Локальная вычислительная сеть

 

1.2 Технические средства  локально-вычислительных сетей

 

1.2.1 Модель взаимодействия OSI

Модель OSI (Open System Interconnect Reference Model, Эталонная модель взаимодействия открытых систем) представляет собой универсальный стандарт на взаимодействие двух систем (компьютеров) через вычислительную сеть.

Эта модель описывает функции семи иерархических уровней и интерфейсы взаимодействия между уровнями. Каждый уровень определяется сервисом, который он предоставляет вышестоящему уровню, и протоколом - набором правил и форматов данных для взаимодействия между собой объектов одного уровня, работающих на разных компьютерах.

Идея состоит в том, что вся сложная процедура сетевого взаимодействия может быть разбита на некоторое количество примитивов, последовательно выполняющихся объектами, соотнесенными с уровнями модели. Модель построена так, что объекты одного уровня двух взаимодействующих компьютеров сообщаются непосредственно друг с другом с помощью соответствующих протоколов, не зная, какие уровни лежат под ними и какие функции они выполняют. Задача объектов - предоставить через стандартизованный интерфейс определенный сервис вышестоящему уровню, воспользовавшись, если нужно, сервисом, который предоставляет данному объекту нижележащий уровень.

Например, некий процесс отправляет данные через сеть процессу, находящемуся на другом компьютере. Через стандартизованный интерфейс процесс-отправитель передает данные нижнему уровню, который предоставляет процессу сервис по пересылке данных, а процесс-получатель через такой же стандартизованный интерфейс получает эти данные от нижнего уровня. При этом ни один из процессов не знает и не имеет необходимости знать, как именно осуществляет передачу данных протокол нижнего уровня, сколько еще уровней находится под ним, какова физическая среда передачи данных и каким путем они движутся.

Эти процессы, с другой стороны, могут находиться не на самом верхнем уровне модели. Предположим, что они через стандартный интерфейс взаимодействуют с приложениями вышестоящего уровня и их задача (предоставляемый сервис) - преобразование данных, а именно фрагментация и сборка больших блоков данных, которые вышестоящие приложения отправляют друг другу. При этом сущность этих данных и их интерпретация для рассматриваемых процессов совершенно не важны.

Возможна также взаимозаменяемость объектов одного уровня (например, при изменении способа реализации сервиса) таким образом, что объект вышестоящего уровня не заметит подмены.

Вернемся к примеру: приложения не знают о том, что их данные преобразуются именно путем фрагментации/сборки, им достаточно знать то, что нижний уровень предоставляет им некий “правильный” сервис преобразования данных. Если же для какой-то другой сети понадобится не фрагментация/сборка пакетов, а, скажем, перестановка местами четных и нечетных бит, то процессы рассматриваемого уровня будут заменены, но приложения ничего не заметят, так как их интерфейсы с нижележащим уровнем стандартизованы, а конкретные действия нижележащих уровней скрыты от них.

Объекты, выполняющие функции уровней, могут быть реализованы в программном, программно-аппаратном или аппаратном виде. Как правило, чем ниже уровень, тем больше доля аппаратной части в его реализации.

Организация сетевого взаимодействия компьютеров, построенного на основе иерархических уровней, как описано выше, часто называется протокольным стеком.

Ниже перечислены (в направлении сверху вниз) уровни модели OSI и указаны их общие функции.

Уровень приложения (Application) - интерфейс с прикладными процессами.

Уровень представления (Presentation) - согласование представления (форматов, кодировок) данных прикладных процессов.

Сеансовый уровень (Session) - установление, поддержка и закрытие логического сеанса связи между удаленными процессами.

Транспортный уровень (Transport) - обеспечение безошибочного сквозного обмена потоками данных между процессами во время сеанса.

Сетевой уровень (Network) - фрагментация и сборка передаваемых транспортным уровнем данных, маршрутизация и продвижение их по сети от компьютера-отправителя к компьютеру-получателю.

Канальный уровень (Data Link) - управление каналом передачи данных, управление доступом к среде передачи, передача данных по каналу, обнаружение ошибок в канале и их коррекция.

Физический уровень (Physical) - физический интерфейс с каналом передачи данных, представление данных в виде физических сигналов и их кодирование (модуляция).

 

1.2.2 Базовые технологии локальных сетей

В 1995 году комитет IEEE принял спецификацию Fast Ethernet в качестве стандарта. Сетевой мир получил технологию, с одной стороны, решающую самую болезненную проблему- нехватку пропускной способности на нижнем уровне сети, а с другой стороны, очень легко внедряющуюся в существующие сети Ethernet.

