Сетевые технологии

   В настоящее  время наиболее популярными стандартами  локальных сетей являются Ethernet, Token Ring, FDDI. Дадим им сравнительную характеристику.

   Ethernet - это самый распространенный на сегодняшний день стандарт локальных сетей. Когда говорят Ethernet, то под этим обычно понимают любой из вариантов этой технологии. В более узком смысле Ethernet - это сетевой стандарт, основанный на экспериментальной 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 версии II для сети, построенной на основе коаксиального кабеля, который стал последней версией фирменного стандарта Ethernet. Поэтому фирменную версию стандарта Ethernet называют стандартом Ethernet DIX или Ethernet II. В 1995 году был принят стандарт Fast Ethernet, который во многом не является самостоятельным стандартом, о чем говорит и тот факт, что его описание просто является дополнительным разделом к основному стандарту 802.3. Для передачи двоичной информации по кабелю для всех вариантов физического уровня технологии Ethernet, обеспечивающих пропускную способность 10 Мбит/с, используется манчестерский код. Физические спецификации технологии Ethernet на сегодняшний день включают следующие среды передачи данных:

   10Base5 – коаксиальный кабель диаметром 0,5 дюйма, называемый «толстым» коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента – 500 метров (без повторителей).

   10Base-2 – коаксиальный кабель диаметром 0.25 дюйма, называемый «тонким» коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента – 185 метров (без  повторителей).

   10Base-T – кабель на основе неэкранированной витой пары (Unshielded Twisted Pair, UTP). Образует звездообразную топологию с концентратором. Расстояние между концентратором и конечным узлом – не более 100 м.

   10Base-F – оптоволоконный кабель. Топология аналогична стандарту на витой паре. Имеется несколько вариантов этой спецификации – FOIRL, 10Base-FL, 10Base-FB.                        

   Число 10 означает битовую скорость передачи данных этих стандартов – 10 Мб/с, а слово  Base – метод передачи на одной базовой частоте 10 МГц.                                                       

   Сети  стандарта Token Ring, также как и сети Ethernet, используют разделяемую среду передачи данных, которая состоит из обрезков кабеля, соединяющих все станции сети в кольцо. Кольцо рассматривается как общий разделяемый ресурс, и для доступа к нему используется не случайный алгоритм, как в сетях Ethernet, а детерминированный, основанный на передаче станциями права на использование кольца в определенном порядке. Право на использование кольца передается с помощью кадра специального формата, называемого маркером или токеном. Сети Token Ring работают с двумя битовыми скоростями - 4 Мб/с и 16 Мб/с. Первая скорость определена в стандарте 802.5, а вторая является новым стандартом де-факто, появившимся в результате развития технологии Token Ring. Смешение станций, работающих на различных скоростях, в одном кольце не допускается. Сети Token Ring, работающие со скоростью 16 Мб/с, имеют и некоторые усовершенствования в алгоритме доступа по сравнению со стандартом 4 Мб/с.

   Технология  FDDI во многом основывается на технологии Token Ring, развивая и совершенствуя её основные идеи. Сеть FDDI строится на основе двух оптоволоконных колец, которые образуют основной и резервный пути передачи данных между узлами сети. Использование двух колец - это основной способ повышения отказоустойчивости в сети FDDI, и узлы, которые хотят им воспользоваться, должны быть подключены к обоим кольцам. В нормальном режиме работы сети данные проходят через все узлы и все участки кабеля первичного (Primary) кольца, поэтому этот режим назван режимом Thru - "сквозным" или "транзитным". Вторичное кольцо (Secondary) в этом режиме не используется. В случае какого-либо вида отказа, когда часть первичного кольца не может передавать данные (например, обрыв кабеля или отказ узла), первичное кольцо объединяется со вторичным, образуя вновь единое кольцо. Этот режим работы сети называется Wrap, то есть "свертывание" или "сворачивание" колец. Операция свертывания производится силами концентраторов и/или сетевых адаптеров FDDI. Для упрощения этой процедуры данные по первичному кольцу всегда передаются против часовой стрелки, а по вторичному - по часовой. Поэтому при образовании общего кольца из двух колец передатчики станций по-прежнему остаются подключёнными к приемникам соседних станций, что позволяет правильно передавать и принимать информацию соседними станциями.

