ЛОКАЛЬНЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ

Стандартные технологии локальных компьютерных сетей

В настоящее время широко используется ряд стандартных архитектур сетей, к которым относятся Ethernet, Token Ring, FDDI и др. Основные характеристики некоторых популярных сетевых технологий приведены в следующей таблице:

Тип сети

Скорость передачи, Мбит/с

Тип кабеля

Топологии

Ethernet

10

Coaxial, UTP, Fiber optic

Звезда, шина

Token Ring

4 или 16

UTP, STP

Звезда, кольцо

Arcnet

2.5

Coaxial, UTP

Звезда, шина

FDDI

100

Fiber optic

Звезда, кольцо

CDDI

100

UTP, STP

Звезда, кольцо

ATM

155-622

UTP, STP, Fiber optic

Звезда

100VG-AnyLAN

100

UTP, STP

Звезда

100Base-X

100

UTP

Звезда

Gigabit Ethernet

1000

UTP кат.5

Звезда

Из нескольких десятков типов проводных соединений в локальных сетях лидируют два стандарта, учрежденных IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers):IEEE 802.3 (Ethernet) и IEEE 802.5 (Token Ring). Эти два типа сетей стали наиболее популярными в силу того, что они являются открытыми стандартами, а не системами, контролируемыми каким – либо конкретным разработчиком оборудования.

Ethernet и Token Ring относятся к разряду однополосных сетей (определенные множества Ethernet работают и в широкополосном режиме, например, устаревшая версия Ethernet 10Broad-36).

Ethernet и Token Ring отличаются друг от друга, как минимум, тремя аспектами:

методом последовательной передачи сообщений;

способом обеспечения целостности каждого передаваемого сообщения;

организацией кабельных соединений.

Наиболее популярный сетевой стандарт IEEE 802.3 был создан на основе сетевой архитектуры, разработанной компаниями Digital Equipment Corporation (DEC), Xerox и Intel в 1975 г. (фирменный стандарт 1980 г.). Эта исходная сетевая архитектура называлась Ethernet, впоследствии это название стало применяться также и к стандарту IEEE 802.3 (несмотря на некоторые различия между ними). Первая версия стандарта IEEE 802.3 была опубликована в 1985 г., современная версия Ethernet 2.0 принята в 1992 г.

Существует, по крайней мере, три причины огромной популярности Ethernet:

Стандарт Ethernet утвержден значительно раньше стандарта Token Ring;

Сеть Ethernet обладает удачным сочетанием низкой стоимости и высокой производительности и является идеалом для небольших и средних сетей;

Ethernet является неотъемлемым компонентом архитектуры современных компьютерных сетей многих поставщиков.

Разнообразие вариантов физической реализации Ethernet обусловлено наличием нескольких промышленных спецификаций этой сети.

Самой популярной версией Ethernet является стандартная сеть Ethernet с кабельными соединениями спецификаций 10Base-2, 10Base-5 или 10Base-T, которая работает в однополосном режиме на скорости передачи 10 Мбит/с. Название спецификации сети 10Base-X интерпретируется следующим образом:

первая цифра – скорость передачи в Мбит/с;

термин Base - кабельная проводка типа Baseband, т.е. однополосная передача/прием ведутся в базовой полосе частот;

последняя цифра/буква - максимальная длина сегмента в сотнях метров или тип кабеля (витая пара, оптоволоконный кабель).

Толстая Ethernet

Устаревшая спецификация 10Base-5 использует шинную физическую топологию на коаксиальном кабеле RG-8 или RG-11 диаметром 0.5 дюйма с посеребренной центральной жилой, поэтому такая сеть также называют ThickNet (толстая сеть) или Yellow Ethernet (желтый кабель).

Использование общей шины существенно отличает топологию Ethernet от топологии Token Ring, где сигнал ретранслируется от одной станции к другой по кольцу. В Ethernet одновременно все станции сети принимают сигнал передающей станции, тогда как Token Ring в любой момент времени только одно устройство посылает данные, а другое принимает их, остальные станции сети Token Ring находятся в состоянии ожидания приема.

