Сетевые технологии. Часть 1: Учебное пособие

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

А. С. БОЖДАЙ, А. Г. ФИНОГЕЕВ

СЕТЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ часть 1

Учебное пособие

ПЕНЗА 2005

УДК 681.3 Г48 Рецензент: Кандидат технических наук, доцент кафедры «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети» Пензенского технологического института Е.Г.Бершадская Бождай А.С., Финогеев А.Г. Сетевые технологии. Часть 1: Учеб. пособие. – Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2005 – 107 с.; 13 ил., 4 табл., библиогр. 16 назв. Пособие рассчитано на читателей, начинающих изучать основные сведения, связанные с технической базой современных телекоммуникационных систем. Подробно рассматриваются общетеоретические вопросы построения локальных вычислительных сетей. Приводится краткий обзор методов и режимов передачи данных. Дается понятие о различных кабельных системах телекоммуникаций, описываются способы коммутации в сетях и методы доступа к средам передачи данных. Особое внимание уделено беспроводным средам передачи данных. Учебное пособие разработано на кафедре "Системы автоматизированного проектирования" и предназначены для студентов специальностей 22.03.00, 35.15.00, может быть использовано для направления 06.45.00 «Информатика и вычислительная техника».

2

СОДЕРЖАНИЕ Введение…………………………………………………………………………. 5 1. Основы передачи данных……………………………………………………. 8 1.1 Основные типы модуляции…………………………………………. 10 1.2 Методы передачи данных…………………………………………… 12 1.3 Режимы и качество передачи данных……………………………… 14 Вопросы для самоконтроля по главе 1……………………………………….. 15 2. Базовые термины и определения компьютерных сетей…………………... 16 Вопросы для самоконтроля по главе 2………………………………………... 21 3. Модели открытых информационных систем ISO/OSI……………………. 22 3.1 Прикладной уровень………………………………………………… 27 3.2 Уровень представления данных……………………………………. 29 3.3 Сеансовый уровень взаимодействия…………………………….…. 29 3.4 Транспортный уровень взаимодействия…………………………… 30 3.5 Сетевой уровень взаимодействия……………………………….….. 32 3.6 Канальный уровень взаимодействия…………………………….…. 33 3.7 Физический уровень взаимодействия……………………………… 34 3.8 Адресация в сетях………………………………………………….… 36 Вопросы для самоконтроля по главе 3………………………………………... 37 4. Каналы и линии связи……………………………………………………….. 38 4.1 Характеристики сетей……………………………………………….. 40 4.2 Первичные и вторичные сети……………………………………….. 42 4.3 Способы коммутации в сетях……………………………………….. 42 4.4 Методы доступа к среде передачи данных…………………………. 45

3

4.5 Мультиплексирование……………………………………………… 49 4.6 Физическая среда передачи информации…………………………. 52 4.7 Проводные физические среды……………………………………... 55 4.8 Беспроводные физические среды………………………………….. 64 Вопросы для самоконтроля по главе 4……………………………………….. 67 5. Локальные вычислительные сети………………………………………….. 70 5.1 Классификация локальных сетей………………………………….. 71 5.2 Протоколы локальных сетей……………………………………….. 76 5.3 Определения канального уровня в стандартах IEEE-802………… 78 5.4 Стандарты технологии Ethernet…………………………………….. 81 5.5 Стандарт сетей с маркерной шиной………………………………... 91 5.6 Стандарт сетей с маркерным кольцом……………………………... 93 5.7 Стандарт технологии 100 VG-AnyLAN……………………………. 95 5.8 Стандарт FDDI………………………………………………………. 97 5.9 Стандарт Fibre Channel……………………………………………... 101 Вопросы для самоконтроля по главе 5……………………………………….. 104 Список литературы……………………………………………………………. 106

4

ВЕДЕНИЕ Современные длительного

телекоммуникационные

развития

ряда

сети

являются

основополагающих

результатом

технологий

—

информационных, компьютерных, телекоммуникационных и др. Общей целью такого развития является информатизация общества, т.е. формирование единой информационной среды, охватывающей все сферы деятельности человека. Выполнение этой задачи подразумевает развитие целой индустрии по производству, хранению, передаче и обработке информации. Естественно, что развитие телекоммуникационных технологий неразрывно связаны с решением задач

по

информатизации.

Изучение

материала,

посвященного

информационным сетям и технологиям передачи данных должно опираться на знание основ информатики и компьютерной техники. С одной стороны, телекоммуникационная сеть является особым видом распределенных вычислительных систем, в которых некоторая совокупность компьютеров

согласованно

выполняет

набор

взаимосвязанных

задач,

обмениваясь данными в автоматическом режиме. С другой стороны, компьютерные сети являются средством передачи информации на большие расстояния,

для

чего

в

них

применяются

методы

кодирования

и

мультиплексирования данных. На физическом уровне, процессы передачи данных между узлами сети используют различные кабельные, оптические или беспроводные системы. Правильный выбор типа кабельной или беспроводной системы во многом обуславливает эффективность и надежность работы всей телекоммуникационной системы в целом.

5

К

настоящему

моменту,

телекоммуникационные

сети

приобрели

глобальное распространение во всех сферах жизнедеятельности человека. В этой связи, следует отметить, что существует большое разнообразие типов, топологий, стандартов, протоколов телекоммуникационных сетей. С другой стороны,

наблюдаются

тенденции

к

полной

интеграции

телекоммуникационных технологий и систем в единое информационное пространство. Ярким примером такой интеграции служит современное состояние глобальной сети Internet и набор предоставляемых услуг для пользователя этой сети. Учебное пособие рассчитано на читателей, начинающих изучать основные знания и сведения, связанные с технической базой современных телекоммуникационных систем. Учебное пособие состоит из двух частей. В первой части рассматриваются общетеоретические вопросы построения локальных вычислительных сетей. Первая глава данной части посвящена краткому обзору методов и режимов передачи данных. Здесь описываются основы и типология модуляции. Рассматриваются факторы, влияющие на качество передачи данных. Вторая глава носит терминологический характер и раскрывает базовые термины и определения компьютерных сетей. Третья глава охватывает круг вопросов, связанных с особенностями модели взаимодействия открытых систем (Open System

Interconnection,

OSI),

которая

определяет

правила

и

уровни

взаимодействия в сетевых системах. Кроме того, рассматриваются способы адресации в информационных сетях. Четвертая глава дает понятие о различных кабельных системах телекоммуникаций, описывает способы коммутации в сетях и методы доступа к

6

средам передачи данных. Особое внимание уделено беспроводным средам передачи в связи с тем, что это один наиболее динамично развивающихся секторов телекоммуникационного рынка услуг. Пятая глава сосредотачивает внимание читателя на проблемах локальных вычислительных сетей (ЛВС). Детально рассматриваются классификация, протоколы и топологии ЛВС. Наряду с классическими подходами к организации ЛВС, описываются и современные передовые стандарты 100VGAnyLAN, FDDI, Fibre Channel. В целях лучшего усвоения материала, каждую главу завершает список вопросов для самоконтроля.

7

ГЛАВА 1. ОСНОВЫ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ Для передачи информации на большие расстояния, как правило, используются электромагнитные волны (акустические волны пригодны для ограниченных расстояний). Пересылка осуществляется по проводам или по схеме «передатчик-приемник» с использованием антенн или без них. Эффективность антенны обуславливается ее размерами, которые должны быть сравнимы с длиной передаваемой волны. Чем шире диапазон передаваемых частот, тем труднее сделать антенну, пригодную для решения задачи надежной передачи. Поэтому, для передачи используются частоты, начиная с сотен килогерц и выше (длина волн - сотни метров и меньше). Передача сигналов с использованием инфракрасной связи или с помощью лазерного луча ограничена расстояниями примерно 3000 м и становится неустойчивой при наличии осадков. Любая среда передачи данных не лишена проблемы потери энергии, так как в среде происходит искажение электромагнитных сигналов разной частоты, причем, с ростом частоты искажения увеличиваются. Считается, что сигналы передаются

в

канале

передаче

информации.

Характеристика

канала,

определяющая спектр частот, которые канал пропускает без существенных искажений, называется полосой пропускания канала. Скорость передачи информации зависит от способа кодирования электромагнитных сигналов и сигнальной скорости - скорости изменения значения сигнала в секунду. Сигнальную скорость принято измерять в бодах, что означает передачу одного сигнала в единицу времени (секунду). Единицу информации принято измерять в битах. При этом одно изменение значения

8

сигнала может кодировать сразу несколько бит. Отсюда ясно, что сигнальная скорость равная b бод не означает, то что скорость передачи информации также равна

b бит в единицу времени (секунду). Для кодировки одного бита

информации

одним

бодом

необходимо

использовать

2-уровневый

электромагнитный сигнал для представления битовых значений «0» и «1»; для кодирования двух бит одним бодом следует использовать 4-х уровневый сигнал для представления комбинаций «00», «01», «11» и «10», и так далее. В общем случае для кодирования "n" бит одним бодом необходим сигнал с числом уровней 2n. Таким образом, способ кодирования оказывает влияние на скорость передачи информации по каналу, и, следовательно, скорость передачи информации равна произведению сигнальной скорости в бодах на число бит, закодированных одним бодом. Максимальная скорость, с которой канал способен передавать данные, называется пропускной способностью канала. Цифровой сигнал, который представляет собой прямоугольную волну с двумя

различными

состояниями,

называется

бинарным.

Состояния

электромагнитного сигнала могут быть представлены уровнями тока или напряжения, а также полярностью сигнала. Для цифрового бинарного сигнала скорость передачи информации в битах равна сигнальной скорости в бодах. Наибольшая скорость передачи информации бинарными сигналами будет при передаче чередующейся последовательности нулей и единиц 0,1,0,1,0,1. Передача информации цифровыми сигналами имеет следующие преимущества перед передачей аналоговыми сигналами: − Высокую надежность; − Отсутствие зависимости от источника информации; − Возможность шифрования;

9

− Независимость от времени. Перед передачей информации, алфавитно-цифровые данные должны быть преобразованы в битовую последовательность. с помощью битовых комбинаций. Битовые комбинации хранятся в кодовых таблицах, содержащих 4-, 5-, 6-, 7- или 8-битовые коды. Количество передаваемых знаков здесь зависит от числа битов, используемых в коде. На международном уровне передача символьной информации осуществляется с помощью 7-битового кодирования, позволяющего закодировать заглавные и строчные буквы английского алфавита, а также спецсимволы. Для представления знаков национальных алфавитов применяется 8-битовый код, которым можно представить 256 алфавитно-цифровых знаков.

1.1. Основные типы модуляции. Модуляция - это процесс, при котором высокочастотная волна используется для переноса низкочастотной волны. Существует три параметра несущей волны, которые можно изменять: амплитуда, частота и фаза. В системах с амплитудной модуляцией низкочастотная модулирующая волна

изменяет

амплитуду

высокочастотной

несущей

волны.

Если

модулирующий сигнал является цифровым, то такая модуляция является импульсной амплитудной модуляцией. Она позволяет закодировать более одного бита на бод, путем преобразования битовой комбинации в сигнал с числом уровней более двух. В системах с частотной модуляцией низкочастотная модулирующая волна изменяет частоту высокочастотной несущей волны. Если модулирующим

10

является бинарный сигнал, т.е. несущая волна переключается двоичным сигналом с одной частоты на другую, то данный вид модуляции называется модуляцией с переключением частот. Основным недостатком систем передачи данных с амплитудной или частотной модуляцией является чувствительность к шумам на входе приемника. В системах с фазовой модуляцией модулирующая волна изменяет фазу высокочастотной несущей волны. Комбинация фазовой и амплитудной модуляции

носит

название

квадратурной

модуляции.

Если

для

низкоскоростной передачи данных применяется частотная модуляция, то при высокоскоростной

передаче

часто

используются

каналах

передачи

технологии

на

базе

квадратурной модуляции. В

широкополосных

данных

применяются

потенциальные и импульсные методы кодирования информации, в которых двоичные данные представлены уровнями постоянного потенциала сигнала или полярностями импульса или его фронта. Второй способ определяет технологию импульсно-кодовой модуляции (ИКМ), которая рассматривается, как система передачи аналоговых сигналов в цифровом виде. В частности, такой вид модуляции используется в системах оптической передачи информации. Здесь модуляция представляет изменение параметров светового луча в зависимости от модулирующего информационного сигнала. Существует два типа ИКМ для оптических систем: внешняя ИКМ и прямая ИКМ. При внешней модуляции световой луч проходит из источника света в устройство-модулятор, в котором в такте передаваемого сигнала изменяется амплитуда или фаза светового излучения. При прямой модуляции излучение модулируется непосредственно в

11

источнике света за счет его возбуждения, т.е. источник света сам излучает модулированный свет.

1.2. Методы передачи данных Рассмотрим два основных метода передачи данных: асинхронный и синхронный. Асинхронным (старт-стопным) методом называется такая технология передачи, при которой информация передается и принимается через нерегулярные интервалы времени по одному символу в единицу времени, с передачей специальных знаков начала и конца кадров данных. Синхронным (изохронным )методом называется технология передачи, при которой знаки генерируются в определенные моменты времени, с пересылкой синхронизующего тактового сигнала по отдельному каналу или путем совмещения его с передаваемыми данными. Под синхронизацией понимается механизм распознавания начала блока данных и его конца, а также передачу

последовательности

сигналов

подтверждения

связи

(синхроимпульсов) между приемными и передающими системами. Асинхронный метод используется в основном для низкоскоростных каналов

передачи

и

автономного

оборудования.

Синхронный

метод

применяется в высокоскоростных каналах. Рассмотрим оба метода подробнее. В асинхронном методе (Рис. 1.1) при отсутствии передачи информации на линии связи удерживается состояние «1». Перед началом передачи идет низкоуровневый сигнал, соответствующий состоянию «0» (стартовый бит).

12

После получения стартового бита на приемнике запускается механизм временного отсчета (тайминга) сигналов, приходящих с линии связи.

Рис. 1.1. Асинхронная передача данных. Данная

техника

называется

стробированием.

Стробирование

заканчивается при получении приемником стопового бита. При этом тайминг приемника должен быть синхронизирован со скоростью выдачи сигналов в линию со стороны передатчика. Если тайминг приемника установлен на большую скорость стробирования, то он будет считывать каждый бит более одного раза, а если на меньшую скорость, то будет пропускать биты информации. Как правило, кадр данных в асинхронном канале начинается со стартового бита, за которым следует 8 бит данных. Завершается кадр одним или двумя стоповыми битами. Недостатком метода является то, что для высокоскоростных линий связи наличие стартовых и стоповых бит вносит избыточность и снижает производительность канала. При синхронном методе передаче биты данных передаются один за другим постоянным потоком без стартовых и стоповых бит. Однако здесь необходимо применять меры выделения кадров в потоке данных. Для решения этой задачи используется специальная технология. При отсутствии данных на

13

передачу в канал передаются специальные знаки заполнения. Перед началом блока данных передается группа высокостабильных синхроимпульсов, которые синхронизируют скорости передатчика и приемника на весь информационный блок данных. Таким образом, для коррекции скорости приемника в поток бит включаются знаки синхронизации через регулярные периоды времени. Определение

последовательностей

синхронизации,

размера

блоков

данных, служебных знаков и тому подобное составляет понятие протокола синхронной

передачи.

Фактически

протокол

является

процедурой,

обеспечивающей нормальное прохождение данных по каналу связи и служащей для управления обменом данными. В зависимости от способа выделения начала и конца блока данных, синхронные протоколы делятся на символьноориентированные

и

бит-ориентированные.

В

первом

случае

группа

синхроимпульсов посылается в начале каждого блока данных. Во втором случае приемник должен знать, где в потоке битов начинается каждый символ. Символьно-ориентированные протоколы добавляют символы кодов ASCII между блоками данных, а бит-ориентированные протоколы добавляют один бит, называемый флагом, таким образом, более рационально расходуют поле данных кадра.

1.3. Режимы и качество передачи данных Режим передачи данных определяет способ коммуникации между приемником и передатчиком. Существует три базовых режима передачи.

14

1.

Симплексный режим позволяет передавать данные только в одном

направлении, причем передающий узел полностью занимает канал. В телекоммуникациях такой режим практически не используется. 2. Полудуплексный режим допускает двустороннюю передачу, но в каждый момент времени только в одном направлении. Для смены направления используется подача специального сигнала и получение подтверждения. 3. Полнодуплексный режим допускает одновременную передачу сразу в двух направлениях. При этом передача в одном направлении занимает только часть общего канала. Дуплексный режим может быть симметричным, где полоса

пропускания

канала

в

обоих

направлениях

одинакова,

и

несимметричным, где пропускная способность в одном направлении значительно больше, чем в противоположном. Качество передачи информации в канале определяется несколькими параметрами, основными их которых являются следующие: 1. Скорость передачи данных.

