Компьютерные сети

 

 

 

     

 

 

 

 

 

 

[pic]

               Различные типы связей в первых  локальных сетях

            В  середине  80-х  годов  положение  дел  в  локальных  сетях  стало кардинально  меняться.  Утвердились   стандартные   технологии   объединения компьютеров в сеть -Ethernet,  Arcnet,  Token  Ring,  Token  Bus,  несколько позже — FDDI.  Мощным  стимулом  для  их  появления  послужили  персональные компьютеры.  Эти  массовые  продукты  явились  идеальными   элементами   для построения сетей — с одной стороны, они были достаточно мощными  для  работы сетевого  программного  обеспечения,  а  с  другой  —   явно   нуждались   в объединении своей вычислительной  мощности  для  решения  сложных  задач,  а также  разделения  дорогих  периферийных  устройств  и  дисковых   массивов. Поэтому персональные компьютеры стали преобладать в локальных сетях,  причем не только в  качестве  клиентских  компьютеров,  но  и  в  качестве  центров хранения и обработки данных, то  есть  сетевых  серверов,  потеснив  с  этих привычных ролей мини-компьютеры и мэйнфреймы.

     Все стандартные технологии  локальных  сетей  опирались  на  тот  же принцип  коммутации,  который  был  с  успехом  опробован  и  доказал   свои преимущества при передаче трафика данных в глобальных компьютерных  сетях  — принцип коммутации пакетов.

       Стандартные  сетевые  технологии   превратили   процесс   построения локальной сети из искусства в рутинную работу. Для создания сети  достаточно было  приобрести  сетевые  адаптеры  соответствующего  стандарта,   например Ethernet, стандартный кабель, присоединить адаптеры  к  кабелю  стандартными разъемами и установить на компьютер одну из популярных сетевых  операционных систем, например Novell  NetWare.  После  этого  сеть  начинала  работать  и последующее присоединение каждого  нового  компьютера  не  вызывало  никаких проблем — естественно, если на нем был установлен  сетевой  адаптер  той  же технологии.

     Разработчики локальных сетей привнесли много  нового  в  организацию работы пользователей. Так, намного проще и удобнее стало получать  доступ  к совместно  используемым  сетевым  ресурсам  —  в  отличие  от  глобальной  в локальной   сети   пользователь   освобождается   от   запоминания   сложных идентификаторов разделяемых ресурсов. Для этих целей  система  предоставляет ему список  ресурсов  в  удобной  для  восприятия  форме,  например  в  виде древовидной графической  структуры  («дерева»  ресурсов).  Еще  один  прием, рационализирующий работу пользователя в локальной сети, состоит в  том,  что после соединения с  удаленным  ресурсом  пользователь  получает  возможность

обращаться к нему с помощью  тех  же  команд,  которые  он  использовал  при работе с локальными ресурсами. Последствием и  одновременно  движущей  силой такого  прогресса  стало  появление   огромного   числа   непрофессиональных пользователей,  освобожденных  от  необходимости  изучать   специальные   (и достаточно сложные) команды для сетевой работы.

     Может возникнуть вопрос  —  почему  все  эти  удобства  пользователи получили только с приходом локальных сетей? Главным образом, это  связано  с использованием в локальных сетях  качественных  кабельных  линий  связи,  на которых  даже  сетевые  адаптеры  первого  поколения  обеспечивали  скорость передачи данных до 10  Мбит/с.  При  небольшой  протяженности,  свойственной локальным  сетям,  стоимость  таких  линий  связи  была  вполне  приемлемой. Поэтому экономное расходование пропускной способности каналов, которое  было одной из главных  целей  технологий  ранних  глобальных  сетей,  никогда  не выходило на первый план при разработке протоколов локальных сетей.  В  таких условиях  основным  механизмом  прозрачного  доступа  к   сетевым   ресурсам локальных сетей стали периодические широковещательные объявления серверов  о своих  ресурсах  и  услугах.  На  основании  таких   объявлений   клиентские компьютеры составляли списки имеющихся в сети ресурсов  и  предоставляли  их пользователю.

      Конец 90-х выявил явного лидера среди технологий локальных  сетей  — семейство Ethernet, в которое  вошли  классическая  технология  Ethernet  10 Мбит/с, а также Fast Ethernet 100 Мбит/с и  Gigabit  Ethernet  1000  Мбит/с. Простые  алгоритмы  работы  предопределили  низкую  стоимость   оборудования Ethernet. Широкий диапазон иерархии скоростей позволяет рационально  строить локальную сеть, применяя  ту  технологию  семейства,  которая  в  наибольшей степени отвечает задачам предприятия  и  потребностям  пользователей.  Важно также, что все технологии Ethernet очень близки друг к  другу  по  принципам работы, что упрощает обслуживание и интеграцию этих сетей.

