Сетевые архитектуры

Сетевые архитектуры

Введение

Сетевая архитектура - это комбинация стандартов, топологий и протоколов, необходимых для создания работоспособной сети. В соответствии со стандартными протоколами физического уровня выделяют три основные сетевые архитектуры: Ethernet (протокол 802,3) и Fast Ethernet (протокол 802,3); ArcNet (протокол 802,4); Token Ring (протокол 802.5). Рассмотрим каждую из сетевых архитектур более подробно.

1. Ethernet

Это самая популярная в настоящее время сетевая  архитектура. Она использует:

• физические топологии "шина", "звезда" или "звезда -шина";
• логическую топологию "шина";
• узкополосную передачу данных со скоростями 10 и 100 Мбит/с;
• метод доступа - CSMA/CD.

Среда передачи является пассивной, т. е. получает питание от РС. Сеть прекратит работу из-за физического повреждения или неправильного подключения терминатора. Передает информацию кадрами, формат которых представлен на рис. ниже.

Формат кадра  в Ethernet

Поле "Тип  протокола" используется для идентификации протокола сетевого уровня (IPX и IP) - маршрутизируемый или нет. Спецификация Ethernet выполняет функции физического и канального уровня модели OSI. Различают несколько стандартов сетевых архитектур Ethernet:

• 0BaseT - на основе витой пары;
• 10Base2 - на тонком коаксиале;
• 10Base5 - на толстом коаксиале;
• 10BaseFL - на оптоволокне;
• 10BaseX - со скоростью передачи 100 Мбит/с, который включает в себя ряд спецификаций в зависимости от среды передачи.

Рассмотрим  наиболее распространенные стандарты данной архитектуры, применяемые при построении ЛВС.

1.1 Стандарт 10BaseT

Физическая  топология представляет собой "звезду" на основе витой пары, соединяющей все узлы сети с концентратором, используя две пары проводов: одну для передачи, другую - для приема (рис. ниже). Логически (т.е. по системе передачи сигналов) данная архитектура представляет собой "шину" как и все архитектуры Ethernet. Концентратор выступает как многопортовый репитер. Длина сегмента от 2,5 до 100 м. ЛВС стандарта 10BaseT может обслуживать до 1024 компьютеров.

 
Сеть стандарта 10BaseT

Достоинством  является возможность использования  распределительных стоек и панелей коммутации, что позволяет легко перекоммутировать сеть или добавить новый узел без остановки работы сети. Новейшие концентраторы позволяют расширять топологию сети, соединив отдельные концентраторы между собой магистралью на основе коаксиального или оптоволоконного кабеля и получить топологию "звезда - шина".

1.2 Стандарт 10Base2

Сеть такого типа ориентирована на тонкий коаксиальный кабель с максимальной длиной сегмента 185 м и возможностью подключения к одному сегменту до 30 ЭВМ (рис. ниже).

 
Архитектура сети стандарта 10Base2

Эта сетевая  архитектура физически и логически  представляет собой "шину". С использованием репитеров может быть увеличена общая протяженность сети введением дополнительных сегментов. Однако при этом необходимо учитывать правило 5-4-3. Сеть на тонком коаксиале может состоять максимум из 5 сегментов кабеля, соединенных 4 репитерами. При этом только к 3 сегментам можно подключать рабочие станции. Два из пяти сегментов являются межрепитерными связями и служат только для увеличения длины сети (рис. ниже). Максимальное число компьютеров до 1024, а общая длина сети до 925м.

Правило 5-4-3 для сети стандарта 10Base2

1.3 Стандарт 10Base5

Сетевая архитектура  на толстом Ethernet логически и физически  представляет собой "шину" (рис. ниже). Магистральный сегмент (т. е. главный кабель, к которому подключаются трансиверы для связи с РС) имеет длину до 500 м и возможность подключения до 100 компьютеров. С использованием репитеров, которые также подключаются к магистральному сегменту через трансиверы, общая длина сети может составить 2500 м.