  Результаты сравнения вышеназванных технологий представлены в таблице 1.

  Для проектируемой сети предварительно была выбрана технология Fast Ethernet, так как она полностью соответствует целям технического задания. Как уже было отмечено, технология Fast Ethernet является эволюционным развитием классической технологии Ethernet. Она сохранила метод доступа CSMA/CD. Также она использует скорость обмена информацией, равную 100 Мб/с. Таким образом, технология Fast Ethernet обеспечивает преемственность и согласованность сетей 10Base-T и 100Base-T, что немаловажно. Отличия Fast Ethernet от Ethernet сосредоточены на физическом уровне. Более сложная структура физического уровня технологии Fast Ethernet вызвана тем, что в ней используется три варианта кабельных систем - оптоволокно, 2-х парная витая пара категории 5 и 4-х парная витая пара категории 3, причем по сравнению с вариантами физической реализации Ethernet (а их насчитывается шесть), здесь отличия каждого варианта от других глубже - меняется и количество проводников, и методы кодирования. А так как физические варианты Fast Ethernet создавались одновременно, а не эволюционно, как для сетей Ethernet, то имелась возможность детально определить те подуровни физического уровня, которые не изменяются от варианта к варианту, и остальные подуровни, специфические для каждого варианта. Основными достоинствами технологии Fast Ethernet являются:

• увеличение пропускной способности сегментов сети до 100 Мб/c;
• сохранение метода случайного доступа Ethernet;
• сохранение звездообразной топологии сетей и поддержка традиционных сред передачи данных - витой пары и оптоволоконного кабеля.

  Указанные свойства позволяют осуществлять переход от сетей 10Base-T к скоростным сетям, сохраняющим значительную преемственность с хорошо знакомой технологией: Fast Ethernet не требует коренного переобучения персонала и замены оборудования во всех узлах сети.

  Официальный стандарт 100Base-T (802.3u) установил три  различных спецификации для физического  уровня (в терминах семиуровневой  модели OSI) для поддержки следующих типов кабельных систем:

• 100Base-TX для двухпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 5, или экранированной витой паре STP Type 1;
• 100Base-T4 для четырехпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 3, 4 или 5;
• 100Base-FX для многомодового оптоволоконного кабеля.

  Наиболее  подходящей для проектируемой сети спецификацией видится 100Base-FX/TX, а в качестве топологии – древовидная.   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                                                                                    Таблица 1

    В качестве базовой технологии окончательно была выбрана Fast Ethernet. В качестве спецификации - 100 Base-FX/TX.

  Спецификация 100Base-FX (многомодовое оптоволокно, два волокна) определяет работу протокола Fast Ethernet по многомодовому оптоволокну в полудуплексном и полнодуплексном режимах на основе хорошо проверенной схемы кодирования FDDI. Как и в стандарте FDDI, каждый узел соединяется с сетью двумя оптическими волокнами, идущими от приемника (R_x) и от передатчика (Т_х). Между спецификациями 100Base-FX и 100Base-TX есть много общего. В стандарте Fast Ethernet в отличие от стандарта Ethernet определен другой метод кодирования — 4В/5В. Этот метод уже показал свою эффективность в стандарте FDDI и без изменений перенесен в спецификацию 100Base-FX/TX.