Рис.9. Компоненты сети стандарта 10Base-5, состоящей из трех кабельных сегментов.

Кабель в сети Ethernet 10Base-5 (рис.9) используется как моноканал для всех станций во всех кабельных сегментах. Сегмент кабеля имеет максимальную длину
500 м (без повторителей) и должен иметь на концах согласующие терминаторы сопротивлением 50 Ом, препятствующие возникновению отраженных сигналов, один из которых заземляется. При отсутствии терминаторов в кабеле возникают стоячие волны, в результате одни станции будут получать мощные сигналы, а другие настолько слабые, что их прием становится невозможным.

Доступ к передающей кабельной среде толстой Ethernet со стороны сетевых адаптеров осуществляется посредством трансиверов, причем трансиверы в этой схеме всегда являются внешними по отношению к узлу сети.

Трансивер (transceiver - приемопередатчик) представляет собой устройство, позволяющее рабочей станции или устройству сети подключаться к кабельной среде и взаимодействовать с другими станциями Ethernet. Трансивер иногда называют MAU (Media Attachment Unit – устройство соединения со средой), поскольку он подключает рабочую станцию или устройство сети к кабельной передающей среде.

Трансивер выполняет следующие функции:

принимает и передает сигналы с кабеля RG-8/11 на кабель AUI;

определяет коллизии в кабеле;

осуществляет высоковольтную электрическую развязку (1-5 кВ) между кабелем и остальной частью адаптера;

защищает кабель от некорректной работы адаптера.

Последнюю функцию иногда называют "контролем болтливости" (jabber control). При возникновении неисправности в адаптере может возникнуть ситуация, когда неисправный адаптер будет непрерывно выдавать в кабель последовательность электрических сигналов. Т.к. кабель – это разделяемая среда для всех станций, то работа сети будет заблокирована неисправным адаптером. Чтобы этого не случилось, на выходе передатчика ставится схема, которая проверяет время передачи кадра (т.к. максимальное время передачи кадра (вместе с преамбулой) равно 1,22 мс, то предельное время jabber – контроля с запасом устанавливается равным 4 мс).

Упрощенная структурная схема трансивера показана на рис.10.

Рис.10. Упрощенная структурная схема трансивера.

Передатчик и приемник присоединяются к одной точке толстого кабеля с помощью специальной схемы, например, трансформаторной, позволяющей организовать одновременную передачу и прием сигналов с кабеля.

Детектор коллизий определяет наличие коллизий в коаксиальном кабеле с помощью специальной схемы, обеспечивающей повышение уровня постоянной составляющей сигналов в случае обнаружения коллизии. Если постоянная составляющая превышает определенный порог (около 1.5 В), то считается, что на кабель работает более одного передатчика.

Развязывающие элементы (РЭ) обеспечивают гальваническую развязку трансивера от остальной части сетевого адаптера и тем самым защищают адаптер и компьютер от перепадов напряжения, возникающих в кабеле при его повреждении.

Трансиверы толстой Ethernet обычно подключаются к кабелю RG-8/11 посредством устройства, называемого отвод-вампир. Отвод-вампир "вгрызается" в кабель, чтобы обеспечить контакт с экраном коаксиального кабеля и его центральной жилой.

На трансивере имеется специальный порт AUI (Attachment Unit Interface – интерфейс устройства подключения) с 15-контактным внешним разъемом AUI – интерфейса, к которому с помощью кабельного отвода типа AUI подключается сетевая карта узла сети. Стандартный интерфейс AUI предназначен для передачи и приема сигналов от сетевого адаптера: по нему передаются сигналы передачи, приема, детектора коллизий и питание цепей трансивера.

