Архитектуры или технологии локальных сетей можно разделить на два поколения. К первому поколению относятся архитектуры, обеспечивающие низкую и среднюю скорость передачи информации: Ethernet 10 Мбит/с), Token Ring (16 Мбит/с) и ARC net (2,5 Мбит/с).

Для передачи данных эти технологии используют кабели с медной жилой. Ко второму поколению технологий относятся современные высокоскоростные архитектуры: FDDI (100 Мбит/с), АТМ (155 Мбит/с) и модернизированные версии архитектур первого поколения (Ethernet): Fast Ethernet (100 Мбит/с) и Gigabit Ethernet (1000 Мбит/с). Усовершенствованные варианты архитектур первого поколения рассчитаны как на применение кабелей с медными жилами, так и на волоконно-оптические линии передачи данных. Новые технологии (FDDI и ATM) ориентированы на применение волоконно-оптических линий передачи данных и могут использоваться для одновременной передачи информации различных типов (видеоизображения, голоса и данных). Сетевая технология – это минимальный набор стандартных протоколов и реализующих их программно-аппаратных средств, достаточный для построения вычислительной сети. Сетевые технологии называют базовыми технологиями. В настоящее время насчитывается огромное количество сетей, имеющих различные уровни стандартизации, но широкое распространение получили такие известные технологии, как Ethernet, Token-Ring, Arcnet, FDDI.

Методы доступа к сети

Ethernet является методом множественного доступа с прослушиванием несущей и разрешением коллизий (конфликтов). Перед началом передачи каждая рабочая станция определяет, свободен канал или занят. Если канал свободен, станция начинает передачу данных. Реально конфликты приводят к снижению быстродействия сети только в том случае, когда работают 80–100 станций. Метод доступа Arcnet . Этот метод доступа получил широкое распространение в основном благодаря тому, что оборудование Arcnet дешевле, чем оборудование Ethernet или Token -Ring. Arcnet используется в локальных сетях с топологией «звезда». Один из компьютеров создает специальный маркер (специальное сообщение), который последовательно передается от одного компьютера к другому. Если станция должна передать сообщение, она, получив маркер, формирует пакет, дополненный адресами отправителя и назначения. Когда пакет доходит до станции назначения, сообщение «отцепляется» от маркера и передается станции. Метод доступа Token Ring . Этот метод разработан фирмой IBM; он рассчитан па кольцевую топологию сети. Данный метод напоминает Arcnet, так как тоже использует маркер, передаваемый от одной станции к другой. В отличие от Arcnet при методе доступа Token Ring предусмотрена возможность назначать разные приоритеты разным рабочим станциям.

Базовые технологии лвс

Технология Ethernet сейчас наиболее популярна в мире. В классической 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. Применяются топологии типа “шина” и типа “пассивная звезда”. Стандарт определяет четыре основных типа среды передачи.

 10BASE5 (толстый коаксиальный кабель);

 10BASE2 (тонкий коаксиальный кабель);

 10BASE-T (витая пара);

 10BASE-F (оптоволоконный кабель).

Fast Ethernet – высокоскоростная разновидность сети Ethernet, обеспечивающая скорость передачи 100 Мбит/с. Сети Fast Ethernet совместимы с сетями, выполненными по стандарту Ethernet. Основная топология сети Fast Ethernet - пассивная звезда.

Стандарт определяет три типа среды передачи для Fast Ethernet:

 100BASE-T4 (счетверенная витая пара);

 100BASE-TX (сдвоенная витая пара);

 100BASE-FX (оптоволоконный кабель).

Gigabit Ethernet – высокоскоростная разновидность сети Ethernet, обеспечивающая скорость передачи 1000 Мбит/с. Стандарт сети Gigabit Ethernet в настоящее время включает в себя следующие типы среды передачи:

 1000BASE-SX – сегмент на мультимодовом оптоволоконном кабеле с длиной волны светового сигнала 850 нм.

 1000BASE-LX – сегмент на мультимодовом и одномодовом оптоволоконном кабеле с длиной волны светового сигнала 1300 нм.

 1000BASE-CX – сегмент на электрическом кабеле (экранированная витая пара).

 1000BASE-T – сегмент на электрическом кабеле (счетверенная неэкранированная витая пара).

В связи с тем, что сети совместимы, легко и просто соединять сегменты Ethernet, Fast Ethernet и Gigabit Ethernet в единую сеть.

Сеть Token-Ring предложена фирмой IBM. Token-Ring предназначалась для объединение в сеть всех типов компьютеров, выпускаемых IBM (от персональных до больших). Сеть Token-Ring имеет звездно-кольцевую топологию. Сеть Arcnet - это одна из старейших сетей. В качестве топологии сеть Arcnet использует “шину” и “пассивную звезду”. Сеть Arcnet пользовалась большой популярностью. Среди основных достоинств сети Arcnet можно назвать высокую надежность, низкую стоимость адаптеров и гибкость. Основным недостаткам сети является низкая скорость передачи информации (2,5 Мбит/с). FDDI (Fiber Distributed Data Interface) – стандартизованная спецификация для сетевой архитектуры высокоскоростной передачи данных по оптоволоконным линиям. Скорость передачи – 100 Мбит/с. Основные технические характеристики сети FDDI следующие:

 Максимальное количество абонентов сети – 1000.

 Максимальная протяженность кольца сети – 20 км

 Максимальное расстояние между абонентами сети – 2 км.

 Среда передачи – оптоволоконный кабель

 Meтод доступа – маркерный.

 Скорость передачи информации – 100 Мбит/с.

При проектировании ЛВС основная роль отводится протоколам физического и канального уровней модели OSI. Канальный уровень разделяют на два подуровня:

· логической передачи данных (Logical Link Control – LLC) – организует передачу кадров данных с различной степенью надежности;

· управления доступом к сети (Media Access Control – MAC) – обеспечивает корректное использование общей среды передачи данных.

В феврале 1980 г. в институте IEEE (институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике) организован комитет 802 по стандартизации ЛВС (отсюда и число 802 в названии). Принято семейство стандартов IEEE 802.X : 802.1 – 802.12. Стандарты 802.3, 802.4, 802.5, 802.12 прямо относятся к подуровню MAC канального уровня модели OSI. Остальные решают общие вопросы сетей.

Технология Ethernet – самая распространенная технология локальных сетей. Появилась в 1972 г. (разработчик – фирма Xerox). В 1980 г. ее поддержали фирмы DЕС и Intel (объединение назвали DIX по первым буквам). Нe отличалась рекордными характеристиками и оптимальными алгоритмами, но благодаря мощной поддержке, высочайшему уровню стандартизации, огромным объемам выпуска технических средств вытеснила все остальные технологии.

Семейство технологий включает фирменные и стандартные варианты:

· стандарт Ethernet DIX (фирмы DEC, Intel, Xerox);

· 10-мегабитные варианты стандарта IEEE 802.3;

· высокоскоростные технологии Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, 10 Gigabit Ethernet.

Все стандарты Ethernet используют метод случайного доступа CSMA/CD (метод коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий). Метод применяется в сетях с логической топологией общая шина. Для передачи кадра, станция должна убедиться, что разделяемая среда свободна (отсутствует несущая частота). Если среда свободна, узел начинает передачу кадра (захватывает среду). Время монопольного использования среды узлом ограничено временем передачи одного кадра.

При попадании кадра в разделяемую среду все станции одновременно начинают принимать его и анализируют адрес назначения. Станция, узнавшая свой адрес, записывает содержимое во внутренний буфер сетевого адаптера, обрабатывает полученные данные и посылает по кабелю кадр-ответ.

Коллизия – ситуация, когда две или более станции одновременно решают, что среда свободна, и начинают передавать свои кадры. Содержимое кадров сталкивается и информация искажается. При обнаружении коллизии станции прекращают передачу и после паузы случайной длительности пытаются снова получить доступ к среде.

Для сети Ethernet, работающей на скорости 10 Мбит/с, стандарт определял четыре основных типа среды передачи информации:

· 10 BASE-5 (толстый коаксиальный кабель);

· 10 BASE-2 (тонкий коаксиальный кабель);

· 10 BASE-T (витая пара);

· 10 BASE-FL (оптоволоконный кабель).

Цифра «10» означает скорость передачи 10 Мбит/с, слово «BASE» – передачу в основной полосе частот (без модуляции высокочастотного сигнала), последний элемент – допустимую длину сегмента или тип линии связи. Сеть стандарта 10 Base-2 показана на рисунке.

Cеть Ethernet на базе витой пары развивается с 1990 г. и сегодня наиболее распространена. Передача сигналов осуществляется по двум витым парам, каждая из которых передает только в одну сторону (одна пара – передающая, другая – принимающая). Каждый из абонентов сети присоединяется кабелем, содержащим двойные витые пары, к концентратору. Концентратор производит смешение сигналов от абонентов для обеспечения метода доступа CSMA/CD.

Длина кабеля между адаптером и концентратором не должна превышать 100 м (на длине 100 м витая пара позволяет передавать данные со скоростью 10 Мбит/с при использовании «манчестерского» кода). Кабели присоединяются 8-контактными разъемами RJ-45 (используются четыре контакта). Объединить в сеть два компьютера можно без концентратора, применив специальный «перекрестный» кабель (crossover саblе), соединяющий передающие контакты одного разъема RJ-45 с приемными контактами другого разъема RJ-45 и наоборот.

Концентратор (хаб) повторяет сигналы на всех отрезках витых пар, подключенных к его портам. Образуется логическая общая шина. Концентраторы соединяются друг с другом с помощью тех же портов. В стандарте определено «правило 4-х хабов» : максимальное число концентраторов между любыми двумя станциями сети – 4 (максимальный диаметр сети – 500 м).

Сеть Ethernet на оптоволоконном кабеле состоит из тех же элементов, что и сеть 10 Base-T (сетевые адаптеры, многопортовые повторители, отрезки кабеля). Используются два оптоволокна – одно соединяет выход адаптера со входом повторителя, а другое – вход адаптера с выходом повторителя:

· Стандарт FOIRL (Fiber Optic Inter-Repeater Link) гарантирует длину связи между повторителями до 1000 м при общей длине сети до 2500 м.

· Стандарт 10 Base-FL – улучшение стандарта FOIRL. Увеличена мощность передатчиков. Максимальное расстояние между узлом и концентратором – 2000 м, максимальная длина сети – 2500 м.

Технология Fast Ethernet (1995 г.) – составная часть стандарта IEEE 802.3 (IEEE 802.3u). Более быстрая версия Ethernet, использующую тот же метод доступа CSMA/CD, но работающую на скорости 100 Мбит/с. Сохраняется формат кадра, принятый в классической версии Ethernet. Отличия только на физическом уровне (другой способ кодирования, избыточный код 4В/5В). Физическая топология «шина» не предусмотрена.

Механизм автоматического определения скорости передачи позволяет сетевым адаптерам Fast Ethernet автоматически переключаться со скорости 10 Мбит/с на скорость 100 Мбит/с и наоборот.

Более высокая пропускная способность среды передачи позволила резко снизить нагрузку на сеть и уменьшить вероятность возникновения коллизий.