Определяет количество бит данных,

переданных по каналу связи за единицу времени. 2. Задержка передачи данных. Определяет время, прошедшее от посылки блока информации в канал связи передатчиком до его получения приемником; 3. Уровень ошибок. Определяет вероятность безошибочной передачи блока данных.

Вопросы для самоконтроля по главе 1 1. Как называется характеристика канала, определяющая спектр частот, которые канал пропускает без существенных искажений?

15

2. От чего зависит скорость передачи данных? 3. Что определяет пропускная способность канала? 4. Назовите основные преимущества цифровой передачи данных перед аналоговой. 5. В чем суть процесса модуляции? 6. В чем разница между амплитудным, фазовым и частотным способами модуляции? 7. Определите сущность, назначение и виды импульсно-кодовой модуляции. 8. Дайте краткую характеристику асинхронного и синхронного способов передачи данных. Определите области их применения. 9. На чем основывается техника стробирования при асинхронной передаче данных. 10. Что входит в понятие протокола синхронной передачи данных? 11. Приведите классификацию синхронных протоколов передачи данных. 12. Назовите основные режимы передачи данных и дайте их краткие характеристики. 15. Какими параметрами определяется качество передачи данных.

ГЛАВА 2. БАЗОВЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ. Сетевая система представляет собой совокупность электронных устройств,

программного

обеспечения,

периферийного

оборудования,

терминалов, физических процессов и средств передачи информации. Она осуществляет обработку и передачу информации в информационных сетях.

16

Сетевая система предназначена для выполнения прикладных сетевых процессов. Последние подразделяются на прикладные процессы пользователей и специальные прикладные процессы. Сетевыми пользователями считаются клиенты, для которых сетевые системы выполняют передачу и обработку информации. Прикладные процессы пользователей можно разделить на две большие группы: 1. Программные

прикладные

процессы.

Каждый

такой

процесс

определяется одной прикладной программой либо группой взаимосвязанных прикладных программ. 2. Человеко-машинные

прикладные

процессы.

Здесь

обработка

информации ведется не программой, а человеком. Для взаимодействия с сетевой системой человек использует терминалы. Специальные прикладные процессы являются вспомогательными и необходимы для оказания помощи в выполнении прикладных процессов пользователей. Например, специальными являются процессы управления сетевой системой, процессы диагностики работы сети, процессы обеспечения безопасности в сетях и т. д. Информационную сеть можно определить как совокупность абонентских сетевых систем, взаимодействующих друг с другом через коммуникационную

сеть.

Коммуникационная

сеть

представляет

собой

совокупность физической среды, в которой передаются электромагнитные сигналы, программных и технических средств, обеспечивающих передачу информационных блоков по адресам назначения. Существует множество определений компьютерной сети. Приведем некоторые их них. Компьютерная сеть - группа компьютеров, периферийных

17

устройств и средств передачи информации, соединенных линиями связи, которые позволяют всем устройствам взаимодействовать друг с другом. Компьютерная сеть - совокупность компьютеров и каналов связи для объединения

вычислительных

ресурсов

и

обмена

информацией.

Компьютерная сеть - группа компьютеров, между которыми может быть установлено соединение посредством физических линий передачи данных. Компьютерная сеть - это система, включающая компьютеры, системное и прикладное

программное

обеспечение,

сетевое

и

каналообразующее

оборудование, кабельную и/или беспроводную среду передачи информации. Компьютеры в сети выполняют функции: организации доступа к среде передачи информации, управления передачей информации, предоставления вычислительных ресурсов пользователям, организации сетевых сервисов. Компьютерная сеть характеризуется: • Сетевой

топологией

(физической

связностью

и

логической

структурой); • Сетевыми протоколами; • Сетевыми интерфейсами; • Сетевыми техническими средствами; • Сетевыми программными средствами. Сетевая топология - это взаимное пространственное расположение сетевых узлов (компьютеров, сетевого и периферийного оборудования), а также каналов и средств передачи данных, определяющих физическую связность между узлами. Под физической связностью узлов сети будем понимать способность сетевых компонент принимать и передавать информацию друг друга с требуемой вероятностью надежной передачи за заданное время.

18

В сетевую логическую структуру принято включать следующие типовые модули или сетевые узлы: 1. Хост – модуль, выполняющий информационно-вычислительные функции; 2. Терминал – модуль, выполняющий взаимодействие удаленных терминальных узлов с вычислительной сетью; 3. Коммуникационный модуль – модуль, выполняющий функции маршрутизации, управления потоками данных, передачи блоков данных в коммуникационной сети; 4. Интерфейс – модуль, обеспечивающий сопряжение разнородных (гетерогенных) сетей, хостов или терминалов; 5. Модуль управления сетью – модуль, организующий сбор статистики о работе сети, изменение технологии и характера передачи информационных потоков. Сетевой протокол - это формальное описание формата сообщений и правил, которым должны следовать сетевые системы для обмена информацией. В настоящее время существует большое количество сетевых протоколов, причем в рамках одной и той же сети определяется сразу несколько из них. В общем случае любой протокол передачи данных регламентирует следующие типичные функции: 1.

Синхронизация - механизм распознавания начала и конца блока

данных; 2.

Инициализация - установление соединения между абонентами;

3.

Блокирование - разбиение потока информации на блоки данных;

4.

Адресация - идентификация сетевого оборудования;

19

5.

Обнаружение ошибок - установка битов четности и вычисление

контрольной суммы; 6.

Нумерация блоков – механизм определения ошибочно переданной

или потерянной информации; 7.

Управление

потоком данных –

механизм

распределения

и

синхронизации информационных потоков; 8.

Методы восстановления – механизм возврата к определенному

положению для повторной передачи информации; 9.

Разрешение доступа - контроль и управление ограничениями

доступа к данным. Сетевой интерфейс – это программные или аппаратные технические средства сопряжения функциональных сетевых узлов. Сетевые технические средства – это устройства, обеспечивающие объединение сетевых узлов в единую информационную сеть. Сетевые программные средства – это программное обеспечение, предназначенное для управления работой информационной сети и обеспечения пользовательского интерфейса. Сетевые программные средства работают по технологии «клиент-сервер». Технология клиент-сервер — это способ взаимодействия узлов сети, при котором один из узлов, называемый аппаратным сервером, предоставляет свои ресурсы другим узлам, называемым клиентами. Серверы, как правило, управляют

общими

разделяемыми

ресурсами

сети.

Программы,

запрашивающие сетевые услуги называются программами-клиентами, а программы, обрабатывающие запросы называются программными серверами. Приведем примеры аппаратных серверов:

20

1. Файл-сервер - служит для хранения и управления передачей файлов в сети; 2. Сетевой сервер - компьютер, предоставляющий свои вычислительные ресурсы другим узлам сети и выполняющий функции управления сетью; 3. Сервер печати – разделяемое печатающее устройство, которое предоставляет свои ресурсы другим узлам сети; 4. Коммуникационный сервер – устройство, предназначенные для установления связи между узлами и управления потоком данных в сети.

Вопросы для самоконтроля по главе 2 1. Как в общем случае можно определить сетевую систему? 2. Приведите классификацию прикладных сетевых процессов. 3. Какие основные отличия существуют между понятиями информационная сеть, коммуникационная сеть, компьютерная сеть? 4. Какими основными понятиями может быть охарактеризована любая компьютерная сеть? 5. Приведите определения сетевого протокола, интерфейса, топологии, физической связности и логической структуры сети. 6. Опишите логическую структуру вычислительной сети. 7. Какие основные функции регламентирует типовой сетевой протокол? 8. Опишите основную технологию взаимодействия сетевых технических и программных средств. 9. Приведите примеры аппаратных серверов.

21

ГЛАВА 3. МОДЕЛЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ Международная Организация по Стандартам (International Standards Organization, ISO) разработала в 1984 году модель, которая определяет правила и уровни взаимодействия в сетевых системах. Она была названа моделью взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection, OSI). Модель определяет любую информационную сеть как вертикальный стек уровней. При этом в модели выделяется семь уровней взаимодействия. 1. Физический уровень; 2. Канальный уровень; 3. Сетевой уровень; 4. Транспортный уровень; 5. Сеансовый уровень; 6. Уровень представления данных; 7. Прикладной уровень. Большинство сетевых систем теоретически реализует все семь уровней. Однако, многие практические сетевые системы пропускают ряд уровней. Два первых уровня модели могут быть реализованы как аппаратно, так и программно. Остальные пять уровней, как правило, реализуются только программным обеспечением. Фактически модель описывает, каким образом информация проделывает путь через сетевую систему от прикладной программы на одном узле сети до прикладной программы на другом сетевом узле.

22

Уровневая модель исключает прямую связь между соответствующими уровнями разных сетевых узлов. При этом для каждого уровня модели определяется набор функций-запросов, с которыми к модулям данного уровня могут

обращаться

модули

верхнего

уровня.

Тогда

запросы

уровня

запоминаются как управляющая информация, которая передается между соответствующими уровнями в заголовке блока данных уровня. Рассмотрим данный процесс взаимодействия. Предположим, что узел А (Рис. 3.1) имеет информацию для отправки узлу В. Прикладная программа узла А соответствует прикладному 7 уровню, который взаимодействует с 6 уровнем представления данных узла А, который, в свою очередь, взаимодействует с 5 уровнем и т.д. до 1 физического уровня узла А. Задача

физического

информационных

уровня

блоков данных и

заключается приеме/передаче

в

преобразовании электромагнитных

сигналов через соответствующую физическую среду. После того, как пакет сигналов проходит через физическую среду и поступает в узел В, то информация последовательно проходит через взаимодействующие в обратном порядке уровни узла В, пока не достигнет прикладной программы данного узла. Пусть текстовая информация передается из прикладной программы узла А в прикладной уровень системы. Поскольку прикладной уровень узла А должен передать информацию в прикладной уровень узла В, то он помещает управляющую информацию (в форме кодированного заголовка) перед каждым блоком текстовой информации. Данный блок передается на уровень 6 узла А, который, в свою очередь, снабжает его своей управляющей информацией и т.д. Таким образом, размеры блока данных увеличиваются по мере того, как он проходит через все уровни узла А, пока не достигнет физического уровня, где

23

текстовая информация и вся, добавленная к нему управляющая информация перемещаются к узлу В, где они поступают на 1 уровень узла.

Рис. 3.1. Схема передачи информации в модели OSI. На физическом уровне узла В система отделяет заголовок 1 уровня и после его анализа определяет, как обрабатывать данный информационный блок. Блок данных передается на 2 уровень узла В, который выделяет и анализирует заголовок уровня и т.д. Когда информационный блок наконец доходит до прикладной программы узла В, она выделяет текстовую информацию и предоставляет ее пользователям.

24

Формально определенный набор функций, выполняемых данным уровнем для

вышележащего

уровня,

а

также

форматы

сообщений,

которыми

обмениваются два соседних уровня в ходе своего взаимодействия, называется межуровневым интерфейсом. Межуровневый интерфейс определяет услугу или сервис, предоставляемый данным уровнем верхнему уровню (Рис. 3.2). Взаимодействие прикладных программ в сети организовано таким образом, что у сетевого узла А каждый уровень как бы ведет «переговоры» с соответствующим уровнем другого узла В. При передаче информации оба участника

сетевого

обмена

принимают

множество

соглашений.

Они

согласовывают уровни и форму электрических сигналов, способ определения длины сообщений, методы контроля достоверности информации и т.п.

Рис. 3.2. Межуровневое взаимодействие в модели OSI

25

Формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты, лежащие на одном уровне, но в разных узлах, являются протоколами уровня. Иерархически организованная совокупность согласованного набора протоколов разных уровней, называется

достаточная стеком

для

организации

протоколов.

межсетевого

Программные

взаимодействия,

средства,

реализующие

протокол, также называют протоколом. При организации межсетевого взаимодействия могут быть использованы два типа протоколов: 1. Протоколы с установлением соединения. При использовании данных протоколов перед обменом данными отправитель и получатель должны сначала путем переговоров установить логическое соединение, т. е. договориться о параметрах процедуры информационного обмена. После завершения диалога они должны разорвать это соединение. Когда устанавливается новое соединение, переговорная процедура выполняется вновь. 2. Протоколы без установления соединения. Такие протоколы называются также дейтаграммными. Отправитель передает сообщения по мере его готовности. Для обозначения единицы обмена информацией в модели используются термин – «сообщение» (message). Сообщение имеет произвольную длину и его перед передачей делят на части – информационные блоки, максимальный размер которых ограничен. В стандарте для обозначения части сообщения вводится понятие – «протокольный блок данных» (Protocol Data Unit, PDU). Также используются термины «кадр» (frame), «пакет» (packet), «дейтаграмма» (datagram), сегмент (segment).

26

Для идентификации блоков данных протоколов разных уровней будем использовать

следующие

обозначения.

Термином

«кадр»

обозначим

протокольный блок данных, источником и пунктом назначения которого являются объекты канального уровня модули. Соответствующий протокол добавляет к блоку данных перед его передачей заголовок и флаг конца кадра. Заголовок содержит информацию, необходимую для управления маршрутом движения кадра, проверки кадра после передачи его по каналу и т.д. Тогда блок данных с заголовком и флагом будет представлять собой массив информации, называемый кадром. Термины «пакет» и «дейтаграмма» будем использовать для обозначения блока данных, у которого источник и пункт назначения - объекты сетевого уровня. «Сегментом» или «транспортным сообщением» обозначим блоки данных транспортного уровня. Терминами «сообщение» и «прикладное сообщение» - блоки данных, у которого объекты источника и места назначения находятся выше транспортного уровня. Идентификация протокольных блоков данных на уровнях модели происходит с помощью заголовков, которые обязательно содержат два поля, добавляемых к блоку соответствующим протоколом, а именно: 1. Адрес источника протокольного блока данных; 2. Адрес приемника протокольного блока данных;

3.1. Прикладной уровень Прикладной уровень определяет прикладные

программы,

которые

обслуживают файлы, а также обеспечивает доступ в среду модели OSI для

27

прикладных процессов. Прикладной

процесс - это элемент

реальной

открытой системы, который принимает участие в выполнении одного или нескольких заданий по обработке информации. Прикладные процессы обмениваются информацией посредством прикладных объектов, прикладных протоколов и прикладных служб. Многие сетевые программы-утилиты являются частью прикладного уровня. Прикладной

объект - это активный элемент открытой системы,

представляющий те компоненты прикладного процесса, которые участвуют в обмене информацией между открытыми системами. Каждый

прикладной

объект относится только к одному прикладному процессу. Прикладной объект состоит из элемента пользователя и элемента прикладной службы. Прикладной протокол определяет правила информационного обмена между равноправными элементами прикладной службы. Прикладная служба – это службы, которая предоставляет следующие услуги: − идентификация партнеров для взаимодействия; − определение готовности партнеров; − установление полномочий для передачи информации; − согласование механизма секретности; − аутентификация партнеров, предполагающих взаимодействовать; − синхронизация взаимодействующих приложений и т.д.

28

3.2. Уровень представления данных Этот уровень определяет трансляцию форматов и синтаксиса прикладных программ в форму, пригодную для сети, а также способ, по которому программы поступают в сеть. На представительном уровне обеспечивается общее представление данных, используемых между прикладными объектами. Таким образом, обеспечивается независимость прикладных объектов от используемого синтаксиса, правил кодирования передаваемой информации. Для обеспечения службы представления представительный уровень выполняет следующие функции: − запрос установления сеанса; − передача данных; − согласование и повторное согласование синтаксиса; − преобразование синтаксиса; − запрос завершения сеанса.

3.3. Сеансовый уровень взаимодействия Главная

функция

сеансового

уровня

-

определение

интерфейса

прикладных программ для связи с транспортным уровнем. Другой задачей уровня является преобразование имен в сетевые адреса так, что прикладные программы могут использовать имена для связи с устройствами. На сеансовом уровне обеспечиваются средства,

необходимые

для

организации

и

синхронизации диалога между взаимодействующими представительными объектами и для управления информационным обменом между ними. Также На

29

данном

уровне

устанавливаются

представительские

объектами

Представительские

объекты

и

сеансовые

соединения

поддерживается

обмен

данными.

сеансовыми

адресами.

идентифицируются

между

Сеансовый уровень предоставляет следующие услуги: − установление сеансового соединения; − разъединение сеансового соединения; − обмен обычными данными; − неделимая служба; − обмен срочными данными; − управление взаимодействием; − синхронизация сеансового соединения; − оповещение об особых состояниях.

3.4 Транспортный уровень взаимодействия Транспортный уровень определяет физическое расположение устройств сети,

способ

присоединения/отсоединения

частей

сети,

технику

гарантированной доставки сообщений, которая основана на нумерации пакетов. Транспортный уровень обеспечивает «прозрачную» передачу данных между сеансовыми объектами и освобождает их от функций по организации надежной и эффективной передачи данных. Таким образом, протоколы транспортного уровня предназначены для сквозной передачи данных в сети между абонентами. Для этого транспортные протоколы выполняют функции: − разбиения сообщения на пакеты;

30

− передачи пакетов через сеть; − сборки исходного сообщения. Однако

на

маршрутизации

и

транспортном

уровне

не

выполняются

ретрансляции

пакетов,

поскольку

функции

сетевая

служба

обеспечивает соединения между любыми транспортными объектами, даже при использовании

нескольких

последовательно

соединенных

подсетей.

