратчайший срок достиг получателя. К простой маршрутизации относится случайная и лавинная маршрутизация. Случайная маршрутизация представляет собой метод, при котором пакет передается из узла в любом, случайно выбранном направлении, кроме направления, по которому он поступил в данный узел. Метод характеризуется значительным временем доставки пакетов и неэффек-тивным использованием пропускной способности сети. Табличные методы маршрутизации, в зависимости от момента формирования таблиц маршрутов, подразделяют на статические и динамические. При статической маршрутизации таблицы маршрутов формируются при генерации сети и в последующем, как правило, не изменяются. И только при изменении конфигурации сети, например, при выходе некоторого узла из строя, осуществляется корректировка соответствующих маршрутов. К статическим способам маршрутизации относятся фиксированная и 7

маршрутизация способом кратчайшей очереди. При фиксированной маршрутизации для любой пары абонентских систем устанавливаются одиночный или групповой каналы передачи данных. В первом случае говорят об однопутевой маршрутизации, так как существует только один маршрут следования пакетов от отправителя к получателю. Это наиболее простой способ маршрутизации, однако он не учитывает возможные аварийные ситуации и реальную загрузку отдельных каналов, что может привести к перегрузке отдельных участков сети при общей недозагрузке ее в целом. С целью выравнивания нагрузки на основных (магистральных) каналах передачи данных используют много путевую маршрутизацию, при которой между смежными узлами коммутации создается группа виртуальных каналов, каждый из которых может назначаться тому или иному пути следования пакетов. Данный подход используется в сети SNA фирмы IBM. Маршрутизация способом кратчайшей очереди предусматривает наличие для каждого узла коммутации таблицы маршрутов с указанием нескольких вариантов направления движения пакетов, при этом выбор конкретного пути движения осуществляется случайным образом. Поскольку данный способ характеризуется относительно малой эффективностью, то в таком варианте он используется относительно редко. С целью повышения эффективности данного способа маршрутизации определенным образом устанавливают приоритеты направлений передачи данных. Затем, при выборе канала передачи, узел коммутации просматривает в порядке уменьшения приоритета перечень допустимых путей передачи и выбирает первый свободный канал, что обеспечивает наиболее оптимальный путь движения пакета с минимальной задержкой его в промежуточных узлах. Благодаря относительной простоте и достаточной эффективности рассматриваемый способ часто используется в сетях коммутации пакетов, в частности, в сетях с низкой надежностью коммутационных систем. Наиболее эффективными, но и, пожалуй, самыми сложными являются способы динамической (адаптивной) маршрутизации. При динамической (адаптивной) маршрутизации содержимое таблиц маршрутов изменяется в зависимости от состояния и загрузки каналов передачи данных и узлов коммутации. Для адаптации к изменению нагрузки каждый Узел коммутации должен обладать определенной информацией о состоянии сети передачи данных и, в первую очередь, о ее топологии, интенсив-ности потоков данных и задержках (очередях) в узлах коммутации. Эта информация отслеживается (собирается) с помощью специальных управляющих пакетов, которыми обмениваются узлы коммутации. Качество маршрутизации во многом зависит от оперативности обновления управляющей информации. В общем случае наиболее оптимальная маршрутизация достигается при наличии информации о мгновенном состоянии сети и ее загрузке. Однако, это, как правило, приводит к значительному увеличению потока управляющих пакетов в сети передачи 8

данных и, в конечном итоге, к снижению ее эффективности. Как уже отмечалось, адаптивная маршрутизация представляет собой достаточно сложный про-

-

процесс, включающий: формирование маршрутов, осуществляемое с помощью алгоритмов маршрутизации путем составления в каждом узле коммутации таблиц маршрутов пакетов; реализацию маршрутов, представляющую собой процесс управления пакетами при движении их по подсети связи до требуемого места назначения, осуществляется с помощью специальных протоколов сетевого уровня; контроль состояния сети, в том числе анализ топологии сети, структуры потоков и задержек в узлах коммутации; передачу информации о состоянии сети, используемую для коррекп-ровки таблиц маршрутов; корректировку маршрутов. В зависимости от выбранной стратегии корректировки маршрута различают: централизованную, локальную, распределенную и гибридную маршрутизацию.

1.3 Транспортные протоколы Протоколы верхних уровней, начиная с сеансового уровня, также не осуществляют управление обменом (передачей) данных между процессами. Реализация этих функций возлагается на транспортную службу и транспортные протоколы, основным назначением которых и является обеспечение надежной связи между прикладными процессами компьютерной сети. Одним из первых протоколов транспортного уровня является протокол АННР (ARPA Host-to-Host Protocol), разработанный для сети ARPA. Учитывая, что первоначально эта сеть обеспечивала достаточно надежную передачу сообщений, основное внимание в протоколе АННР уделялось управлению потоком данных, адресации пользователей, а, также взаимодействию с программами, реализующими протоколы верхних уровней. Развитие сети ARPA в направлении использования сетей передачи данных общего пользования привело к появлению нового, более надежного протокола, известного в настоящее время под названием "протокол управления передачей" или TCP (сокращение от Transmission Control Protocol). Главным образом этот протокол используется в компьютерами сетях с коммутацией пакетов. Протокол TCP оказался достаточно удачным и был положен в основу стандартного международного протокола транспортного уровня. Соответственно, МККТТ определил рекомендацию X. 224 для данного 9

транспортного протокола, а также рекомендацию Х.214 для транспортной службы. С целью выбора оптимального набора транспортных услуг стандартным протоколом определено три типа (А, В, С) сетевых соединений и пять классов (0, 1,2,3,4) транспортного протокола. В зависимости от характеристик конкретной сети передачи данных определяется тип сетевого соединения, которому она удовлетворяет. Затем, с учетом требуемого уровня качества передачи выбирается необходимый класс транспортного протокола.