Стандарт определяет следующие спецификации Fast Ethernet:

· 100 Base-FX – передача ведется со скоростью 100 Мбит/с по двум волоконно-оптическим кабелям;

· 100 Base-T4 – передача ведется со скоростью 100 Мбит/с по четырем витым парам электрических проводов (кабель категории 3) – промежуточный компромиссный вариант, не нашедший широкого применения;

· 100 Base-TX – передача ведется со скоростью 100 Мбит/с по двум витым парам электрических проводов (кабель категории 5).

Вариант 100 Base-FX определяет в качестве среды передачи многомодовый оптический кабель и волну 850 нм, что обеспечивает связь между портами двух коммутаторов или маршрутизаторов на расстоянии до 2000 м. Одномодовый оптический кабель в стандарте не описывается, но на рынке можно найти оборудование Fast Ethernet, работающее и на таком типе кабеля (максимальная длина одного сегмента ка­беля – до нескольких десятков километров).

Применение волоконно-оптического кабеля и в этом случае позволяет существенно увеличить протяженность сети, а также избавиться от электрических наводок и повысить секретность передаваемой информации. Максимальная длина кабеля между компьютером и концентратором может составлять до 400 м, причем это ограничение определяется временными соотношениями. Согласно стандарту, следует применять мультимодовый волоконно-оптический кабель.

Вариант 100 Base-TX по схеме объединения компьютеров не отличается от 10 Base-T. Длина кабеля также не может превышать 100 м, но кабель должен быть более качественным. Если для 10 Base-T предельная длина кабеля в 100 м ограничена только качеством кабеля и может быть увеличена при использовании более качественного кабеля, то в случае 100 Base-TX предельная длина ограничена временными соотношениями обмена и не может быть увеличена.

Высокоскоростная технология Gigabit Ethernet (1998 г.). После появления Fast Ethernet сете­вые интеграторы и администраторы при построении корпоративных сетей почувствовали ограничения. Серверы, под­ключенные по 100-мегабитному каналу, перегружали сетевые магистрали, также работающие на скорости 100 Мбит/с. Ощуща­лась потребность в следующем уровне скорости. Летом 1996 г. объявлено о начале разработки протокола, в максимальной степени подобного Ethernet, но с битовой скоростью 1000 Мбит/с. Проблем­ная группа IEEE 802.3 ab справилась с задачей, и версия Gigabit Ethernetдля витой пары категории 5 была принята.

Технология позволяет строить крупные локальные сети, в которых мощные серверы и магистрали нижних уровней сети работают на скорости 100 Мбит/с, а магистраль Gigabit Ethernet объединяет их.

Сохранена преемственность с технологиями Ethernet к Fast Ethernet. Поддерживается тот же метод доступа CSMA/CD с минимальными изменениями, те же форматы кадров. Работа в полнодуплексном и полудуплексномрежимах.

Номенклатура сегментов сети Gigabit Ethernet включает типы:

· 1000 BASE-SX – сегмент на многомодовом оптоволоконном кабеле с длиной волны светового сигнала 850 нм (до 500 м);

· 1000 BASE-LX – сегмент на многомодовом (до 500 м) и одномодовом (до нескольких десятков км) оптоволоконном кабеле с длиной волны 1300 нм;

· 1000 BASE-CХ – формально вернул коаксиальный кабель в состав поддер­живаемых сред передачи данных, но на практике этот вариант с макси­мальной длиной сегмента 25 м используется редко;

· 1000 BASE-T – сегмент на счетверенной неэкранированной витой паре категорий 5 и 6 (длиной до 100 м); данные передаются параллельно по всем 4 парам со скоростью 250 Мбит/с по каждой; передача в дуп­лексном режиме.

Gigabit Ethernet поддерживает процедуру автопереговоров. Для удобства перехода с одной среды передачи данных на другую порты имеют сменные приемопередатчики, так называемые мо­дули GBIC(Gigabit Interface Converter - конвертор гигабитного интер­фейса). Используя их, один и тот же порт Gigabit Ethernet может работать с любой из стандартных сред, для этого нужно приобрести и установить соответствующий кабелю модуль GBIC.

Стандарт 10G Ethernet – самый скоростной вариант технологии Ethernet. Первый стандарт Ethernet, ко­торый не работает на разделяемой среде даже теоретически. Это первый стандарт Ethernet, который включает спецификации физического уровня, совместимые со стандартами глобальных сетей (сетей SDH).

Стандарт 10G Ethernet включает большое число специфи­каций физического уровня. Первая группа спецификаций, рассчитан­ная на использование оптического волокна, принята в 2002 г. После этого работы продолжались, и в 2006 г. принята спецификация, описывающая функционирование 10G Ethernet на витой паре.

Существует три группы физических интерфейсов стандарта 10G Ethernet:

· 10G Base-T – принят в 2006 г., дает возможность использовать кабели на витой паре категории 6 или 6а (в первом случае максимальная длина кабеля не должна превы­шать 55 м, во втором – 100 м);

· 10G Base-R – работает на оптическом кабеле, включает спецификации 10G Base-RS, 10G Base-RL, 10G Base-RE;

· 10G Base-W – работает на оптическом кабеле, включает спецификации 10G Base-WS, 10G Base-WL, 10G Base-WE.

Первые две группы относятся к варианту 10G Ethernet для локальных сетей , последняя – к варианту для глобальных сетей .

В версиях для локальных сетей использу­ются стандартные кадры Ethernet и обеспечивается скорость пере­дачи данных 10 Гбит/с. Версии 10G Ethernet для глобальных сетей разрабо­таны в расчете на первичные сети SDH и поддерживают скорость передачи и формат данных, совместимые с интерфейсом сетей SDH. Эф­фективная скорость передачи данных спецификаций для глобальных сетей ниже 10 Гбит/с (9,58464 Гбит/с), т. к. часть пропуск­ной способности тратится на заголовки кадров SDH. Поэтому интерфейсы этой группы могут взаимодействовать только между собой (соединение 10G Base-R и 10G Base-W невозможно).

В каждой из групп 10G Base-W и 10G Base-R, которые работают на оптическом кабеле , может быть три варианта спецификаций: S, L и Е (в зависимости от используемого диапазона волн: 850, 1310 или 1550 нм). Таким образом, существуют интерфейсы 10G Base-WS, 10G Base-WL, 10G Base-WE, а также 10G Base-RS, l0G Base-RL и l0G Base-RE. Каждый из них передает информацию с помощью одной волнысоответствующего диапазона.

Спецификации S рассчитаны на многомодовый оптический кабель длиной до 300 м в зависимости от качества кабеля. Спецификации L рассчитаны на одномодовый кабель и в зависимости от его качества допускают расстоя­ния до 25 км. Спецификации Е обеспечивают передачу данных на расстояния до 40 км. Это позволяет стро­ить не только локальные, но и глобальные сети.

Стандарт 10G Ethernet является развивающейся технологией, так что можно ожидать появление его новых спецификаций. В настоящее время ведется ра­бота над двумя новыми стандартами Ethernet: 40G и 100G, которые должны найти свое применение на магистралях крупных сетей.

Технология Token Ring (802.5) развивалась компанией IBM с1984 г. Разделяемая среда передачи данных состоит из отрезков кабеля; соединяющих все станции сети в кольцо. Для доступа используется детерминированныйалгоритм , основанный на передаче станциям права на использование кольца.

Маркер (токен) – кадр специального формата, циркулирующий по кольцу. При отсутствии данных для передачи станция обеспечивает его продвижение далее. Станция, имеющая данные для передачи, изымает маркер из кольца и выдает в кольцо кадр данных. Переданные данные проходят по кольцу всегда в одном направлении. Кадр снабжен адресом назначения и адресом источника. Все станции кольца ретранслируют кадр побитно как повторители.

При проходе кадра через станцию назначения, она копирует кадр в свой внутренний буфер и вставляет в кадр признак подтверждения приема. Станция-передатчик получив обратно свой кадр с подтверждением приема изымает этот кадр из кольца и передает в сеть новый маркер.

Такой алгоритм доступа применяется в сетях Token Ring со скоростью работы 4 Мбит/с. В сетях Token Ring 16 Мбит/с используется алгоритм раннего освобождения маркера . Станция передает маркер следующей станции сразу же после окончания передачи последнего бита кадра, не дожидаясь возвращения по кольцу этого кадра с битом подтверждения приема.

В общем случае сеть Token Ring имеет комбинированную звездно-кольцевую конфигурацию. Отдельные компьютеры присоединяются к сети через специальные концентраторы или многостанционные устройства доступа (MSAU или MAU – Multistation Access Unit) по топологии «звезда».

Для присоединения кабеля к концентратору применяются специальные разъемы, обеспечивающие постоянство замкнутости кольца даже при отключении абонента. Концентратор может быть один, в кольцозамыкаются его абоненты.

Несколько концентраторов могут конструктивно объединяться в кластер, внутри которого абоненты также соединенывединое кольцо.

Основные характеристики сети Token-Ring (неэкранир. витая пара):

· максимальное количество концентраторов MAU – 12;

· максимальное количество абонентов в сети – 96;

· максим. длина кабеля между абонентом и концентратором – 45 м;

· максимальная длина кабеля между концентраторами – 45 м.;

· максим. длина кабеля, соединяющего все концентраторы - 120 м;

· скорости передачи данных – 4 Мбит/с и 16 Мбит/с.

Технология Token Ring обладает элементами отказоустойчивости . Одна из станций (активный монитор) непрерывно контролирует наличие маркера, а также время оборота маркера и кадров данных. При некорректной работе кольца запускается процедура его повторной инициализации.

Технология FDDI (Fiber Distributed Data Interface – оптоволоконный интерфейс распределенных данных) первой использовала волоконно-оптический кабель в локальных сетях и работу на скорости 100 Мбит/с. Для нее характерны кольцевая топология и маркерный метод доступа.

Сеть строится на основе двух колец . В нормальном режиме вторичное кольцо не используется. При обрыве кабеля или отказе узла первичное кольцо объединяется со вторичным (Wrap – свертывание). При множественных отказах сеть распадается на несколько несвязанных сетей.

Основные преимущества сети FDDI:

· высокая помехозащищенность;

· максимальная секретность передачи информации

· высокая скорость передачи;

· передача данных на расстояние нескольких километров без ретрансляции.

Основные технические характеристики сети FDDI:

· максимальное количество абонентов сети – 1000;

· максимальная протяженность кольца сети ~ 20 км;

· максимальное расстояние между абонентами сети – 2 км;

· среда передачи – многомодовый оптоволоконный кабель;

· метод доступа – маркерный (IEEE 802.5);

· скорость передачи – 100 Мбит/с (200 Мбит/с в дуплексном режиме).

Применяется звездно-кольцевая топология с концентраторами. Стандарт предусматривает два типа абонентов.

Абоненты класса А подключаются к обоим кольцам. Аппаратура используется в самых критичных частях сети. Абоненты класса В подключаются только к внешнему кольцу сети. Они проще и дешевле, чем компьютеры класса А.

Сеть FDDI не получила широкого распространения, что связано с высокой стоимостью аппаратуры. Область применения – базовые, опорные сети, объединяющие несколько сетей, соединение мощных серверов, требующих высокоскоростного обмена.

7. Беспроводные локальные сети

Wi-Fi – аббревиатура, обозначающая устройства для построения беспроводных локальных сетей WLAN (Wireless Local Area Network). Сокращение от Wireless Fidelity («беспроводная приверженность»), по аналогии с используемым на аудио-рынке термином Hi-Fi (High Fidelity). В основе технологий WLAN лежит принцип радиосвязи между узлами сети (сигнал распространяется с помощью электромагнитных волн высокой частоты).