  В качестве среды передачи данных спецификация 100Base-TX (витая пара UTP Cat 5 или STP Туре 1, две пары) использует кабель UTP категории 5 или кабель STP Туре 1. Максимальная длина кабеля в обоих случаях — 100 м. Основные отличия от спецификации 100Base-FX — использование метода MLT-3 для передачи сигналов 5-битовых порций кода 4В/5В по витой паре, а также наличие функции автопереговоров (Auto-negotiation) для выбора режима работы порта.

  Таким образом, в данной сети в качестве среды передачи данных используются витая пара UTP категории 5 (две пары) и многомодовый оптоволоконный кабель (две волокна).

  Использование оптоволокна вызвано тем, что  данный тип кабеля обладает исключительными  характеристиками по помехозащищённости и секретности передаваемой информации. Внешние электромагнитные помехи существенным образом не способны исказить световой сигнал, а сам сигнал не способен порождать внешних электромагнитных излучений. Подключиться к данному типу кабеля для несанкционированного доступа практически невозможно, так как в этом случае нарушится целостность кабеля. Теоретически возможная полоса пропускания такого кабеля достигает величины 10¹² Гц, то есть 1000 ГГц, что является более высоким значением, чем у электрических кабелей. При росте частоты передаваемого сигнала, в случае оптоволоконного кабеля, затухание увеличивается очень незначительно, и на больших частотах его преимущества перед электрическим кабелем неоспоримы. Недостатками оптоволоконных кабелей являются следующие. Сложность монтажа - при установке разъёмов необходима высокая точность, от точности скола стекловолокна и степени его полировки сильно зависит затухание в разъёме. Для установки разъёмов используют сварку или склеивание с помощью специального геля, который имеет такой же коэффициент преломления света, что и стекловолокно. В данной сети используется многомодовый оптоволоконный кабель. Его отличие от одномодового следующее. В

многомодовом  кабеле траектории световых лучей имеют  значительный разброс, в результате чего форма сигнала на приёмном конце кабеля искажается. Центральное волокно имеет диаметр 62,5 мКм, а диаметр внешней оболочки — 125 мКм. Для передачи используется обычный (не лазерный) светодиод, что снижает стоимость и увеличивает срок службы приёмопередатчиков по сравнению с одномодовым кабелем. Длина волны света в многомодовом кабеле равна 0,85 мКм, при этом наблюдается разброс длин волн около 30—50 нм. Допустимая длина кабеля составляет 2—5 км. Многомодовый кабель — это основной тип оптоволоконного кабеля в настоящее время, так как он дешевле и доступнее. Затухание в многомодовом кабеле больше, чем в одномодовом, и составляет 5—20 дБ/км. Типичная величина задержки для наиболее распространенных кабелей составляет около 4—5 нс/м, что близко к величине задержки в электрических кабелях.

  Среди описанных выше преимуществ оптоволоконных кабелей перед электрическими, необходимо отметить допустимую длину кабеля. В данной сети используется полнодуплексный режим, что позволяет использовать длину сегмента до 2 км (от одного коммутатора до другого).

  Здание  склада находится в 180 м от здания офиса, а здание цеха находится в 170 м от здания склада и в 290 м от здания офиса. Использование между зданиями, например, витой пары является нецелесообразным, так как максимальная длина сегмента витой паты составляет 100 м. Данный факт вместе с необходимостью защиты кабеля не позволяет использовать витую пару для соединения узлов сети, находящихся в отдельных зданиях.

  Для построения данной локальной сети была выбрана топология дерево (tree). Эта топология представляет собой комбинацию звёзд. Как уже было отмечено, топология звезда является характерной для семейства Ethernet. Преимущества топологии дерево: легко расширяется; легко обнаруживается неисправность. Недостатки: выход из строя корневого узла означает выход из строя всей системы, выход из строя, например, концентратора - выход из строя его ветвей; если сеть очень большая, то доступ к ней затруднен. Преимущество топологии дерево, которое заключается в её простом расширении, является существенным для данной сети, в которой всего 18 рабочих станций и 2 сервера. Таким образом, увеличение числа узлов сети не вызовет существенных сбоев. Выход из строя периферийного узла не отразится на функционировании оставшейся части сети. В связи с этим надо отметить, что работа сети легко контролируется, неисправности локализуются путём отключения от центра периферийных абонентов. Однако нельзя забывать, что выход из строя именно корневого узла означает крах всей сети. Топология дерево в данной работе представляет собой совокупность активных звёзд, в центре которых находятся коммутаторы.