1.4 Сети SNA Среди компьютерных сетей особое место занимают сети SNA. Аббревиатура SNA происходит от System Network Architecture (Системная сетевая архитектура). По сути, Системная сетевая архитектура представляет собой совокупность принципов, процедур, протоколов и форматов, определяющих идеологию фирмы IBM по построению компьютерных сетей на базе систем телеобработки данных. Системная сетевая архитектура была разработана с целью повышения эффективности и упрощения проектирования компьютерных сетей. В соответствие с системной сетевой архитектурой компьютерная сеть организуется по региональному принципу. Каждый регион, как правило, представляет собой отдельную систему телеобработки данных. Регионы связываются между собой с помощью каналов передачи данных. В качестве основного метода доступа используется виртуальный телекоммуникационный метод доступа (VTAM), программно реализованный в главном компьютере. Виртуальный телекоммуникационный метод доступа обеспечивает интерфейс между главным процессором и абонентами региона, в свою очередь, связь между регионами осуществляется с помощью программы управления сетью (NCP). Средства программы управления сетью реализуются в связных процессорах и управляют всеми удаленными сетевыми ресурсами, освобождая главный компьютер от управления передачей информации в сети. Программа управления сетью управляет каналом передачи данных в соответствии со стандартным протоколом обмена. Она также выполняет сборку и разборку битов, трансляцию кодов, восстановление после ошибок, тестирование линий и устройств, а также другие функции управления каналом. В дополнение к методу доступа и программе управления сетью используются программы сетевого администрирования, которые обеспечивают: возможность использования в многорегиональной сети любого отдельного терминала для запуска системных команд на любом главном процессоре в сети; сбор, запоминание и восстановление данных при сетевых ошибках; возможность сбора и запоминания данных, относящихся к сетевой задаче, и позволяет операторам сети отображать эти данные: сбор информации о сеансах связи и маршрутах передачи данных. 10

Как известно, эталонная модель взаимодействия открытых систем ориентирована на сети коммутации пакетов,в то время как сеть SNA предпредполагает более простую систему передачи данных. Далее, ориентация сети SNA на относительно ограниченный круг аппаратуры, в основном на изделия фирмы IBM и им подобные, не требуют реализации в полном объеме функций представительного уровня. В свою очередь, ориентация на определенную структуру системы передачи сети SNA позволяет более четко определить методы и протоколы маршрутизации. Рассмотрим функциональные уровни системной сетевой архитектуры. Три нижних уровня этой модели в соответствии с рисунком 2, определяют протоколы функционирования системы передачи данных, а верхние уровни обеспечивают организацию и обслуживание сессий при обмене данными между абонентами сети.

Уровни Эталонная модель 7

Прикладной

6

Представительный

5

Сеансовый

4

Транспортный

3

Сетевой

Модели сети SNA Службы управления функциями Управления потоками данных Управления передачей

Службы сессий

Управления маршрутами

2

Канальный

Управления звеном передачи данных

1

Физический

Физический

Службы управления системой передачи данных

Рисунок 2 - Соответствие модели SNA Эталонной модели

Физический уровень. В той и другой модели самым нижним является физический уровень, определяющий интерфейс между оконечным 11

оборудованием данных и каналом связи. В рамках сети SNA существуй два типа коммуникационных соединений. Для узлов, которые находящихся на незначительном расстоянии друг от друга (до 25 метров), соединение может быть выполнено кабелем, который связывает две компьютерные системы по интерфейсу ввода-вывода или интерфейсу RS-232C. Если узлы находятся на существенном удалении друг от друга, то используются стандарты систем передачи данных, в основном Х.21, V.24, V.35. Уровень управления звеном передачи данных. Основной функцией уровня управления звеном передачи данных сети SNA, впрочем, как и канального уровня Эталонной модели взаимодействия открытых систем, является обеспечение надежной передачи данных по каналам связи. На данном уровне реализуются протоколы защиты от ошибок в каналах передачи данных. Основной структурной единицей передаваемой информации является кадр. В качестве основного протокола звена передачи данных используется биториентированный протокол синхронного управления звеном данных (SDLC), разработанный фирмой IBM. Данный протокол был положен в основу стандартного протокола (HDLC) канального уровня Эталонной модели взаимодействия открытых систем. Кроме того, виртуальный телекоммуникационный метод доступа и программа управления сетью могут поддерживать и другие протоколы, как протокол двоичного синхронного управления (BSC) и протокол сбалансированной процедуры доступа к звену (LAPB). Уровень управления маршрутами. Этот уровень связан с передачей информации в сети передачи данных. В сложных сетях путь между абонентами часто проходит через множество узлов, а иногда и через несколько регионов, поэтому одной из основных функций данного уровня является маршрутизация потоков данных. Протокольный блок данных уровня управления маршрутами в терминологии SNA называется блоком путевой информации (PIU), который состоит из заголовка передачи (ТН) и основного информационного блока (BIU). Заголовок передачи формируется на уровне управления маршрутами и содержит сетевой адрес, а также номера виртуального соединения и явного пути. Основной информационный блок поступает с уровня управления передачей и рассматривается в качестве блока данных. Уровень управления маршрутами состоит из трех подуровней: управления группой передачи; управления виртуальным соединением и управления явным маршрутом. Следует заметить, что первый подуровень больше соответствует канальному уровню, а второй и третий — сетевому Уровню Эталонной модели взаимодействия открытых систем. Группой передачи называется набор из одной или нескольких физических линий связи между соседними узлами сети. Средства групповой передачи позволяют рассматривать несколько физических линий как одну линию. В соответствии с протоколом группы передачи приходящие с Уровня управления 12

передачей основные информационные блоки ставятся в очередь, а за тем посылаются по очередной имеющейся в распоряжении физической линии. Последовательность групп передачи, образующая физический путь между абонентами, называется явным маршрутом. Уровень управления передачей. Данный уровень является самым низким уровнем службы сессий. В его функции входит установление, пропроведение и завершение сессии. К функциям данного уровня относится также контроль над порядком передачи основных информационных блоков. Кроме того, на этом уровне осуществляется управление темпом обмена информацией в ходе сессии с учетом возможностей абонентов вос-принимать передаваемые данные. Протокольный блок данных этого уровня включает в свой состав заголовок запроса/ответа (RH), который содержит информацию, необходимую для организации сессии. Уровень управления потоком данных. На данном уровне синхронизируется диалог между абонентами, под этим подразумевается организа-ция обмена между ними взаимоувязанными блоками запросов и oтвeтов. Эта процедура соответствует услугам сеансового уровня Эталонной модели взаимодействия открытых систем. Уровень служб управления функциями. Этот уровень является прикладным и обеспечивает пользователю доступ к сетевым ресурсам, кроме того, он обеспечивает соответствующее представление данных, переда-ваемых в ходе сессии между абонентами.