Беспроводные локальные сетив некоторых случаях являются предпочтительным по сравнению с проводной сетью решением, а иногда просто единственно возможным. Примеры популярных областей применения WLAN:

· организация «кочевого» доступа в аэропортах и вокзалах;

· создание временных локальных сетей (при проведении конфе­ренций);

· реализация доступа в Интернет в жилых домах и квартирах;

· обеспечение мобильного доступа в пределах нескольких помещений или зданий, что актуально, например, для больниц.

За преимущества беспроводных сетей приходится расплачиваться множеством проблем, связанных с неустойчивой и непредска­зуемой беспроводной средой. Помехи от бытовых приборов, телекоммуникационных систем, атмосферные помехи, отражения сигнала создают трудности для надежного обмена.

Распространение радио­сигнала внутри здания подвержено влиянию многих факторов. Неравномерное распределение интенсивности сигнала приводит и к неопределенности зоны покрытия беспроводной локальной сети.

В связи с этим в WLAN применяются сложные методы кодирования, кото­рые помогают снизить влияние помех на полезный сигнал, кроме того, в бес­проводных сетях широко используются методы прямой коррекции ошибок (Forward Error Control, FEC) и протоколы с повторной передачей потерян­ных кадров.

В 1990 г. комитет IEEE 802 сформировал рабо­чую группу по стандартам беспроводных локальных сетей 802.11. Первый стандарт 802.11 (1997 г.) определял три метода передачи на физическом уровне:

· метод инфракрасной передачи (непопулярен из-за низкой пропускной способности и потому, что солнечный свет может искажать сигналы);

· два метода радиосвязи небольшого радиуса действия (в радиодиапазонах 2,4 ГГц и 915 МГц);

Стандарты работают на частотах, признанных в США, Европы и Японии частотамидля нелицензируемых радиоопераций . Маломощный сигнал позволяет уменьшить количество конфликтов между передатчиками. Для сетей, работающих на частоте 2,4 ГГц, определены скорости доступа 1 и 2 Мбит/с. Новая технология, многое перенявшая из Ethernet, названа Radio Ethernet.

Стандарт 802.11 определяет две составные части оборудова­ния:

· беспроводная станция (ПК с сетевым радиоадаптером или некомпьютерные клиенты – мобильные теле­фоны, поддерживающие стандарт);

· точка доступа (АР – Access Point), действующая как мост между беспроводными и проводными сетями.

Точка доступа включает прие­мопередатчик, сетевой интерфейс и ПО. Действует как базовая станция , осуществляя доступ беспроводных станций к проводной сети. В точке доступа полученные сообщения преобразуются в формат, понятный для обычной сети. Чем больше точек доступа, тем шире область действия WLAN и больше количество пользователей. Одна точка доступа поддерживает работу 10 – 20 клиентов (не удаляются более чем на 100 м).

Для расширения беспроводной части сети можно воспользоваться несколькими точками доступа или установить точку расширения (Extension Point) – беспроводной повторитель между беспроводными клиентами и точкой доступа.

Сетевой радиоадаптер – беспроводной сетевой адаптер, позволяющий компьютерам и другому оборудованию связываться с точками доступа. Представляет собой PCMCIA-карту или внешнее устройство, подключаемое через USB.

Дополнительные устройства:

· конвертеры интерфейсов (Wireless PCMCIA/PCI и PCMCIA/ISA) – предназначены для установки сетевого радиоадаптера в стационарные ПК;

· радиомосты, шлюзы, беспроводные принт-серверы, радиомаршрутизаторы.

Стандарт 802.11 определяет два режима работы:

· инфраструк­турный (infrastructure mode);

· специальный (ad hoc mode).

В ин­фраструктурном режиме WLAN состоит из одной и более точек доступа, связанных с проводной сетевой ин­фраструктурой и набора беспроводных конечных станций. Эту конфигурацию называют основным сервисным набором (BSS – Basic Service Set). Расширенный сервисный набор (ESS – Extended Service Set) – набор двух или более BSS, образующих отдельную подсеть.

Специальный режим (одноранговый режим – peer-to-peer mode) или независимый основной сервисный набор (IBSS – Independent Basic Service Set) – совокупность беспроводных станций 802.11, которые связываются непосредственно друг с другом, не используя точку доступа и подключение к проводным сетям.

Технология 802.11 не может использовать метод CSMA/CD:

· проблема скрытой станции – не все станции могут слышать друг друга, и передача в одной части соты, может быть не воспринята станцией в другой части;

· большинство радиосистем являются полудуплексными , т. е. не могут одновременно и на одной частоте посылать и принимать сигналы.

Протокол 802.11 использует метод CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) – метод множественного доступа с прослушиванием несущей волны и уклонением от коллизий. Это сетевой протокол, в котором:

· используется схема прослушивания несущей волны;

· обнаружив, что канал свободен, станция, которая собирается начать передачу, посылает предупреждающий jam-сигнал (сигнал затора);

· после продолжительного ожидания всех станций, которые могут послать предупреждающий jam-сигнал, станция начинает передачу кадра;

· если предупреждающие сигналы одновременно посылают несколько станций, то они повторяют процедуру после случайно выбранного интервала времени.

CSMA/CA отличается от CSMA/CD тем, что коллизиям подвержены не пакеты данных, а только jam-сигналы. Отсюда и название «Collision Avoidance» – предотвращение коллизий (именно пакетов данных). Посылка предупреждающих сигналов ограничивает пропускную способность канала, поэтому CSMA/CA используется в сетях, работающих с небольшими скоростями (беспроводных).

Спецификация IEEE 802.11b . Невысокая скорость не удовлетворя­ла требованиям и в сентябре 1999 г. выпущен ва­риант IEEE 802.11 b для передачи со скоростью до 11 Мбит/с. Сети работают в нелицензируемом спектре частот 2,4 ГГц (от 2,4 ГГц до 2,4835 ГГц). Скорость передачи может автоматически ме­няться в зависимости от уровня помех и расстояния между пере­датчиком и приемником. На практике скорость почти всегда равна 11 Мбит/с.

Недостатки:

· Диапазон 2,4 ГГц, может быть занят другим оборудованием – бытовыми приборами (микроволновыми печами, радиотелефонами), ме­дицинской и научной аппаратурой, гарнитурами Bluetooth. Проблема усугубляется тем, что 802.11b рассчитан на связь на расстоянии до 300 м на открытой местности.

· Система защиты Wired Equivalent Privacy (WEP) показала уязвимость и несложность расшифровки кода с 40-битовым ключом. Сети позволяют подключаться злоумышленнику, находящемуся на возвышении даже на расстоянии мили, при условии использования небольшой направленной антенны. Предложен алгоритм шифровки со 128-битовым ключом – Advanced Encryption Standard (AES), требующий об­новления ТС и ПО или Temporal Key Integrity Protocol (TKIP).

· Невысокая максимальная скорость передачи данных, до­стигающая 11 Мбит/сек при радиусе действия около 100 м в помещениях. Ее можно получить только при сильном сигнале при условии, что в каждый момент времени только одно устройство в сегменте передает данные. Перегрузка, конфигу­рация и требования безопасности могут уменьшить производительность до типичного значения в 5 Мбит/с . Этого достаточно для Web-браузеров, но мало для боль­шого количества приложений типа потокового видео.

Спецификация IEEE 802.11a . Спецификация беспровод­ных сетей для диапазона 5 ГГц (от 5,725 до 5,850 Ггц) с макси­мальной пропускной спо­собностью 54 Мбит/сек. Этот диапазон частот не так зашумлен, как 2,4 ГГц. Но устройства 802.11а не могут работать с точкой доступа 802.11b и наобо­рот.

Спецификация IEEE 802.11g . Принят в середине 2003 г. Стандарт предусматрива­ет использование диапазона 2,4 ГГц. Обеспечивает скорость переда­чи 54 Мбит/сек. Главное преимущество перед 802.11а – полная обратная совместимость с устройствами 802.11b. Недостаток – зашумленность диапазона 2,4 ГГц.

Спецификация IEEE 802.11n . утвержден 11 сентября 2009 г. Повышает скорость передачи данных вчетверо по сравнению с устройствами 802.11g (максимальная скорость – 54 МБит/с), при условии использования с другими устройствами 802.11n. Теоретически способен обеспечить скорость передачи данных до 600 Мбит/с. Устройства работают в диапазонах 2,4–2,5 или 5,0 ГГц.

Кроме того, устройства 802.11n могут работать в трех режимах:

· наследуемом (Legacy), в котором обеспечивается поддержка устройств 802.11b/g и 802.11a;

· смешанном (Mixed), в котором поддерживаются устройства 802.11b/g, 802.11a и 802.11n;

· «чистом» – 802.11n (именно в этом режиме можно воспользоваться преимуществами повышенной скорости и увеличенной дальности передачи данных).

Типы офисных беспроводных локальных сетей

Министерство образование и науки РФ

Новосибирский государственный технический университет

Кафедра ВТ

DIV_ADBLOCK97">

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.

Базовые сетевые технологии Token Ring, FDDI, l00VGAny-LAN, 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.

2. Технология Ethernet (802.3).

2.1. Основные характеристики технологии.

Ethernet - это самый распространенный на сегодняшний день стандарт локальных сетей. Общее количество сетей, работающих по протоколу Ethernet в настоящее время, оценивается в 5 миллионов, а количество компьютеров с установленными сетевыми адаптерами Ethernet - в 50 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, который стал последней версией фирменного стандарта Ethernet. Поэтому фирменную версию стандарта Ethernet называют стандартом Ethernet DIX или Ethernet II.

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 различаются уровни MAC и LLC, в оригинальном Ethernet оба эти уровня 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 Ethernet, определенный стандартом IEEE, и фирменный Ethernet DIX, первый называют технологией 802.3, а за фирменным оставляют название Ethernet без дополнительных обозначений.

В зависимости от типа физической среды стандарт IEEE 802.3 имеет различные модификации - l0Base-5, l0Base-2, l0Base-T, l0Base-FL, l0Base-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 802.3ч. 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.

Все виды стандартов Ethernet (в том числе Fast Ethernet и Gigabit Ethernet) используют один и тот же метод разделения среды передачи данных - метод CSMA/CD.

2.2. Метод доступа CSMA/CD.

В сетях Ethernet используется метод доступа к среде передачи данных, называемый методом коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий (carrier-sense-multiply-access with collision detection, CSMA/CD).

Этот метод применяется исключительно в сетях с логической общей шиной (к которым относятся и радиосети, породившие этот метод). Все компьютеры такой сети имеют непосредственный доступ к общей шине, поэтому она может быть использована для передачи данных между любыми двумя узлами сети. Одновременно все компьютеры сети имеют возможность немедленно (с учетом задержки распространения сигнала по физической среде) получить данные, которые любой из компьютеров начал передавать на общую шину (рис. 1.). Простота схемы подключения - это один из факторов, определивших успех стандарта Ethernet. Говорят, что кабель, к которому подключены все станции, работает в режиме коллективного доступа (Multiply Access, MA).

Рис. 1. Метод случайного доступа CSMA/CD

Этапы доступа к среде

Все данные, передаваемые по сети, помещаются в кадры определенной структуры и снабжаются уникальным адресом станции назначения.