Транспортный уровень предоставляет услуги сеансовому уровню такие как: − установление транспортного соединения; − передача данных; − разъединение транспортного соединения. Между одной и той же парой транспортных объектов может быть установлено сеансовые

несколько объекты

транспортного

транспортных соединений. Для их используют

соединения.

идентификаторы

Функционирование

различения

оконечных

транспортного

точек уровня

разбивается на фазы: − установления соединения; − передачи данных; − разъединения соединения. В первой фазе могут выполняться следующие функции: − выбор сетевого соединения; − решение о мультиплексировании; − выбор оптимального размера транспортного блока данных; − обеспечение идентификации различных транспортных соединений; − передача данных. В фазе передачи данных задействованы следующие функции:

31

− упорядочение блоков; − сцепление блоков; − сегментация блоков; − мультиплексирование или разделение сообщений; − управление потоком данных; − обнаружение и исправление ошибок; − идентификация транспортных соединений. В фазе разъединения соединения могут выполняться функции: − оповещения о причине разъединения, − идентификации разъединяемого транспортного соединения, − передачи данных.

3.5 Сетевой уровень взаимодействия Сетевой уровень обеспечивает средства установления, поддержания и разъединения сетевых соединений между открытыми сетевыми системами, содержащими взаимодействующие прикладные объекты, средства обмена сетевыми блоками данных, службы между транспортными объектами. Сетевой уровень определяет независимость транспортных объектов от маршрутизации, коммутации

и

ретрансляции,

выполняемых

на

сетевом

уровне

при

установлении и функционировании сетевого соединения. Таким образом, сетевой

уровень

выполняет

«прозрачную»

передачу

данных

между

транспортными объектами. Сетевой уровень обеспечивает поддержку сетевых

32

соединений для различных типов сетей - от простых двухточечных сетей до составных гетерогенных сетей с неоднородными характеристиками. На сетевом уровне могут выполняться следующие функции: − маршрутизация и ретрансляция пакетов; − установление и повторная установка сетевых соединений; − мультиплексирование сетевых соединений; − сегментация и укрупнение сообщений; − обнаружение и исправление ошибок; − упорядочение пакетов и управление потоком данных; − выбор службы и управление сетевым уровнем; − присвоение сетевых адресов для идентификации транспортных объектов; − идентификация оконечных точек сетевого соединения; − «прозрачная» передача сетевых пакетов любого размера; − управление качеством обслуживания и уведомление об ошибках; − разъединение сетевых соединений и подтверждение приема данных.

3.6. Канальный уровень взаимодействия Канальный уровень определяет механизм управления доступом к среде передачи данных, а также форматы, используемые в элементах сообщений. В компьютерных сетях, как правило, сообщения посылаются не в виде непрерывного потока, а разбиваются на пакеты данных, каждый из которых содержит адреса источника и места назначения, а так же средства обнаружения

33

ошибок. Канальный уровень обеспечивает функциональные и процедурные средства установления, поддержания и разъединения канальных соединений между сетевыми объектами, средства передачи кадров канального уровня. При этом используется одно или несколько физических соединений. В локальных сетях канальный уровень используется для организации связи между двумя удаленными узлами с целью надежного упорядоченного обмена данными между ними. Для упрощения процедуры организации и обеспечения связи канальный уровень принято разбивать на два подуровня: − подуровень управления каналом передачи данных; − подуровень организации многоканальной передачи данных. В связи с этим на данном уровне существует два типа протоколов. Одни протоколы предназначены для организации передачи по одному каналу передачи данных, т.е. организации однозвенной передачи данных, а другие протоколы - для организации многозвенной передачи данных. Для использования на физическом уровне разработано большое число каналов, позволяющих помимо избирательной передачи в адрес одного узла организовывать широковещательную передачу в адрес группы узлов.

3.7. Физический уровень взаимодействия На физическом уровне описываются физические связи между сетевыми узлами

и

средами

передачи

данных.

Данные

связи

определяются

механическими (кабели, разъемные соединения) и электрическими (методы и режимы передачи, способы модуляции, напряжение и ток) характеристиками.

34

На уровне определяются скорости передачи данных и топологии сети, обеспечиваются функциональные и процедурные средства установления, поддержания и разъединения физических соединений для прозрачной передачи битовой последовательности между объектами канального уровня. Уровень имеет дело с передачей битов данных по проводным или беспроводным физическим каналам, таким как коаксиальный кабель, витая пара, оптоволокно, радиоканалы и т.д. Функции физического уровня реализуются во всех устройствах, подключенных к сети. Например, со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером или последовательным портом. Основными функциями, которые выполняются внутри физического уровня, являются: − установление

и

разъединение

физических

соединений

между

объектами канального уровня; − определение физических блоков данных; − идентификация

оконечных

точек

физических

соединений

и

физических каналов передачи данных; − организация передачи битовых последовательностей в синхронном или асинхронном режиме; − оповещение о неисправности физического уровня; − определение параметров качества предоставляемых услуг; − управление физическим уровнем.

35

3.8. Адресация в информационных сетях Для идентификации узлов сети принято использовать три основных типов адресов: − Аппаратные адреса; − Числовые составные адреса; − Символьные имена. В различных сетях одновременно применяются все три схемы адресации. Важной проблемой является задача установления соответствия между адресами различных типов. Первый тип адресов относится к канальному уровню, другие типы к адресам сетевого и прикладного уровней. Адреса

канального

уровня

(физические

или

аппаратные

адреса)

уникальны для каждого сетевого устройства и назначаются организациейпроизводителем, реализуемого

которая

устройством.

определяет Таким

стандарт

образом,

сетевого

аппаратный

протокола, адрес

узла

определяется технологией построения локальной сети, в которую входит данный узел. Примером являются аппаратные адреса сетевого адаптера или порта маршрутизатора следующего вида: «11-А0-17-3D-BC-01». Поскольку большинство улов имеют одно физическое сетевое соединение, то они имеют только один адрес канального уровня. Сетевые узлы, соединенные с несколькими физическими сетями, могут иметь множество адресов канального уровня. Числовые составные адреса назначаются на сетевом уровне модели OSI. В отличие от адресов канального уровня, они – иерархические и похожи на

36

почтовые адреса. Примером числовых адресов являются адреса, принятые в сети Интернет, согласно протоколу сетевого уровня IP и состоящие из 4 байт: 109.26.17.100. Эти адреса назначается администратором или автоматически во время конфигурирования сетевых узлов. Числовой адрес, как правило, состоит из двух частей: номера сети и номера узла. Номер сети может быть выбран произвольно, либо назначен по рекомендации специального подразделения управления глобальной сетью, если сеть, в которую входит узел, является ее составной частью. Третий тип адресов - символьные идентификаторы или имена сетевых узлов или прикладных программных сервисов, например, SERV1.IBM.COM. Эти адреса также состоят из нескольких частей и обычно включают сетевое имя узла

(сервиса),

наименование

организации-владельца

узла

(сервиса),

идентификатор домена (области) символьных адресов. В сети Интернет такие адреса называются также DNS-именами и используются на прикладном уровне. Символьные имена представляют собой либо простое слово, несколько словдоменов, разделенных точками.

Вопросы для самоконтроля по главе 3 1. Какой организацией и в каком году была разработана модель, определяющая уровни взаимодействия открытых систем OSI? 2. Кратко охарактеризуйте уровни взаимодействия модели OSI. 3. Почему в модели OSI семь уровней? 4. Объясните, как происходит обмен информацией в сетевых системах, согласно модели OSI.

37

5. Определите основные понятия модели OSI, такие как протокол, стек протоколов, интерфейс, протокольный блок данных? 6. Охарактеризуйте

основные

типы

протоколов

информацонного

взаимодействия. 7. Определите основные протокольные блоки данных на разных уровнях модели OSI. 8. Как происходит идентификация блоков данных в сети? 9. Объясните основные функции прикладного уровня модели OSI? 10. Что определяет уровень представления данных? Какие функции выполняются на этом уровне? 11. Охарактеризуйте сеансовый уровень взаимодействия модели OSI? 12. Что определяет транспортный уровень взаимодействия модели OSI? 13. Перечислите функции транспортного уровня в различных фазах. 14. Опишите сетевой уровень взаимодействия модели OSI? 15. Что определяет канальный уровень взаимодействия модели OSI? 16. Что определяет физический уровень взаимодействия модели OSI? 17. Какие типы адресов используются для идентификации сетевых узлов?

ГЛАВА 4. КАНАЛЫ И ЛИНИИ СВЯЗИ Под каналом связи в общем случае понимается совокупность линий связи и устройств, обеспечивающих передачу сигналов с определенными свойствами от одного пункта к другому. Линия связи является частью канала связи, по которой осуществляется похождение электромагнитных колебаний от передающего узла к приемному устройству. Кроме линий связи, в состав канала

38

обязательно входит оборудование, установленное на промежуточных и оконечных пунктах. При этом в зависимости от рассматриваемой задачи одни и те же оконечные устройства могут быть отнесены либо к каналу связи, либо к приемо-передающему оборудованию. Линии связи могут также использовать промежуточную аппаратуру, которая выполняет две функции: усиливает сигналы и обеспечивает постоянную коммутацию между абонентами линии. Каналы связи классифицируются: 1. По используемым линиям связи на: • кабельные, • радиорелейные, • спутниковые, • коротковолновые, • ультракоротковолновые и т.д. 2. По техническому характеру сигналов и назначению систем связи на: • телефонные, • телевизионные, • телеграфные, • передачи данных (цифровой информации, телеметрические, телекомандные и т.д.). Наиболее

распространенным

каналом

связи

является

канал,

обеспечивающий передачу речевых сигналов. Такой канал называется каналом тональной

частоты

(ТЧ).

Определим

канал

ТЧ

как

совокупность

технических средств, обеспечивающую передачу сигналов электросвязи в полосе частот от 300 до 3400 Гц. По каналу ТЧ передаются телефонные сигналы, сигналы телеграфии, факсимильной связи, а также систем передачи

39

данных. Для передачи мультимедийных сигналов канал ТЧ непригоден, так как полоса пропускания частот слишком узкая. Для решения данной проблемы организуются специальные каналы путем объединения множества каналов ТЧ и создания групповых трактов, на основе которых создаются широкополосные проводные каналы. Создание широкополосных каналов беспроводной связи строится на других принципах. Для передачи электромагнитных сигналов используются проводные или беспроводные каналы. Проводные каналы строятся на базе проводных и кабельных линий связи, к которым относятся телефонные и телеграфные провода, медные коаксиальные кабели, медные витые пары, волноводы, волоконно-оптические кабели. Беспроводные каналы строятся на базе радиорелейных линий связи, линий связи транковой радиосети, спутниковой связи, сотовой связи, радиосвязи СВЧ и микроволнового диапазона, оптической связи инфракрасного и видимого диапазона излучения.

4.1. Характеристики сетей К основным характеристикам сети относятся: 1. Время реакции

- определяется как время между возникновением

запроса к сетевому сервису и получением ответа на него; 2. Пропускная способность - отражает объем данных, переданных сетью в единицу времени; 3. Задержка передачи - равна интервалу между моментом поступления пакета на вход сетевого устройства и моментом его появления на выходе этого устройства;

40

4. Расширяемость

-

возможность

добавления

элементов

сети,

наращивания длины сегментов сети и замены аппаратуры связи; 5. Масштабируемость означает, что сеть позволяет наращивать количество

узлов

и

протяженность

линий

связи

без

ухудшения

производительности сети и качества передачи информации; 6. Прозрачность — свойство сети скрывать от пользователя детали внутреннего устройства; 7. Управляемость - возможность контролировать состояние элементов сети, выявлять и разрешать проблемы, возникающие при работе сети, выполнять анализ производительности и планировать развитие сети; 8. Совместимость означает, что сеть способна включать в себя разнообразное программное и аппаратное обеспечение; 9. Надежность – определяется по следующим коэффициентам: − коэффициенту готовности, который означает долю времени, в течение которого система может быть готова к использованию; − коэффициенту безопасности - способности системы к защите данных от несанкционированного доступа; − коэффициенту отказоустойчивости - способности системы работать в условиях отказа части ее элементов. Еще одной характеристикой сети является ее топология, которая может быть представлена в виде графа, вершинам которого соответствуют узлы сети, а ребрам - связи между ними.

41

4.2. Первичные и вторичные сети Каналы связи образуют местные, региональные и магистральные первичные сети каналов. Первичная сеть представляет совокупность сетевых узлов и каналов связи, включающих каналообразующую аппаратуру и линии связи разной физической природы, и образует сеть каналов передачи информации и групповых трактов. Сетевые узлы организуются на пересечении нескольких линий связи, где устанавливается

каналообразующая,

уплотняющая

и

коммутирующая

аппаратура систем передачи и осуществляется переключение каналов, принадлежащих разным системам передачи информации. Доступ пользователей осуществляется на оконечных сетевых узлах первичной сети. Каналы первичной сети служат базой для построения вторичных сетей, которые подразделяются по виду передаваемой информации на: телефонные сети общего пользования, телеграфные сети, сети передачи данных и т.д. Назначением вторичных сетей является доставка информации определенного вида. Для построения вторичных сетей используются коммутируемые и выделенные каналы связи.

4.3. Способы коммутации в сетях По

способу

коммутации

вторичные

сети

делятся

на

сети

с

долговременной (кроссовой) коммутацией и сети с оперативной коммутацией. В сетях с оперативной коммутацией в узлах коммутации реализуется возможность определения назначения сообщения и пути дальнейшей его

42

передачи. Эту функцию выполняет оборудование оперативной коммутации. Вторичные сети с оперативной коммутацией делятся по способу коммутации на: - сети с коммутацией каналов; - сети с коммутацией сообщений; - сети с коммутацией пакетов. В сетях первого типа на узел коммутации сначала посылается требование или запрос на передачу сообщения. На основе его анализа определяется путь передачи сообщения и с помощью коммутационного оборудования узла кроссируется канал вызывающего абонента с вызываемым. Типичным примером является телефонная сеть общего пользования. В сетях с коммутацией сообщений сначала готовится сообщение для передачи в формализованном виде. В сообщение добавляется служебная часть, включающая сведения, необходимые для передачи сообщения по назначению (адрес назначения, адрес отправителя, категория сообщения и т.д.). Затем оно передается на ближайший узел коммутации. Далее сообщение передается от узла коммутации до следующего до тех пор, пока оно не достигнет адресата. Заранее создавать соединение не требуется. Примером данной технологии является передача телеграмм. Способ имеет три недостатка. Во-первых, передача сообщения прекращается при поломке узла коммутации, так как все потоки информации проходят через него. Второй недостаток состоит в том, что коммутатор сообщений является «узким» местом с ограниченной пропускной способностью и временем обслуживания. В-третьих, коммутация сообщений не использует каналы передачи данных эффективностью первого и третьего способов.

43

В сетях с коммутацией пакетов сообщение вместе со служебной и адресной информацией передается на ближайший узел коммутации пакетов. Далее

схема

передачи

аналогична

предыдущему.

Однако,

сообщение

разделяется на блоки определенной длины - пакеты, каждый из которых снабжается служебной информацией, необходимой для доставки его по назначению. Особенностью технологии является поэтапная передача не всего сообщения целиком, а отдельных пакетов. Это приводит к сокращению времени доставки сообщения адресату и повышению надежности. Пакетная коммутация хорошо работает с потоками данных, поскольку многие устройства передают потоки данных порциями. Данные передаются в канал, который далее свободен, пока пользователь терминала вводит данные или пока продолжается пауза в работе пользователя. Одной из концепций коммутации пакетов является одновременное существование многих передач от нескольких терминалов в канале. В современных сетях передачи данных в основном применяются первый и третий способы. Приведен их сравнительный анализ. 1. При коммутации каналов создается линия, пропускная способность которой полностью резервируется за двумя абонентами, вне зависимости от того, какая пропускная способность реально требуется. При коммутации пакетов физическая линия может быть использована пакетами от множества абонентов. 2. При коммутации каналов гарантировано, что все данные поступят абоненту в том порядке, в каком их послали. При коммутации пакетов из-за ошибок маршрутизации пакеты могут быть направлены не по назначению, причем порядок их поступления абоненту не гарантируется.

44

3. Коммутация каналов абсолютно прозрачна для абонентов. Они могут пересылать данные в любой кодировке и формате. При коммутации пакетов формат и способ кодировки пакетов задается заранее. 4. При коммутации пакетов плата берется за время соединения и число переданных пакетов. При коммутации каналов плата берется исключительно за время и длину соединения.

4.4. Методы доступа к среде передачи данных в сетях Метод доступа в среде передачи данных определяет технологию совместного использования среды множеством узлов сети. Методы доступа в общем случае делятся на: 1.