 

 

 

  7.1. Ethernet

       Ethernet — это самый распространенный на сегодняшний  день  стандарт локальных сетей. Общее количество сетей, работающих по протоколу Ethernet  в настоящее время, оценивается в несколько миллионов.

     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.  Метод  доступа  был опробован еще раньше: во второй половине 60-х годов в  радиосети  Гавайского университета использовались различные варианты случайного  доступа  к  общей радиосреде, получившие общее название Aloha. В 1980 году фирмы DEC, Intel  и Xerox совместно разработали и опубликовали стандарт Ethernet версии  II  для сети, построенной на  основе  коаксиального  кабеля.  Эту  последнюю  версию фирменного  стандарта  Ethernet  называют  стандартом  Ethernet   DIX,   или Ethernet П.

       На основе стандарта Ethernet DIX был разработан стандарт IEEE 802.3, который  во  многом  совпадает  со  своим  предшественником,  но   некоторые различия все же имеются. В то время  как  в  стандарте  IEEE  802.3  функции протокола разделены на уровни MAC и LLC, в оригинальном  стандарте  Ethernet они объединены в единый  канальный  уровень. В  Ethernet  DIX  определяется протокол тестирования конфигурации (Ethernet Configuration  Test  Protocol), который отсутствует в IEEE 802.3. Несколько отличается и формат кадра,  хотя минимальные и максимальные  размеры  кадров  в  этих  стандартах  совпадают. Часто для того, чтобы  отличить  стандарт  Ethernet,  определенный  IEEE,  и фирменный стандарт Ethernet DIX, первый называют  технологией  802.3,  а  за фирменным  стандартом  оставляют  название   Ethernet   без   дополнительных обозначений.

      В зависимости от типа физической среды  стандарт  IEEE  802.3  имеет различные модификации - 10Base-5, 10Base-2, 10Base-T, 10Base-FL, lOBase-FB.

     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 — разделом 802.3и. Аналогично, принятый в 1998 году  стандарт  Gigabit Ethernet описан в разделе 802.3z основного документа.

      Для передачи  двоичной  информации  по  кабелю  для  всех  вариантов физического   уровня   технологии   Ethernet,   обеспечивающих    пропускную способность 10 Мбит/с, используется манчестерский код.  В  более  скоростных версиях  Ethernet  применяются  более   эффективные   в   отношении   полосы пропускания избыточные логические коды. Все виды стандартов Ethernet (в том числе Fast  Ethernet  и  Gigabit Ethernet) используют один и тот же метод разделения среды передачи данных  —    

 CSMA/CD.

      Рассмотрим, каким образом описанные выше  общие  подходы  к  решению наиболее важных проблем построения сетей  воплощены  в  наиболее  популярной сетевой технологии — Ethernet.

       Сетевая  технология — это согласованный набор стандартных  протоколов и  реализующих   их   программно-аппаратных  средств   (например,   сетевых адаптеров,  драйверов,  кабелей  и  разъемов),  достаточный  для  построения вычислительной сети. Эпитет «достаточный»  подчеркивает  то  обстоятельство, что этот набор представляет  собой  минимальный  набор  средств,  с  помощью которых можно построить  работоспособную  сеть.  Возможно,  эту  сеть  можно улучшить, например, за счет выделения в ней подсетей,  что  сразу  потребует кроме  протоколов  стандарта  Ethernet  применения  протокола  IP,  а  также специальных коммуникационных устройств —  маршрутизаторов.  Улучшенная  сеть будет,  скорее  всего,  более  надежной  и  быстродействующей,  но  за  счет надстроек над  средствами  технологии  Ethernet,  которая  составляет  базис сети.

      Термин «сетевая технология» чаще всего используется в описанном выше узком смысле, но иногда применяется и его расширенное толкование как  любого набора средств и правил для построения сети, например  «технология  сквозной маршрутизации», «технология создания защищенного  канала»,  «технология  IP- сетей».

      Протоколы, на основе которых строится сеть  определенной  технологии (в узком смысле), специально разрабатывались для совместной работы,  поэтому от разработчика сети не требуется дополнительных усилий  по  организации  их взаимодействия. Иногда сетевые технологии  называют  базовыми  технологиями, имея в виду то, что на  их  основе  строится  базис  любой  сети.  Примерами базовых сетевых технологий могут служить наряду с Ethernet  такие  известные технологии локальных сетей,  как  Token  Ring  и  FDDI,  или  же  технологии территориальных сетей Х.25 и  frame  relay.  Для  получения  работоспособной сети в этом случае достаточно приобрести программные и аппаратные  средства, относящиеся к одной базовой технологии  —  сетевые  адаптеры  с  драйверами, концентраторы, коммутаторы, кабельную систему и т. п., — и  соединить  их  в соответствии с требованиями стандарта на данную технологию.