Чтобы получить возможность передавать кадр, станция должна убедиться, что разделяемая среда свободна. Это достигается прослушиванием основной гармоники сигнала, которая также называется несущей частотой (carrier-sense, CS). Признаком незанятости среды является отсутствие на ней несущей частоты, которая при манчестерском способе кодирования равна 5-10 МГц, в зависимости от последовательности единиц и нулей, передаваемых в данный момент.

Если среда свободна, то узел имеет право начать передачу кадра. Этот кадр изображен на рис. 1. первым. Узел 1 обнаружил, что среда свободна, и начал передавать свой кадр. В классической сети Ethernet на коаксиальном кабеле сигналы передатчика узла 1 распространяются в обе стороны, так что все узлы сети их получают. Кадр данных всегда сопровождается преамбулой (preamble), которая состоит из 7 байт, состоящих из значений, и 8-го байта, равного. Преамбула нужна для вхождения приемника в побитовый и побайтовый синхронизм с передатчиком.

Все станции, подключенные к кабелю, могут распознать факт передачи кадра, и та станция, которая узнает собственный адрес в заголовках кадра, записывает его содержимое в свой внутренний буфер , обрабатывает полученные данные, передает их вверх по своему стеку, а затем посылает по кабелю кадр-ответ. Адрес станции источника содержится в исходном кадре, поэтому станция-получатель знает, кому нужно послать ответ.

Узел 2 во время передачи кадра узлом 1 также пытался начать передачу своего кадра, однако обнаружил, что среда занята - на ней присутствует несущая частота, - поэтому узел 2 вынужден ждать, пока узел 1 не прекратит передачу кадра.

После окончания передачи кадра все узлы сети обязаны выдержать технологическую паузу (Inter Packet Gap) в 9,6 мкс. Эта пауза, называемая также межкадровым интервалом, нужна для приведения сетевых адаптеров в исходное состояние, а также для предотвращения монопольного захвата среды одной станцией. После окончания технологической паузы узлы имеют право начать передачу своего кадра, так как среда свободна. Из-за задержек распространения сигнала по кабелю не все узлы строго одновременно фиксируют факт окончания передачи кадра узлом 1.

В приведенном примере узел 2 дождался окончания передачи кадра узлом 1, сделал паузу в 9,6 мкс и начал передачу своего кадра.

Возникновение коллизии

При описанном подходе возможна ситуация, когда две станции одновременно пытаются передать кадр данных по общей среде. Механизм прослушивания среды и пауза между кадрами не гарантируют от возникновения такой ситуации, когда две или более станции одновременно решают, что среда свободна, и начинают передавать свои кадры. Говорят, что при этом происходит коллизия (collision), так как содержимое обоих кадров сталкивается на общем кабеле и происходит искажение информации - методы кодирования, используемые в Ethernet, не позволяют выделять сигналы каждой станции из общего сигнала.

ПРИМЕЧАНИЕ: Заметим, что этот факт отражен в составляющей «Base(band)», присутствующей в названиях всех физических протоколов технологии Ethernet (например, 10Base-2,10Base-T и т. п.). Baseband network означает сеть с немодулированной передачей, в которой сообщения пересылаются в цифровой форме по единственному каналу, без частотного разделения.

Коллизия - это нормальная ситуация в работе сетей Ethernet. В примере, изображенном на рис. 2, коллизию породила одновременная передача данных узлами 3 и У. Для возникновения коллизии не обязательно, чтобы несколько станций начали передачу абсолютно одновременно, такая ситуация маловероятна. Гораздо вероятней, что коллизия возникает из-за того, что один узел начинает передачу раньше другого, но до второго узла сигналы первого просто не успевают дойти к тому времени, когда второй узел решает начать передачу своего кадра. То есть коллизии - это следствие распределенного характера сети.

Чтобы корректно обработать коллизию, все станции одновременно наблюдают за возникающими на кабеле сигналами. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется обнаружение коллизии (collision detection, CD). Для увеличения вероятности скорейшего обнаружения коллизии всеми станциями сети станция, которая обнаружила коллизию, прерывает передачу своего кадра (в произвольном месте, возможно, и не на границе байта) и усиливает ситуацию коллизии посылкой в сеть специальной последовательности из 32 бит, называемой jam-последовательностью.

Рис. 2. Схема возникновения и распространения коллизии

После этого обнаружившая коллизию передающая станция обязана прекратить передачу и сделать паузу в течение короткого случайного интервала времени. Затем она может снова предпринять попытку захвата среды и передачи кадра. Случайная пауза выбирается по следующему алгоритму:

Пауза = L *(интервал отсрочки),

где интервал отсрочки равен 512 битовым интервалам (в технологии Ethernet принято все интервалы измерять в битовых интервалах; битовый интервал обозначается как bt и соответствует времени между появлением двух последовательных бит данных на кабеле; для скорости 10 Мбит/с величина битового интервала равна 0,1 мкс или 100 нс);

L представляет собой целое число, выбранное с равной вероятностью из диапазона , где N - номер повторной попытки передачи данного кадра: 1,2,..., 10.

После 10-й попытки интервал, из которого выбирается пауза, не увеличивается. Таким образом, случайная пауза может принимать значения от 0 до 52,4 мс.

Если 16 последовательных попыток передачи кадра вызывают коллизию, то передатчик должен прекратить попытки и отбросить этот кадр.

Из описания метода доступа видно, что он носит вероятностный характер, и вероятность успешного получения в свое распоряжение общей среды зависит от загруженности сети, то есть от интенсивности возникновения в станциях потребности в передаче кадров. При разработке этого метода в конце 70-х годов предполагалось, что скорость передачи данных в 10 Мбит/с очень высока по сравнению с потребностями компьютеров во взаимном обмене данными, поэтому загрузка сети будет всегда небольшой. Это предположение остается иногда справедливым и по сей день, однако уже появились приложения, работающие в реальном масштабе времени с мультимедийной информацией, которые очень загружают сегменты Ethernet. При этом коллизии возникают гораздо чаще. При значительной интенсивности коллизий полезная пропускная способность сети Ethernet резко падает, так как сеть почти постоянно занята повторными попытками передачи кадров. Для уменьшения интенсивности возникновения коллизий нужно либо уменьшить трафик, сократив, например, количество узлов в сегменте или заменив приложения, либо повысить скорость протокола, например перейти на Fast Ethernet.

Следует отметить, что метод доступа CSMA/CD вообще не гарантирует станции, что она когда-либо сможет получить доступ к среде. Конечно, при небольшой загрузке сети вероятность такого события невелика, но при коэффициенте использования сети, приближающемся к 1, такое событие становится очень вероятным. Этот недостаток метода случайного доступа - плата за его чрезвычайную простоту, которая сделала технологию Ethernet самой недорогой. Другие методы доступа - маркерный доступ сетей Token Ring и FDDI, метод Demand Priority сетей 100VG-AnyLAN - свободны от этого недостатка.

Время двойного оборота и распознавание коллизий

Четкое распознавание коллизий всеми станциями сети является необходимым условием корректной работы сети Ethernet. Если какая-либо передающая станция не распознает коллизию и решит, что кадр данных ею передан верно, то этот кадр данных будет утерян. Из-за наложения сигналов при коллизии информация кадра исказится, и он будет отбракован принимающей станцией (возможно, из-за несовпадения контрольной суммы). Скорее всего, искаженная информация будет повторно передана каким-либо протоколом верхнего уровня, например транспортным или прикладным, работающим с установлением соединения. Но повторная передача сообщения протоколами верхних уровней произойдет через значительно более длительный интервал времени (иногда даже через несколько секунд) по сравнению с микросекундными интервалами, которыми оперирует протокол Ethernet. Поэтому если коллизии не будут надежно распознаваться узлами сети Ethernet, то это приведет к заметному снижению полезной пропускной способности данной сети.

Для надежного распознавания коллизий должно выполняться следующее соотношение:

где Тmin - время передачи кадра минимальной длины, a PDV - время, за которое сигнал коллизии успевает распространиться до самого дальнего узла сети. Так как в худшем случае сигнал должен пройти дважды между наиболее удаленными друг от друга станциями сети (в одну сторону проходит неискаженный сигнал, а на обратном пути распространяется уже искаженный коллизией сигнал), то это время называется временем двойного оборота (Path Delay Value, PDV).

При выполнении этого условия передающая станция должна успевать обнаружить коллизию, которую вызвал переданный ее кадр, еще до того, как она закончит передачу этого кадра.

Очевидно, что выполнение этого условия зависит, с одной стороны, от длины минимального кадра и пропускной способности сети, а с другой стороны, от длины кабельной системы сети и скорости распространения сигнала в кабеле (для разных типов кабеля эта скорость несколько отличается).

Все параметры протокола Ethernet подобраны таким образом, чтобы при нормальной работе узлов сети коллизии всегда четко распознавались. При выборе параметров, конечно, учитывалось и приведенное выше соотношение, связывающее между собой минимальную длину кадра и максимальное расстояние между станциями в сегменте сети.

В стандарте Ethernet принято, что минимальная длина поля данных кадра составляет 46 байт (что вместе со служебными полями дает минимальную длину кадра 64 байт, а вместе с преамбулой - 72 байт или 576 бит). Отсюда может быть определено ограничение на расстояние между станциями.

Итак, в 10-мегабитном Ethernet время передачи кадра минимальной длины равно 575 битовых интервалов, следовательно, время двойного оборота должно быть меньше 57,5 мкс. Расстояние, которое сигнал может пройти за это время, зависит от типа кабеля и для толстого коаксиального кабеля равно примерном. Учитывая, что за это время сигнал должен пройти по линии связи дважды, расстояние между двумя узлами не должно быть больше 6 635 м. В стандарте величина этого расстояния выбрана существенно меньше, с учетом других, более строгих ограничений.

Одно из таких ограничений связано с предельно допустимым затуханием сигнала. Для обеспечения необходимой мощности сигнала при его прохождении между наиболее удаленными друг от друга станциями сегмента кабеля максимальная длина непрерывного сегмента толстого коаксиального кабеля с учетом вносимого им затухания выбрана в 500 м. Очевидно, что на кабеле в 500 м условия распознавания коллизий будут выполняться с большим запасом для кадров любой стандартной длины, в том числе и 72 байт (время двойного оборота по кабелю 500 м составляет всего 43,3 битовых интервала). Поэтому минимальная длина кадра могла бы быть установлена еще меньше. Однако разработчики технологии не стали уменьшать минимальную длину кадра, имея в виду многосегментные сети, которые строятся из нескольких сегментов, соединенных повторителями.

Повторители увеличивают мощность передаваемых с сегмента на сегмент сигналов, в результате затухание сигналов уменьшается и можно использовать сеть гораздо большей длины, состоящую из нескольких сегментов. В коаксиальных реализациях Ethernet разработчики ограничили максимальное количество сегментов в сети пятью, что в свою очередь ограничивает общую длину сети 2500 метрами. Даже в такой многосегментной сети условие обнаружения коллизий по-прежнему выполняется с большим запасом (сравним полученное из условия допустимого затухания расстояние в 2500 м с вычисленным выше максимально возможным по времени распространения сигнала расстоянием 6635 м). Однако в действительности временной запас является существенно меньше, поскольку в многосегментных сетях сами повторители вносят в распространение сигнала дополнительную задержку в несколько десятков битовых интервалов. Естественно, небольшой запас был сделан также для компенсации отклонений параметров кабеля и повторителей.