Легкость внедрения Fast Ethernet объясняется следующими факторами:

- общий метод доступа позволяет использовать в сетевых адаптерах Fast Ethernet до 80% микросхем адаптеров Ethernet;

- драйверы также содержат большую часть кода для адаптеров Ethernet, а отличия вызваны новым методом кодирования данных на линии (4B/5B или 8B/6T) и наличием полнодуплексной версии протокола;

- формат кадра остался прежним, что дает возможность анализаторам протоколов применять к сегментам Fast Ethernet те же методы анализа, что и для сегментов Ethernet, лишь механически повысив скорость работы.

Отличия Fast Ethernet от Ethernet сосредоточены в основном на физическом уровне. Разработчики стандарта Fast Ethernet учли тенденции развития структурированных кабельных систем.

Они реализовали физический уровень для всех популярных типов кабелей, входящих в стандарты на структурированные (такие как EIA/TIA 568A) и реально выпускаемые кабельные системы.

Существует три варианта физического уровня Fast Ethernet:

- 100Ваsе-ТХ для двух парного кабеля на неэкранированной витой паре UTP Category 5 (или экранированной витой паре STP Туре1);

- 100Ваsе-Т4 для четырех парного кабеля на неэкранированной витой паре UTP Category 3,4,5;

- 100Ваsе-FХ для многомодового оптоволоконного кабеля.

При создании сегментов Fast Ethernet с разделяемой средой нужно использовать концентраторы. При этом максимальный диаметр сети колеблется от 136 до 205 метров, а количество концентраторов в сегменте ограничено одним или двумя, в зависимости от их типа.

При использовании двух концентраторов расстояние между ними не может превышать 5—10 метров. Так что существование 2-х устройств мало что дает, кроме увеличения количества портов - расстояние между компьютерами сегмента от добавления второго концентратора практически не изменяется.

В разделяемом сегменте Fast Ethernet нет возможности обеспечить какие-либо преимущества при обслуживании трафика приложений реального времени. Любой кадр получает равные шансы захватить среду передачи данных в соответствии с логикой алгоритма CSMA/CD.

Коммутируемый вариант Fast Ethernet позволяет увеличить связи между узлами, работающими в полнодуплексном режиме и использующими многомодовый оптоволоконный кабель, до 2 км.

У технологии Fast Ethernet есть несколько ключевых свойств, которые определяют области и ситуации ее эффективного применения.

К этим свойствам относятся:

- большая степень преемственности по отношению к классическому 10-мегабитному Ethernet;

- высокая скорость передачи данных - 100 Мбит/с;

- возможность работать на всех основных типах современной кабельной проводки – UTP Category 5, UTP Category 3, STP Tуре 1, многомодовом оптоволокне.

Наличие многих общих черт у технологий Fast Ethernet и Ethernet дает простую общую рекомендацию. Fast Ethernet, следует применять в тех организациях и в тех частях сетей, где до этого широко применялся 10-мегабитный Ethernet. Однако сегодняшние условия или же ближайшие перспективы требуют более высокой пропускной способности в таких частях сетей. При этом сохраняется весь опыт обслуживающего персонала, привыкшего к особенностям и типичным неисправностям сетей Ethernet. Кроме того, можно по-прежнему использовать средства анализа протоколов, работающие с агентами MIB-II, RMON MIB и привычными форматами кадров.

В семействе Ethernet технология Fast Ethernet занимает промежуточное положение между Ethernet 10 Мбит/с и Gigabit Ethernet.

Поэтому в крупной локальной сети, в которой оправдано создание трех уровней иерархии сетевых устройств, технологии Fast Ethernet отведен средний уровень - сетей отделов. Но это, конечно, не исключает ее применения и на нижних этажах, в сетях рабочих групп, причем не только для подключения серверов, но и быстрых рабочих станций.

При использовании агрегированных транковых соединений, обеспечивающих скорости N x 100 Мбит/с, технология Fast Ethernet может применяться и для создания магистральных связей в сетях масштаба здания и даже кампуса.

Что же касается разделяемых сегментов Fast Ethernet, то они конкурируют по стоимости и возможностям с коммутируемыми сегментами Ethernet 10 Мбит/с. При наличии 10 рабочих станций в сегменте и в том, и в другом случаях каждой рабочей станции достается в среднем по 10 Мбит/с.

Преимущественная область применения разделяемых сегментов Fast Ethernet достаточно ясна.

Это объединение близко расположенных друг от друга компьютеров, трафик которых имеет ярко выраженный пульсирующий характер с большими, но редкими всплесками.

Большие всплески хорошо передаются незагруженным каналом 100 Мбит/с, а редкое их возникновение приводит к возможности совместного использования канала без частого возникновения коллизий. Типичным примером такого трафика является трафик файлового сервиса, электронной почты, сервиса печати, Коммутируемые сегменты Ethernet 10 Мбит/с могут предоставить каждому узлу гарантированные 10 Мбит/с, но не больше. Так что для тех случаев, когда важно изредка предоставлять конечному узлу больше 10 Мбит/с, разделяемые сегменты Fast Ethernet оказываются предпочтительным решением.

