Базовые технологии локальных сетей

Базовые технологии локальных сетей 

 

1.5.2. Методы  обмена данными в локальных  сетях 

 

 Для управления  обменом (управления доступом  к сети, арбитражу сети) используются  различные методы, особенности которых  в значительной степени зависят  от  топологии сети.

 

 Существует  несколько групп методов доступа,  основанных на временном разделении  канала:

централизованные  и децентрализованные

детерминированные и случайные

 

 Централизованный  доступ управляется из центра  управления сетью, например от  сервера. Децентрализованный метод  доступа функционирует на основе  протоколов без управляющих воздействий  со стороны центра.

 

 Детерминированный  доступ обеспечивает каждой рабочей  станции гарантированное время  доступа (например, время доступа  по расписанию) к среде передачи  данных. Случайный доступ основан  на равноправности всех станций  сети и их возможности в  любой момент обратиться к  среде с целью передачи данных.

 

Централизованный  доступ к моноканалу

 В сетях  с централизованным доступом  используются два способа доступа:  метод опроса и метод передачи  полномочий. Эти методы используются  в сетях с явно выраженным  центром управления.

 

 Метод  опроса.

 Обмен  данными в ЛВС с топологией  звезда с активным центром  (центральным сервером). При данной  топологии все станции могут  решить передавать информацию  серверу одновременно. Центральный  сервер может производить обмен  только с одной рабочей станцией. Поэтому в любой момент надо  выделить только одну станцию,  ведущую передачу.

 

 Центральный  сервер посылает запросы по  очереди всем станциям. Каждая  рабочая станция, которая хочет  передавать  данные (первая из  опрошенных), посылает ответ или  же сразу начинает передачу. После  окончания сеанса передачи центральный  сервер продолжает опрос по  кругу. Станции, в данном случае, имеют следующие приоритеты: максимальный  приоритет у той из них, которая  ближе расположена к последней  станции, закончившей обмен.

 

 Обмен  данными в сети с топологией  шина. В этой топологии, возможно, такое же централизованное управление, как и в “звезде”. Один из  узлов (центральный) посылает  всем остальным запросы, выясняя,  кто хочет передавать, и затем  разрешает передачу тому из  них, кто после окончания передачи  сообщает об этом.

 

 

Метод передачи полномочий (передача маркера)

 Маркер - служебный пакет определенного  формата, в который клиенты  могут помещать свои информационные  пакеты. Последовательность передачи  маркера по сети от одной  рабочей станции к другой задается  сервером. Рабочая станция получает  полномочия на доступ к среде  передачи данных при получении  специального пакета-маркера. Данный  метод доступа для сетей с  шинной и звездной топологией  обеспечиваетcя протоколом ArcNet.

 

Децентрализованный  доступ к моноканалу

 Рассмотрим  децентрализованный детерминированный  и случайный методы доступа  к среде передачи данных.

 К децентрализованному  детерминированному методу относится  метод передачи маркера. Метод  передачи маркера использует  пакет, называемый маркером. Маркер - это не имеющий адреса, свободно  циркулирующий по сети пакет,  он может быть свободным или  занятым.

 

 

Обмен данными  в сети с топологией кольцо (децентрализованный детерминированный метод доступа)

1. В данной  сети применяется метод доступа  “передача маркера”.  Алгоритм  передачи следующий:

 а) узел, желающий передать, ждет свободный  маркер, получив который помечает  его как занятый (изменяет соответствующие  биты),  добавляет к нему свой  пакет и результат отправляет  дальше в кольцо;

 б) каждый  узел, получивший такой маркер, принимает  его, проверяет, ему ли адресован  пакет;

 в) если  пакет адресован этому узлу, то  узел устанавливает в маркере  специально выделенный бит подтверждения  и отправляет измененный маркер  с пакетом дальше;

 г) передававший  узел получает обратно свою  посылку, прошедшую через все  кольцо, освобождает маркер (помечает  его как свободный) и снова  посылает маркер в сеть. При  этом передававший узел знает,  была ли получена его посылка  или нет.