В результате учета всех этих и некоторых других факторов было тщательно подобрано соотношение между минимальной длиной кадра и максимально возможным расстоянием между станциями сети, которое обеспечивает надежное распознавание коллизий. Это расстояние называют также максимальным диаметром сети.

С увеличением скорости передачи кадров, что имеет место в новых стандартах, базирующихся на том же методе доступа CSMA/CD, например Fast Ethernet, максимальное расстояние между станциями сети уменьшается пропорционально увеличению скорости передачи. В стандарте Fast Ethernet оно составляет около 210 м, а в стандарте Gigabit Ethernet оно было бы ограничено 25 метрами, если бы разработчики стандарта не предприняли некоторых мер по увеличению минимального размера пакета.

В табл. 2. приведены значения основных параметров процедуры передачи кадра стандарта 802.3, которые не зависят от реализации физической среды. Важно отметить, что каждый вариант физической среды технологии Ethernet добавляет к этим ограничениям свои, часто более строгие ограничения, которые также должны выполняться.

Таблица 2. Параметры уровня MAC Ethernet

3. Технология Token Ring (802.5).

3.1. Основные характеристики технологии.

Сети Token Ring, так же как и сети Ethernet, характеризует разделяемая среда передачи данных, которая в данном случае состоит из отрезков кабеля, соединяющих все станции сети в кольцо. Кольцо рассматривается как общий разделяемый ресурс, и для доступа к нему требуется не случайный алгоритм, как в сетях Ethernet, а детерминированный, основанный на передаче станциям права на использование кольца в определенном порядке. Это право передается с помощью кадра специального формата, называемого маркером или токеном (token) .

Технология Token Ring был разработана компанией IBM в 1984 году, а затем передана в качестве проекта стандарта в комитет IEEE 802, который на ее основе принял в 1985 году стандарт 802.5. Компания IBM использует технологию Token Ring в качестве своей основной сетевой технологии для построения локальных сетей на основе компьютеров различных классов - мэйнфреймов, мини-компьютеров и персональных компьютеров. В настоящее время именно компания IBM является основным законодателем моды технологии Token Ring, производя около 60 % сетевых адаптеров этой технологии.

Сети Token Ring работают с двумя битовыми скоростями - 4 и 16 Мбит/с. Смешение станций, работающих на различных скоростях, в одном кольце не допускается. Сети Token Ring, работающие со скоростью 16 Мбит/с, имеют некоторые усовершенствования в алгоритме доступа по сравнению со стандартом 4 Мбит/с.

Технология Token Ring является более сложной технологией, чем Ethernet. Она обладает свойствами отказоустойчивости. В сети Token Ring определены процедуры контроля работы сети, которые используют обратную связь кольцеобразной структуры - посланный кадр всегда возвращается в станцию - отправитель. В некоторых случаях обнаруженные ошибки в работе сети устраняются автоматически, например может быть восстановлен потерянный маркер. В других случаях ошибки только фиксируются, а их устранение выполняется вручную обслуживающим персоналом.

Для контроля сети одна из станций выполняет роль так называемого активного монитора . Активный монитор выбирается во время инициализации кольца как станция с максимальным значением МАС-адреса, Если активный монитор выходит из строя, процедура инициализации кольца повторяется и выбирается новый активный монитор. Чтобы сеть могла обнаружить отказ активного монитора, последний в работоспособном состоянии каждые 3 секунды генерирует специальный кадр своего присутствия. Если этот кадр не появляется в сети более 7 секунд, то остальные станции сети начинают процедуру выборов нового активного монитора.

3.2. Маркерный метод доступа к разделяемой среде.

В сетях с маркерным методом доступа (а к ним, кроме сетей Token Ring, относятся сети FDDI, а также сети, близкие к стандарту 802.4, - ArcNet, сети производственного назначения MAP) право на доступ к среде передается циклически от станции к станции по логическому кольцу.

В сети Token Ring кольцо образуется отрезками кабеля, соединяющими соседние станции. Таким образом, каждая станция связана со своей предшествующей и последующей станцией и может непосредственно обмениваться данными только с ними. Для обеспечения доступа станций к физической среде по кольцу циркулирует кадр специального формата и назначения - маркер. В сети Token Ring любая станция всегда непосредственно получает данные только от одной станции - той, которая является предыдущей в кольце. Такая станция называется ближайшим активным соседом, расположенным выше по потоку (данных) - Nearest Active Upstream Neighbor, NAUN . Передачу же данных станция всегда осуществляет своему ближайшему соседу вниз по потоку данных.

Получив маркер, станция анализирует его и при отсутствии у нее данных для передачи обеспечивает его продвижение к следующей станции. Станция, которая имеет данные для передачи, при получении маркера изымает его из кольца, что дает ей право доступа к физической среде и передачи своих данных. Затем эта станция выдает в кольцо кадр данных установленного формата последовательно по битам. Переданные данные проходят по кольцу всегда в одном направлении от одной станции к другой. Кадр снабжен адресом назначения и адресом источника.

Все станции кольца ретранслируют кадр побитно, как повторители. Если кадр проходит через станцию назначения, то, распознав свой адрес, эта станция копирует кадр в свой внутренний буфер и вставляет в кадр признак подтверждения приема. Станция, выдавшая кадр данных в кольцо, при обратном его получении с подтверждением приема изымает этот кадр из кольца и передает в сеть новый маркер для обеспечения возможности другим станциям сети передавать данные. Такой алгоритм доступа применяется в сетях Token Ring со скоростью работы 4 Мбит/с, описанных в стандарте 802.5.

На рис. 3. описанный алгоритм доступа к среде иллюстрируется временной диаграммой. Здесь показана передача пакета А в кольце, состоящем из 6 станций, от станции 1 к станции 3. После прохождения станции назначения 3 в пакете А устанавливаются два признака - признак распознавания адреса и признак копирования пакета в буфер (что на рисунке отмечено звездочкой внутри пакета). После возвращения пакета в станцию 1 отправитель распознает свой пакет по адресу источника и удаляет пакет из кольца. Установленные станцией 3 признаки говорят станции-отправителю о том, что пакет дошел до адресата и был успешно скопирован им в свой буфер.

Рис. 3. Принцип маркерного доступа

Время владения разделяемой средой в сети Token Ring ограничивается временем удержания маркера (token holding time) , после истечения которого станция обязана прекратить передачу собственных данных (текущий кадр разрешается завершить) и передать маркер далее по кольцу. Станция может успеть передать за время удержания маркера один или несколько кадров в зависимости от размера кадров и величины времени удержания маркера. Обычно время удержания маркера по умолчанию равно 10 мс, а максимальный размер кадра в стандарте 802.5 не определен. Для сетей 4 Мбит/с он обычно равен 4 Кбайт, а для сетей 16 Мбит/с - 16 Кбайт. Это связано с тем, что за время удержания маркера станция должна успеть передать хотя бы один кадр. При скорости 4 Мбит/с за время 10 мс можно передать 5000 байт, а при скорости 16 Мбит/с - соответственнобайт. Максимальные размеры кадра выбраны с некоторым запасом.

В сетях Token Ring 16 Мбит/с используется также несколько другой алгоритм доступа к кольцу, называемый алгоритмом раннего освобождения маркера (Early Token Release) . В соответствии с ним станция передает маркер доступа следующей станции сразу же после окончания передачи последнего бита кадра, не дожидаясь возвращения по кольцу этого кадра с битом подтверждения приема. В этом случае пропускная способность кольца используется более эффективно, так как по кольцу одновременно продвигаются кадры нескольких станций. Тем не менее свои кадры в каждый момент времени может генерировать только одна станция - та, которая в данный момент владеет маркером доступа. Остальные станции в это время только повторяют чужие кадры, так что принцип разделения кольца во времени сохраняется, ускоряется только процедура передачи владения кольцом.

Для различных видов сообщений, передаваемым кадрам, могут назначаться различные приоритеты : от 0 (низший) до 7 (высший). Решение о приоритете конкретного кадра принимает передающая станция (протокол Token Ring получает этот параметр через межуровневые интерфейсы от протоколов верхнего уровня, например прикладного). Маркер также всегда имеет некоторый уровень текущего приоритета. Станция имеет право захватить переданный ей маркер только в том случае, если приоритет кадра, который она хочет передать, выше (или равен) приоритета маркера. В противном случае станция обязана передать маркер следующей по кольцу станции.

За наличие в сети маркера, причем единственной его копии, отвечает активный монитор. Если активный монитор не получает маркер в течение длительного времени (например, 2,6 с), то он порождает новый маркер.

4. Технология FDDI.

Технология FDDI (Fiber Distributed Data Interface) - оптоволоконный интерфейс распределенных данных - это первая технология локальных сетей, в которой средой передачи данных является волоконно-оптический кабель. Работы по созданию технологий и устройств для использования волоконно-оптических каналов в локальных сетях начались в 80-е годы, вскоре после начала промышленной эксплуатации подобных каналов в территориальных сетях. Проблемная группа ХЗТ9.5 института ANSI разработала в период с 1986 по 1988 гг. начальные версии стандарта FDDI, который обеспечивает передачу кадров со скоростью 100 Мбит/с по двойному волоконно-оптическому кольцу длиной до 100 км.

4.1. Основные характеристики технологии.

Технология FDDI во многом основывается на технологии Token Ring, развивая и совершенствуя ее основные идеи. Разработчики технологии FDDI ставили перед собой в качестве наиболее приоритетных следующие цели:

повысить битовую скорость передачи данных до 100 Мбит/с; повысить отказоустойчивость сети за счет стандартных процедур восстановления ее после отказов различного рода - повреждения кабеля, некорректной работы узла, концентратора, возникновения высокого уровня помех на линии и т. п.; максимально эффективно использовать потенциальную пропускную способность сети как для асинхронного, так и для синхронного (чувствительного к задержкам) трафиков.

Сеть FDDI строится на основе двух оптоволоконных колец, которые образуют основной и резервный пути передачи данных между узлами сети. Наличие двух колец - это основной способ повышения отказоустойчивости в сети FDDI, и узлы, которые хотят воспользоваться этим повышенным потенциалом надежности, должны быть подключены к обоим кольцам.

В нормальном режиме работы сети данные проходят через все узлы и все участки кабеля только первичного (Primary) кольца, этот режим назван режимом Thru - «сквозным» или «транзитным». Вторичное кольцо (Secondary) в этом режиме не используется.

В случае какого-либо вида отказа, когда часть первичного кольца не может передавать данные (например, обрыв кабеля или отказ узла), первичное кольцо объединяется со вторичным (рис. 4.), вновь образуя единое кольцо. Этот режим работы сети называется Wrap, то есть «свертывание» или «сворачивание» колец. Операция свертывания производится средствами концентраторов и/или сетевых адаптеров FDDI. Для упрощения этой процедуры данные по первичному кольцу всегда передаются в одном направлении (на диаграммах это направление изображается против часовой стрелки), а по вторичному - в обратном (изображается по часовой стрелке). Поэтому при образовании общего кольца из двух колец передатчики станций по-прежнему остаются подключенными к приемникам соседних станций, что позволяет правильно передавать и принимать информацию соседними станциями.