Вероятностные;

2.

Детерминированные.

При вероятностном методе доступа узел, желающий послать кадр в сеть, «слушает» линию связи. Если линия занята или обнаружены переходные процессы, вызванные столкновением сигналов от разных источников, то попытка передачи откладывается на случайный интервал времени. Отсюда недостаток

вероятностных

методов

доступа

–

неопределенное

время

прохождения кадра, экспоненциально возрастающее при увеличении загрузки сети, что ограничивает его применение в высокоскоростных магистральных сетях и системах реального времени. При детерминированном методе узлы получают доступ к среде в предопределенном

порядке.

Порядок

определяется

путем

задания

последовательности доступа, приоритетов, способов разделения единой среды

45

и т.д. Преимуществом метода – ограниченное время прохождения пакетов, слабо зависящее от загрузки сети. Рассмотри некоторые методы доступа подробнее. 1.

Одним

из

первых

методов

доступа

был

разработан

метод

коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий (Сarrier Sense Multiply Access with Collision Detection - CSMA/CD). По технологии данные, помещаются в кадры с адресом станции назначения. Все станции, подключенные к среде, получают кадр, и та станция, которая узнает свой адрес в его заголовке, переписывает содержимое в свой буфер. Если две станции начнут передачу одновременно, то может возникнуть ситуация, которая называется коллизией. В этом случае содержимое кадров сталкивается в среде, возникают переходные процессы, что приводит к искажению информации.

Для предотвращения коллизий перед отправкой кадра

передающая станция «слушает» среду (принимает и анализирует электрические сигналы на предмет обнаружения модулированного несущего сигнала), чтобы обнаружить, не передается ли кадр данных от другой станции. Если опознается несущая частота, то станция откладывает передачу своего кадра до окончания чужой передачи на случайный промежуток времени. Если две станции все равно начнут передавать свои кадры одновременно и произойдет коллизия, то станции должны уметь отличить искаженные кадры от нормальных. Для этого станции сравнивают возникающие на кабеле сигналы и если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то коллизия сначала фиксируется, а затем усиливается

посредством

посылаемой

после

каждого

кадра

jam-

последовательностью электромагнитных сигналов.

46

После обнаружения и распознавания коллизии передающая станция прекращает передачу и ожидает в течение случайного интервала времени окончания переходных процессов, а затем снова пытается передать кадр. Основной недостаток заключается в том, что вероятность успешной работы в среде зависит от ее загруженности. Другой недостаток заключается в том, что распознавание

коллизий

станциями

является

необходимым

условием

правильной работы сети. Если станция не распознает коллизию, то кадр данных будет утерян, а его повторная передача протоколами верхнего уровня приведет к снижению пропускной способности сети. Экспериментально установлено, что для распознавания коллизий минимальная длина поля данных кадра должна быть не менее 46 байт. Это влияет на выбор длины кабельной системы, которая подбирается так, чтобы за время передачи кадра минимальной длины сигнал коллизии успел распространиться до самого дальнего узла сети. Рассмотренная технология доступа используется в большинстве локальных сетей. 2. Для решения проблемы коллизий разработан приоритетный метод доступа с рассылкой предупреждений. Метод похож на предыдущий и применяется в основном в беспроводных сетях. Здесь перед отправкой кадра данных передающая станция высылает предупреждение о том, что сейчас будет происходить передача, а остальные станции, получив предупреждение откладывают свою передачу на случайный интервал времени. Данная процедура минимизирует число коллизий. 3. Другим способом борьбы с коллизиями является метод маркерного доступа, который обеспечивает приоритетный метод обслуживания станций сети, связанных в кольцо. Кольцо рассматривается как общий разделяемый ресурс, и для доступа к нему используется алгоритм передачи станциями права

47

на использование кольца с помощью кадра, называемого маркером или токеном.

Маркер

(токен)

-

уникальный

кадр

данных,

постоянно

циркулирующий между узлами кольцевой сети и определяющий право на доступ к кольцу только одной станции в момент времени. Станция кольца может начать передачу данных только после получения маркера. Поскольку в кольце может быть только один маркер, то, соответственно, только одна станция в момент времени имеет право на передачу данных. При отсутствии у станции данных для передачи она просто пересылает маркер к следующей по кольцу. Если такие данные есть, то станция при получении маркера изымает его из кольца, и посылает в кольцо свой кадр данных. Кадр данных проходит по кольцу, каждая станция анализирует его заголовок, и совпадении адреса копирует кадр в буфер, вставляет в него флаг подтверждения приема и отсылает дальше. Станция-источник получает кадр с подтверждением, изымает его из кольца и выдает маркер для обеспечения возможности другим станциям передавать данные. Время удержания одной станцией маркера ограничено тайм-аутом удержания маркера, по истечении которого станция обязана передать маркер далее по кольцу, даже если она не получит подтверждения приема. Одна из станций кольца обозначается как активный монитор, который осуществляет управление тайм-аутом в кольце, порождает новые маркеры, чтобы сохранить рабочее состояние в случае его потери, и генерирует диагностические кадры. 4. Следующий способ - метод приоритетных запросов (Demand Priority Protocol - DPP). Метод основан на том, что узел, которому нужно передать кадр по сети, сначала передает запрос на выполнение этой операции коммутатору. Каждый

запрос

может

иметь

низкий

или

высокий

приоритеты.

48

Высокоприоритетные запросы обслуживаются раньше. Каждый коммутатор ведет отдельные очереди для низкоприоритетных и высокоприоритетных запросов. Низкоприоритетные запросы обслуживаются до тех пор, пока не получен высокоприоритетный запрос. В этом случае текущая передача низкоприоритетного кадра завершается и обрабатывается высокоприоритетный запрос. Перед возвратом к обслуживанию низкоприоритетных кадров должны быть обслужены все высокоприоритетные запросы. Как правило, станция, желающая передать пакет, запрашивает низкий приоритет для обычных данных и высокий приоритет для данных, чувствительных к временным задержкам, например, мультимедиа информации. Приоритеты запросов имеют статическую и динамическую составляющие. Если сеть свободна, коммутатор разрешает передачу пакета. После анализа адреса получателя в принятом пакете коммутатор автоматически отправляет пакет станции назначения. Если сеть занята,

коммутатор

ставит

полученный

запрос

в

очередь,

которая

обрабатывается в соответствии с порядком поступления запросов и с учетом приоритетов. Если к порту подключен другой коммутатор, то опрос приостанавливается до завершения опроса коммутатором нижнего уровня.

4.5. Мультиплексирование В глобальных сетях используются следующие методы доступа с общей разделяемой среде: − мультиплексирование с временным разделением (Time Division Multiplexing - TDM);

49

− мультиплексирование с частотным разделением (Frequency Division Multiplexing - FDM). 1. В первом случае каждому узлу для передачи данных выделяется определенный временной интервал. Когда наступает его временной интервал и узел имеет кадр для передачи, он его отправляет. Мультиплексирование с разделением времени подходит только для работы с данными в цифровой форме. Примером TDM является стандарт Т1 мультиплексирования по времени, распространенный в США и Японии (рис. 4.1.).

Рис. 4.1. Стандарт мультиплексирования по времени Т1 В канале Т1 мультиплексируется 24 голосовых канала в течение каждых 125 миллисекунд. При этом каждый канал оцифровывается последовательно один за другим и передает 8 бит информации: 7 бит - данные, 1 бит сигнальный. Весь 24-канальный кадр Т1 начинается со специального сигнального бита и передает всего 24*8+1=193 бита. Тогда каждые 125 миллисекунд передается по 193 бита, что дает общую скорость передачи – 1 544 Мb/s. В Европе и Великобритании используется стандарт Е1, по которому мультиплексируется 32 восьмиразрядных канала каждые 125 миллисекунд, что

50

дает скорость 2 048 Мb/s. Кроме того, для передачи данных используется все 8 бит информации Технология TDM позволяет мультиплексировать каналы по принципу вложенности. Например, в стандарте Т1 - 4 первичных канала могут быть объединены в один, затем 6 объединенных вторичных каналов в один и т.д. (Рис. 4.2.).

Рис. 4.2. Множественное мультиплексирование 2. В технологии с частотным мультиплексированием каждому узлу для передачи пакетов данных выделяется свой частотный диапазон, в котором пересылаемые данные модулируются на соответствующих несущих частотах. Частотное разделение хорошо работает в условиях, когда число пользователей постоянно, и каждый максимально полно загружает выделенный канал. Однако, если число пользователей велико, или трафик нерегулярный, то метод FDM имеет свои недостатки. Например, если диапазон разделен на N частотных диапазонов, но не всем из N узлов требуется передача, то часть пропускной способности будет потеряна. С другой стороны, если число пользователей больше числа допустимых диапазонов N, то часть из них получит отказ из-за

51

недостатка пропускной способности. Чисто частотное мультиплексирование в основном применяется для передачи данных в аналоговой форме. Общим недостатком двух методов является то, что в обоих случаях, временные интервалы/частотные диапазоны используются узлами по мере необходимости и могут определенное время простаивать. 3. Модификацией частотного мультиплексирования для работы с цифровыми данными в оптических каналах передачи информации является мультиплексирование с разделением длины волны. Здесь свет, проходя через призму, смешивается в единый пучок, который на другом конце канала передачи данных разделяется с помощью другой призмы. Общая пропускная способность оптоволоконного канала может достигать до 25 000 ГГц и ограничена скоростью преобразования светового сигнала в электрический.

4.6. Физическая среда передачи информации Для передачи данных и построения каналов связи можно использовать разные физические среды. Основные характеристиками среды являются: 1.

Полоса пропускания частот;

2.

Пропускная способность;

3.

Задержка;

4.

Стоимость;

5.

Простота прокладки;

6.

Сложность в обслуживании;

7.

Достоверность передачи;

8.

Затухание;

9.

Помехоустойчивость и т.д.

52

В информационных сетях используются такие физические среды как: 1.

Витая пара, телефонный провод, электропроводка;

2.

Коаксиальный кабель, полевой кабель, телевизионный кабель;

3.

Оптоволоконный кабель;

4.

Радиочастотные

каналы

связи

(радиорелейные,

сотовые,

спутниковые); 5.

Инфракрасные каналы связи;

6.

Каналы связи видимого диапазона излучения.

Физическая среда передачи сети, построенная на базе проводных каналов будем называть кабельной системой. На выбор кабельной системы влияют следующие факторы: 1. Требуемая пропускная способность (скорость передачи); 2. Размер сети; 3. Требуемый набор служб (передача данных, речи, мультимедиа); 4. Требования к уровню шумов и помехозащищенности; 5. Стоимость проекта сети. Кабельные

системы

для

целей

телекоммуникаций

исторически

использовались первыми. В современных компьютерных сетях применяется структурированная кабельная система (Structured Cabling System, SCS), которая представляет план прокладки кабелей в зданиях и между ними, основанный на применении модульных подсистем и специфицирующий согласованные

правила

прокладки

кабеля

и

комплект

используемых

материалов. Спецификация SCS определяет набор коммутационных элементов - кабелей, разъемов, коннекторов, кроссовых панелей и шкафов, а также методику

их

совместного

использования

для

создания

регулярных,

53

расширяемых структур связей в сетях. Структурированная кабельная система состоит из трех подсистем: • Горизонтальной подсистемы, которая создается в пределах одного этажа здания; • Вертикальной подсистемы, которая создается для междуэтажной связи горизонтальных подсистем; • Подсистемы кампуса, которая создается в пределах территории близкорасположенных зданий. Центром горизонтальной подсистемы является кроссовый шкаф этажа здания. Для нее характерно наличие большого количества ответвлений и перекрестных связей. Вертикальные подсистемы работают внутри здания и обычно соединяют кроссовые шкафы каждого этажа с центральной аппаратной здания. Вертикальная подсистема состоит из протяженных отрезков кабеля с меньшим числом ответвлений, чем в горизонтальной подсистеме. Подсистема кампуса, работающая в пределах территории между зданиями, соединяет несколько зданий с главной аппаратной всего кампуса. Эта часть кабельной системы обычно называется магистралью (backbone). Для подсистемы кампуса характерна нерегулярная структура связей с центральным зданием. Разработка структурированной кабельной системы чаще всего начинается с разработки горизонтальных подсистем, так как именно к ним подключаются конечные пользователи. Преимуществами использования структурированной кабельной системы являются: 1. Универсальность. Структурированная кабельная система - это единая среда передачи компьютерных данных, организации телефонной сети, передачи

54

видеоинформации, передачи сигналов от различных датчиков или охранных систем; 2. Увеличение

срока

службы.

Срок

морального

старения

структурированной кабельной системы составляет 8-10 лет. При этом стоимость системы определяется стоимостью работ по прокладке кабелей; 3. Возможность

расширения

сети.

Структурированная

кабельная

система является модульной, поэтому ее легко наращивать, что позволяет ценой малых затрат переходить на более совершенное оборудование; 4. Обеспечение

эффективного

обслуживания.

Структурированная

кабельная система облегчает обслуживание и поиск неисправностей; 5. Надежность. Система имеет повышенную надежность, поскольку обычно

производство

ее

компонентов

и

техническое

сопровождение

осуществляется одной фирмой-производителем.

4.7. Проводные физические среды 1. Коаксиальный кабель имеет среднюю цену, хорошо помехозащитен и применяется для связи на большие расстояния. Конструкция коаксиального кабеля приведена на рис. 4.3.

Рис. 4.3. Конструкция коаксиального кабеля (1–центральный проводник, 2–изолятор; 3–экран; 4–внешний изолятор).

55

В коаксиальном кабеле сигнал распространяется по центральной медной жиле, а контур тока замыкается через внешний экран. При заземлении экрана в нескольких точках по нему начинают протекать выравнивающие токи. Такие токи могут стать причиной внешних наводок, что является необходимостью заземления кабеля локальной сети только в одной точке. В сетях применяются два вида коаксиальных кабелей - 50-омный среднеполосный кабель для цифровой передачи и 75-омный широкополосный кабель для аналоговой передачи. Наибольшее распространение получили кабели с волновым сопротивлением 50 Ом. Это связано с тем, что такие кабели характеризуются минимальным ослаблением сигнала, так как волновое сопротивление пропорционально логарифму отношения диаметров внешнего и внутреннего проводников. В таком кабеле достижима скорость передачи в несколько Gb/s на расстоянии 1-2 км при высокой помехозащищенности. При большем

расстоянии

нужны

промежуточные

усилители.

Второй

вид

коаксиальных кабелей используется в телевидении и называется также высокочастотным кабелем. Для цифровых сетей используется две разновидности кабеля. А) Толстый кабель имеет толщину 12 мм и бывает двух видов: гибкий и жесткий. Он имеет большую степень помехозащищенности, механическую прочность, и позволяет подключать компьютеры, не останавливая работу сети. Однако он сложен при прокладке и для подключения к нему требуется устройство - трансивер. Трансивер устанавливается непосредственно на кабеле контактным способом методом прокалывания или бесконтактным способом, и питается от сетевого адаптера компьютера, с которым соединяется при помощи интерфейсного кабеля (Attachment Unit Interface – AUI) длиной до 50 метров.

56

Основная область применения толстого кабеля – магистральные линии в вертикальной подсистеме для соединения этажей здания. Б) Тонкий кабель имеет толщину 6 мм, небольшую стоимость и требует минимальные затраты при построении сети. Подсоединение кабеля к сетевым адаптерам производится с помощью байонетных разъёмов и тройниковых Тобразных соединителей. Сети, построенные на тонком кабеле, обычно шинную топологию, т.е. все компьютеры в сегменте сети подключены к одному кабелю. Недостатком является то, что при повреждении участка кабеля или плохом контакте в разъемах сеть полностью выходит из строя. Это снижает ее надежность, а также значительно затрудняет диагностику места возникновения неполадки. Использование коаксиальных кабелей считается устаревшей технологией. 2. Кабель «витая пара» (Twisted Pair - TP) состоит из пары скрученных медных проводов и может быть двух видов: 1. Экранированная витая пара (Shielded Twisted Pair - STP); 2. Неэкранированная витая пара (Unshielded Twisted Pair - UTP). По мере развития технологии скрученные пары практически вытеснили коаксиальные кабели тогда, когда их полоса пропускания достигла 200-350 МГц при длине 100м, а цены на единицу длины сравнялись. Витые пары бывают

одинарными,

объединенными

в

многопарный

кабель

или

оформленными в виде плоского ленточного кабеля. Для ограниченных расстояний

допустимо

применение

вместо

витых

пар

проводов

сети

переменного тока или параллельных телефонных проводов. Недостатком неэкранированной витой пары является уязвимость к электрическим помехам. При этом скручивание проводников уменьшает

57

электрические помехи извне при распространении сигналов по кабелю. Существует семь категорий витой пары. Чем выше номер категории, тем большую скорость передачи поддерживает кабель (таблица 4.1.). Таблица 4.1. Характеристики различных категорий витой пары Категория

Полоса пропускания

Применения

3

до 16 МГц

Ethernet, Token Ring, телефон

4

до 20 МГц

Ethernet, Token Ring, телефон

5

до 100 МГц

Ethernet, ATM, FE,Token Ring, телефон

6

до 200/250 МГц

GigaEthernet,Ethernet, FE, ATM, Token Ring

7

до 600 МГц

GigaEthernet,Ethernet, FE, ATM, Token Ring

Категория 3 представляет собой распространенный кабель телефонной проводки. Категория 4 - улучшенный вариант кабеля с повышенной помехоустойчивостью и низкими потерями сигнала для передачи голоса и данных. Категория 5 - основной тип кабеля, используемый в компьютерных системах.