  В качестве геометрических размеров зданий были выбраны следующие:

  1) офис: 17,5 м х 7 м х 7 м

  2) склад: 50 м х 12 м

  3) цех: 90 м х 20 м

  Количество  кабеля, необходимого для данной сети: витая пара: 199,75 м; оптоволокно:     351 м. 

  Расчёт PVV. Сокращение межкадрового интервала IPG (Path Variability Value, PVV) при прохождении последовательности кадров через все повторители - не больше, чем 49 битовых интервалов.

  PVV для проектируемой сети будет равно:

  10,5 + 8 + 8 + 8 = 34,5 bt – что является меньше предельного значения в 49 битовых интервалов.    
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    В качестве сетевого оборудования в данной сети используются сетевые адаптеры и коммутаторы.

  Сетевые адаптеры (они же контроллеры, карты, платы, интерфейсы, NIC — Network Interface Card) — это основная часть аппаратуры локальной сети. Назначение сетевого адаптера — сопряжение компьютера (или другого абонента) с сетью, то есть обеспечение обмена информацией между компьютером и каналом связи в соответствии с принятыми правилами обмена. Именно они реализуют функции двух нижних уровней модели OSI – физического и канального. Как правило, сетевые адаптеры выполняются в виде платы, вставляемой в слоты расширения системной магистрали (шины) компьютера (чаще всего PCI, ISA или PC-Card). Шина PCI сейчас практически вытеснила шину ISA и становится основной шиной расширения для компьютеров. Она обеспечивает обмен 32- и 64-разрядными данными и отличается высокой пропускной способностью (теоретически до 264 Мбайт/с), что вполне удовлетворяет требованиям Fast Ethernet. Важно ещё и то, что шина PCI применяется не только в компьютерах IBM PC, но и в компьютерах PowerMac. Кроме того, она поддерживает режим автоматического конфигурирования оборудования Plug-and-Play. Недостаток PCI по сравнению с шиной ISA в том, что количество её слотов расширения в компьютере, как правило, невелико (обычно 3 слота). Но именно сетевые адаптеры подключаются к PCI в первую очередь. Плата сетевого адаптера обычно имеет также один или несколько внешних разъёмов для подключения к ней кабеля сети. Функции сетевого адаптера делятся на магистральные и сетевые. К магистральным относятся те функции, которые осуществляют взаимодействие адаптера с магистралью (системной шиной) компьютера (то есть опознание своего магистрального адреса, пересылка данных в компьютер и из компьютера, выработка сигнала прерывания работы компьютера и т.д.). Сетевые функции обеспечивают общение адаптера с сетью. К основным сетевым функциям адаптеров относятся: гальваническая развязка компьютера и кабеля локальной сети (для этого обычно используется передача сигналов через импульсные трансформаторы); преобразование логических сигналов в сетевые (электрические или световые) и обратно; кодирование и декодирование сетевых сигналов, то есть прямое и обратное преобразование сетевых кодов передачи информации (например, манчестерский код); опознание принимаемых пакетов (выбор из всех приходящих пакетов тех, которые адресованы данному абоненту или всем абонентам сети одновременно); буферирование передаваемой и принимаемой информации в буферной памяти адаптера; подсчет контрольной суммы пакетов при передаче и приеме и т.д.