Рис. 4. Реконфигурация колец FDDI при отказе

В стандартах FDDI много внимания отводится различным процедурам, которые позволяют определить наличие отказа в сети, а затем произвести необходимую реконфигурацию. Сеть FDDI может полностью восстанавливать свою работоспособность в случае единичных отказов ее элементов. При множественных отказах сеть распадается на несколько не связанных сетей. Технология FDDI дополняет механизмы обнаружения отказов технологии Token Ring механизмами реконфигурации пути передачи данных в сети, основанными на наличии резервных связей, обеспечиваемых вторым кольцом.

Кольца в сетях FDDI рассматриваются как общая разделяемая среда передачи данных, поэтому для нее определен специальный метод доступа. Этот метод очень близок к методу доступа сетей Token Ring и также называется методом маркерного (или токенного) кольца - token ring.

Отличия метода доступа заключаются в том, что время удержания маркера в сети FDDI не является постоянной величиной, как в сети Token Ring. Это время зависит от загрузки кольца - при небольшой загрузке оно увеличивается, а при больших перегрузках может уменьшаться до нуля. Эти изменения в методе доступа касаются только асинхронного трафика, который не критичен к небольшим задержкам передачи кадров. Для синхронного трафика время удержания маркера по-прежнему остается фиксированной величиной. Механизм приоритетов кадров, аналогичный принятому в технологии Token Ring, в технологии FDDI отсутствует. Разработчики технологии решили, что деление трафика на 8 уровней приоритетов избыточно и достаточно разделить трафик на два класса - асинхронный и синхронный, последний из которых обслуживается всегда, даже при перегрузках кольца.

В остальном пересылка кадров между станциями кольца на уровне MAC полностью соответствует технологии Token Ring. Станции FDDI применяют алгоритм раннего освобождения маркера, как и сети Token Ring со скоростью 16 Мбит/с.

Адреса уровня MAC имеют стандартный для технологий IEEE 802 формат. Формат кадра FDDI близок к формату кадра Token Ring, основные отличия заключаются в отсутствии полей приоритетов. Признаки распознавания адреса, копирования кадра и ошибки позволяют сохранить имеющиеся в сетях Token Ring процедуры обработки кадров станцией-отправителем, промежуточными станциями и станцией-получателем.

На рис. 5. приведено соответствие структуры протоколов технологии FDDI семиуровневой модели OSI. FDDI определяет протокол физического уровня и протокол подуровня доступа к среде (MAC) канального уровня. Как и во многих других технологиях локальных сетей, в технологии FDDI используется протокол подуровня управления каналом данных LLC, определенный в стандарте IEEE 802.2. Таким образом, несмотря на то что технология FDDI была разработана и стандартизована институтом ANSI, а не комитетом IEEE, она полностью вписывается в структуру стандартов 802.

Рис. 5. Структура протоколов технологии FDDI

Отличительной особенностью технологии FDDI является уровень управления станцией - Station Management (SMT). Именно уровень SMT выполняет все функции по управлению и мониторингу всех остальных уровней стека протоколов FDDI. В управлении кольцом принимает участие каждый узел сети FDDI. Поэтому все узлы обмениваются специальными кадрами SMT для управления сетью.

Отказоустойчивость сетей FDDI обеспечивается протоколами и других уровней: с помощью физического уровня устраняются отказы сети по физическим причинам, например из-за обрыва кабеля, а с помощью уровня MAC - логические отказы сети, например потеря нужного внутреннего пути передачи маркера и кадров данных между портами концентратора.

4.2. Особенности метода доступа FDDI.

Для передачи синхронных кадров станция всегда имеет право захватить маркер при его поступлении. При этом время удержания маркера имеет заранее заданную фиксированную величину.

Если же станции кольца FDDI нужно передать асинхронный кадр (тип кадра определяется протоколами верхних уровней), то для выяснения возможности захвата маркера при его очередном поступлении станция должна измерить интервал времени, который прошел с момента предыдущего прихода маркера. Этот интервал называется временем оборота маркера (Token Rotation Time, TRT) . Интервал TRT сравнивается с другой величиной - максимально допустимым временем оборота маркера по кольцу Т_0рг . Если в технологии Token Ring максимально допустимое время оборота маркера является фиксированной величиной (2,6 с из расчета 260 станций в кольце), то в технологии FDDI станции договариваются о величине Т_0рг во время инициализации кольца. Каждая станция может предложить свое значение Т_0рг, в результате для кольца устанавливается минимальное из предложенных станциями времен. Это позволяет учитывать потребности приложений, работающих на станциях. Обычно синхронным приложениям (приложениям реального времени) нужно чаще передавать данные в сеть небольшими порциями, а асинхронным приложениям лучше получать доступ к сети реже, но большими порциями. Предпочтение отдается станциям, передающим синхронный трафик.

Таким образом, при очередном поступлении маркера для передачи асинхронного кадра сравнивается фактическое время оборота маркера TRT с максимально возможным Т_0рг. Если кольцо не перегружено, то маркер приходит раньше, чем истекает интервал Т_0рг, то есть TRT < Т_0рг. В этом случае станции разрешается захватить маркер и передать свой кадр (или кадры) в кольцо. Время удержания маркера ТНТ равно разности T_0pr - TRT, и в течение этого времени станция передает в кольцо столько асинхронных кадров, сколько успеет.

Если же кольцо перегружено и маркер опоздал, то интервал TRT будет больше Т_0рг. В этом случае станция не имеет права захватить маркер для асинхронного кадра. Если все станции в сети хотят передавать только асинхронные кадры, а маркер сделал оборот по кольцу слишком медленно, то все станции пропускают маркер в режиме повторения, маркер быстро делает очередной оборот и на следующем цикле работы станции уже имеют право захватить маркер и передать свои кадры.

Метод доступа FDDI для асинхронного трафика является адаптивным и хорошо регулирует временные перегрузки сети.

4.3. Отказоустойчивость технологии FDDI.

Для обеспечения отказоустойчивости в стандарте FDDI предусмотрено создание двух оптоволоконных колец - первичного и вторичного. В стандарте FDDI допускаются два вида подсоединения станций к сети. Одновременное подключение к первичному и вторичному кольцам называется двойным подключением - Dual Attachment, DA. Подключение только к первичному кольцу называется одиночным подключением - Single Attachment, SA.

В стандарте FDDI предусмотрено наличие в сети конечных узлов - станций (Station), а также концентраторов (Concentrator). Для станций и концентраторов допустим любой вид подключения к сети - как одиночный, так и двойной. Соответственно такие устройства имеют соответствующие названия: SAS (Single Attachment Station), DAS (Dual Attachment Station), SAC (Single Attachment Concentrator) и DAC (Dual Attachment Concentrator).

Обычно концентраторы имеют двойное подключение, а станции - одинарное, как это показано на рис. 6., хотя это и не обязательно. Чтобы устройства легче было правильно присоединять к сети, их разъемы маркируются. Разъемы типа А и В должны быть у устройств с двойным подключением, разъем М (Master) имеется у концентратора для одиночного подключения станции, у которой ответный разъем должен иметь тип S (Slave).

Рис. 6. Подключение узлов к кольцам FDDI

В случае однократного обрыва кабеля между устройствами с двойным подключением сеть FDDI сможет продолжить нормальную работу за счет автоматической реконфигурации внутренних путей передачи кадров между портами концентратора (рис. 7.). Двукратный обрыв кабеля приведет к образованию двух изолированных сетей FDDI. При обрыве кабеля, идущего к станции с одиночным подключением, она становится отрезанной от сети, а кольцо продолжает работать за счет реконфигурации внутреннего пути в концентраторе - порт М, к которому была подключена данная станция, будет исключен из общего пути.

Рис. 7. Реконфигурация сети FDDI при обрыве провода

Для сохранения работоспособности сети при отключении питания в станциях с двойным подключением, то есть станциях DAS, последние должны быть оснащены оптическими обходными переключателями (Optical Bypass Switch), которые создают обходной путь для световых потоков при исчезновении питания, которое они получают от станции.

И наконец, станции DAS или концентраторы DAC можно подключать к двум портам М одного или двух концентраторов, создавая древовидную структуру с основными и резервными связями. По умолчанию порт В поддерживает основную связь, а порт А - резервную. Такая конфигурация называется подключением Dual Homing

Отказоустойчивость поддерживается за счет постоянного слежения уровня SMT концентраторов и станций за временными интервалами циркуляции маркера и кадров, а также за наличием физического соединения между соседними портами в сети. В сети FDDI нет выделенного активного монитора - все станции и концентраторы равноправны, и при обнаружении отклонений от нормы они начинают процесс повторной инициализации сети, а затем и ее реконфигурации.

Реконфигурация внутренних путей в концентраторах и сетевых адаптерах выполняется специальными оптическими переключателями, которые перенаправляют световой луч и имеют достаточно сложную конструкцию.

4.4. Сравнение FDDI с технологиями Ethernet и Token Ring.

В табл. 1. представлены результаты сравнения технологии FDDI с технологиями Ethernet и Token Ring.

Таблица 1. Характеристики технологий FDDI, Ethernet, Token Ring

Технология FDDI разрабатывалась для применения в ответственных участках сетей - на магистральных соединениях между крупными сетями, например сетями зданий, а также для подключения к сети высокопроизводительных серверов. Поэтому главным для разработчиков было обеспечить высокую скорость передачи данных, отказоустойчивость на уровне протокола и большие расстояния между узлами сети. Все эти цели были достигнуты. В результате технология FDDI получилась качественной, но весьма дорогой. Даже появление более дешевого варианта для витой пары не намного снизило стоимость подключения одного узла к сети FDDI. Поэтому практика показала, что основной областью применения технологии FDDI стали магистрали сетей, состоящих из нескольких зданий, а также сети масштаба крупного города, то есть класса MAN. Для подключения клиентских компьютеров и даже небольших серверов технология оказалась слишком дорогой. А поскольку оборудование FDDI выпускается уже около 10 лет, значительного снижения его стоимости ожидать не приходится.

В результате сетевые специалисты с начала 90-х годов стали искать пути создания сравнительно недорогих и в то же время высокоскоростных технологий, которые бы так же успешно работали на всех этажах корпоративной сети, как это делали в 80-е годы технологии Ethernet и Token Ring.

5. Fast Ethernet и 100VG - AnyLAN как развитие технологии Ethernet.

Классический 10-мегабитный Ethernet устраивал большинство пользователей на протяжении около 15 лет. Однако в начале 90-х годов начала ощущаться его недостаточная пропускная способность. Для компьютеров на процессорах Intel 80286 или 80386 с шинами ISA (8 Мбайт/с) или EISA (32 Мбайт/с) пропускная способность сегмента Ethernet составляла 1/8 или 1/32 канала «память-диск», и это хорошо согласовывалось с соотношением объемов данных, обрабатываемых локально, и данных, передаваемых по сети. Для более мощных клиентских станций с шиной PCI (133 Мбайт/с) эта доля упала до 1/133, что было явно недостаточно. Поэтому многие сегменты 10-мегабитного Ethernet стали перегруженными, реакция серверов в них значительно упала, а частота возникновения коллизий существенно возросла, еще более снижая полезную пропускную способность.