1.5 Сетевая архитектура DNA Сетевая архитектура DNA (Digital Network Architecture) разработана одной из ведущих компьютерных фирм — Digital Equipment Corp. (DEC) и представляет собой основные концепции построения территориальнораспределенной сети на базе компьютеров, производимых компанией. Как и в сетях SNA, в качестве функциональных элементов определены: главные (Host) компьютеры, процессоры сопряжения, концентраторы терминалов. Дополнительно используются магистральные и оконечные центры коммутации. Программные и аппаратные средства, поставляемые фирмой, позволяют создавать на базе компьютеров серий PDP, VAX однородные компьютерные сети, объединять эти компьютеры с компьютерами других фирм, включать такие сети в состав других сетей, в частности — сетей стандарта X. 25. В отличие от Эталонной модели уровень, обеспечивающий управление передачей данных в сети, называется транспортным. К основным функциям протокола транспортного уровня DNA относятся: маршрутизация пакетов, управление потоком, защита от перегрузок, инициализация транспортного канала, тестирование каналов передачи данных. DECnet Phase IV поддерживает режимы передачи данных как без установления соединения, так и с 13

установлением соединения. В первом случае, аналогично дейтаграммному способу передачи, каждый пакет доставляется независимо от других по наилучшему на данный момент маршруту. Рассматриваемый режим обеспечивается Протоколом сети без установления соединения — CLNP и Услугами сети без установления соединения — CLNS. Естественно, что в этом случае не гарантируется сохранение последовательности поступления пакетов, а также их надежная доставка.

2 Цифровые компьютерные сети 2.1 Введение Под цифровыми компьютерными сетями подразумеваются компьютерные сети, использующие для передачи информации цифровые каналы и коммутаторы. В настоящее время в области средств связи на смену аналоговым приходят цифровые системы передачи, в которых вся информация, включая и аналоговую, представляется и передается в дискретном (цифровом) виде. Появление цифровых систем передачи в первую очередь связано со стремлением повысить скорости передачи информации. Так, в аналоговых телефонных сетях предельная скорость передачи информации равна 19200 бит/с. В то же время, в цифровых системах передачи даже по обычной телефонной линии можно передавать данные со скоростью до 2 Мбит/с на расстояние до 1,6 км. При установке повторителей это расстояние может быть увеличено. Применение же оптоволоконных каналов передачи данных обеспечивает надежную высокоскоростную передачу с регенерацией сигналов через 20-30 км. Естественно, что подключение аналоговых средств к цифровым каналам передачи данных предполагает наличие специальных устройств преобразования аналоговых сигналов в цифровые и обратно. Однако это не является серьезным препятствием для развития цифровой связи, так как современный уровень микроэлектроники позволяет создавать относительно дешевые, малогабаритные преобразователи сигналов. Следует подчеркнуть, что стоимость цифровых устройств связи меньше по сравнению с подобными аналоговыми устройствами. Все это является хорошими экономическими предпосылками широкого развития цифровых сетей связи. Кроме того, использование цифровых каналов для передачи аналоговых сигналов имеет ряд преимуществ по сравнению с аналоговыми каналами. В частности, цифровые сигналы проще поддаются восстановлению, так как требуется распознать только два состояния сигнала (0 и 1). В отличие от аналоговых эти сигналы можно многократно восстанавливать без внесения дополнительных искажений. Кроме того, цифровые сети обеспечивают более высокий уровень защиты от ошибок. Все это позволяет передавать по ним 14

аналоговую информацию практически без искажений.

2.2 Преобразование аналоговых сигналов в цифровые Преобразование аналоговых сигналов в цифровые и обратно выпол-няется с помощью устройства, называемого кодек (образованного от слов кодер и декодер), основными элементами которого являются аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи. Процесс преобразования аналоговых сигналов в цифровые включает съем значений аналогового сигнала, его квантование и кодирование. В технике средств связи преобразования аналоговых сигналов в цифровые принято называть модуляцией сигналов. Существуют различные методы модуляции, например, импульсно-кодовая модуляция. В этом случае процесс модуляции можно разделить на три этапа. Сначала аналоговый сигнал представляется в виде множества дискретных значений (отображений), каждое из которых называется сигналом в импульсноамплитудной модуляции. Затем каждому сигналу в зависимости от требуемой точности преобразования присваивается определенное числовое значения в диапазоне от 1 до 128 или от 1 до 256. Этот процесс называется квантованием (оцифровыванием). Полученные числовые значения переводятся в двоичный код. Для отображения значений в диапазоне от 1 до 128 требуется 7 двоичных разрядов (27= 128), а в диапазоне от 1 до 256 —8 двоичных разрядов (28=256). Кроме импульсно-кодовой модуляции в цифровых сетях используется ряд других методов преобразования аналоговых сигналов, которых можно разделить на два класса: анализ формы волны (огибающей) и пара метрическое кодирование. Анализ огибающей. Метод называются так потому, что в нем проводится анализ амплитуды сигнала, которая потом отображается в цифровых коды. К данному классу относится рассмотренный выше метод импульсно-кодовой модуляции. В настоящее время используются более сложные методы, в частности метод дифференциальной импульсно-кодовой модуляции. Кратко остановимся на системе Т1. Для представления информации используется биполярный код с поочередной инверсией единиц. Выбор этого кода определяется его способностью обнаруживать Любую однобитовую ошибку передачи: если единица ошибочно перешла в ноль, то смежные единицы будут идентичной полярности, тем самым нарушая правило кодирования. Если же ошибочно ноль перешел в единицу, то нарушение правила кодирования проявится в двух последовательных единицах.

2.3 Стандартизация цифровых компьютерных сетей Развитие цифровых компьютерных сетей осуществляется в рамках концепции построения цифровых сетей с интеграцией услуг (ISDN), разрабатываемой Международным консультативным комитетом по телеграфии и 15

телефонии. Предусматривается использование цифровой технологии для поддержки широкого диапазона услуг, включая речь, данные, те-левизионные сигналы, факсимиле. Все это позволяет подключать к цифровой сети передачи данный как компьютеры, так и отдельные терминалы, цифровые и аналоговые телефонные аппараты, факсимильные аппараты и т. п: В целом разработка цифровых сетей с интегрированным обслуживанием преследует следующие основные цели: обеспечить всемирную единообразную цифровую сеть, которая поддерживает широкий диапазон различных услуг и использует одни и те же стандарты во всех странах; обеспечить единый набор стандартов для цифровых передач в сетях и между сетями; обеспечить стандартный интерфейс пользователя с цифровой сетью с интегрированным обслуживанием; обеспечить для конечного пользователя независимость прикладных программ от сетевого программного обеспечения.