     Основной принцип, положенный в основу Ethernet,  —  случайный  метод доступа к разделяемой среде передачи данных. В качестве  такой  среды  может использоваться  толстый  или  тонкий  коаксиальный   кабель,   витая   пара, оптоволокно или радиоволны (кстати, первой сетью,  построенной  на  принципе случайного доступа к разделяемой  среде,  была  радиосеть  Aloha  Гавайского университета).

       В стандарте  Ethernet строго  зафиксирована  топология  электрических связей.  Компьютеры  подключаются  к  разделяемой  среде  в  соответствии  с типовой структурой «общая шина».  С  помощью разделяемой  во  времени  шины любые два компьютера  могут  обмениваться  данными.  Управление  доступом  к линии  связи   осуществляется   специальными   контроллерами   --   сетевыми адаптерами  Ethernet.  Каждый  компьютер,  а более  точно,  каждый  сетевой адаптер, имеет уникальный адрес. Передача данных происходит со скоростью  10 Мбит/с. Эта величина является пропускной способностью сети Ethernet.

     

 

 

 

 

 

 

 

[рис.]

                 Сеть Ethernet

 

       Суть  случайного метода доступа состоит в следующем. Компьютер в сети Ethernet может передавать данные по сети,  только  если  сеть  свободна,  то есть если никакой другой компьютер в данный момент  не  занимается  обменом. Поэтому важной частью технологии  Ethernet  является  процедура  определения доступности среды.

      После того как компьютер убеждается, что сеть свободна, он  начинает передачу, при этом «захватывает»  среду.  Время  монопольного  использования разделяемой  среды  одним  узлом  ограничивается  временем  передачи  одного кадра. Кадр — это единица данных, которыми обмениваются  компьютеры  в  сети Ethernet. Кадр имеет фиксированный формат и наряду с полем  данных  содержит различную  служебную  информацию,  например   адрес   получателя   и   адрес отправителя.

     Сеть Ethernet устроена так, что при попадании  кадра  в  разделяемую среду передачи данных все сетевые адаптеры одновременно  начинают  принимать этот кадр. Все они анализируют адрес назначения, располагающийся в одном  из начальных полей кадра,  и,  если  этот  адрес  совпадает  с  их  собственным адресом, кадр  помещается  во  внутренний  буфер  сетевого  адаптера.  Таким образом компьютер-адресат получает предназначенные ему данные.

       Иногда  может возникать ситуация, когда одновременно  два  или  более компьютера решают, что сеть  свободна,  и  начинают  передавать  информацию. Такая  ситуация,  называемая  коллизией,  препятствует  правильной  передаче данных по сети. В стандарте Ethernet  предусмотрен  алгоритм  обнаружения  и корректной обработки коллизий. Вероятность  возникновения  коллизии  зависит от интенсивности сетевого трафика.

      После  обнаружения  коллизии  сетевые  адаптеры,  которые   пытались передать  свои  кадры,  прекращают  передачу   и   после   паузы   случайной длительности пытаются снова получить доступ к среде  и  передать  тот  кадр, который вызвал коллизию.

     Главным достоинством сетей Ethernet, благодаря  которому  они  стали такими  популярными,  является  их  экономичность.   Для   построения   сетидостаточно иметь по одному сетевому адаптеру для  каждого  компьютера  плюс один физический сегмент коаксиального кабеля нужной  длины.  Другие  базовые технологии, например Token Ring, для создания даже  небольшой  сети  требуют наличия дополнительного устройства — концентратора.

     Кроме  того,  в  сетях  Ethernet  реализованы   достаточно   простые алгоритмы доступа к среде,  адресации  и  передачи  данных.  Простая  логика работы  сети  ведет  к  упрощению  и,  соответственно,  удешевлению  сетевых адаптеров и их драйверов. По той же причине адаптеры сети Ethernet  обладают высокой надежностью.

      И,  наконец,  еще  одним  замечательным  свойством  сетей   Ethernet является их  хорошая  расширяемость,  то  есть  легкость  подключения  новых узлов.

      Другие базовые сетевые технологии -  Token  Ring,  FDDI,  —  хотя  и обладают многими индивидуальными чертами, в то же время  имеют  много  общих свойств  с  Ethernet.  В  первую  очередь  —   это   применение  регулярных фиксированных  топологий  (иерархическая   звезда   и   кольцо),   а   также разделяемых сред передачи данных. Существенные отличия одной  технологии  от другой связаны с особенностями используемого метода  доступа  к  разделяемой среде. Так, отличия технологии Ethernet от технологии Token Ring  во  многом определяются  спецификой  заложенных  в  них методов  разделения  среды   - случайного алгоритма доступа в Ethernet  и  метода  доступа  путем  передачи маркера в Token Ring.