  Коммутирующие концентраторы (Switched Hubs) или, как их еще называют, коммутаторы (Switches), переключатели и свичи позволяют разделить единую сеть на несколько сегментов для увеличения допустимого размера сети или с целью снижения нагрузки (трафика) в отдельных частях сети. Коммутаторы не принимают приходящие пакеты, а только переправляют из одной части сети в другую те пакеты, которые в этом нуждаются. Они в реальном темпе поступления битов пакета распознают адрес приёмника пакета и принимают решение о том, надо ли этот пакет переправлять, и, если надо, то кому. Никакой обработки пакетов не производится, хотя их заголовок контролируется. Коммутаторы практически не замедляют обмена по сети. Но они не могут преобразовывать форматы пакетов и протоколов обмена по сети. Поскольку коммутаторы работают с информацией, находящейся внутри кадра, часто говорят, что они ретранслируют кадры, а не пакеты, как репитерные концентраторы. Однако отличие коммутатора от репитерного концентратора состоит в том, что коллизии коммутатором не ретранслируются. Коммутаторы производят более глубокое разделение сети, чем концентраторы. Они разделяют на части зону коллизий (Collision Domain) сети, то есть область сети, на которую распространяются коллизии. Логическая структура коммутатора включает в себя так называемую перекрестную (коммутационную) матрицу (Crossbar Matrix), во всех точках пересечения которой могут устанавливаться связи на время передачи пакета. В результате пакет, поступающий из любого сегмента, может быть передан в любой другой сегмент. Помимо перекрестной матрицы коммутатор включает в себя память, в которой он формирует таблицу МАС-адресов всех компьютеров, подключенных к каждому из его портов. Эта таблица создаётся на этапе инициализации сети и затем периодически обновляется для учёта изменений конфигурации сети. Именно на основании анализа этой таблицы делается вывод о том, какие связи надо замыкать, и куда отправлять пришедший пакет. Коммутатор читает МАС-адреса отправителя и получателя в пришедшем пакете и передает пакет в тот сегмент, в который он адресован. Если пакет адресован абоненту из того же сегмента, к которому принадлежит отправитель, то он не ретранслируется вообще.

  В проектируемой локальной сети используются

  1) сетевые адаптеры производства  компании D-LINK: 

  DFE-528TX - это высокопроизводительный сетевой адаптер с автоматическим определением скорости передачи 10/100Mбит/с для шины PCI. Адаптер устанавливается в ПК, имеющие слоты PCI и превращает их в сетевые рабочие станции, работающие на скорости полного дуплекса. Работая в режиме 32-разрядной Bus Master, DFE-528TX гарантирует высокую производительность при работе в сети серверам и рабочим станциям. Bus Master позволяет передавать данные, минуя центральный процессор, что дает возможность разгрузить его для выполнения прикладных программ. Адаптер может подключаться к сети 10BASE-T Ethernet или 100BASE-TX Fast Ethernet. Скорость подключения 10/100Мбит/с определяется автоматически, без какого-либо вмешательства со стороны пользователя. Работа в режиме полного/полудуплекса определяется автоматически как для подключения 10BASE-T , так и для 100BASE-TX. При подключении к коммутатору в режиме полного дуплекса, скорость передачи данных по сети возрастает до 200Mбит/с.

  2) четыре коммутатора:

  а) EDS-308-MM-SC - коммутатор с 6 портами 10/100 BaseT(Х) Ethernet и двумя портами 100BaseFX (Multi Mode 2км) с разъёмами SC.

                                                                                     Таблица 2

  б) EDS-208-M-SC - Ethernet коммутатор с 7 портами 10/100 Base-T(X) и одним портом 100 Base-FX (Multi Mode) с разъёмом SC, диапазон рабочих температур -10...+60°C. 
 
 
 
 

                                                                                    Таблица 3

  в) EDS-316-M-SC – коммутатор с 15 портами 10/100 BaseT(X) Ethernet и одним портом 100BaseFX (Multi Mode) с разъёмом SC, RoHS.

                                                                              Таблица 4