3 Локальные компьютерные сети 3.1 Топология локальных сетей "Локальная" — то есть компьютерная сеть, рассредоточенная на сравнительно небольшой территории, в радиусе нескольких километров. В основном локальная сеть формируется в пределах одной организации, предприятия или их подразделений и предназначается для сбора, передачи и обработки информации в рамках данной организации (предприятия). Возможности и значимость локальных сетей возрастают по мере совершенствования и распространения персональных компьютеров, использование которых позволяет по-новому организовать эффективное взаимодействие пользователей в рамках локальных сетей. Принципиальное значение имеет возможность организации распределенной обработки информации. Высокий уровень функционального взаимодействия пользователей на базе широкого использования всего сетевого оборудования сети обеспечивает эффективное использование дорогостоящих ресурсов всеми пользователями локальной сети. По сравнению с централизованными системами локальные сети обеспечивают более высокую живучесть, что является часто решающим фактором при построении различных систем управления. Структурно локальную сеть можно представить в виде множества абонентских систем, объединенных высокоскоростными каналами передачи данных. Подключение станций к передающей среде осуществляется с 16

помощью сетевых адаптеров (адаптеров), основным назначением КОТОРЫХ является обеспечение взаимодействия абонентских систем в рамках локальной сети. С этой целью адаптеры выполняют ряд функций, одна Звездообразная локальная сеть характеризуется наличием центрального узла коммутации, к которому (или через который) посылаются все сообщения. В качестве центрального узла коммутации может использоваться специальный компьютер — сетевой сервер с функциями коммутации и управления работой всей локальной сети. В этом, в соответствием с рисунком 3, случае локальная сеть во многом подобна системе телеоб-работки и может базироваться на их программных и аппаратных средствах, что и явилось одной из причин широкого использования звездообразной топологии при разработке первых локальных сетей.

Сетевой сервер

Абонент 1

Абонент 2

Абонент 3

...

Абонент N

Рисунок 3 – Структура звездообразной сети На сетевой сервер кроме основных могут быть возложены дополнительные функции по согласованию скоростей работы станций и преобразованию протоколов обмена, это позволяет в рамках одной сети объ Сетевой сервер

Коммутатор

Абонент 1

Абонент 2

Абонент 3

...

Абонент N

Рисунок 4 – Структура звездообразной сети с распределенным управлением

единять разнотипные абонентские системы. 17

Наряду с определенными преимуществами, подобные локальные сети обладают и рядом недостатков. Например, при подключении большого числа абонентских систем поддержание высокой скорости коммутации требует значительных аппаратурных затрат. Кроме того, значительная функциональная нагрузка центрального узла определяет его сложность, что естественно сказывается на его надежности. В связи с этим в большинстве современных звездообразных сетей в соответствии с, рисунком 4, функции коммутации абонентских систем и управления сетью разделены между коммутатором и сетевым сервером. Последний подключается к коммутатору как абонентская система, но с максимальным приоритетом. В этом случае структура центрального узла существенно упрощается, что в сочетании с высокоскоростными каналами позволяет достичь достаточно высокой скорости передачи данных. Так, например, в звездообразной сети Ultra Net скорость передачи данных составляет 1,4 Гбит/с. В локальных сетях с шинной топологией, в соответствии с рисунком 5, все абонентские системы с помощью сетевых адаптеров подключаются к общей магистрали (шине). Конструктивно адаптер, как правило, представляет собой плату, встраиваемую в компьютер, хотя возможно и автономное его исполнение. В качестве передающей среды чаще всего используется коаксиальный кабель. Обязательным элементом подобной передающей среды является терминатор, представляющий собой согласующее сопротивление, с помощью которого устраняется эффект отраженной волны на концах коаксиального кабеля. Согласующее устройство (терминатор) Т Абонент 1

Магистраль

Абонент 2

Направл. передачи информации Т Абонент 3

...

Абонент N

Рисунок 5 – Шинная топология сети

В процессе работы сети информация от передающей абонентской системы поступает на адаптеры всех абонентских систем, однако воспринимается только адаптером той абонентской системы, которой она адресована. Использование абонентскими системами общей передающей Среды предполагает решения задачи организации поочередного доступа к ней. Правило, с помощью которого организуется бесконфликтный доступ абонентских систем к передающей среде, получило название метода доступа. Наиболее характерным представителем сетей с шинной топологией является сеть Ethernet. 18

Кольцевая локальная сеть, в соответствии с рисунком 6, характеризу-ется наличием замкнутого однонаправленного канала передачи данных, в виде кольца иди петли. В этом случае информация передается последовательно между адаптерами абонентских систем до тех пор, пока не будет принята получателем и затем удалена из сети. Обычно за удаление информации из сети отвечает ее отправитель. Управление работой кольцевой сети может осуществляться централизовано с помощью специальной мониторной станции, либо децентрализовано за счет распре-

Абонент 6

Абонент 7

. . . Абонент N

Абонент 5 Кольцевая магистраль

Направление передачи информации

Абонент 4

Абонент 1 Абонент 3

Абонент 2

Рисунок 6 – Кольцевая топология сети распределения функций управления между всеми абонентскими системами. Как и в сетях с шинной топологией последовательность передачи ин-формации абонентскими системами регулируется с помощью определенного метода доступа. Более подробно методы доступа рассматриваются в следующем разделе. Один из существенных недос-татков кольцевых сетей — выход ее из строя при разрыве кольца, как правило, устраняется за счет использования "двойного" кольца. Для этого в состав локальной сети включают дополнительные линии связи и устройства реконфигурации, которые представляют собой специальные переключательные устройства, простые и надежные. В соответствии с рисунком 7, показана схема переключения с одного кольца на другое при

19

Абонент 6

Абонент 7

. . . Абонент N

Абонент 5 Пассивн.коммутат.

Кольцевая маги

страль

Абонент 4

Направление передачи информации Абонент 1

Абонент 3

Абонент 2

Рисунок 7 – Переключение колец неисправности на одном из сегментов кольца. В случае необходимости может быть изолирована одна или несколько абонентских систем. При одновременном отказе двух или нескольких несмежных узлов исходная сеть разбивается на две или несколько независимых сетей, однако такая ситуация довольно редкая из-за достать высокой надежности устройств реконфигурации. Следует обратить внимание, что звездообразные, магистральные кольцевые сетевые топологии были характерны для первых локальных компьютерных сетей. Современные же высокоскоростные локальные компьютерные сети широко используют древовидную, в соответствии с рисунком 8, топологию. В качестве узлов коммутации чаше всего высту-пают высокоскоростные коммутаторы (хабы, от английского слова — Hub). Наиболее характерным представителем сетей с подобной структурой является сеть l00VG Any Lan. Интересно отметить, что высокоскоростной вариант магистральной сети Ethernet — Fast Ethernet также имеет древовидную структуру.