 

 Для нормального  функционирования данной сети  необходимо, чтобы один из компьютеров  или специальное устройство следило  за тем, чтобы маркер не потерялся,  а в случае пропажи маркера  данный компьютер должен создать  его и запустить в сеть.

 

Обмен данными  в сети с топологией шина  (децентрализованный случайный метод доступа)

 

В этом случае все узлы имеют равный доступ к  сети и решение, когда можно передавать, принимается каждым узлом на месте, исходя из анализа состояния сети. Возникает конкуренция между узлами за захват сети, и, следовательно, возможны конфликты между ними, а также искажения передаваемых данных из-за наложения пакетов.

 

 Рассмотрим  наиболее часто применяющийся  метод множественного доступа  с контролем несущей и обнаружением коллизий (столкновений) (CSMA/CD). Суть алгоритма в следующем:

1) узел, желающий  передавать информацию, следит за  состоянием сети, и как только  она освободится, то начинает  передачу;

2) узел передает  данные и одновременно контролирует  состояние сети (контролем несущей  и обнаружением коллизий).  Если  столкновений не обнаружилось, передача  доводится до конца;

3) если столкновение  обнаружено, то узел усиливает  его (передает еще некоторое  время) для гарантии обнаружения  всеми передающими узлами, а затем  прекращает передачу. Также поступают  и другие передававшие узлы;

4) после  прекращения неудачной попытки  узел выдерживает случайно выбираемый  промежуток времени tзад, а затем повторяет свою попытку передать, при этом контролируя столкновения.

 

 При повторном  столкновении tзад  увеличивается. В конечном счете, один из узлов опережает другие узлы и успешно передает данные. Метод CSMA/CD часто называют методом состязаний. Этот метод для сетей с шиной топологией реализуется протоколом Ethernet.

 

 

 

 

 

Сетевые технологии локальных сетей

 

 

 В локальных  сетях, как правило, используется  разделяемая среда передачи данных (моноканал) и основная роль  отводится протоколами физического  и канального уровней, так как  эти уровни в наибольшей степени  отражают специфику локальных  сетей.

 

 Сетевая  технология – это согласованный  набор стандартных протоколов  и реализующих их программно-аппаратных  средств, достаточный для построения  локальной вычислительной сети. Сетевые технологии называют  базовыми технологиями или сетевыми  архитектурами локальных сетей.

 

 Сетевая  технология или архитектура определяет  топологию и метод доступа  к среде передачи данных, кабельную  систему или среду передачи  данных, формат сетевых кадров  тип кодирования сигналов, скорость  передачи в локальной сети. В  современных локальных вычислительных сетях широкое распространение получили такие технологии или сетевые архитектуры, как: Ethernet, Token-Ring, ArcNet, FDDI.

 

Сетевые технологии локальных сетей IEEE802.3/Ethernet

 В настоящее  время эта сетевая технология  наиболее популярна в мире. Популярность  обеспечивается простыми, надежными  и недорогими технологиями. В  классической локальной сети  Ethernet применяется стандартный коаксиальный кабель двух видов (толстый и тонкий).

 

 Однако  все большее распространение  получила версия Ethernet, использующая в качестве среды передачи витые пары, так как монтаж и обслуживание их гораздо проще. В локальных сетях Ethernet применяются топологии типа “шина” и типа “пассивная звезда”, а метод доступа CSMA/CD.

 

 Стандарт IEEE802.3 в зависимости от типа  среды передачи данных имеет  модификации:

10BASE5 (толстый  коаксиальный кабель) - обеспечивает  скорость передачи данных 10 Мбит/с  и длину сегмента до 500м;

10BASE2 (тонкий  коаксиальный кабель) - обеспечивает  скорость передачи данных 10 Мбит/с  и длину сегмента до 200м;;

10BASE-T (неэкранированная  витая пара) - позволяет создавать  сеть по звездной топологии.  Расстояние от концентратора  до конечного узла до 100м. Общее  количество узлов не должно  превышать 1024;

10BASE-F (оптоволоконный  кабель) - позволяет создавать сеть  по звездной топологии. Расстояние  от концентратора до конечного  узла до 2000м.