Кабели

категории

6-7

предназначены

для

поддержки

высокоскоростных протоколов на отрезках кабеля большей длины, чем кабель категории 5. Однако кабель категории 7 по стоимости соизмерим с волоконнооптическим кабелем, поэтому целесообразность его применения невелика. Неэкранированная витая пара имеет волновое сопротивление 100 Ом и подключается к сетевой карте через специальный разъем. В сетях построенных

58

на витой паре преобладает топология типа «звезда», когда каждый из компьютеров, при помощи своего отрезка кабеля подключен к сетевому устройству - концентратору, который обеспечивает взаимодействие между компьютерами в сети. Таким образом, при повреждении кабеля исчезнет связь только с одним компьютером, что легко диагностируется и устраняется, а сеть продолжит функционировать. В

экранированной

витой

паре

пары

проводников

помещены

в

экранирующую оплетку, что увеличивает степень помехозащищенности. Экранирование защищает передаваемые сигналы от помех, а также уменьшает электромагнитное излучение. Однако наличие заземляемого экрана удорожает кабель и усложняет его прокладку. Экранированная витая пара имеет волновое сопротивление 150 Ом. 3. Оптоволоконный кабель состоит из центральной нити толщиной в несколько микрон (световода, волновода), покрытой сплошной оболочкой, обладающей меньшим показателем преломления, чем сам световод (Рис. 4.4.

(А)). Распространяясь по световоду, лучи света не выходят за его пределы, отражаясь

от

покрывающего

слоя

оболочки.

В

сетях

используются

многожильные кабели (рис. 4.4. (Б)). Для обеспечения механической прочности в центре кабеля помещается стальная нить и с внешней стороны кабель защищается стальной оплеткой и герметизируется эластичным полимерным покрытием.

59

Рис. 4.4. Многожильный оптоволоконный кабель В первых оптоволоконных кабелях в качестве материала для световода использовалось стекло. В современных разработках используется пластик. Работы

по

использованию

света

для

передачи

информации

активизировались в 1960-е годы в связи с изобретением лазера, который мог обеспечить

модуляцию

света

на

высоких

частотах,

то

есть

создать

широкополосный канал для передачи информации с высокой скоростью. Оптические волокна, обеспечивающие низкие потери мощности светового сигнала и полосу пропускания до нескольких ГГц появились в 1970-е годы. В начале 1980-х годов началось промышленная установка и эксплуатация оптоволоконных каналов связи. Начались также работы по созданию технологий и устройств для использования оптоволоконных каналов в локальных сетях. В 1990 году была продемонстрирована передача данных со скоростью 2,5 Гбит/c на расстояние 7500 км без промежуточных усилителей сигнала. Оптоволоконные линии связи в настоящее время работают в частотном диапазоне 1013 – 1016Гц. Скорость распространения информации по ним

максимальна

и

ограничена

быстродействием

оборудования,

преобразующего оптический сигнал в электрический и обратно. Внешнее

60

воздействие

помех

в

таких

линиях

связи

практически

отсутствует.

Оптоволоконный кабель применяется в магистральных сетях. В качестве источников

света

применяются

светодиоды

и

полупроводниковые

инжекционные лазеры, работающие в непрерывном и импульсном режимах. Лазеры используются для более протяженных линий связи. Они имеют следующие недостатки по сравнению со светодиодами: − более сильную зависимость от температуры частоты излучения; − более низкий срок службы; − более высокую стоимость. Однако светоизлучающие диоды «медлительнее» лазеров, так как работают на частотах 30—50 Мгц и имеют меньшую световую мощность. Обнаружение

модулированного

светового

излучения,

демодуляция,

воспроизведение информации осуществляется с помощью оптоэлектронных детекторов - фотодиодов. На приемном конце кабеля детектор преобразует световые импульсы в электрические сигналы. Существуют два основных типа световодов: А) Многомодовые световоды со ступенчатым или плавным изменением показателя преломления (Рис. 4.5). В таких кабелях используются более широкие внутренние сердечники, которые легче изготовить технологически. При этом во внутреннем проводнике одновременно существует несколько световых лучей, отражающихся от внешнего проводника под разными углами. Угол отражения луча называется его модой и представляет собой одно из решений уравнения Максвелла.

61

Рис. 4.5. Многомодовое и одномодовое оптоволокно В упрощенном виде можно считать, что мода – это одна из возможных траекторий,

по

которой

распространяется

свет

в

волокне.

Тогда

в

многомодовом оптоволокне импульс света распространяется как множество лучей (мод). Некоторые лучи идут параллельно центральной оси, другие испытывают отражения от стенок волокна. Это приводит к тому, что за счет разного пути, проходящего модами, импульс на выходе размазывается по времени. Чем больше мод, тем больше дисперсионное искажение формы сигнала. Тогда скорость передачи и длина линий ограничиваются, так как начало нового импульса накладывается на конец предыдущего. В качестве источников излучения в многомодовых кабелях применяются светодиоды. В целом, многомодовое волокно дешевле одномодового, хотя его характеристики хуже (больше затухание сигнала, более узкая полоса пропускания).

62

Б) Одномодовые световоды имеют малый диаметр сердцевины (5-10 мкм), которая обеспечивает распространение только одной моды, при теоретической ширине полосы пропускания более 100 ГГц. При этом практически все лучи света распространяются вдоль оптической оси световода, не отражаясь от внешнего проводника. Типовое значение модовой дисперсии лежит в пределах от 15 до 30 нсек/км. Дисперсия зависит от диаметра центральной части волокна и длины волны света. Эта разновидность волокна воспринимает меньшую долю света на входе, зато обеспечивает минимальное искажение сигнала и минимальные потери амплитуды. Одномодовое волокно и оборудование для работы с ним значительно дороже, так как возникает проблема ввода излучения в сверхтонкое оптоволокно. Однако выигрышем является

увеличение

промежуточных

расстояния

узлов.

В

между

качестве

узлами источника

сети

до

света

20

км

без

используется

полупроводниковый лазер. В оптических каналах используется мультиплексирование с делением по длине волны. За счет этой техники удается в 16-160 раз увеличить полосу пропускания канала связи из расчета на одно волокно. Число волокон на входе и выходе канала может достигать 32 и более. Разработка технологии получения особо чистого материала волокон также позволяет расширить полосу пропускания одномодового волокна и увеличить скорость передачи данных по одному волокну до 10 Тбит/с. Достоинствами световодов по отношению к коаксиальному кабелю и витой паре являются: 1.

Нечувствительность по отношению к электромагнитным помехам;

2.

Механическая прочность в изоляции;

63

3.

Хорошая гибкость;

4.

Дешевизна исходного сырья (кварцевый песок, пластик);

5.

Малый вес.

Недостатками световодов являются: 1.

Чувствительность к водяному пару;

2.

Хрупкость стекла по отношению к изгибам с малым радиусом;

3.

Чувствительность к колебаниям окружающей температуры;

4.

Сложность соединения волокон с разъемами и между собой при

необходимости наращивания длины кабеля. Присоединение оптического волокна к разъему требует высокоточной обрезки волокна в плоскости строго перпендикулярной оси волокна, а также выполнения операции соединения частей путем склеивания. Выполнение некачественных соединений сужает полосу пропускания волоконно-оптических кабелей и снижает скорость передачи информации. Для установки разъемов, создания ответвлений, поиска неисправностей в оптоволоконном кабеле также необходима специальная аппаратура и высокая квалификация.

4.8. Беспроводные физические среды Спектр используемых в сетях электромагнитных волн делится на следующие частотные диапазоны (таблица 4.2.).

64

Таблица 4.2. Частотные диапазоны беспроводной среды. Номер Название диапазона

Частота

Длина волны

1

Высокочастотный

3 – 30 МГц

100 – 10 м

2

VHF

50 - 100 Мгц

6-3м

3

УВЧ (UHF)

400-1000 МГц

75-30 см

4

Микроволновый

3 109 – 1011 Гц

10 см – 3 мм

5

Миллиметровый

1011 – 1013Гц

3 мм – 0,3 мм

6

Инфракрасный

1012 – 6 1014

0,3 мм – 0,5

Далее следуют диапазоны видимого света, ультрафиолетового излучения, рентгеновских и гамма-лучей. Беспроводные среды используются там, где не существует кабельных или оптоволоконных каналов или их создание по каким-то причинам невозможно или

слишком

дорого.

Низкие

частоты,

например

300

МГц,

мало

привлекательны из-за ограничений пропускной способности, а большие частоты более 30 ГГц работоспособны для расстояний не более 5км из-за поглощения радиоволн в атмосфере. При использовании 4, 5 и 6 диапазонов следует иметь в виду, что любые препятствия на пути волн приведут к их практически полному поглощению. Для этих диапазонов заметное влияние оказывает и поглощение в атмосфере. Основную роль в поглощении радиоволн играет вода. По этой причине сильный дождь, град или снег могут привести к прерыванию связи. Атмосферные шумы, связанные в основном с грозовыми разрядами, влияют на

65

радиосвязь при низких частотах до 2 МГц. Галактический шум, приходящий изза пределов солнечной системы влияет на радиосвязь вплоть до 200 ГГц. При частоте выше 100 МГц волна распространяется в строго определенном направлении и может быть сфокусирована с помощью параболической антенны. Для устройств, работающих на частотах 2.4 ГГц и выше, как правило, используются направленные антенны и необходима прямая видимость между приемником и передатчиком. Радиоканалы

для

передачи

информации

используют

частотные

диапазоны 902-928 МГц на расстояниях до 10 км с пропускной способностью до 64кбит/с, а также 2,4 ГГц и 12 ГГц на расстояниях до 50 км, с пропускной способностью до 8 Мбит/с. Стремление увеличить пропускную способность канала заставляет использовать все более и более высокие частоты. На сегодня микроволновый

диапазон

широко

используется

в

телефонии,

сотовой

телефонии, телевидении и других приложениях. Одним из главных достоинств микроволнового диапазона – нет необходимости в прокладке коммуникаций. Однако микроволны не проходят сквозь здания также как низкочастотные волны. Кроме этого, из-за рефракции в нижних слоях атмосферы, они могут отклоняться от прямого направления. Это обуславливает увеличение задержки и нарушение передачи. Передача на этих частотах зависит от погоды. Инфракрасное излучение и излучение в миллиметровом диапазоне используется на небольших расстояниях в основном в блоках дистанционного управления. Основной недостаток излучения в этом диапазоне в том, что оно не проходит

через

преграды.

Этот

недостаток

одновременно

является

преимуществом, так как излучение в одной комнате не мешает работе систем в других. Кроме того на применение таких частот не надо получать разрешения.

66

Инфракрасная связь поддерживает передачу данных через инфракрасные соединения с компьютерами и другими устройствами, использующими протоколы IrDA (Infrared Data Association). Она представляет собой недорогой способ соединения компьютеров друг с другом и с различными устройствами. Инфракрасный

канал

передачи

данных

устанавливается

между

двумя

инфракрасными портами. Все данные по этому каналу передаются с основного устройства

на

вторичное

(принимающее).

Роль

основного

устройства

присваивается динамически при установке связи и сохраняется до закрытия подключения. Ее может выполнять любое пригодное для этого устройство. При соединении двух компьютеров основную роль может взять на себя любой из них. Однако есть устройства, которые способны выполнять только вторичную роль, например, принтеры. Видимый диапазон также используется передачи данных посредством лазера. Монохромное когерентное излучение лазера легко фокусируется, но дождь, туман или даже конвекционные потоки воздуха сильно влияют на качество связи.

Вопросы для самоконтроля по главе 4 1. По каким характеристикам обычно классифицируются каналы связи? 2. Что понимается под каналом тональной частоты? Как передаются мультимедийные сигналы по каналам тональных частот? 3. Определите понятие первичной и вторичной сетей. 4. Что такое сетевой узел? По каким признакам классифицируются сетевые узлы?

67

5. Назовите основные классы вторичных каналов связей. 6. Назовите и дайте определения основных характеристик сети. 7. Назовите основные отличия сетей с долговременной и с оперативной коммутацией. 8. Назовите основные виды оперативной коммутации. 9. Поясните принцип работы, преимущества и недостатки сетей с коммутацией сообщений. 10. В чем заключаются основные различия коммутации пакетов и каналов? 11. Что определяет метод доступа к среде передачи данных? 12. В чем сущность и отличия вероятностных и детерминированных методов доступа к среде передачи данных? 13. Охарактеризуйте метод коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий CSMA/CD? 14. При каких обстоятельствах может возникать ситуации коллизии? 15. Какая должна быть минимальная длина поля данных кадра для распознавания коллизий? 16. В чем заключается приоритетный метод доступа с рассылкой предупреждений и для решения каких проблем он применяется? 17. Сформулируйте сущность метода маркерного доступа. 18. На чем основан метод протокола приоритетных запросов? 19. Какие методы доступа, исключающие возникновение коллизий, используются в глобальных сетях? 20. В чем заключается суть понятия мультиплексирования?

68

21. Поясните,

на

чем

основан

метод

мультиплексирования

с

разделением длины волны? 22. Перечислите основные характеристики физической среды передачи информации. 23. Что относят к физическим средам передачи информации? 24. Что такое кабельная система? Какие факторы влияют на выбор кабельной системы? 25. Что такое структурированная кабельная система? Каковы ее преимущества? 26. Опишите конструкцию и принцип работы коаксиального кабеля. 27. Опишите конструкцию и принцип работы кабеля «витая пара». 28. Перечислите и охарактеризуйте основные категории витой пары. 29. Какие характеристики свойственны оптоволоконным линиям связи? В чем их достоинства? 30. Опишите структуру и принцип работы оптоволоконных кабелей различных типов. 31.

Перечислите

и

охарактеризуйте

основные

типы

световодов,

применяемых в оптических кабелях. 32. Перечислите

диапазоны

спектра

электромагнитных

волн,

используемые в беспроводных сетях. 33. Какие атмосферные факторы могут привести к помехам передачи данных беспроводным способом? 34. Дайте характеристику метода беспроводной передачи данных на основе протокола IrDA.

69

5. ЛОКАЛЬНЫЕ СЕТИ Локальной

вычислительной

сетью

(ЛВС)

называется

сеть,

объединяющая компьютеры, находящиеся на относительно близком расстоянии (в одной комнате, в одном или близко расположенных зданиях), с целью передачи данных из одного компьютера в другие. Локальные сети состоят из оконечных и промежуточных устройств, соединенных кабельной системой. Определим некоторые основные термины: 1.

Сетевой узел – оконечное или промежуточное устройство с сетевым

адресом. К сетевым узлам относятся компьютеры, выступающие в роли рабочих

станций

или

серверов;

периферийные

устройства;

сетевые

телекоммуникационные устройства. 2. Кабельный сегмент – отрезок кабеля или цепочка отрезков кабелей, электрически соединенных друг с другом и обеспечивающих соединение двух или более узлов сети; 3. Сетевой сегмент – совокупность узлов сети, использующих общую физическую среду передачи; 4. Логическая сеть – совокупность сетевых узлов с единой системой адресации сетевого уровня модели OSI. Как правило, логическая сеть имеет свой адрес, этими адресами оперируют маршрутизаторы для передачи пакетов между сетями. Использование локальных сетей позволяет получить такие преимущества как: 1.

Разделение ресурсов, что позволяет управлять периферийными

устройствами со всех сетевых узлов;

70

2.

Разделение данных, что предоставляет возможность доступа и

управления базами данных со всех сетевых узлов; 3.

Разделение программных средств, что предоставляет возможность

совместного

одновременного

использования

программных

средств

пользователями сети; 4.

Разделение вычислительных ресурсов, что позволяет использовать

вычислительные мощности всех сетевых узлов совместно всеми сетевыми системами; 5.

Реализация

многопользовательского

режима,

что

позволяет

работать в сети одновременно множеству пользователей.