20

Сетевой сервер Концентратор Концентратор Концентратор Абонент Концентратор Абонент Абонент

Абонент Абонент

Абонент Рисунок 8 - Древовидная топология сети

По сравнению с шинными и кольцевыми сетями древовидные локальные сети обладают более высокой живучестью. Отключение или выход из строя одной из линий или коммутатора, как правило, не оказывает существенного влияния на работоспособность оставшейся части локальной сети. Кроме того, одной из причин широкого использования сетей с древовидной топологией является то, что эта структура более всего соответствует структуре информационных потоков между абонентами сети. По методам передачи информации локальные сети делятся на сети с маршрутизацией и селекцией информации. Маршрутизации в основном используется в звездообразных и древовидных локальных сетях. По сравнению с глобальными сетями задача маршрутизации в локальных сетях существенно проще, так как имеется ограниченное количество возможных маршрутов (как правило, один) между двумя произвольными абонентскими системами. Результатом маршрутизации является формирование виртуальных каналов между абонентскими системами. Селекция представляет собой процесс выбора очередной абонентской системы, которой предоставляется возможность передачи информации. Локальные сети с селекцией информации классифицируются в зависимости от используемого метода доступа абонентских систем к моноканалу. Таким образом, для локальных компьютерных сетей можно выделить следующие характерные признаки: относительная простота конфигурации 21

сети; использование высокоскоростных цифровых каналов передачи данных; высокий уровень функционального взаимодействия пользователей сети; размещение сети на ограниченной территории, на которой замыкаются все основные информационные потоки; сравнительно невысокая стоимость сетевого оборудования, в том числе сетевых адаптеров.

3.2. Физическая среда локальных сетей В качестве среды передачи информации в локальных сетях наиболее широкое применение находят: коаксиальный кабель, витые пары проводников и оптоволоконные среды. Коаксиальный кабель является широкополосным средством связи, позволяющим передавать информацию в достаточно большом частотном диапазоне. Он может использоваться как для одноканальной, так и многоканальной передачи. В локальных компьютерных сетях используются коаксиальные кабели с различным волновым сопротивлением от 50 0м до 120 0м, однако предпочтение отдается кабелю с волновым сопротивлением в 50 0м. Физически коаксиальный кабель представляет собой двухпроводную линию связи, в которой один проводник (центральный) находится внутри другого. Диаметр центрального проводника оказывает существенное влияние на электрические параметры кабеля. В соответствии с законами физики высокочастотный сигнал распространяется по внешнему диаметру проводника. При большем диаметре проводника затухание высокочас-тотного сигнала меньше. Затухание сигналов представляет собой часть интенсивности сигнала или мощности, которую электрический сигнал теряет при прохождении по соединительному проводу. При очень высоком затухании приемник может потерять способность надежной дешифрации данных. Центральный проводник может быть как одножильным, так и многожильным медным проводником. Для достижения максимального уровня сигнала размер сегмента коаксиального кабеля должен быть кратен длине волны передаваемого сигнала. С целью определения места подключения абонентских систем коаксиальный кабель маркируется по всей длине через определенное расстояние. Качество функционирования локальной компьютерной сети во многом определяется электрическими и механическими характеристи-ками кабеля. В настоящее время в локальных сетях находит применение кабель на базе витых пар проводников. Подобная передающая среда с успехом ис-пользуется в таких локальных сетях как l0Base-T, Token Ring, l00G-AnyLAN и др. Существует множество типов кабелей с витыми парами проводов. Кабели могут содержать четыре пары проводников или представлять собой жгуты из 25 и более пар неэкранированных или экранированных проводов. Неэкранированные провода, как правило, имеют волновое сопротивление в 100 22

0м, а экранированные — 150 0м. Учитывая широкое использование кабеля на базе витых пар проводников в различных компьютерных сетях, разработан ряд стандартов, определяющих электрические и монтажные параметры кабеля. В рамках каждого типа кабеля различают несколько его категорий. Например, для неэкранированного кабеля из 4 витых пар, который достаточно широко используется в локальных сетях, определены категории с номерами 3, 4, 5. Основное различие между категориями заключается в частотных характеристиках. Так, неэкранированный кабель категории 3 представляет собой стандартный телефонный кабель с полосой частот в 15 MHz. Кабель четвертой категории обеспечивает полосу пропускания в 20 MHz, а кабель пятой категории - 100 MHz. В зависимости от категории кабеля определяется максимально допустимая длина сегмента кабеля между двумя активными устройствами, например, между абонентской системой и концентратором. Для кабеля категории 3 длина сегмента не должна превышать 100 м. Кабели более высоких категорий могут обеспечивать связь на большие расстояния например, кабель категории 5 обеспечивает связь на расстоянии до 150м. В свою очередь, экранированные кабели обладают более высокими параметрами передачи сигналов. Для данного типа кабелей определены основные категории 1, 2, 6 и 9, и дополнительные типы 1А, 2А, 6А и 9А, ориентированные на высокочастотное исполнение до частоты 300 МГц. Для подключения витых пар проводников часто используются разъемы, применяемые в телефонных системах — RJ-45 (8-контактные) или Telko (50контактные). Стандарты определяют, что кабели должны прокладываться точечными кабельными сегментами. Все кабельные секции должны использовать витые пары проводников, нигде в сети даже на короткие расстояния не допускается использование плоских кабелей. В большинстве случаев допустимое общее затухание кабельного тракта между концентратором и оконечным узлом составляет 11,5 дБ на частотах 5 МГц, 10 МГц и 14 дБ на частоте 15 МГц. При использовании многопарного кабеля необходимо учитывать межпарные перекрестные помехи, представляющие собой воздействие сигналов одной пары на сигналы соседней пары. Затухание (ослабление) перекрестных помех между любыми двумя парами одного и того же кабельного жгута должно быть не менее 30,5 дБ на частоте 5 МГц, 26,0 дБ на частоте 10МГц и 23 дБ на частоте 15 МГц. Наиболее перспективной передающей средой, обеспечивающей скорость передачи в несколько Гбит/с, является оптоволоконный кабель. В качестве передающей среды в нем используется оптическое волокно (световод), представляющее собой тонкую стеклянную нить толщиной 50-100 мкм. Основным стандартным соотношением номинальных диаметров сердцевины и окружающего ее слоя считается соотношение 62,5/125 мкм. Информация по 23

оптоволоконному кабелю передается с помощью световых сигналов. В качестве источников света могут использоваться светодиоды или лазерные диоды. При выборе в качестве источника света лазерного диода, который может переключаться с частотой в несколько тысяч МГц, обеспечивается достаточно высокая скорость передачи цифровых сигналов. Следует заметить, что прозрачность оптического волокна на несколько порядков выше прозрачности обычного стекла, что позволяет передавать световой сигнал на десятки километров без существенного снижения уровня сигнала.