Каждая рабочая станция/узел сети, расположенная вдоль сегмента сети, содержит сетевую интерфейсную плату/карту. Микросхемы сетевой карты, используемые в Ethernet, обеспечивают программно – аппаратные последовательности действий, предоставляющие станции доступ к передающей среде на основе протокола CSMA/CD. Сетевые платы в среде Ethernet являются интеллектуальными (имеют встроенный процессор), но не обладают высокоразвитыми механизмами восстановления, каковые, например, используются в среде Token Ring. По этой причине степень непроизводительного использования полосы пропускания на передачу служебной информации в Ethernet ниже, чем в сети Token Ring.

Сетевые платы, работающие с толстой Ethernet, используют в качестве порта разъем DB-15, расположенный на задней стороне сетевой платы. В некоторых устройствах (например, в повторителях и кабельных концентраторах) также применяется этот тип разъема, благодаря чему обеспечивается простая интеграция толстой Ethernet с современными схемами Ethernet.

Допускается подключение к одному сегменту не более 100 трансиверов, причем расстояния между подключениями трансиверов не должно превышать 2.5 м (на кабеле имеется разметка через каждые 2.5 м, которая обозначает точки подключения трансиверов; при подсоединении трансиверов в соответствии с разметкой влияние стоячих волн в кабеле на сетевые адаптеры сводится к минимуму).

Стандарт 10Base-5 определяет возможность использования в сети повторителей. Повторитель служит для объединения в одну сеть нескольких кабельных сегментов с целью увеличения общей длины сети. Повторитель принимает сигналы из одного кабельного сегмента, а затем побитно и синхронно повторяет их в другом сегменте, улучшая форму и мощность импульсов, а также синхронизируя их.

Повторитель состоит из двух или нескольких трансиверов, которые присоединяются к сегментам кабеля, а также блока повторения со своим тактовым генератором. Для лучшей синхронизации передаваемых бит повторитель задерживает передачу нескольких первых бит преамбулы кадра, за счет чего увеличивается задержка передачи кадра с сегмента на сегмент, а также несколько уменьшается межкадровый зазор IPG (см. ниже).

Стандарт разрешает использование в сети не более 4-х повторителей и, соответственно, не более 5 сегментов кабеля. При максимальной длине сегмента кабеля в 500 м это дает максимальную длину сети 10Base-5 в 2500 м. Только 3 сегмента из пяти могут быть нагруженными, т.е. такими, к которым подключаются конечные узлы. Между нагруженными сегментами должны быть ненагруженные сегменты, так что максимальная конфигурация сети может содержать только три нагруженных сегмента, соединенных между собой ненагруженными сегментами.

Правило применения повторителей в сети Ethernet 10Base-5 носит название "правило 5-4-3": 5 сегментов, 4 повторителя, 3 нагруженных сегмента. Ограничение числа повторителей объясняется дополнительными временными задержками сигнала, которые вносят повторители: применение повторителей увеличивает время двойного распространения сигнала (для надежного распознавания коллизий оно не должно превышать время передачи кадра минимальной длины размером 576 бит).

Использование многопортовых повторителей позволяет соединять «звездой» или «деревом» и большее число кабельных сегментов, но все равно на любом пути в таких структурах должно быть не более 5 сегментов, из них не более трех нагруженных.

Спецификация 10Base-5

Среда передачи

Коаксиальный кабель RG-8 или RG-11

Волновое сопротивление

50 Ом

Максимальная длина сегмента

500 м

Число подключений к сегменту

Не более 100

Минимальное расстояние между станциями

Не менее 2.5 м

Длина интерфейсного кабеля AUI

Не более 50 м

Использование повторителей

Правило "5-4-3"

Максимальная длина сети

2500 м

Максимальное число узлов

1024

Затухание на частоте 10 МГц

Не хуже 18 Дб/км

Разъем сетевого адаптера

DB-15

К достоинствам стандарта 10Base-5 относятся:

хорошая защищенность кабеля от внешних воздействий;

сравнительно большое расстояние между узлами;

возможность простого перемещения рабочей станции в пределах длины кабеля AUI.