5.1 Классификация локальных сетей Локальные сети можно классифицировать по нескольким признакам классификации. 1. Способ взаимодействия компьютеров. Локальные сети в зависимости от способов взаимодействия компьютеров подразделяются на два класса: • одноранговые (одноуровневые) сети; • иерархические (централизованные, многоуровневые, многоранговые) сети. Одноранговая сеть представляет собой сеть равноправных компьютеров, каждый из которых имеет уникальный идентификатор. При одноранговой архитектуре в сети отсутствуют специально выделенные серверы, каждый компьютер может выступать, как клиент, и как сервер, предоставляющий возможность доступа другим пользователям к своим ресурсам. Сети подобного типа по стоимости более дешевые, поскольку не требуют приобретения

71

выделенного сервера, просты в эксплуатации и могут быть рекомендованы в качестве небольших офисных или домашних сетей для малочисленных групп пользователей. Наличие распределенных данных и возможность изменения своих серверных ресурсов каждой рабочей станцией усложняет защиту информации от несанкционированного доступа, что является одним из недостатков одноранговых

сетей.

Другим

недостатком

является

более

низкая

производительность. Это объясняется тем, что сетевые ресурсы сосредоточены на рабочих станциях, которым приходится одновременно выполнять функции клиентов и серверов. Иерархическая сеть имеет один или несколько серверов, на которых хранится информация, совместно используемая пользователями. Сервер сам может быть клиентом более высокого уровня иерархии. 2. Назначение. Локальные сети можно классифицировать по назначению на следующие типы. • Сети терминального обслуживания; • Сети распределенных вычислительных систем; • Офисные сети; • Сети организационного управления; • Сети

управления

технологическими

и

производственными

процессами.. 3. Метод доступа. По методу доступа к среде передачи существуют локальные сети: • С вероятностным доступом; • С рассылкой предупреждений о передаче; • С приоритетным доступом;

72

• С маркерным доступом; • С комбинированным доступом. 4. Способ использования кабельных сегментов. По данному признаку различаются: • Сети с двухточечными соединениями; • Сети с многоточечными соединениями, когда к одному кабельному сегменту подключается более двух узлов. 5. Способ подключения пользователей к сети. По способу подключения можно выделить: • Сети с подключением пользователей по адресам абонентов; • Сети

с

централизованным

управлением

подключением

пользователей к сети; • Сети со случайной дисциплиной подключения пользователей. 6. Вид коммуникационной среды. По данному признаку сети делятся на: • Сети с использованием существующих проводных линий связи (телефонных, кабельных, электропроводки и т.д.); • Сети на специально созданной кабельной системе; • Сети беспроводной связи (на радиоканалах, на каналах инфракрасного диапазона); • Комбинированные сети. 7. Дисциплина обслуживания пользователей. По дисциплине можно выделить: • Приоритетные сети, когда пользователи получают доступ к сети в соответствии с приоритетами;

73

• Неприоритетные сети, когда пользователи сети имеют равные права доступа к сети. 8. Структура или топология. По топологическому признаку можно выделить следующие схемы построения сетей: • Шина; • Звезда; • Кольцо; • Иерархическая (древовидная, многокаскадная) структура; • Комбинированная структура. В шинной структуре компьютеры подключены к одному общему кабелю (шине) и могут непосредственно взаимодействовать с любой станцией сети. При этом функционирование вычислительной сети в целом не зависит от состояния отдельного сетевого узла. Подключение к сети нового узла может вызвать нарушение потока информации, если присоединяются с разрывом шины. Для исключения разрыва шины рабочие станции могут присоединяться к шине посредством зондов игольчатой формы или бесконтактным способом. Еще одним недостатком является возможность несанкционированного доступа, когда можно к шине подключать специальные устройства для снятия информации без прерывания сетевых процессов. В структуре «звезда» имеется центральный сетевой узел, от которого идут линии

связи

к

каждому

компьютеру.

Пропускная

способность

сети

определяется мощностью узла и гарантируется для каждой рабочей станции. Коллизии могут возникать только на внутренней шине центрального узла, при использовании коммутаторов со специальной схемой переключения не возникает вообще. Затраты на прокладку кабелей зависят от расположения

74

центра сети. При расширении сети, к новой рабочей станции необходимо прокладывать отдельный кабель из центра. Топология звезда является наиболее быстродействующей, поскольку передача данных

проходит по отдельным

линиям. Однако, в случае выхода из строя центрального узла нарушается работа сети. В сети, имеющей структуру кольца, информация передается между станциями по кольцу с приемом/передачей в каждом сетевом адаптере. Рабочие станции связаны друг с другом, а последняя станция связана с первой. Таким образом, линия связи замыкается в кольцо, и кадры данных циркулируют по кругу. Рабочая станция посылает информацию в кольцо, получив из кольца специальный запрос или маркер. Основная проблема заключается в том, что в случае выхода из строя одной из станций вся сеть может прекратить работу. Чтобы избежать данной проблемы применяются обходные переключатели и резервные кольца. Иерархическое соединение множества топологий типа «звезда» через коммутационные узлы дает древовидную структуру сети, которая является в настоящее

время

наиболее

распространенной

топологией

локальных

вычислительных сетей. В древовидной топологии можно определить основной корневой узел, где собираются все линии связи, и от работы которого зависит функционирование сети. В составных сетях используется множество различных топологий, которые в целом определяют комбинированную структуру. Существует множество

видов

комбинированных

структур

вычислительных

систем,

например: решетки, кубы, гипердеревья, гиперкубы и т.д.

75

5.2. Протоколы локальных сетей К протоколам локальных сетей относится, прежде всего, набор протоколов первого и второго уровней эталонной модели, определяющих топологию локальной сети, передающую физическую среду, технические средства и протоколы. При организации взаимодействия узлов в локальных сетях основная роль отводится протоколу канального уровня. В 1980 году в институте IEEE (Institute Electrical Equipment Engineering) был организован «Комитет 802 по стандартизации локальных сетей», который принял семейство стандартов IEEE 802.х, содержащее рекомендации для проектирования нижних уровней локальных сетей. Эти стандарты были созданы на основе стандартов сетей Ethernet, ArcNet и Token Ring. Результаты его работы также легли в основу комплекса международных стандартов ISO 8802-1...5. Данные стандарты IEEE 802.x охватывают только два нижних уровня модели OSI - физический и канальный. Приведем краткий обзор основных стандартов, разработанных комитетом IEEE 802. В стандарте 802.1 приводятся основные понятия и определения, характеристики и требования к локальным сетям. Данных стандарт является общим документом, который определяет архитектуру и прикладные процессы системного управления сетью, методы объединения сетей на уровне управления доступом к передающей среде. В соответствии с документом, канальный уровень разбит на два подуровня: управления логическим каналом и управления доступом к физической среде.

76

Стандарт IEEE 802.2 определяет протоколы управления логическим каналом, в том числе специфицирует интерфейсы с сетевым уровнем и подуровнем управления доступом к передающей среде. Каждый из стандартов, начиная с IEEE 802.3, определяет метод доступа и специфику физического уровня для конкретного типа локальной сети. Стандарт

IEEE

802.3

описывает

характеристики

и

процедуры

множественного доступа с контролем передачи и обнаружением коллизий CSMA/CD, который называется методом доступа стандарта Ethernet. Документ 802.4 определяет сеть с маркерным доступом и шинной топологией (Token Bus). Документ 802.5 описывает локальную сеть с маркерным доступом и кольцевой топологией (Token Ring). В стандарте 802.6 характеризуется сеть передачи данных для создания городских или региональных информационных систем на базе технологии двойной шины с распределением очередности (Distributed Queue Dual Bus DQDB). В соответствии с правилами стандарта сетевые узлы подключаются к двум оптоволоконным шинам, причем в каждой шине данные передаются только в одном направлении. При неисправности сегментов сети шины могут «замыкаться» в петлю. Полоса пропускания распределяется

между всеми

станциями по методу временного мультиплексирования TDM. Стандарт 802.7 описывает принципы построения широкополосной (broadband) локальной сети. В такой сети для передачи информации используются несколько каналов передачи данных, разделенных по времени или по частоте. При использовании методов мультиплексирования возможно

77

одновременно в одной кабельной системе

передавать

цифровые данные,

видеопоток и речевую информацию. Документ 802.8 определяет правила использования в локальных сетях волоконно-оптическиx линий связи. Стандарт 802.9 определяет методы передачи

речевой и видео-

информации в локальных сетях, а также интерфейс для подключения таких сетей к цифровым сетям с

интегрированным обслуживанием

(Integrated

Services Digital Network - ISDN) или к телефонным сетям общего пользования (Public Switched Telephone Network - PSTN). Этот стандарт также называют изохронный Ethernet или просто IsoNet. В документе 802.10 характеризуются методы обеспечения секретности информации, передаваемой в локальных сетях. Стандарт 802.11 описывает беспроводные локальные сети (Wireless Network). Стандарт 802.12 описывает локальную сеть с методом доступа к среде по технологии приоритетных запросов (Demand Priority) и т.д.

5.3 Определения канального уровня в стандартах IEEE-802 В

соответствии со стандартом IEEE-802.1 канальный уровень в

локальных сетях разбивается на два подуровня: 1. Подуровень управления доступом к среде (Media Access Control MAC); 2. Подуровень логической передачи данных (Logical Link Control - LLC).

78

MAC-подуровень обеспечивает совместное использование общей среды станциями в соответствии с определенным алгоритмом доступа к ней. В локальных сетях получили распространение несколько протоколов MACуровня, реализующих различные алгоритмы доступа к разделяемой среде. Эти протоколы определяют специфику технологий. После того, как доступ к среде получен, ею может пользоваться LLCподуровень, организующий надежную передачу логических единиц данных кадров информации. В основу протокола LLC положен протокол HDLC (Highlevel Data Link Control Procedure). Подуровень LLC отвечает за достоверную передачу кадров данных между узлами, а также реализует функции интерфейса с прилегающим к нему сетевым уровнем. Для подуровня LLC существует несколько вариантов протоколов, отличающихся качеством транспортных услуг. В соответствии со стандартом 802.2 подуровень предоставляет верхним уровням модели OSI три типа процедур: 1. Процедуру LLC1, которая предоставляет сервис без установления соединения и без подтверждения; 2. Процедуру LLC2, которая предоставляет сервис с установлением соединения и подтверждением; 3. Процедуру LLC3, которая сервис без установления соединения, но с подтверждением. Чаще всего в локальных сетях используется процедура LLC1. По своему назначению все блоки данных уровня LLC (Protocol Data Unit PDU) подразделяются на три типа: 1. Информационные блоки, которые предназначены для передачи информации и обязательно содержат поле информации;

79

2. Управляющие блоки, которые предназначены для передачи команд и ответов, в том числе запросов на повторную передачу искаженных информационных блоков; 3. Ненумерованные ненумерованных

команд

блоки, и

которые

ответов,

предназначены

выполняющих

для

передачи

идентификацию

и

тестирование LLC-уровня, информирование об ошибках. Все типы блоков данных имеют единый формат и содержат четыре обязательных поля: 1.

Адрес точки входа сервиса назначения (Destination Service Access

Point - DSAP); 2.

Адрес точки входа сервиса источника (Source Service Access Point -

SSAP); 3.

Управляющее поле (Control);

4.

Поле данных (Data).

Блок

данных

LLC

обрамляется

двумя

однобайтовыми

флагами,

имеющими значение «01111110». Флаги используются на MAC-уровне для определения границ блока. В общем случае поле данных информационного блока предназначено для передачи по сети блоков данных верхних уровней модели OSI. Управляющее поле используется для обозначения типа кадра данных (информационный, управляющий, ненумерованный), а поля DSAP и SSAP указывают, какой сервис верхнего уровня пересылает данные с помощью этого кадра. С помощью информации в данных полях программное обеспечение сети должно необходимо определить, какой протокол вложил свой пакет в поле данных поступившего кадра с целью передачи ему содержимого поля данных для последующей обработки.

80

5.4. Стандарты технологии Ethernet Ethernet - это сетевой стандарт, основанный на технологиях сети Ethernet Network, которую фирма Xerox разработала и реализовала в 1975 году. В 1980 году фирмы DEC, Intel и Xerox совместно разработали и опубликовали стандарт Ethernet для сети, построенной на основе коаксиального кабеля, который был положен в основу стандарта IEEE 802.3. Стандарт

Ethernet

определяет

два

режима

передачи

данных:

полудуплексный и полнодуплексный. Полнодуплексный режим может быть реализован на 4-проводной витой паре, где одна пара проводов используется для передачи, другая - для приема, и на двухжильном оптоволокне, где один световод используется для передачи, а другой - для приема. Технология Ethernet специфицирует три скорости передачи информации: 10 Мбит/с (Ethernet), 100 Мбит/с (Fast Ethernet), 1000 Мбит/с (Gigabit Ethernet). В качестве проводной физической среды в сети Ethernet могут быть использованы коаксиальный кабель, витая пара, оптоволокно. В зависимости от этого существуют следующие спецификации: 1. Для скорости 10 Мбит/с: • 10BaseT. Используется кабель на основе неэкранированной витой пары UTP с топологией типа

«звезда» и максимально

допустимым расстоянием между центральным и оконечными узлами - не более 100 м; • 10BaseF. Используется оптоволоконный кабель с топологией типа «звезда» и существует несколько вариантов спецификации FOIRL, 10Base-FL, 10Base-FB;

81

• 10Base2. Используется «тонкий» коаксиальный кабель диаметром 0,25 дюйма с волновым сопротивлением - 50 Ом шинной топологией и максимально допустимой длиной сетевого сегмента - 185 метров без повторителей; • 10Base5.

Используется

«толстый»

коаксиальный

кабель

диаметром 0,5 дюйма с волновым сопротивлением - 50 Ом шинной топологией и максимально допустимой длиной сетевого сегмента - 500 метров без повторителей; 2. Для скорости 100 Мбит/с: • 100Base-TX.

Применяется

неэкранированной

витой

двухпарный

паре

UTP

кабель

категории

на

5,

или

кабель

на

экранированной витой паре STP типа 1; • 100Base-T4.

Применяется

четырехпарный

неэкранированной витой паре UTP категории 3 или 5; • 100Base-FX. Применяется многомодовый оптоволоконный кабель; 3. Для скорости 1000 Мбит/с: • 1000Base-LX. Используется одномодовый оптоволоконный кабель при длине сегмента до 5000 м и многомодовый оптоволоконный кабель при длине сегмента до 550 м и длинноволновые лазеры для кампусных магистралей; • 1000BaseSX. Используется многомодовый оптоволоконный кабель при длине сегмента до 500 м и коротковолновые лазеры

для

коротких магистралей;

82

• 1000BaseCX. Используется коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 150 Ом максимальной допустимой длины до 25 м для соединения сетевого оборудования в комнатах; • 1000BaseT. Используется четырехпарная неэкранированная витая пара 5 категории с максимально допустимой длиной сегмента до 100 м. Все виды стандартов Ethernet используют один и тот же метод разделения физической среды передачи данных - CSMA/CD. Рассмотрим основные этапы взаимодействия сетевых узлов по технологии Ethernet: 1.

Станция, которая хочет передать кадр данных, на канальном уровне

модели OSI упаковывает пакет данных сетевого уровня в соответствующий LLC-кадр; 2.

Для предотвращения коллизий сигналов разных станций, сетевой

адаптер «прослушивает» электромагнитные сигналы в физической среде и в случае обнаружения несущей частоты откладывает передачу своего кадра на случайный интервал времени. В противном случае начинает передачу своего кадра; 3.

После окончания передачи каждого кадра данных станция ждет

небольшую паузу, называемую межкадровым интервалом, что позволяет узлу назначения принять и обработать отосланный кадр, в случае необходимости отправить флаг подтверждения его приема или начать передачу своего кадра; 4.

В процессе передачи битовой последовательности кадра данных

сетевой адаптер каждого узла следит за передаваемыми по кабелю сигналами с целью обнаружения коллизии;

83

5.

Если сетевым адаптером узла фиксируются переходные процессы в

кабеле, т.е. происходит коллизия, то узел прекращает или откладывает передачу своего кадра на случайный интервал времени и посылает шумовую последовательность

сигналов,

называемую

jam-последовательностью,

усиливающую состояние коллизии за счет явления электромагнитного резонанса.

После

завершения

переходных

процессов

и

выдерживания

случайной паузы, станция повторно пытается передать свой кадр; 6.

В случае повторяющихся коллизий узел пытается 16 раз передать

кадр, а затем фиксирует ошибку передачи кадра, сообщение о которой передается

протоколу

верхнего

уровня.