Назрела необходимость в разработке «нового» Ethernet, то есть технологии, которая была бы такой же эффективной по соотношению цена/качество при производительности 100 Мбит/с. В результате поисков и исследований специалисты разделились на два лагеря, что в конце концов привело к появлению двух новых технологий - Fast Ethernet и l00VG-AnyLAN. Они отличаются степенью преемственности с классическим Ethernet.

В 1992 году группа производителей сетевого оборудования, включая таких лидеров технологии Ethernet, как SynOptics, 3Com и ряд других, образовали некоммерческое объединение Fast Ethernet Alliance для разработки стандарта новой технологии, которая должна была в максимально возможной степени сохранить особенности технологии Ethernet.

Второй лагерь возглавили компании Hewlett-Packard и AT&T, которые предложили воспользоваться удобным случаем для устранения некоторых известных недостатков технологии Ethernet. Через некоторое время к этим компаниям присоединилась компания IBM, которая внесла свой вклад предложением обеспечить в новой технологии некоторую совместимость с сетями Token Ring.

В комитете 802 института IEEE в это же время была сформирована исследовательская группа для изучения технического потенциала новых высокоскоростных технологий. За период с конца 1992 года и по конец 1993 года группа IEEE изучила 100-мегабитные решения, предложенные различными производителями. Наряду с предложениями Fast Ethernet Alliance группа рассмотрела также и высокоскоростную технологию, предложенную компаниями Hewlett-Packard и AT&T.

В центре дискуссий была проблема сохранения случайного метода доступа CSMA/CD. Предложение Fast Ethernet Alliance сохраняло этот метод и тем самым обеспечивало преемственность и согласованность сетей 10 Мбит/с и 100 Мбит/с. Коалиция HP и AT&T, которая имела поддержку значительно меньшего числа производителей в сетевой индустрии, чем Fast Ethernet Alliance, предложила совершенно новый метод доступа, названный Demand Priority - приоритетный доступ по требованию. Он существенно менял картину поведения узлов в сети, поэтому не смог вписаться в технологию Ethernet и стандарт 802.3, и для его стандартизации был организован новый комитет IEEE 802.12.

Осенью 1995 года обе технологии стали стандартами IEEE. Комитет IEEE 802.3 принял спецификацию Fast Ethernet в качестве стандарта 802.3и, который не является самостоятельным стандартом, а представляет собой дополнение к существующему стандарту 802.3 в виде глав с 21 по 30. Комитет 802.12 принял технологию l00VG-AnyLAN, которая использует новый метод доступа Demand Priority и поддерживает кадры двух форматов - Ethernet и Token Ring.

5.1. Особенности технологии 100VG-AnyLAN.

Технология 100VG-AnyLAN отличается от классического Ethernet в значительно большей степени, чем Fast Ethernet. Главные отличия перечислены ниже.

Используется другой метод доступа Demand Priority, который обеспечивает более справедливое распределение пропускной способности сети по сравнению с методом CSMA/CD, Кроме того, этот метод поддерживает приоритетный доступ для синхронных приложений. Кадры передаются не всем станциям сети, а только станции назначения. В сети есть выделенный арбитр доступа - концентратор, и это заметно отличает данную технологию от других, в которых применяется распределенный между станциями сети алгоритм доступа. Поддерживаются кадры двух технологий - Ethernet и Token Ring (именно это обстоятельство дало добавку AnyLAN в названии технологии). Данные передаются одновременно по 4 парам кабеля UTP категории 3. По каждой паре данные передаются со скоростью 25 Мбит/с, что в сумме дает 100 Мбит/с. В отличие от Fast Ethernet в сетях 100VG-AnyLAN нет коллизий, поэтому удалось использовать для передачи все четыре пары стандартного кабеля категории 3. Для кодирования данных применяется код 5В/6В, который обеспечивает спектр сигнала в диапазоне до 16 МГц (полоса пропускания UTP категории 3) при скорости передачи данных 25 Мбит/с. Метод доступа Demand Priority основан на передаче концентратору функций арбитра, решающего проблему доступа к разделяемой среде. Сеть 100VG-AnyLAN состоит из центрального концентратора, называемого также корневым, и соединенных с ним конечных узлов и других концентраторов (рис. 8.).

Рис. 8. Сеть 100VG-AnyLAN

Допускаются три уровня каскадирования. Каждый концентратор и сетевой адаптер l00VG-AnyLAN должен быть настроен либо на работу с кадрами Ethernet, либо с кадрами Token Ring, причем одновременно циркуляция обоих типов кадров не допускается.

Концентратор циклически выполняет опрос портов. Станция, желающая передать пакет, посылает специальный низкочастотный сигнал концентратору, запрашивая передачу кадра и указывая его приоритет. В сети l00VG-AnyLAN используются два уровня приоритетов - низкий и высокий. Низкий уровень приоритета соответствует обычным данным (файловая служба, служба печати и т. п.), а высокий приоритет соответствует данным, чувствительным к временным задержкам (например, мультимедиа). Приоритеты запросов имеют статическую и динамическую составляющие, то есть станция с низким уровнем приоритета, долго не имеющая доступа к сети, получает высокий приоритет.

Если сеть свободна, то концентратор разрешает передачу пакета. После анализа адреса получателя в принятом пакете концентратор автоматически отправляет пакет станции назначения. Если сеть занята, концентратор ставит полученный запрос в очередь, которая обрабатывается в соответствии с порядком поступления запросов и с учетом приоритетов. Если к порту подключен другой концентратор, то опрос приостанавливается до завершения опроса концентратором нижнего уровня. Станции, подключенные к концентраторам различного уровня иерархии, не имеют преимуществ по доступу к разделяемой среде, так как решение о предоставлении доступа принимается после проведения опроса всеми концентраторами опроса всех своих портов.

Остается неясным вопрос, - каким образом концентратор узнает, к какому порту подключена станция назначения? Во всех других технологиях кадр просто передавался всем станциям сети, а станция назначения, распознав свой адрес, копировала кадр в буфер. Для решения этой задачи концентратор узнает адрес MAC станции в момент физического присоединения ее к сети кабелем. Если в других технологиях процедура физического соединения выясняет связность кабеля (link test в технологии l0Base-T), тип порта (технология FDDI), скорость работы порта (процедура auto-negotiation в Fast Ethernet), то в технологии l00VG-AnyLAN концентратор при установлении физического соединения выясняет адрес MAC станции. И запоминает его в таблице адресов MAC, аналогичной таблице моста/коммутатора. Отличие концентратора l00VG-AnyLAN от моста/коммутатора в том, что у него нет внутреннего буфера для хранения кадров. Поэтому он принимает от станций сети только один кадр, отправляет его на порт назначения и, пока этот кадр не будет полностью принят станцией назначения, новые кадры концентратор не принимает. Так что эффект разделяемой среды сохраняется. Улучшается только безопасность сети - кадры не попадают на чужие порты, и их труднее перехватить.

Важная особенность технологии l00VG-AnyLAN - сохранение форматов кадров Ethernet и Token Ring. Сторонники l00VG-AnyLAN утверждают, что этот подход облегчит межсетевое взаимодействие через мосты и маршрутизаторы, а также обеспечит совместимость с существующими средствами сетевого управления, в частности с анализаторами протоколов.

Несмотря на много хороших технических решений, технология l00VG-AnyLAN не нашла большого количества сторонников и значительно уступает по популярности технологии Fast Ethernet. Возможно, это произошло из-за того, что технические возможности поддержки разных типов трафика у технологии АТМ существенно шире, чем у l00VG-AnyLAN. Поэтому при необходимости тонкого обеспечения качества обслуживания применяют (или собираются применять) технологию АТМ. А для сетей, в которых нет необходимости поддерживать качество обслуживания на уровне разделяемых сегментов, более привычной оказалась технология Fast Ethernet. Тем более что для поддержки очень требовательных к скорости передачи данных приложений имеется технология Gigabit Ethernet, которая, сохраняя преемственность с Ethernet и Fast Ethernet, обеспечивает скорость передачи данных 1000 Мбит/с.

6. Высокоскоростная технология Gigabit Ethernet.

6.1. Общая характеристика стандарта.

Достаточно быстро после появления на рынке продуктов Fast Ethernet сетевые интеграторы и администраторы почувствовали определенные ограничения при построении корпоративных сетей. Во многих случаях серверы, подключенные по 100-мегабитному каналу, перегружали магистрали сетей, работающие также на скорости 100 Мбит/с - магистрали FDDI и Fast Ethernet. Ощущалась потребность в следующем уровне иерархии скоростей. В 1995 году более высокий уровень скорости могли предоставить только коммутаторы АТМ, а при отсутствии в то время удобных средств миграции этой технологии в локальные сети (хотя спецификация LAN Emulation - LANE была принята в начале 1995 года, практическая ее реализация была впереди) внедрять их в локальную сеть почти никто не решался. Кроме того, технология АТМ отличалась очень высоким уровнем стоимости.

Поэтому логичным выглядел следующий шаг, сделанный IEEE, - через 5 месяцев после окончательного принятия стандарта Fast Ethernet в июне 1995 года исследовательской группе по изучению высокоскоростных технологий IEEE было предписано заняться рассмотрением возможности выработки стандарта Ethernet с еще более высокой битовой скоростью.

Летом 1996 года было объявлено о создании группы 802.3z для разработки протокола, максимально подобного Ethernet, но с битовой скоростью 1000 Мбит/с. Как и в случае Fast Ethernet, сообщение было воспринято сторонниками Ethernet с большим энтузиазмом.

Основной причиной энтузиазма была перспектива такого же плавного перевода магистралей сетей на. Gigabit Ethernet, подобно тому, как были переведены на Fast Ethernet перегруженные сегменты Ethernet, расположенные на нижних уровнях иерархии сети. К тому же опыт передачи данных на гигабитных скоростях уже имелся, как в территориальных сетях (технология SDH), так и в локальных - технология Fibre Channel, которая используется в основном для подключения высокоскоростной периферии к большим компьютерам и передает данные по волоконно-оптическому кабелю со скоростью, близкой к гигабитной, посредством избыточного кода 8В/10В.

В образованный для согласования усилий в этой области Gigabit Ethernet Alliance с самого начала вошли такие флагманы отрасли, как Bay Networks, Cisco Systems и 3Com. За год своего существования количество участников Gigabit Ethernet Alliance существенно выросло и насчитывает сейчас более 100. В качестве первого варианта физического уровня был принят уровень технологии Fibre Channel, с ее кодом 8В/10В (как и в случае Fast Ethernet, когда для ускорения работ был принят отработанный физический уровень FDDI).

Первая версия стандарта была рассмотрена в январе 1997 года, а окончательно стандарт 802.3z был принят 29 июня 1998 года на заседании комитета IEEE 802.3. Работы по реализации Gigabit Ethernet на витой паре категории 5 были переданы специальному комитету 802.ЗаЬ, который уже рассмотрел несколько вариантов проекта этого стандарта, причем с июля 1998 года проект приобрел достаточно стабильный характер.

Не дожидаясь принятия стандарта, некоторые компании выпустили первое оборудование Gigabit Ethernet на оптоволоконном кабеле уже к лету 1997 года.

Основная идея разработчиков стандарта Gigabit Ethernet состоит в максимальном сохранении идей классической технологии Ethernet при достижении битовой скорости в 1000 Мбит/с.