 

 В развитие  сетевой технологии Ethernet созданы высокоскоростные варианты: IEEE802.3u/Fast Ethernet и IEEE802.3z/Gigabit Ethernet. Основная топология, которая используется в локальных сетях Fast Ethernet и Gigabit Ethernet, пассивная звезда.

 

 Сетевая  технология Fast Ethernet обеспечивает скорость передачи 100 Мбит/с и имеет три модификации:

100BASE-T4 - используется  неэкранированная витая пара (счетверенная  витая пара). Расстояние от концентратора  до конечного узла до 100м;

100BASE-TX - используются  две витые пары (неэкранированная  и экранированная). Расстояние от  концентратора до конечного узла  до 100м;  

100BASE-FX - используется  оптоволоконный кабель (два волокна  в кабеле). Расстояние от концентратора  до конечного узла до 2000м; .

 

 

Сетевая технология локальных сетей Gigabit Ethernet – обеспечивает скорость передачи 1000 Мбит/с. Существуют следующие модификации стандарта:

1000BASE-SX –  применяется оптоволоконный кабель  с длиной волны светового сигнала  850 нм.

1000BASE-LX –  используется оптоволоконный кабель  с длиной волны светового сигнала  1300 нм.

1000BASE-CX –  используется экранированная витая  пара.

1000BASE-T –  применяется счетверенная неэкранированная  витая пара.

 

 Локальные  сети Fast Ethernet и Gigabit Ethernet совместимы с локальными сетями, выполненными по  технологии (стандарту) Ethernet, поэтому легко и просто соединять сегменты Ethernet, Fast Ethernet и Gigabit Ethernet в единую вычислительную сеть.

 

Сетевые технологии локальных сетей IEEE802.5/Token-Ring

 Сеть  Token-Ring предполагает использование разделяемой среды передачи данных, которая образуется объединением всех узлов в кольцо. Сеть Token-Ring имеет звездно-кольцевую топологию (основная кольцевая и звездная дополнительная топология). Для доступа к среде передачи данных используется маркерный метод (детерминированный маркерный метод). Стандарт поддерживает витую пару (экранированную и неэкранированную) и оптоволоконный кабель. Максимальное число узлов на кольце - 260, максимальная длина кольца - 4000 м. Скорость передачи данных до 16 Мбит/с.

 

Сетевые технологии локальных сетей IEEE802.4/ArcNet

 В качестве  топологии локальная сеть ArcNet использует “шину” и “пассивную звезду”. Поддерживает экранированную и неэкранированную витую пару и оптоволоконный кабель. В сети ArcNet для доступа к среде передачи данных используется метод передачи полномочий. Локальная сеть ArcNet - это одна из старейших сетей и пользовалась большой популярностью. Среди основных достоинств локальной сети ArcNet можно назвать высокую надежность, низкую стоимость адаптеров и гибкость. Основным недостаткам сети является низкая скорость передачи информации (2,5 Мбит/с). Максимальное количество абонентов - 255. Максимальная длина сети - 6000 метров.

 

Сетевые технологии локальных сети FDDI (Fiber Distributed Data Interface)

FDDI– стандартизованная  спецификация для сетевой архитектуры  высокоскоростной передачи данных  по оптоволоконным линиям. Скорость  передачи – 100 Мбит/с. Эта технология во многом базируется на архитектуре Token-Ring и используется детерминированный маркерный доступ к среде передачи данных. Максимальная протяженность кольца сети – 100 км. Максимальное количество абонентов сети – 500. Сеть FDDI - это очень высоконадежная сеть, которая создается на основе двух оптоволоконных колец, образующих основной и резервный пути передачи данных между узлами.

Сравнение технологий и определение конфигурации

 

 На данной  страничке представлены сравнительные  характеристики наиболее распространенных  технологий ЛВС.