Недостатками 10Base-5 являются:

высокая стоимость кабеля;

сложность его прокладки из-за большой жесткости;

потребность в специальном инструменте при заделке кабеля;

останов всей сети при повреждении кабеля или плохом соединении.

В настоящее время толстая Ethernet считается устаревшей технологией и практически не используется.

Тонкая Ethernet Самым простым типом кабельной проводки Ethernet является спецификация 10Base-2. Поскольку в этом варианте используется тонкий коаксиальный кабель, то спецификацию 10Base-2 часто называют ThinNet (тонкая сеть) или CheapNet (дешевая сеть).

Ethernet на витой паре Среди стандартных версий Ethernet самой популярной является версия 10Base-T (Twisted Pair Ethernet) с однополосной передачей по неэкранированной витой паре категории 3 или 5. Обычно такая сеть имеет топологию звезды

Ethernet на оптоволоконном кабеле Версия Ethernet 10Base-F в качестве физической среды передачи использует одномодовые или многомодовые волоконно-оптические кабели, подсоединяемые к волоконно-оптическим концентраторам/повторителям в схеме двухточечной звезды. Эта сеть допускает использование кабельных сегментов длиной до 2 км.

Адресация в сети Ethernet Каждый узел в сети Ethernet имеет уникальный аппаратный физический адрес сетевой платы. Схема адресации Ethernet определяется изготовителем платы в виде 6-байтового 16-ричного адреса.

Типы кадров сети Ethernet Кадр Ethernet отвечает за перемещение по сети данных верхнего уровня. Физический кадр Ethernet имеет заголовок и хвостовик, между которыми заключены фактические данные. Именно в таком виде информация передается из одного узла Ethernet в другой.

Сеть Token Ring (маркерное кольцо), разработанная IBM и Texas Instruments, определена в качестве стандарта IEEE 802.5 в 1985 г. Она является значительным вкладом компании IBM в сетевую индустрию. Хотя эта архитектура гораздо дороже, чем Ethernet, она обладает гораздо большей производительностью, а диагностика отказов в ней намного легче, особенно в сильно загруженной сети.

Сеть Arcnet была разработана в 1977 г. фирмой Datapoint Corporation как собственная сетевая система. Хотя физически эта сеть имеет топологию звезды или шины, логически она представляет собой кольцо с передачей маркера. Сети Arcnet работали на скорости 2.5 Мбит/с и распространились в 1983 г., после того, как различные компании начали изготовлять сетевые карты для ПК.

Fast Ethernet и 100GV-AnyLAN В процессе разработки более производительной сети Ethernet специалисты разделились на два лагеря, что в конце концов привело к появлению двух новых технологий локальных сетей – Fast Ethernet и 100VG-AnyLAN.

Gigabit Ethernet Достаточно быстро после появления технологии Fast Ethernet сетевые интеграторы и администраторы почувствовали ее ограничения при построении корпоративных сетей.

Коммуникационные устройства канального и физического уровней Сетевые адаптеры

Концентраторы Практически во всех современных технологиях ЛВС используются устройства, имеющие равноправные названия – концентратор, повторитель, хаб. В зависимости от области применения функции концентраторов разнятся. Неизменной остается только их основная функция – повторение кадра либо на всех портах повторителя (как в стандарте Ethernet), либо только на отдельных портах, в соответствии с алгоритмом, определенным соответствующим стандартом.

Логическая структуризация сети с помощью мостов и коммутаторов

Коммутаторы локальных сетей Технология коммутации сегментов была предложена фирмой Kalpana в 1990 г. Принцип коммутации рассмотрим на примере первого коммутатора EtherSwitch, предложенного этой фирмой.

Коммутаторы с разделяемой памятью Третья базовая архитектура взаимодействия портов – двухвходовая разделяемая память.

Конфигурация локальных сетей