 
Сеть стандарта 10Base5

При расширении сети справедливо правило 5-4-3 и возможно комбинирование тонкого и толстого кабеля. В этом случае в качестве магистрали, способной передавать данные не большие расстояния, используется толстый кабель, а в качестве ответвляющих сегментов используют тонкий.

1.4 Стандарт 10BaseFL

Данная архитектура  строится на оптоволоконном кабеле, доступ к которому со стороны компьютеров и репитеров осуществляется с помощью трансиверов (рис. ниже). На сегодняшний день в основном используются внешние трансиверы.

Сеть стандарта 10BaseFL

Особенность этих трансиверов в том, что их передатчики преобразуют электрические сигналы от ЭВМ в световые импульсы, а приемники - световые в электрические. Популярность использования 10BaseFL обусловлена:

• высокой помехозащищенностью;
• возможностью прокладки кабеля между репитерами на большие расстояния, т. к. длина сегмента до 2 - 4 км;
• использование повторителей позволяющих реализовать "каскадные звезды" путем соединения оптических ответвителей.

 

 

1.5 Стандарт 100BaseX Ethernet

Этот стандарт, иногда называемый Fast Ethernet, является расширением  существующей сетевой архитектуры Ethernet и соответствует протоколу  физического уровня IEEE 802.30. Его особенностью является то, что он сохранил стандартный для Ethernet метод доступа CSMA/CD, от которого отходили разработчики других технологий повышенной скорости передачи в сети. Сохранение метода доступа означает, что имеющиеся в наличие драйверы для Ethernet будут работать без изменений.

Преимуществом этой технологии, появившейся в конце 1993 года, является то, что степень ее совместимости с Ethernet-сетями, позволяет интегрировать ее в эти сети с помощью двухскоростных сетевых адаптеров или мостов. Данная сетевая архитектура использует физическую топологию "звезда" или "звезда - шина" (подобно 10BaseT), где все кабели подключаются к концентратору (рис. 7.7). Различают три спецификации среды:

• 100BaseT4 (UTR категории 3, 4 или 5 с 4-мя парами);
• 100BaseTX (UTR или STP категории 5 с 2-мя парами);
• 100BaseFX (двужильный оптоволоконный кабель).

 
Сеть стандарта 100BaseX Ethernet

Для реализации этой технологии необходимо две пары проводов или двужильный оптокабель, чтобы организовать дуплексную передачу сигналов по традиционной CSMA/CD, используя одну пару для передачи, а другую - для приема.

1.6 Сегментация сети

Если не хватает  длины одного сегмента для соединения всех пользователей сети, то можно через репитер подключить еще один сегмент. Но иногда возникает и другая задача. Пусть имеем сегмент сети с очень интенсивным трафиком, который снижает производительность всей сети. Повысить ее производительность можно, если разделить перегруженный сегмент на два и соединить их с помощью моста или маршрутизатора (рис. ниже).

 
Сегментация сети

Тогда трафик в  каждом сегменте уменьшится, т.к. меньшее  число компьютеров в каждом из сегментов попытается осуществить передачу, и время доступа к кабелю сокращается. Сегментация может помочь и при ограничении доступа к конфиденциальной информации.

2. Сетевые архитектуры ArcNet и ArcNet Plus

Это простая, гибкая и недорогая сетевая архитектура, поддерживающая протокол физического уровня IEEE 802.4:

• физическая топология - "звезда", "шина", "звезда - шина";
• логическая топология - упорядоченное "кольцо";
• широкополосная передача данных 2,5 Мбит/с и 20 Мбит/с (для ArcNet Plus);
• метод доступа маркерный;
• средой передачи может быть:
• коаксиальный кабель (длиной 600 м при "звезде" и 300 м при "шине");
• витая пара (максимальная длина 244 м - при "звезде" и "шине");

Компьютеры  могут быть коаксиальным кабелем  связаны в шину или в иных случаях  подключены к концентраторам, которые  могут быть: пассивными; активными; интеллектуальными. Пассивные концентраторы просто осуществляют коммутацию кабельных соединений сети. Активные - восстанавливают и ретранслируют сигнал. Интеллектуальные - обнаруживают изменения в сети и удаленно управляют работой сетевых устройств.