Характеристики FDDI Ethernet Token Ring  ArcNet

Скорость  передачи  100 Мбит/с  10 (100) Мбит/с  16 Мбит/с  2,5 Мбит/с

Топология кольцо шина кольцо/звезда шина, звезда

Среда передачи  оптоволокно, витая пара коаксиальный кабель, витая пара, оптоволокно  витая пара, оптоволокно  коаксиальный кабель, витая пара, оптоволокно

Метод доступа  маркер CSMA/CD маркер маркер

Максимальная  протяженность сети  100 км  2500 м  4000 м  6000 м

Максимальное  количество узлов  500 1024 260 255

Максимальное  расстояние между узлами  2 км  2500 м  100 м  600 м

 

 

Определение конфигурации сетей 

 Перед  проектированием ЛВС необходимо  определить цели создания сети, особенности ее организационного  и технического использования:

1. Какие  проблемы предполагается решать  при использовании ЛВС?

2. Какие  задачи планируется решать в  будущем?

3. Кто будет  выполнять техническую поддержку  и обслуживание ЛВС?

4. Нужен  ли доступ из ЛВС к глобальной сети?

5. Какие  требования предъявляются к секретности  и безопасности информации?

 Необходимо  учитывать и другие проблемы, которые влияют на цели создания  сетей и особенности ее организационного  и технического использования.

 

 При построении  сети конфигурация сети определяется  требованиями, предъявляемыми к  ней, а также финансовыми возможностями  компании и базируется на существующих  технологиях и на принятых  во всем мире стандартах построения  ЛВС. 

 

 Исходя  из требований, в каждом отдельном  случае выбирается топология  сети, кабельная структура, протоколы  и методы передачи данных, способы  организации взаимодействия устройств,  сетевая операционная система.

 

 Эффективность  функционирования ЛВС определяется  параметрами, выбранными при конфигурировании  сети:

типом (одноранговая или с выделенным сервером);

топологией;

типом доступа  к среде передачи данных;

максимальной  пропускной способностью сети;

максимальным  количеством рабочих станций;

типом компьютеров  в сети (однородные или неоднородные сети);

максимальной  допустимой протяженностью сети;

максимальным  допустимым удалением рабочих станций  друг от друга;

качеством и  возможностями сетевой операционной системы;

объемом и  технологией использования информационного  обеспечения (баз данных);

средствами  и методами защиты информации в сети;

средствами  и методами обеспечения отказоустойчивости ЛВС;

 И другими  параметрами, которые влияют на  эффективность функционирования  ЛВС.

Многослойная  модель сети

 

 

 Весь  комплекс программно-аппаратных  средств сети может быть описан  многослойной моделью, состоящей  из слоев:

компьютеры  или компьютерные платформы;

коммуникационное  оборудование;

операционные  системы;

сетевые приложения.

 

Компьютеры

 

 В основе  любой сети лежит аппаратный  слой стандартизированных компьютерных  платформ. В настоящее время широко  используются компьютерные платформы  различных классов - от персональных  компьютеров до мэйнфреймов и суперЭВМ. Компьютеры подключаются к сети с помощью сетевой карты.

 

Коммуникационное  оборудование

 Ко второму  слою относится коммуникационное  оборудование, которое играет не  менее важную роль, чем компьютеры. Коммуникационное оборудование  сетей можно разделить на три  группы:

1) сетевые  адаптеры (карты);

2) сетевые  кабели;

3) промежуточное  коммуникационное оборудование (трансиверы, повторители, концентраторы, коммутаторы,  мосты, маршрутизаторы и шлюзы).

 

Операционные  системы

 Третьим  слоем, образующим программную  платформу сети, являются операционные  системы. В зависимости от того, какие концепции управления локальными  и распределенными ресурсами  положены в основу сетевой  ОС, зависит эффективность работу  всей сети.

 

Сетевые приложения

 Четвертый  слой - это сетевые приложения. К  сетевым приложениям относятся  такие приложения как сетевые  базы данных, почтовые приложения, системы автоматизации коллективной  работы и т.д.