3.3 Доступ абонентских систем к моноканалу Эффективность взаимодействия абонентских систем в рамках локальной компьютерной сети во многом определяется используемым правилом доступа к общей передающей среде в сетях с шинной и кольцевой топологией или концентратору в древовидных и звездообразных сетях. Правило, с помощью которого организуется доступ абонентских систем к передающей среде, получило название метода доступа. В качестве критерия эффективности метода доступа чаще всего рассматривается время доступа к передающей среде, представляющее собой промежуток времени между появлением запроса на передачу данных и собственно началом передачи информации. Значение этого параметра зависит от топологии сети, используемого метода доступа, способ а управления сетью и др. В зависимости от используемого метода доступа локальные сети де-лятся на две группы. К первой группе относятся сети с методами детерминированного доступа, ко второй — с методами случайного доступа. Метод детерминированного доступа предполагает наличие определенного алгоритма, на основании которого абонентским системам предоставляется доступ к передающей среде. В общем случае методы детерминированного доступа позволяют учитывать особенности топологии сети и характер передаваемой информации, обеспечивая наиболее эффективное использо-вание передающей среды. Ко второй группе относятся методы случайного доступа, при которых каждая абонентская система произвольным образом, независимо от других систем, может обращаться к моноканалу. При методе случайного доступа возможно одновременное обращение нескольких абонентских систем к общей передающей среде, поэтому данный метод доступа часто называют методом множественного доступа. Методы случайного доступа проще в реализации, так как не требуют передачи специальной управляющей информации. Они более эффективны при обмене короткими сообщениями и низкой загрузке моноканала. В этом случае доступ к передающей среде осуществляется практически без дополнительных задержек. Методы детерминированного доступа более предпочтительны при 24

обмене длинными сообщениями и повышении уровня загрузки моноканала. Они позволяют также, при необходимости, организовать приоритетную передачу сообщений.

3.4 Методы доступа в сетях с шинной топологией В магистральных локальных сетях используются методы как случай-ного, так и детерминированного доступа. Появление методов случайного доступа связывают с радиосетью ALOHA, где впервые был использован простейший метод случайного доступа. Абонентские системы передавали информацию в эфир независимо друг от друга. В случае одновременной передачи сообщений несколькими станциями происходи "столкновение" сообщений, подобный конфликт приводил к искажению информации. Во избежание приема ошибочной информации кадр данных дополняется контрольной суммой. Принимающая абонентская система выдает подтверждение только при приеме кадров с правильной контрольной суммой, остальные кадры игнорируются. Это позволяет передающей станции контролировать передачу кадров. Вероятность "столкновения" сообщений зависит от интенсивное обращения абонентских систем к передающей среде и существенно вы- растает при ее увеличении. Снижение коэффициента полезного исполь- зования моноканала при возрастании количества "столкновений", как следствие повышения интенсивности запросов на доступ, определило поиск возможностей совершенствования метода случайного доступа. Од-ним из способов снижения конфликтов является предварительное прослу-шивание передающей среды и начало передачи только при наличии сво-бодного канала. Такой режим передачи получил название множественного доступа с контролем несущей частоты (МДКН). Однако и в этом случае из-за конечного времени распространения сигналов невозможно полностью избежать конфликтов. Подобный режим передачи получил название множественного доступа с контролем несущей частоты и обнаружением столкновений (МДКН/ОС). Методы детерминированного доступа можно разделить на методы разделения времени и методы передачи полномочий. Сущность методов разделения времени заключается в разделении времени работы канала связи на отдельные временные интервалы, каждый из которых, согласно определенному правилу, предоставляется какой-либо абонентской системе. Большинство методов разделения времени предусматривает наличие в сети диспетчера, основной функцией которого является контроль и планирование времени доступа. Наиболее простым среди методов разделения времени является метод синхронного (циклического) разделения времени . В этом случае цикл (Т) 25

обмена с абонентскими системами разбивается на несколько временных интервалов (t), количество которых соответствует числу (n) абонентских систем. Во время цикла обмена каждой абонентской системе предос-тавляется фиксированный интервал времени, в течение которого она может передавать сообщение. Если у абонентской системы в данный момент времени отсутствует информация для передачи, то выделенный ей временной интервал не используется. При неравномерном распределении интенсивности обращения абонентских систем к передающей среде эффек-тивность использования канала связи относительно низкая. Она может быть повышена за счет разделения цикла ( мена на небольшие интервалы с представлением абонентской системе одного или нескольких интервалов в зависимости от интенсивности (обращения абонентской системы к каналу связи. Эффективность использования моноканала может быть также повы-шена за счет реализации методов асинхронного разделения времени, осно-ванных на прогнозировании интенсивности запросов доступа к моно-каналу со стороны абонентских систем. С помощью специальной про- цедуры накапливается статистика обращений, на основе которой прогно-зируется интенсивность потоков заявок и распределяются временные ин- тервалы между абонентскими системами. В локальных сетях с большим числом абонентов достаточно широко используется метод детерминированного доступа, получивший название множественного доступа с передачей полномочий (метод маркерного доступа). В общем виде алгоритм маркерного доступа достаточно прост: в локальной сети последовательно от одной абонентской системы к другой передается специальная управляющая информация — маркер, при поступлении которого абонентская система получает разрешение на передачу информации. После окончания передачи абонентская система обязана передать маркер следующей абонентской системе. При отсутствии необходимости в передаче сообщения абонентская система, получившая маркер, немедленно передает его следующей абонентской системе. Последняя абонентская система передает маркер первой абонентской системе, образуя таким образом, логическое кольцо, согласно рисунку 9, передачи маркера. При этом передача кадров данных осуществляется в обоих направлениях, а их прием осуществляется только получателем на основании сравнения адреса, указанного в передаваемом кадре, с адресом абонентской системы.