При

этом

для

уменьшения

интенсивности коллизий, узел с каждой новой попыткой случайным образом увеличивает длительность паузы между попытками. Приведем краткую характеристику существующих стандартов. Общими особенностями протокола Ethernet являются следующие: 1. При скорости передачи 10 Мбит/с полезная производительность для кадров максимальной длины равна 9,74 Мб/с или 812 кадров/с, для кадров минимальной длины равна 5,48 Мб/с или 14880 кадров/с; 2. Максимальный размер поля данных кадра - 1500 байтов, минимальный размер поля данных кадра - 46 байтов; 3. Тип протокола передачи данных – дейтаграммный; 4. Методы и кадры самотестирования – отсутствуют; 5. Задержки доступа к среде резко возрастают при коэффициенте загрузки канала более 30%. Стандарт 10Base-5. Использует в качестве общей шины передачи данных коаксиальный кабель как моноканал для всех узлов. Сегмент кабеля

84

должен иметь на концах согласующие терминаторы сопротивлением 50 Ом, поглощающие распространяющиеся по кабелю сигналы и препятствующие возникновению отраженных сигналов. Допустимое количество станций в сети 1024. Максимальное количество станций, подключенных к одному сегменту 100. Максимальная длина одного сегмента - 500 м. Максимальное расстояние между двумя станциями - 2500 м. Максимальное количество повторителей между двумя любыми станциями - 4. Каждая оконечная станция подключается к кабелю при помощи трансивера. Трансивер питается от сетевого адаптера компьютера и может подсоединяться к кабелю методом прокалывания и бесконтактным методом. Трансивер

соединяется

с

сетевым

адаптером

интерфейсным

кабелем

(Attachment Unit Interface - AUI) с максимальной длиной кабеля между трансивером и сетевым адаптером - 50м. Стандарт

10Base-2.

Стандарт

10Base-2

использует

в

качестве

моноканала тонкий коаксиальный кабель, который прокладывается от компьютера к компьютеру. Сегмент также должен иметь на концах согласующие терминаторы - 50 Ом. Станции подключаются к кабелю с помощью T-образного разъема, который представляет собой тройник, один отвод которого соединяется с сетевым адаптером, а два других - с байонетными разъемами на концах разрыва кабеля. Допустимое количество станций в сети - 1024. Максимальное количество станций, подключенных к одному сегменту - 30. Максимальная длина одного сегмента - 185 м. Максимальная длина сети - 2500 м. Минимальное расстояние между узлами - 1 м. Трансиверы здесь объединены с сетевыми адаптерами. Реализация стандарта приводит к наиболее простому

85

решению для кабельной сети, так как для соединения компьютеров требуются только сетевые адаптеры и Т-разъемы. Недостатком технологии является то, что этот вид кабельных соединений подвержен авариям и сбоям, так как в моноканале

имеется

большое

количество

механических

соединений,

пользователи имеют доступ к разъемам и могут нарушить целостность кабельного сегмента. Другим недостатком является отсутствие оперативной информации о состоянии моноканала, т.е. повреждение кабеля обнаруживается сразу, но для поиска отказавшего отрезка кабеля необходим кабельный тестер. Стандарт 10Base-T. Стандарт использует в качестве среды двойную неэкранированную витую пару UTP. Соединения станций осуществляются по схеме

«точка

–

точка»

с

портами

специального

устройства

повторителя/концентратора с помощью двух витых пар. Одна витая пара используется для передачи данных от станции к порту повторителя, а другая для передачи данных от повторителя к станции. Наиболее распространен в технологии 8-жильный кабель, состоящий из четырех витых пар. Сетевой узел подключается к порту повторителя с помощью сегмента кабеля длиной не более 100 м на концах которого устанавливаются восьмиконтактные разъемы RJ-45. Концентратор повторяет, приходящий от станции кадр, на всех отрезках витых пар, подключенных к его портам, так что образуется единая среда передачи данных - моноканал. Коллизия в сегменте возникает в случае одновременной передачи сигналов по нескольким входам концентратора. Допустимое количество станций в сети - 1024. Максимальное количество станций, подключенных к одному концентратору - 1024. Максимальная длина сети - 2500 м.

86

Сети, построенные на основе данного стандарта, обладают таким преимуществом, которое связано с разделением общего физического кабеля на отдельные отрезки, подключенные к концентратору. Такое физическое разделение позволяет контролировать их состояние и отключать в случае обрыва, короткого замыкания или неисправности сетевого адаптера. Стандарт 10Base-F. Стандарт использует в качестве среды передачи данных оптоволокно. Функционально сеть 10Base-F состоит из тех же элементов, что и сеть 10Base-T - сетевых адаптеров, многопортового концентратора/повторителя и отрезков кабеля, соединяющих каждый адаптер с портом повторителя. Для соединения адаптера с повторителем и реализации дуплексного режима используется два оптоволокна - одно соединяет выход адаптера со входом повторителя, а другое - вход адаптера с выходом повторителя. Допустимое количество станций в сети - 1024. Максимальное количество станций, подключенных к одному концентратору также - 1024. Существует ряд вариантов реализации стандарта. Вариант FOIRL (Fiber Optic Inter-Repeater Link) - это первый стандарт комитета 802.3 для оптоволокна в сетях Ethernet. Он гарантирует длину оптоволоконной связи между повторителями до 1 км при общей длине сети не более 2500 м. Максимальное число повторителей - 4. Вариант 10Base-FL предназначен для соединения оконечных узлов с концентратором и работает с сегментами оптоволокна длиной не более 2000 м при общей длине сети не более 2500 м. Максимальное число повторителей - 4. Вариант 10Base-FB предназначен для магистрального соединения повторителей. Он позволяет иметь в сети до 5 повторителей при максимальной длине одного сегмента 2000 м и максимальной длине сети 2740 м. Повторители,

87

соединенные

по

стандарту

10Base-FB

обмениваются

специальными

последовательностями сигналов для обнаружения отказов своих портов. Концентраторы могут поддерживать резервные связи, переходя на резервный порт при обнаружении отказа основного. Концентраторы этого стандарта передают как данные, так и сигналы простоя линии синхронно, поэтому вариант 10Base-FB часто называют - синхронный Ethernet. Fast Ethernet. Технология является развитием технологии Ethernet в сторону увеличения скорости передачи. Стандарт принят комитетом IEEE 802.3 в 1995 году. Основные отличия в технологии реализуются на физическом уровне. Общими особенностями технологии Fast Ethernet являются: 1. Увеличение пропускной способности сегментов сети до 100 Мб/c; 2. Сохранение метода случайного доступа CSMA/CD; 3. Cохранение звездообразной топологии сетей; 4. Поддержка таких сред передачи данных как оптоволокно (вариант 100Base-FX), двухпарная витая пара категории 5 (вариант 100Base-TX) и четырехпарная витая пара категории 3 или 5 (вариант 100Base-T4). В подуровни LLC стандарта Fast Ethernet существует расширение формата кадра LLC, называемое протокол доступа к подсетям (Subnetwork Access Protocol - SNAP). В остальном форматы кадров Fast Ethernet не отличаются от кадров Ethernet 10Мбит/с. Однако время передачи кадров Fast Ethernet в 10 раз меньше времени передачи кадров в технологии Ethernet 10Мбит/с. Это достигается за счет того, что межбитовый интервал в битовой последовательности составляет 10 нс вместо 100 нс, а межкадровый интервал 0.96 мкс вместо 9.6 мкс соответственно.

88

Различные варианты физического уровня в технологии Fast Ethernet отличаются не только типом кабеля и электрическими параметрами импульсов, но и способом кодирования сигналов и количеством используемых в кабеле проводников. Поэтому физический уровень по данному стандарту разделяется на два подуровня. Для обеспечения независимости МАС подуровня от способа кодирования сигнала,

верхнюю

часть

физического

уровня

составляет

подуровень

согласования (Reconciliation Sublayer - RS), который преобразует сообщения МАС подуровня в конкретный физический код - последовательность полубайтов. На выходе подуровня согласования образуется независимый от среды интерфейс (Media Independent Interface - MII), который можно считать аналогом интерфейса AUI стандарта Ethernet. Далее расположен подуровень, зависящий

от

конкретной

реализации

физической

среды.

Устройство

физического уровня (PHY) обеспечивает кодирование данных, поступающих от MAC-подуровня синхронизацию

для

передачи

передаваемых

их

по

по кабелю

кабелю

определенного

типа,

данных, а также прием и

декодирование данных в узле-приемнике. Интерфейс MII может использоваться не только для связи подуровней PHY и MAC, но и для соединения устройств подуровня PHY с микросхемой повторения сигналов в повторителеконцентраторе. Для вариантов стандарта 100Base-T4 и 100Base-TX имеются следующие ограничения на конфигурацию сети. Максимально допустимая длина сети - 210 м. Допускается использование не более двух концентраторов-повторителей, расстояние между которыми не должно превышать 10 м, Максимальное расстояние между концентратором и станциями - 100 м. Вариант стандарта

89

100Base-FX

использует

концентратором.

два

оптоволокна

Максимальное

для

расстояние

от

соединения конечной

станции станции

с до

концентратора при этом увеличивается до 185 м. Поскольку узлы сети по стандарту работают в полнодуплексном режиме, то здесь отсутствует понятие коллизий, так как каждый узел одновременно передает и принимает кадры данных по двум каналам. При полнодуплексной работе стандарты 100Base-TX и 100Base-FX могут обеспечить скорость обмена данными между узлами до 200 Мб/с. Спецификация T4 была разработана для того, чтобы можно было использовать для работы сети Fast Ethernet существующую проводку на витой паре категории 3. По данному стандарту используется все 4 пары кабеля для того, чтобы можно было повысить общую пропускную способность за счет одновременной параллельной передачи потоков бит по нескольким каналам. Gigabit Ethernet. Развитием технологии Fast Ethernet стала разработка стандарта Gigabit Ethernet (IEEE-802.32). Первый проект стандарта был принят в 1997 года. Он предусматривает скорость обмена информацией между станциями сети до 1 Гбит/с. Сетевые устройства данного стандарта предназначены для объединения сегментов сетей Fast Ethernet 100 Мбит/с. В состав оборудования входят сетевые адаптеры со скоростью 1 Гбит/с, коммутаторы и маршрутизаторы. Сети Gigabit Ethernet совместимы с сетевой инфраструктурой Ethernet и Fast Ethernet, но функционируют со скоростью в 10 раз быстрее Fast Ethernet. Увеличение пропускной способности позволяет устранять «узкие места» сети, которые возникают при работе прикладных программ, требующих большого увеличения трафика, например, при передаче мультимедийной информации в

90

реальном времени. Gigabit Ethernet предоставляет способ перевода рабочих групп Ethernet и Fast Ethernet на новую высокоскоростную технологию, который оказывает минимальное влияние на их деятельность и позволяет достичь более высокой производительности. В сети Gigabit Ethernet используется управление трафиком,

контроль

перегрузок и обеспечение качества обслуживания. При этом метод доступа к среде в основном остается прежним - CSMA/CD. В связи с ограничениями, накладываемыми методом CSMA/CD на длину кабеля, Gigabit Ethernet допускает длину связей до 25 метров для физической среды на витой паре. Максимально допустимое расстояние между оконечным узлом и коммутатором для физической среды на оптоволокне - 500 метров для многомодового оптоволокна и 2 км для одномодового.

5.5 Стандарт сетей с маркерной шиной Стандарт IEEE 802.4 описывает свойства сетей, известных под названием «маркерная шина». В качестве физической среды здесь используется широкополосный коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 75 Ом. При создании иерархической структуры сети, а также для увеличения ее длины используются

повторители.

Такая

сеть

была

способна

обеспечивать

пропускную способность до 10 Мбит/с с полосой пропускания кабеля - 12 МГц. Метод доступа в стандарте исключает коллизии, так как для доступа к сетевой среде станция должна получить специальный кадр-маркер, который может быть только один. Получив маркер, сетевое устройство начинает передачу данных, а по ее завершении передает маркер следующей станции. Передача маркера

91

происходит до тех пор, пока он не достигнет младшей станции согласно разряду сетевых адресов, после чего он возвращается первой станции. Станции получают доступ к шине в результате процедуры соревнования, которая называется «окно откликов». «Окно откликов» представляет собой временной интервал, равный по длительности времени распространения сигнала по шине или одному системному такту. Это время отсчитывается от момента окончания передачи станцией кадра-маркера. В течение этого времени станция-инициатор ожидает отклика от других станций. Любая станция сети, будучи владельцем маркера, может запустить этот процесс с помощью посылки кадра «поиска станции». Данный кадр содержит «окно откликов». После передачи кадра станция ждет ответа в течение одного системного такта. Если ответа нет, маркер передается следующей станции в направлении убывания адресов сетевых узлов. Если же получен один ответ, то инициализируется подключение станции-приемника с помощью кадра «установки приемника». При получении нескольких откликов возникает конфликт за право доступа к шине, и запускается процедура соревнования, в результате которой только одна станция с большим сетевым адресом может получить доступ. В случае потери маркера запускается процедура инициализации сети, как правило, со станции, имеющей старший адрес. Вследствие низкой производительности и сложного алгоритма

доступа

сети

данного

стандарта

не

получили

большого

распространения.

92

5.6 Стандарт сетей с маркерным кольцом Сети стандарта с маркерным

кольцом (Token Ring) используют

разделяемую среду передачи данных, которая состоит из отрезков кабеля, соединяющих все станции сети в кольцо. Кольцо рассматривается как общий ресурс, и для доступа к нему используется алгоритм, основанный на передаче станциями права на использование кольца с помощью кадра специального формата, называемого маркером или токеном. Стандарт Token Ring был принят в 1985 году. В качестве передающей среды применялась неэкранированная или экранированная

витая

пара,

оптоволокно.

Основные

характеристиками

стандарта являются следующие: 1. Скорость передачи данных - 4 Мбит/с или 16 Мбит/с; 2. Максимальный размер поля данных кадра - 16 Кбайт; 3. Минимальный размер поля данных кадра - 0 байт; 4. Полезная производительность для кадров максимальной дайны около 15 Мб/с; 5. Тип протокола - дейтаграммный с подтверждением доставки; 6. Применяются методы и кадры самотестирования; 7. Возможна приоритетная обработка трафика. 8. Задержки доступа к среде резко возрастают при коэффициенте загрузки канала более 60% для скорости 4 Мбит/с, и более 80% для скорости 16 Мбит/с. По

стандарту

Token

Ring

станции

объединяются

в

кольцу

непосредственно или с помощью концентраторов. В сети применяются два типа концентраторов:

активные

и

пассивные.

Пассивные

концентраторы

93

обеспечивают только соединения портов внутри концентратора в кольцо, а активные выполняют еще и функции повторителя. Естественно, что активные концентраторы поддерживают большие расстояния до станции, чем пассивные. Концентраторы обычно соединены в кольцо, так называемыми магистральными связями. Для предотвращения влияния отказавшей или отключенной станции на работу кольца, оконечные сетевые узлы подключаются к магистрали кольца через специальные устройства подключения к магистрали. В функции такого устройства входит образование обходного пути при отключении или отказе станции сети. При подключении оконечной станции в кольцо через концентратор, такие устройства встраивают в порты концентратора. В данном стандарте существует три формата кадров: 1. Маркерный кадр; 2. Кадр данных; 3. Последовательность прерывания. Кадр маркера состоит из трех однобайтовых полей; поле начального ограничителя, состоящее серии электрических импульсов, отличных от импульсов, которыми кодируются данные; поле контроля доступа; поле конечного ограничителя. Кадр данных состоит из следующих полей: поле начала кадра; адрес получателя; адрес отправителя; данные; поле контроля кадра; поле конца кадра. Кадр данных может переносить как данные для управления кольцом, так и пользовательские данные.

94

5.7 Стандарт технологии 100VG-AnyLAN В качестве альтернативы технологии Fast Ethernet компаниями AT&T и HP была разработана технология со скоростью передачи данных 100 Мб/с 100Base-VG. В данном стандарте был усовершенствован метод доступа для работы мультимедийных приложений, а также реализована поддержка кадров не только формата Ethernet, но и формата Token Ring. В результате новая технология получила название 100VG-AnyLAN, то есть технология для любых сетей и в 1995 году получила статус стандарта IEEE 802.12. Cтандарт IEEE-802.12 поддерживает три типа кадров передачи данных: кадры Ethernet (IEEE 802.3), кадры Token Ring (IEEE 802.5) и кадры тестирования

соединений

(IEEE

802.3).