Выходит, что переход от технологии Ethernet 10 Мбит/с к технологии Fast Ethernet 100 Мбит/с все таки необходим.

Сеть Arcnet (или ARCnet от английского Attached Resource Computer Net, компьютерная сеть соединенных ресурсов) – это одна из старейших сетей. Она была разработана компанией Datapoint Corporation еще в 1977 году. Международные стандарты на эту сеть отсутствуют, хотя именно она считается родоначальницей метода маркерного доступа. Несмотря на отсутствие стандартов, сеть Arcnet до недавнего времени (в 1980 – 1990 г.г.) пользовалась популярностью, даже серьезно конкурировала с Ethernet. Большое количество компаний (например, Datapoint, Standard Microsystems, Xircom и др.) производили аппаратуру для сети этого типа. Но сейчас производство аппаратуры Arcnet практически прекращено.

Среди основных достоинств сети Arcnet по сравнению с Ethernet можно назвать ограниченную величину времени доступа, высокую надежность связи, простоту диагностики, а также сравнительно низкую стоимость адаптеров. К наиболее существенным недостаткам сети относятся низкая скорость передачи информации (2,5 Мбит/с), система адресации и формат пакета.

Для передачи информации в сети Arcnet используется довольно редкий код, в котором логической единице соответствует два импульса в течение битового интервала, а логическому нулю – один импульс. Очевидно, что это самосинхронизирующийся код, который требует еще большей пропускной способности кабеля, чем даже манчестерский.

В качестве среды передачи в сети используется коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 93 Ом, к примеру, марки RG-62A/U. Варианты с витой парой (экранированной и неэкранированной) не получили широкого распространения. Были предложены и варианты на оптоволоконном кабеле, но и они также не спасли Arcnet.

В качестве топологии сеть Arcnet использует классическую шину (Arcnet-BUS), а также пассивную звезду (Arcnet-STAR). В звезде применяются концентраторы (хабы). Возможно объединение с помощью концентраторов шинных и звездных сегментов в древовидную топологию (как и в Ethernet). Главное ограничение – в топологии не должно быть замкнутых путей (петель). Еще одно ограничение: количество сегментов, соединенных последовательной цепочкой с помощью концентраторов, не должно превышать трех.

Концентраторы бывают двух видов:

- Активные концентраторы (восстанавливают форму приходящих сигналов и усиливают их). Количество портов – от 4 до 64. Активные концентраторы могут соединяться между собой (каскадироваться).

- Пассивные концентраторы (просто смешивают приходящие сигналы без усиления). Количество портов – 4. Пассивные концентраторы не могут соединяться между собой. Они могут связывать только активные концентраторы и/или сетевые адаптеры.

- Шинные сегменты могут подключаться только к активным концентраторам.

Сетевые адаптеры также бывают двух видов:

- Высокоимпедансные (Bus), предназначенные для использования в шинных сегментах;

- Низкоимпедансные (Star), предназначенные для использования в пассивной звезде.

Низкоимпедансные адаптеры отличаются от высокоимпедансных тем, что они содержат в своем составе согласующие 93-омные терминаторы. При их применении внешнее согласование не требуется. В шинных сегментах низкоимпедансные адаптеры могут использоваться как оконечные для согласования шины. Высокоимпедансные адаптеры требуют применения внешних 93-омных терминаторов. Некоторые сетевые адаптеры имеют возможность переключения из высокоимпедансного состояния в низкоимпедансное, они могут работать и в шине, и в звезде.

Основные технические характеристики сети Arcnet следующие.

- Среда передачи – коаксиальный кабель, витая пара.

- Максимальная длина сети – 6 километров.

- Максимальная длина кабеля от абонента до пассивного концентратора – 30 метров.

- Максимальная длина кабеля от абонента до активного концентратора – 600 метров.

- Максимальная длина кабеля между активным и пассивным концентраторами – 30 м.

- Максимальная длина кабеля между активными концентраторами – 600 метров.

- Максимальное количество абонентов в сети – 255.

- Максимальное количество абонентов на шинном сегменте – 8.

- Минимальное расстояние между абонентами в шине – 1 метр.

- Максимальная длина шинного сегмента – 300 метров.

- Скорость передачи данных – 2,5 Мбит/с.

При создании сложных топологий необходимо следить за тем, чтобы задержка распространения сигналов в сети между абонентами не превышала 30 мкс. Максимальное затухание сигнала в кабеле на частоте 5 МГц не должно превышать 11 дБ.