 
Архитектура Arc Net

Особенность маркерного доступа ArcNet (рис. выше) состоит в  том, что:

• все компьютеры имеют свои сетевые адреса;
• маркер передается между компьютерами согласно их номерам;
• маркер двигается от компьютера с меньшим номером к компьютеру с более высоким номером, хотя тот может находиться на другом конце сети;
• приемник, получив маркер, добавляет к нему свой пакет, который, дойдя до адресата, освобождает маркер.

Формат пакета ArcNet Plus имеет вид, представленный на рис. ниже.

Пакт передачи информации в ArcNet

Общее количество узлов: 255 - ArcNet; 2047 - Arc Net Plus. ArcNet - это одна из самых старых сетевых архитектур, реализованная недавно фирмой DataPoint в более современную ArcNet Plus. Однако на смену этим архитектурам приходят более современные и производительные. Одной из таких архитектур является FDDI.

3. Token Ring (Маркерное кольцо)

Данная сетевая  архитектура была разработана и  внедрена фирмой IBM еще в 1984 г. как  часть предложенного ею способа  объединить в сеть весь ряд выпускаемых IBM компьютеров: персональные компьютеры; средние ЭВМ и мейнфреймы. Разрабатывая эту технологию, IBM ставила задачу обеспечить простоту монтажа кабеля - витой пары - соединяющего компьютер с сетью через розетку. Token Ring является реализацией протокола физического уровня IEEE 802.5:

• физическая топология - "звезда";
• логическая топология - "кольцо";
• узкополосный тип передачи;
• скорость передачи 4 и 16 Мбит/с;
• соединение неэкранированной и экранированной витой пары;
• метод доступа - маркерное кольцо.

Формат кадра  имеет вид, представленный на рис. ниже.

Формат кадра, используемый в сетях Token Ring

Логическое  кольцо в этой сетевой архитектуре  организуется концентратором, который называется модулем множественного доступа (MSAU - MultyStation Access Unit) или интеллектуальным модулем множественного доступа (SMAU - Smart Multystation Access Unit). Кабели (витые пары) соединяют клиентов и серверов с MSAU, который работает по принципу других концентраторов.

При соединении компьютеров он включается в кольцо (рис. ниже). IBM MSAU имеет 10 портов соединения. К нему можно подключить до 8 компьютеров. Каждое кольцо может содержать до 33 концентраторов.

 
Логическое кольцо

Общее число  компьютеров - 72 при использовании UTP и 260 при использовании STP. Другие производители выпускают MSAU большей емкости (в зависимости от модели). Расширение логического кольца на базе концентраторов позволяет увеличить общее количество узлов в сети (рис. ниже).

 
Расширение логического кольца

При этом расстояние между концентраторами до 45м (152м), а каждая РС соединяется с MSAU: при UTP - сегментом до 45м; при STR - сегментом до 100м. Расстояние между MSAU можно увеличить до 365, установив репитер.

Известны две  модели сетевых плат на 4 и 16 Мбит/с. Платы на 16Мбит/с могут обеспечить передачу более длинных кадров, что  сокращает количество передач для  одного и того же объема данных.

Компьютер, который  первым начал работу, наделяется системой Token Ring особыми функциями. Этот компьютер:

• должен наблюдать за работой всей системы;
• осуществляет текущий ее контроль;
• проверяет корректность отправки и получения кадров;
• отслеживает кадры, проходящие по кольцу более одного раза;
• гарантирует, что в кольце одновременно находится лишь один маркер.