 

Техническое обеспечение вычислительных систем

 Рассмотрим  более подробно аппаратные средства  сетей - компьютеры. Архитектура  компьютера включает в себя  как структуру, отражающую аппаратный  состав ПК, так и программно  – математическое обеспечение.  Все компьютеры сетей можно  разделить на два класса: серверы  и рабочие станции.

 

Сервер (server)- это многопользовательский компьютер, выделенный для обработки запросов от всех рабочих станций. Это мощный компьютер или мэйнфрейм, предоставляющий рабочим станциям доступ к системным ресурсам и распределяющий эти ресурсы. Сервер имеет сетевую операционную систему, под управлением, которой происходит совместная работа всей сети.

 

 Основными  требованиями, которые предъявляются  к серверам, являются высокая  производительность и надежность  их работы. Серверы в больших  сетях стали специализированными  и, как правило, используются  для управления сетевыми базами  данных, организации электронной  почты, управления многопользовательскими  терминалами (принтерами, сканерами,  плоттерами) и т.д.

 

 

Существует  несколько типов серверов:

Файл-серверы. Управляют доступом пользователей  к файлам и программам.

 Принт-серверы.  Управляют работой системных  принтеров. 

Серверы приложений. Серверы приложений - это работающий в сети мощный компьютер, имеющий  прикладную программу, с которой  могут работать клиенты. Приложения по запросам пользователей выполняются  непосредственно на сервере, а на рабочую станцию передаются лишь результаты запроса.

Почтовые  серверы. Данный сервер используется для  организации электронной корреспонденции  с электронными почтовыми ящиками.

Прокси-сервер. Это эффективное средство подключения  локальных сетей к сети Интернет. Прокси-сервер - компьютер, постоянно  подключенный к сети Интернет, через  который происходит общение пользователей  локальной сети с сетью Интернетом.

Коммуникационное  оборудование вычислительных сетей

 

Сетевые адаптеры - это коммуникационное оборудование

 Сетевой  адаптер (сетевая карта) - это устройство  двунаправленного обмена данными  между ПК и средой передачи  данных вычислительной сети. Кроме  организации обмена данными между  ПК и вычислительной сетью,  сетевой адаптер выполняет буферизацию  (временное хранение данных) и  функцию сопряжения компьютера  с сетевым кабелем. Сетевыми  адаптерами реализуются функции  физического уровня, а функции  канального уровня семиуровневой  модели ISO реализуются сетевыми адаптерами  и их драйверами.

 

 Адаптеры  снабжены собственным процессором  и памятью. Карты классифицируются  по типу порта, через который  они соединяются с компьютером: ISA, PCI, USB. Наиболее распространенные  из них - это сетевые карты  PCI. Карта, как правило, устанавливается  в слот расширения PCI, расположенный  на материнской плате ПК, и  подключается к сетевому кабелю  разъемами типа: RJ-45 или BNC.

 

 Сетевые  карты можно разделить на два  типа:

 адаптеры  для клиентских компьютеров;

 адаптеры  для серверов.

 

 В зависимости  от применяемой технологии вычислительных  сетей Ethernet, Fast Ethernet или Gigabit Ethernet, сетевые карты обеспечивают скорость передачи данных: 10, 100 или 1000 Мбит/с.

 

Сетевые кабели вычислительных сетей 

 В качестве  кабелей соединяющих отдельные  ПК и коммуникационное оборудование  в вычислительных сетях применяются:  витая пара, коаксиальный кабель, оптический кабель, свойства которых изложены в разделе "Линии связи и каналы передачи данных"

 

Промежуточное коммуникационное оборудование вычислительных сетей

 В качестве  промежуточного коммуникационного  оборудования применяются: трансиверы (transceivers), повторители (repeaters), концентраторы (hubs), коммутаторы (switches), мосты (bridges), маршрутизаторы (routers) и шлюзы (gateways).