Однко

стандарт

ограничивает

допустимую организацию сетей и запрещает использование различных форматов кадров в рамках одного сегмента сети. Топология сети 100VG-AnyLAN предусматривает наличие центрального коммутатора/концентратора, называемого корневым, а также оконечных узлов и концентраторов, соединенных с ним. Каждый концентратор в сети может быть настроен либо на работу с кадрами Ethernet, либо Token Ring. Для построения гетерогенных сетей и соединения сегментов сетей 100VG-AnyLAN, использующих разные форматы кадров нужен мост, коммутатор или маршрутизатор. Каждый концентратор в иерархии имеет один «восходящий» порт и N «нисходящих» портов. Восходящий порт работает как порт узла, но он зарезервирован для присоединения в качестве узла к концентратору более высокого уровня. Нисходящие порты служат для присоединения узлов, в том

95

числе и концентраторов нижнего уровня. Узел представляет собой компьютер или коммуникационное устройство - мост, коммутатор, маршрутизатор или концентратор. Концентраторы, подключаемые как узлы, соответственно называются концентраторами 2-го и 3-го уровней. Всего разрешается образовывать до трех уровней иерархии концентраторов. Технология 100VG-AnyLAN поддерживает следующие типы физической среды: • 4-парную неэкранированную витую пару; • 2-парную неэкранированную витую пару; • 2-парную экранированную витую пару; • одномодовый или многомодовый оптоволоконный кабель. В стандарте поддерживается одновременная передача данных по четырем неэкранированным витым парам (категории 3, 4, 5) со скоростью 25 Мб/с, что в сумме дает 100 Мб/с. Структура стека протоколов технологии 100VG-AnyLAN состоит из: • MAC подуровня доступа к среде; • Подуровня, независящего от физической среды (Physical Media Independent - PMI); • Подуровня, зависящего

от физической

среды (Physical Media

Dependent - PMD). Функции подуровня МАС включают реализацию протокола доступа с приоритетными запросами Demand Priority, осуществление подготовки линии связи и формирования кадра соответствующего формата. Метод доступа Demand Priority основан на передаче концентратору функций арбитра, решающего проблему доступа к разделяемой среде. Метод повышает

96

коэффициент использования пропускной способности сети за счет введения детерминированного метода разделения общей среды, использующего два уровня приоритетов: низкий - для обычных приложений и высокий - для мультимедийных. Важная особенность метода Demand Priority - сохранение форматов кадров Ethernet и Token Ring. Большого распространения технология 100VG-AnyLAN не получила, хотя пользователям сетей Token Ring она позволяет в 25 раз увеличить производительность сети, а из-за изменения метода доступа, эффективная пропускная способность сети 100VG-AnyLAN примерно в 1,5 раза выше пропускной способности сети Fast Ethernet.

5.8 Стандарт FDDI Стандарт FDDI (Fiber Distributed Data Interface) определяет технологию построения локальных сетей, на базе оптоволоконного кабеля, которая основывается на технологии Token Ring. Стандарт FDDI, разработанный группой ХЗТ9.5 института ANSI обеспечивает передачу кадров по двойному волоконно-оптического кольцу. Протокол специально разрабатывался по аналогии со стандартами Token Ring и IEEE 802,5 и отличается от них теми особенностями, которые необходимы для поддержки большей скорости и больших расстояний. Основными характеристиками протокола FDDI являются: 1. Максимальная скорость передачи данных - 100 Мбит/с; 2. Максимальный размер кадра - 4 Кбайт; 3. Высокая отказоустойчивость; 4. Собственный протокол управления кольцом;

97

5. Максимальные расстояния между станциями: до 2 км с многомодовым оптоволоконным кабелем, до 60 км с одномодовым оптоволоконным кабелем; до 100 м с неэкранированной витой парой категории 5; 6. Максимальная длина кольца FDDI составляет 100 километров; 7. Максимальное число станций в кольце – 500. Сеть FDDI строится на основе двух оптоволоконных колец, которые образуют основной и резервный пути передачи данных между узлами сети. Использование двух колец - это способ повышения отказоустойчивости. В нормальном режиме работы сети данные проходят через узлы и участки кабеля первичного кольца, и этот режим называется «сквозным». Вторичное кольцо в этом режиме не используется. В случае отказа первичного кольца, оно объединяется со вторичным, образуя единое кольцо. Этот режим работы сети называется «свертыванием» колец. Операция свертывания производится концентраторами и/или сетевыми адаптерами FDDI. Для упрощения этой процедуры, данные по первичному кольцу всегда передаются против часовой стрелки, а по вторичному - по часовой. Оба кольца рассматриваются как общая разделяемая среда передачи данных, для которой определен специальный метод доступа маркерного кольца. Алгоритм управления доступом к сети основан на таймерных интервалах. В стандарте FDDI различаются асинхронные и синхронные кадры (например, кадры видеопотока), которые должны передаваться в строго фиксированные интервалы времени. Каждая станция кольца учитывает три таймерных интервала: • Интервал между двумя последовательными приходами маркера; • Фиксированный интервал, о котором станции договорились при

98

инсталляции; • Время удержания маркера, в течение которого станция может передавать свои кадры. Структура кадра данных сети FDDI соответствует структуре кадра данных сети Token Ring, а структура маркера FDDI значительно отличается. Физический уровень в протоколе разделен на два подуровня: независимый от среды подуровень (Physical - PHY), и зависящий от среды подуровень (Physical Media Dependent - PMD). Работу всех подуровней контролирует протокол управления станцией (Station Management - SMT). Уровень PHY выполняет кодирование

и

декодирование

подуровнем

и

уровнем

данных,

PMD,

а

циркулирующих

также

обеспечивает

между

MAC-

тактирование

информационных сигналов. Канальный подуровень MAC ответственен за управление доступом к сети, а также за прием и обработку кадров данных. Протокол SMT выполняет функции по управлению и мониторингу всех уровней стека протоколов FDDI. Все узлы обмениваются специальными кадрами SMT для управления сетью. Для подключения сетевых устройств к кольцу используются оптические обходные

переключатели

(Optical

Bypass

Switch),

которые

позволяют

закоротить входные и выходные оптические волокна и обойти станцию в случае ее выключения. Оптический переключатель питается от станции и состоит из отражающих зеркал или подвижного оптоволокна. Основной вид кабеля для стандарта Fiber PMD - многомодовый кабель с диаметром сердечника - 62.5 мкм, диаметром отражающей оболочки - 125 мкм и полосой пропускания частот не хуже 500 МГц на км. Кроме основного вида кабеля, допускается использование многомодовых кабелей с диаметром

99

сердечника в 50 мкм, 85 мкм и 100 мкм. Подключение к сети FDDI производится

через

фотооптические

трансиверы,

которые

преобразуют

оптический сигнал в электрический. В качестве физического интерфейса стандарт определяет оптические разъемы MIC (Media Interface Connector), которые обеспечивают подключение 2-х волокон кабеля через вилку MIC к 2-м волокнам розетки MIC порта станции. В качестве источника света допускается использование светодиодов или лазерных диодов с длиной волны – 1,3 мкм. Также применяется одномодовый кабель (Single Mode Fiber - SMF) и разъемы SMF-MIC для этого кабеля. В этом случае дальность физического соединения между соседними узлами может увеличиться до 40 - 60 км, в зависимости от качества кабеля, разъемов и соединений. При выборе типа кабеля следует иметь в виду, что ослабление сигнала более чем на 11дБ не допустимо, так как число ошибок при передаче данных становится слишком велико. Это ограничение ставит предел на максимальную длину многомодового кабеля до 2 км, когда ослабление достигает 10,5 дБ. При выборе оптических разъемов следует учитывать, что разъем не должен вносить ослабление более 2 дБ. Даже сварка волокон при качественном исполнении должна вносить ослабление сигнала не более 0,3 дБ. Обходные оптические переключатели также вносят ослабление около 3 дБ, поэтому при их использовании предельное расстояние между узлами сокращается вдвое. При прокладке оптического кабеля не допускаются малые радиусы изгибов, которые увеличивают потери света. Концентраторы, используемые в стандарте FDDI, позволяют подключить к стандартному кольцу шинные и звездообразные сетевые сегменты, создавая иерархические кабельные структуры, что предопределило использование

100

технологии при создании структурированной кабельной системы зданий и кампусов. Концентраторы повышают надежность сети, так как не вынуждают сеть при отключении отдельного узла переходить в аварийный режим обхода, а также снижают стоимость подключения к кольцу.

5.9 Стандарт Fibre Channel Современные

требования

к

скорости

передачи

данных

телекоммуникационных каналов локальных сетей лежат в диапазоне от 100 до 1000 Мбит/с. Скоростные сети Fast Ethernet и FDDI соответствуют этим требованиям на пределе. Поэтому группой ANSI был разработан стандарт Fibre Channel, который сегодня конкурирует с технологиями Ethernet. Стандарт Fibre Channel имеет собственную систему физического интерфейса и форматы кадров, которые позволяют ему обеспечить стыковку с сетевыми протоколами IP и канальными стандартов IEEE 802.2. Быстродействие сетей Fibre Channel составляет n*100 Мбит/с, где n – число каналов, при длинах каждого канала более 10 км. Теоретически возможная сигнальная скорость передачи составляет - 4,25 гигабод. В качестве транспортной среды используется одномодовое или многоимодовое оптическое волокно, а также для скоростей до 200 Мбит/с допускается применение медного коаксиального кабеля и витых пар 5 категории. Fibre Channel имеет шесть схем обмена информацией в сети: 1.

Схема 1. Осуществляется соединение с коммутацией каналов по

схеме точка-точка для аудио- и видео- приложений. После установления

101

соединения используется вся доступная полоса пропускания канала и гарантируется, что кадры будут получены в порядке отправления. 2.

Схема 2. Производится обмен данными без установления соединения

с коммутацией пакетов, гарантирующий доставку данных. Порт передатчика может взаимодействовать с любым числом портов, получая и передавая кадры. Однако здесь нет гарантии доставки кадров в том же порядке, в каком они были переданы. 3.

Схема 3. Производится обмен дейтограммами без установления

соединения и без гарантии доставки. 4.

Схема

4.

Обеспечивается

выделение

фиксированной

доли

пропускной способности канала с заданным значением качества обслуживания. Схема работает только с двухпортовыми соединениями, где формируется два виртуальных

соединения,

обслуживающих

встречные

потоки

данных.

Пропускная способность соединений может быть различной. 5.

Схема 5. Реализуется синхронный сетов передачи данных.

6.

Схема

6.

Предусматривается

множественное

обслуживание

абонентов (мультикастинг-обслуживание). Протокол Fibre Channel предусматривает 5 уровней взаимодействия, которые определяют физическую среду, скорость передачи, схему кодирования, формат кадров, схему управления потоком и т.д.: 1. Уровень FC-0 определяет физические характеристики интерфейса и среды, включая кабели, разъемы, драйверы, светодиоды и лазеры, передатчики и приемники; 2. Уровень FC-1 определяет метод кодирования/декодирования и протокол передачи;

102

3. Уровень FC-2 определяет правила сигнального протокола, классы услуг, топологию, методику сегментации, задает формат кадра и описывает передачу информационных кадров; 4. Уровень FC-3 определяет работу нескольких портов на одном узле и обеспечивает общие виды сервиса; 5. Уровень FC-4 обеспечивает реализацию набора прикладных команд и протоколов вышележащего уровня. При передаче данных в Fibre Channel используются кадры переменной длины до 2148 байт, содержащие до 2112 байт данных. Такая полезная длина кадра снижает издержки по пересылки служебной информации до 2%. Идентификация кадров предусматривает использование 24-битовых адресов, что позволяет адресовать до 16 миллионов сетевых объектов. Стандарт Fibre Channel допускает сетевые соединения типа «точка-точка» и создание структуры «арбитражного кольца». Кольцевая архитектура с подключением до 128 узлов обеспечивает самое дешевое подключение. Отличием от стандартов Token Ring и FDDI является отсутствие маркерной схемы доступа к среде. Здесь используется, так называемый «арбитражный» метод

доступа, который является разновидностью метода доступа с

приоритетами. Система арбитража допускает обмен только между двумя узлами одновременно. Когда станция сети готова передать данные, она передает сигнал-запрос с собственным сетевым адресом в арбитражном кольце. Если станция получит свой запрос обратно, то это означает, что кольцо свободно, станция забирает контроль над кольцом и начинает передачу своих кадров.

Для

этого

станция-инициатор

передачи

посылает

запрос

на

установление связи с другой станцией-приемником и, получив ответ,

103

устанавливает виртуальный канал передачи данных. При этом время удержания контроля над кольцом не ограничивается. Если же контроль над кольцом одновременно пытаются захватить две станции, то сравниваются значения приоритетов в запросах и узел с соответствующим значением приоритета имеет преимущественное право доступа к кольцу. Перед использованием кольца и каждый раз при подключении нового узла, кольцо нужно инициализировать, так чтобы каждый порт получил свой физический адрес.

Вопросы для самоконтроля по главе 5 1. Дайте определение локальной вычислительной сети. 2. Дайте определения основных сетевых терминов: узел сети, кабельный сегмент, сетевой сегмент, логическая сеть. 3. В чем основные преимущества локальной вычислительной сети? 4. По

каким

признакам

могут

классифицироваться

локальные

вычислительные сети? 5. В чем основные отличия одноранговых и иерархических сетей? 6. Перечислите и охарактеризуйте основные топологические схемы локальных сетей. 7. Что понимается под протоколом локальной сети? 8. Перечислите и охарактеризуйте основные стандарты, разработанные комитетом IEEE 802. 9. Дайте краткую характеристику подуровней канального уровня в стандартах IEEE 802. 10. Опишите кадры подуровня LLC. 11. Приведите классификацию стандартов технологии Ethernet.

104

12. Какие

типы

физической

среды

передачи

данных

могут

использоваться в стандартах Ethernet? 13. Опишите основные принципы работы технологии Ethernet. 14. В чем заключаются отличия технологий Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet? 15. Опишите особенности и преимущества технологии Gigabit Ethernet. 16. Перечислите основные характеристики сетей, построенных на основе стандарта IEEE 802.4 – маркерная шина. 17. Перечислите основные характеристики сетей, построенных на основе маркерного кольца Token Ring. 18. Охарактеризуйте технологию 100VG-AnyLAN? 19. Перечислите основные характеристики протокола FDDI. 20. Опишите структуру и принцип работы сети на базе протокола FDDI. 21. В чем заключаются преимущества использования стандарта Fibre Channel? 22. Перечислите схемы обмена информацией в стандарте Fibre Channel и опишите формат кадра данных.

105

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ а) Основная литература 1. Протоколы информационно-вычислительных сетей. Справочник. Под ред. И. А. Мизина и А. П. Кулешова, Радио и связь, Москва, 1990. 2. Локальные вычислительные сети. Справочник. Под ред. С.В.Назарова. М.: Финансы и статистика, 1994. 3. Бождай А.С., Финогеев А.Г. Сетевые технологии. Электронное учебное пособие, 2004. 4. Борисов М. Новые стандарты высокоскоростных сетей // Открытые системы. 1994. вып.3. С. 20-31. 5. Гауэр Дж. Оптические системы связи. – Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1989. 7. Нанс Б. Компьютерные сети. - Пер с англ. - М.: Бином, 1995. 8. Стерлинг Д. Волоконная оптика. Техническое руководство. – Пер. с англ. - Изд. ОРИ, Москва, 1998. 9. Фролов

А.В.,

Фролов

Г.В.

Локальные

сети

персональных

компьютеров. Использование протоколов IPX, SPX, NETBIOS. - М.: Диалог-МИФИ, 1993. 10. Хендерсон Л., Дженкинс Т. Frame Relay межсетевые взаимодействия. – Пер. с англ. - М.: "Горячая линия - Телеком", 2000. 11. Чаппелл Л., Хейкс Д. Анализатор локальных сетей NetWare (Руководство Novell). – Пер. с англ. – М.: Изд. ОРИ, 1995. 12. Шапиро Дж., Бойс Дж. Windows 2000 Server. Библия пользователя. – Пер. с англ. – М.: «Диалектика» - 2001. 13. Шатт С. Мир компьютерных сетей. - Пер. с англ. - Киев: BHV, 1996.

106

б) Дополнительная литература и сетевые ресурсы 14. Введение

в

IP-сети.

Информационно-аналитические

материалы,

http://www.citforum.ru/nets/ip/contents.shtml 15. Высокоскоростные технологии ЛВС. Информационно-аналитические материалы, http://www.citforum.ru/nets/lvs/contents.shtml 16. Карпов Г. Кабельные системы локальных вычислительных сетей, http://www.citforum.ru/nets/articles/cable.shtml 17. Классификация

коммутаторов,

Сервер

BiLim

Systems

Ltd.,

http://www.citforum.ru/nets/articles/commutator_class.shtml 18. Локальные сети на основе коммутаторов. Информационно-аналитические материалы, http://www.citforum.ru/nets/lsok/contents.shtml 19. Модель

OSI.

Сервер

BiLiM

Systems

Ltd.,

http://www.citforum.ru/nets/switche/osi.shtml 20. Олифер Н.А., Олифер В.Г. Средства анализа и оптимизации локальных сетей, http://www.citforum.ru/nets/optimize/index.shtml 21. Олифер Н.А., Олифер В.Г. Базовые технологии локальных сетей, http://www.citforum.ru/nets/protocols2/index.shtml 22. Олифер Н.А., Олифер В.Г. Роль коммуникационных протоколов и функциональное

назначение

основных

типов

оборудования

корпоративных сетей, http://www.citforum.ru/nets/protocols/index.shtml 23. Основы

сетевых

технологий.

Сервер

BiLiM

Systems

Ltd.,

http://www.citforum.ru/nets/ethernet/ost.shtml 24. Семенов

Ю.А.

Телекоммуникационные

технологии,

http://www.citforum.ru/nets/semenov/

107

25. Спирин А. А. Введение в технику волоконно-оптических сетей, http://www.citforum.ru/nets/optic/optic1.shtml 26. Что это такое - коммутатор или маршрутизатор?, Сервер BiLiM Systems Ltd. , http://www.citforum.ru/nets/ethernet/com_rout.shtml

108