26

Логическое кольцо передачи маркера Абонент

Абонент

Абонент

Магистраль Т

Т Абонент

Абонент

Абонент

Рисунок 9 – Организация логического кольца передачи полномочий (маркера)

Данный способ доступа имеет ряд преимуществ: - обеспечивает достаточно эффективное использование ресурсов канала передачи данных; - предоставляет возможность реализации режима работы в режиме реального времени; - исключает столкновения сообщений; - позволяет достаточно просто реализовать приоритетный доступ. К недостаткам метода следует отнести зависимость работы сети от физических характеристик передающей среды, в частности, потеря маркера или его раздвоение приводит к неправильной работе сети. Поэтому необходимо с помощью специальных процедур постоянно отслеживать потерю маркера или появление нескольких маркеров.

3.5 Методы доступа в кольцевых сетях В кольцевых локальных сетях используются, как правило, методы детерминированного доступа. Применение методов случайного доступа не имеет смысла при последовательной передаче информации, которой характеризуются кольцевые локальные сети, так как при этом отсутствует возможность прослушивания всего кольца для выявления возможных столкновений сообщений. Основными методами доступа в локальных сетях с кольце структурой являются: метод множественного доступа с введением задержки, метод циклического доступа (тактируемый) и метод маркерного доступа. Основным преимуществом доступа с введением задержки является минимальное время доступа к передающей среде, предельное значение которого равно времени передачи одного кадра. Так как каждая абонентская 27

система может задержать передачу на время одного кадра, то максимальное время между передачами кадров одной абонентской системой определяется произведением числа абонентских систем на длительность передачи кадра. К недостаткам рассмотренного метода относится также блокировка абонентской системы, которая может иметь место в случае искажения или потери кадра данных, переданного этой системой. Метод тактируемого доступа предполагает разбиение временного цикла кольца, то есть времени распространения сигнала по кольцу канала связи, на множество равных временных интервалов — тактов (временных сегментов), в каждом из которых помещается по одному кадру. Таким образом, одновременно может передаваться несколько кадров. Количество и длина кадров определяется с учетом основных характеристик сети. Абонентская система может передавать информацию в кольцо только при прохождении через ее блок доступа свободного кадра. Свободные кадры отличаются от занятых значением специального контрольного бита своего заголовка. Единица указывает на то, что данный кадр занят, а ноль — свободен. При обмене большими сообщениями переменной длины предпочтительным является маркерный доступ. Основное отличие маркерного доступа в кольцевой сети от маркерного доступа в сети с шинной топологией заключается в том, что кадры маркера и данных передаются в одном направлении и по физическому кольцу. Передача информации в произвольном направлении, как это происходит в сетях с шинной топологией, исключается. Абонентская система может начать передачу только после получения маркера от предыдущей абонентской системы. Получив маркер, станция посылает в кольцо кадр данных. Передача маркера следующей абонентской системе может осуществляться после возвращения переданного кадра данных, либо сразу же после его передачи.

3.5 Сети шинной топологии В настоящее время среди магистральных локальных сетей наиболее широкое распространение получила сеть Ethernet. Данная сеть предназнаназначена для объединения различных учрежденческих (в том числе банковских и офисных) абонентских систем в локальную компьютерную сеть. Успешный опыт эксплуатации сети Ethernet позволил взять ее за основу при разработке стандарта IEEE-802.3 для магистральных сетей с мно-жественным доступом, контролем передачи и обнаружением столкновений. Рассмотрение данной сети начнем с канального уровня, постепенно переходя к физическому уровню, техническим средствам и примерам ее реализации. Как известно, канальный уровень локальных сетей разделен на два подуровня: управления логическим каналом и управления доступом к передающей среде, первый из них определен в соответствие со стандартом IEEE 28

802.2, а второй — IEEE 802.3. В качестве протокольного блока данных подуровня управления доступом к передающей среде используется кадр подуровня, с помощью которого осуществляется обмен информацией между станциями сети. В соответствии с рисунком10 представлена структура блока данных стандар-

Преамбула 10101010 Начальный ограничитель 10101011

Адрес получателя Адрес отправителя Длина блока данных

Число байт 6 1

2 или 6 2 или 6 2

Данные Заполнитель Контрольная последовательность

4

Рисунок 10 - Структура кадра стандарта IEEE 802.3 та IEEE 802.3. Кадр начинается преамбулой, отвечающей за побитовую синхронизацию передачи и приема данных сетевым адаптером. С этой целью в преамбуле семь раз повторяется байт 10101010. Начало пос-тупления информации связано с появлением начального ограничителя кадра, который представляет собой следующую последовательность бит: 10101011, отличающуюся от преамбулы значением двух последних разрядов. В поле адреса получателя размером 2 или 6 байт указывается адрес станции, которой направляется данный кадр. Первый бит адреса определяет тип адресации: нулю соответствует режим индивидуальной адресации, а единице — групповой адресации. Единица в первом бите указывает на то, что кадр должен восприниматься группой станций. Поле адреса отправителя содержит адрес станции, которой принадлежит данный кадр. Поле адреса отправителя имеет длину, равную длине поля адреса получателя, при этом первый его бит всегда равен нулю. Блок данных управления логическим каналом может иметь различную длину, поэтому для определения места его окончания необходимо указывать длину блока данных. Что и осуществляется с помощью содержимого поля длины блока данных, размер которого равен двум байтам. 29

Перечисленные выше поля можно рассматривать в качестве заголовка кадра, непосредственно за которым следует поле блока данных и, возможно, заполнитель. В качестве блока данных выступает протокольный блок стандарта IEEE 802.2, поступающий с более высокого подуровня — управления логическим каналом. Далее, стандартом определяется максимальная (1518 бит) и минимальная (512 бит) длина кадра. Ограничение на минимальную длину кадра связано с механизмом обнаружения конфликтов. При передаче слишком коротких сообщений станция может успеть завершить передачу кадра данных до обнаружения коллизии. В этом случае будет считаться, что кадр передан без столкновения и не будет сделана попытка его повторной передачи. Время, в течение которого станция может обнаружить наличие кадра другой станции, называется окном конфликтов. Длительность окна конфликтов определяется суммарным временем распространения сигналов между двумя крайними станциями. Считается, что по истечении времени, равного окну конфликтов, станция захватила передающую среду, поскольку за это время все остальные станции должны обнаружить наличие передачи со стороны данной станции. Стандартом определяется максимальное значение окна конфликтов, которое используется для расчета параметров сети, в том числе минимальной длины кадра и максимальной длины сети. Максимальная длина кадра связана с вероятностью появления ошибки в кадре при его передаче. В конце кадра находится поле длиной четыре байта, в котором содержится контрольная последовательность кадра, вычисляемая с помощью стандартного образующего полинома 32-ой степени. Основным преимуществом сети является малое время ответа, которое достигается, однако, за счет очень низкой эффективности использования канала передачи данных. В большинстве случаев до 60% общей пропускной способности канала затрачивается на передачу служебных и управляющих бит. Поэтому наиболее характерной областью применения подобных сетей следует считать системы оперативного контроля и управления технологическими процессами.