 

 Промежуточное  коммуникационное оборудования  вычислительных сетей используется  для усиления и преобразования  сигналов, для объединения ПК  в физические сегменты, для разделения  вычислительных сетей на подсети  (логические сегменты) с целью  увеличения производительности  сети, а также для объединения  подсетей (сегментов) и сетей в  единую вычислительную сеть.

 

 Физическая  структуризация вычислительных  сетей объединяет ПК в общую  среду передачи данных, т.е. образует  физические сегменты сети, но  при этом не изменяет направление  потоков данных. Физические сегменты  упрощают подключение к сети  большого числа ПК.

 

 Логическая  структуризация разделяет общую  среду передачи данных на логические  сегменты и тем самым устраняет  столкновения (коллизии) данных в  вычислительных сетях. Логические  сегменты или подсети могут  работать автономно и по мере  необходимости компьютеры из  разных сегментов могут обмениваться  данными между собой. Протоколы  управления в вычислительных  сетях остаются теми же, какие  применяются и в неразделяемых  сетях. 

 

 Трансиверы  и повторители обеспечивают усиление  и преобразование сигналов в  вычислительных сетях. Концентраторы  и коммутаторы служат для объединения  нескольких компьютеров в требуемую  конфигурацию локальной вычислительной  сети.

 

 Концентраторы  являются средством физической  структуризации вычислительной  сети, так как разбивают сеть  на сегменты. Коммутаторы предназначены  для логической структуризации  вычислительной сети, так как  разделяют общую среду передачи  данных на логические сегменты  и тем самым устраняют столкновения.

 

 Для соединения  подсетей (логических сегментов)  и различных вычислительных сетей  между собой в качестве межсетевого  интерфейса применяются коммутаторы,  мосты, маршрутизаторы и шлюзы.

 

 Повторители  – это аппаратные устройства, предназначенные для восстановления  и усиления сигналов в вычислительных  сетях с целью увеличения их  длины.

 

 

 Трансиверы  или приемопередатчики – это  аппаратные устройства, служащие  для двунаправленной передачи  между адаптером и сетевым  кабелем или двумя сегментами  кабеля. Основной функцией трансивера  является усиление сигналов. Трансиверы  применяются и в качестве конверторов  для преобразование электрических сигналов в другие виды сигналов (оптические или радиосигналы) с целью использования других сред передачи информации.

 

 

Концентраторы – это аппаратные устройства множественного доступа, которые объединяют в одной  точке отдельные физические отрезки  кабеля, образуют общую среду передачи данных или физические сегменты сети.

 

 

Коммутаторы - это программно – аппаратные устройства, которые делят общую среду  передачи данных на логические сегменты. Логический сегмент образуется путем  объединения нескольких физических сегментов с помощью концентраторов. Каждый логический сегмент подключается к отдельному порту коммутатора.

 

 

Мосты –  это программно – аппаратные устройства, которые обеспечивают соединение нескольких локальных сетей между собой  или несколько частей одной и  той же сети, работающих с разными  протоколами. Мосты предназначены  для логической структуризации сети или для соединения в основном идентичных сетей, имеющих некоторые  физические различия. Мост изолирует  трафик одной части сети от трафика  другой части, повышая общую производительность передачи данных.

 

 

Маршрутизаторы. Это коммуникационное оборудование, которое обеспечивает выбор маршрута передачи данных между несколькими сетями, имеющими различную архитектуру или протоколы. Маршрутизаторы применяют только для связи однородных сетей и в разветвленных сетях, имеющих несколько параллельных маршрутов. Маршрутизаторами и программными модулями сетевой операционной системы реализуются функции сетевого уровня.

 

 Шлюзы  – это коммуникационное оборудование (например, компьютер), служащее для  объединения разнородных сетей  с различными протоколами обмена. Шлюзы полностью преобразовывают весь поток данных, включая коды, форматы, методы управления и т.д.

 

 Коммуникационное  оборудование: мосты, маршрутизаторы и шлюзы в локальной вычислительной сети - это, как правило, выделенные компьютеры со специальным программным обеспечением.