3.6 Высокоскоростные локальные сети . Сеть FDDI С целью широкого внедрения высокоскоростных каналов передачи данных в 1985г. комитетом ХЗТ9.5 Американского института национальных стандартов (ANSI) был разработан стандарт на оптоволоконный интерфейс распределенных данных. Хотя этот стандарт официально называется стандартом ANSI ХЗТ9.5, за ним закрепилось название FDDI. С целью повышения эффективности передачи цифровых, звуковых и видео-потоков данных реального времени в 1986г. был разработан стандарт FDDI-11. В последствии стандарт FDDI был принят в качестве международного стандарта ISO 9314.Следует подчеркнуть, что ос-новное внимание при разработке стандарта уделялось вопросам по-вышения производительности и надежности сети. 30

Первая задача решалась за счет использования высокоскоростных (100 Мбит/с) оптоволоконных каналов передачи данных и усовершенствованных протоколов доступа к передающей среде. Так, в отличие от Ethernet здесь используется детер-минированный метод доступа, исключающий конфликты. В свою очередь по сравнению со стандартом IEEE 802.5, в сети FDDI применяется более эффективный метод передачи данных, называемым ранним освобож-дением маркера — ETR (Early token Release). В сети Token Ring маркер передается после подтверждения получения данных, а в сети FDDI станция, передавшая данные, освобождает маркер, не дожидаясь возвращения своего кадра данных. Маркер поступает к следующей станции, разрешая ей передавать информацию. Тем самым в сети FDDI в каждый момент времени может циркулировать несколько пакетов данных, переданных разными станциями.Высокая надежность сети обеспечивается способностью сети к динамической реконфигурации своей структуры за счет использования двойного кольца передачи данных в соответствии с рисунком 11 и специальных процедур управления конфигурацией. Изменение конфигурации осуществляется путем обхода или изоляции неисправного участка сети . Для реализации этих возможностей опреде-ляется два типа станций (адаптеров): одинарная станция (Single station) — станция с одним портом ввода-вывода для подключения двухволоконного оптического кабеля, с помощью которого может быть образовано только одно кольцо; двойная станция (Dual station) — станция с двумя портами ввода-вывода оптоволоконного канала связи, с помощью которых образуется два кольцевых тракта передачи сигналов. Как правило, двойные станции используются для образования магистрального тракта передачи данных, а одинарные — для радиального подключения абонентских систем (компьютеров). В FDDI широко используются концентраторы, которые, как станции, могут быть с одним или с двумя портами ввода-вывода для подключения к магистральному каналу. Двойные концентраторы используются на магистральном участке сети, а одинарные концентраторы поддерживают древовидную структуру сети. Подключение абонентских систем к концентраторам может осуществляться как с помощью оптоволоконных каналов, так и с помощью витых пар проводников. В первом случае в качестве промежуточного звена выступают одинарные станции. Во втором случае используется специальный адаптер, подобный адаптеру сети стан-дарта IEEE 802.5. Представительный набор устройств различит типов позволяет поддерживать сетевые структуры с достаточно разнос разной топологией, от простой кольцевой до сложной древовидно-кольцевой.

31

Абонент

Абонент

Абонент

Двойные станции Двойной концентратор Абонент

Абонент

Абонент

Двойной концентратор Абонент

Одинарный концентратор Абонент

Рисунок 11 – Пример топологии сети FDDI

Как и большинство стандартов на локальные компьютерные сети FDDI определяет два нижних уровня Эталонной модели взаимодействия открытых систем. На подуровне управления логическим каналом FDDI использует стандарт 1ЕЕЕ.802.2, что обеспечивает совместимость сети данного типа с другими локальными сетями. На подуровне управления доступом к передающей среде FDDI можно рассматривать как дальнейшее развитие стандарта 1ЕЕЕ.802.5 на пути повышения эффективности использования передающей среды и расширения функциональных возможностей передачи информации. При этом факультативные возможности стандарта 1ЕЕЕ.802.5 по организации многоуровневой приоритетной схемы управления доступом и режим раннего освобождения маркера переведены в разряд обязательных. Стандартом определены два режима передачи данных: синхронный и асинхронный. В синхронном режиме станция при каждом поступлении маркера может передавать данные в течение определенного времени независимо от времени появления маркера. Этот режим обычно используется для приложений, чувствительных к временным задержкам, например в системах оперативного управления и др. В асинхронном режиме длительность передачи информации связана с приходом маркера и не может продолжаться позднее определенного момента времени. Если до указанного момента времени маркер не появился, то передача асинхронных данных вообще не производится. Дополнительно, в асинхронном режиме устанавливается несколько (до семи) уровней приоритета, каждому из которых устанавливается свое граничное время передачи информации. 32

Список использованных источников 1. Бэрри Нанс. Компьютерные сети: Пер. с анг. — "БИНОМ", 1995. – 696 с. 2. Каррид Ч., Гиллетт К. Операционная система Net Ware для сетей ЭВМ: Пер. с анг. - М.: "Мир", 1993. –453 с. 3. Нессер Д. Дж. Оптимизация и поиск неисправностей в сетях: Пер. с анг. — К.: "Диалектика", 1996. –376 с. 4. Протоколы информационных-вычислительных сетей: Справочник. -М.: "Радио и связь", 1990. – 412 с. 5. Халсалл Ф. Передача данных, сети компьютеров и взаимосвязь открытых систем: Пер. с анг. — М.: "Радио и связь", 1995. – 497 с. 6. Щербо В. К. и др. Стандарты по локальным вычислительным сетям: Справочник. — М.: "Радио и связь", 1990. –212 с. 7. Ю. Блек. Сети ЭВМ: Протоколы, стандарты, интерфейсы: Пер с анг. М.:, "Мир", 1990. – 376 с.

33

34