Так как при разработке новой технологии естественно ожидать некоторых технических новинок, идущих в общем русле развития сетевых технологий, то важно отметить, что Gigabit Ethernet, так же как и его менее скоростные собратья, на уровне протокола не поддерживает:

качество обслуживания; избыточные связи; тестирование работоспособности узлов и оборудования (в последнем случае - за исключением тестирования связи порт - порт, как это делается для Ethernet l0Base-T и l0Base-F и Fast Ethernet).

Все три названных свойства считаются весьма перспективными и полезными в современных сетях, а особенно в сетях ближайшего будущего. Почему же авторы Gigabit Ethernet отказываются от них?

По поводу качества обслуживания коротко можно ответить так: «сила есть - ума не надо». Если магистраль сети будет работать со скоростью враз превышающей среднюю скорость сетевой активности клиентского компьютера и в 100 раз превышающей среднюю сетевую активность сервера с сетевым адаптером 100 Мбит/с, то о задержках пакетах на магистрали во многих случаях можно не заботиться вообще. При небольшом коэффициенте загрузки магистрали 1000 Мбит/с очереди в коммутаторах Gigabit Ethernet будут небольшими, а время буферизации и коммутации на такой скорости составляет единицы и даже доли микросекунд.

Ну а если все же магистраль загрузится на достаточную величину, то приоритет чувствительному к задержкам или требовательному к средней скорости трафику можно предоставить с помощью техники приоритетов в коммутаторах - соответствующие стандарты для коммутаторов уже приняты. Зато можно будет пользоваться весьма простой (почти как Ethernet) технологией, принципы работы которой известны практически всем сетевым специалистам.

Главная идея разработчиков технологии Gigabit Ethernet состоит в том, что существует и будет существовать весьма много сетей, в которых высокая скорость магистрали и возможность назначения пакетам приоритетов в коммутаторах будут вполне достаточны для обеспечения качества транспортного обслуживания всех клиентов сети. И только в тех редких случаях, когда и магистраль достаточно загружена, и требования к качеству обслуживания очень жесткие, нужно применять технологию АТМ, которая действительно за счет высокой технической сложности дает гарантии качества обслуживания для всех основных видов трафика.

Избыточные связи и тестирование оборудования не будут поддерживаться технологией Gigabit Ethernet из-за того, что с этими задачами хорошо справляются протоколы более высоких уровней, например Spanning Tree, протоколы маршрутизации и т. п. Поэтому разработчики технологии решили, что нижний уровень просто должен быстро передавать данные, а более сложные и более редко встречающиеся задачи (например, приоритезация трафика) должны передаваться верхним уровням.

Что же общего имеется в технологии Gigabit Ethernet по сравнению с технологиями Ethernet и Fast Ethernet?

Сохраняются все форматы кадров Ethernet. По-прежнему будут существовать полудуплексная версия протокола, поддерживающая метод доступа CSMA/CD, и полнодуплексная версия, работающая с коммутаторами. По поводу сохранения полудуплексной версии протокола сомнения были еще у разработчиков Fast Ethernet, так как сложно заставить работать алгоритм CSMA/CD на высоких скоростях. Однако метод доступа остался неизменным в технологии Fast Ethernet, и его решили оставить в новой технологии Gigabit Ethernet. Сохранение недорогого решения для разделяемых сред позволит применить Gigabit Ethernet в небольших рабочих группах, имеющих быстрые серверы и рабочие станции. Поддерживаются все основные виды кабелей, используемых в Ethernet и Fast Ethernet: волоконно-оптический, витая пара категории 5, коаксиал.

Тем не менее разработчикам технологии Gigabit Ethernet для сохранения приведенных выше свойств пришлось внести изменения не только в физический уровень, как это было в случае Fast Ethernet, но и в уровень MAC.

Перед разработчиками стандарта Gigabit Ethernet стояло несколько трудно разрешимых проблем. Одной из них была задача обеспечения приемлемого диаметра сети для полудуплексного, режима работы. В связи с ограничениями, накладываемыми методом CSMA/CD на длину кабеля, версия Gigabit Ethernet для разделяемой среды допускала бы длину сегмента всего в 25 метров при сохранении размера кадров и всех параметров метода CSMA/CD неизменными. Так как существует большое количество применений, когда нужно повысить диаметр сети хотя бы до 200 метров, необходимо было каким-то образом решить эту задачу за счет минимальных изменений в технологии Fast Ethernet.

Другой сложнейшей задачей было достижение битовой скорости 1000 Мбит/с на основных типах кабелей. Даже для оптоволокна достижение такой скорости представляет некоторые проблемы, так как технология Fibre Channel, физический уровень которой был взят за основу для оптоволоконной версии Gigabit Ethernet, обеспечивает скорость передачи данных всего в 800 Мбит/с (битовая скорость на линии равна в этом случае примерно 1000 Мбит/с, но при методе кодирования 8В/10В полезная битовая скорость на 25 % меньше скорости импульсов на линии).

И наконец, самая сложная задача - поддержка кабеля на витой паре. Такая задача на первый взгляд кажется неразрешимой - ведь даже для 100-мегабитных протоколов пришлось использовать достаточно сложные методы кодирования, чтобы уложить спектр сигнала в полосу пропускания кабеля. Однако успехи специалистов по кодированию, проявившиеся в последнее время в новых стандартах модемов, показали, что задача имеет шансы на решение. Чтобы не тормозить принятие основной версии стандарта Gigabit Ethernet, использующего оптоволокно и коаксиал, был создан отдельный комитет 802.3ab, который занимается разработкой стандарта Gigabit Ethernet на витой паре категории 5.

Все эти задачи были успешно решены.

6.2. Средства обеспечения диаметра сети в 200 м на разделяемой среде.

Для расширения максимального диаметра сети Gigabit Ethernet в полудуплексном режиме до 200 м разработчики технологии предприняли достаточно естественные меры, основывающиеся на известном соотношения времени передачи кадра минимальной длины и временем двойного оборота.

Минимальный размер кадра был увеличен (без учета преамбулы) с 64 до 512 байт или до 4096 bt. Соответственно, время двойного оборота теперь также можно было увеличить до 4095 bt, что делает допустимым диаметр сети около 200 м при использовании одного повторителя. При двойной задержке сигнала в 10 bt/m оптоволоконные кабели длиной 100 м вносят вклад во время двойного оборота по 1000 bt, и если повторитель и сетевые адаптеры будут вносить такие же задержки, как в технологии Fast Ethernet (данные для которых приводились в предыдущем разделе), то задержка повторителя в 1000 bt и пары сетевых адаптеров в 1000 bt дадут в сумме время двойного оборота 4000 bt, что удовлетворяет условию распознавания коллизий. Для увеличения длины кадра до требуемой в новой технологии величины сетевой адаптер должен дополнить поле данных до длины 448 байт так называемый расширением (extention) , представляющим собой поле, заполненное запрещенными символами кода 8В/10В, которые невозможно принять за коды данных.

Для сокращения накладных расходов при использовании слишком длинных кадров для передачи коротких квитанций разработчики стандарта разрешили конечным узлам передавать несколько кадров подряд, без передачи среды другим станциям. Такой режим получил название Burst Mode - монопольный пакетный режим. Станция может передать подряд несколько кадров с общей длиной не болеебит или 8192 байт. Если станции нужно передать несколько небольших кадров, то она может не дополнять их до размера в 512 байт, а передавать подряд до исчерпания предела в 8192 байт (в этот предел входят все байты кадра, в том числе преамбула, заголовок, данные и контрольная сумма). Предел 8192 байт называется BurstLength. Если станция начала передавать кадр и предел BurstLength был достигнут в середине кадра, то кадр разрешается передать до конца.

Увеличение «совмещенного» кадра до 8192 байт несколько задерживает доступ к разделяемой среде других станций, но при скорости 1000 Мбит/с эта задержка не столь существенна.

7. Заключение.

Технология Gigabit Ethernet добавляет новую, 1000 Мбит/с, ступень в иерархии скоростей семейства Ethernet. Эта ступень позволяет эффективно строить крупные локальные сети, в которых мощные серверы и магистрали нижних уровней сети работают на скорости 100 Мбит/с, а магистраль Gigabit Ethernet объединяет их, обеспечивая достаточно большой запас пропускной способности.

Разработчики технологии Gigabit Ethernet сохранили большую степень преемственности с технологиями Ethernet и Fast Ethernet. Gigabit Ethernet использует те же форматы кадров, что и предыдущие версии Ethernet, работает в полнодуплексном и полудуплексном режимах, поддерживая на разделяемой среде тот же метод доступа CSMA/CD с минимальными изменениями.

8. Список использованной литературы.

Олифер сети. Принципы, технологии, протоколы: учебник для вузов / , СПб.: Питер - 672 с.

Стремительное развитие локальных сетей, получившее в наши дни дальнейшее воплощение в стандарте 10 Gigabit Ethernet и технологиях построения беспроводных сетей IEEE 802.11b/a, приковывает к себе все большее внимание. Для кабельных сетей в настоящее время стандартом де-факто стала технология Ethernet. И хотя в классическом виде технология Ethernet уже давно не встречается, те идеи, которые были изначально заложены в протоколе IEEE 802.3, получили свое логическое продолжение как в технологии Fast Ethernet, так и в Gigabit Ethernet. Ради исторической справедливости отметим, что заслуживают внимания и такие технологии, как Token Ring, ARCNET, 100VG-AnyLAN, FDDI и Apple Talk. Ну что ж. Восстановим историческую справедливость и вспомним технологии минувших дней.

умаю, можно не рассказывать о стремительном прогрессе в полупроводниковой индустрии, наблюдавшемся в последнее десятилетие. Сетевое оборудование постигла судьба всей отрасли: лавинообразный рост производства, большие скорости и минимальные цены. В 1995 году, который считается переломным в истории развития Интернета, было продано около 50 млн. новых портов Ethernet. Неплохой задел для доминирования на рынке, которое за следующие пять лет стало подавляющим.

Для специализированного телекоммуникационного оборудования такой уровень цен недоступен. Сложность устройства при этом не играет особой роли - вопрос, скорее, в количестве. Сейчас это кажется вполне естественным, но еще десять лет назад безусловное господство Ethernet было далеко не очевидным (например, в промышленных сетях до сих пор нет явного лидера).

Однако только в сравнении с другими способами построения сетей можно выявить преимущества (или недостатки) сегодняшнего лидера.

Основные способы доступа к среде к среде передачи

изические принципы, в соответствии с которыми функционирует оборудование, не слишком сложны. По методу получения доступа к среде передачи их можно разделить на два класса: детерминированные и недетерминированные.

При детерминированных методах доступа передающая среда распределяется между узлами с помощью специального механизма управления, гарантирующего передачу данных узла в течение некоторого промежутка времени.

Наиболее распространенными (но далеко не единственными) детерминированными методами доступа являются метод опроса и метод передачи права. Метод опроса мало применим в локальных сетях, но широко используется в промышленности для управления технологическими процессами.

Метод передачи права, наоборот, удобен для передачи данных между компьютерами. Принцип работы состоит в передаче по сети с кольцевой логической топологией служебного сообщения - маркера.

Получение маркера предоставляет устройству право на доступ к разделяемому ресурсу. Выбор у рабочей станции в этом случае ограничен лишь двумя вариантами. В любом случае она должна отправить маркер следующему по очереди устройству. Причем сделать это можно после доставки данных адресату (при их наличии) или сразу (при отсутствии информации, нуждающейся в передаче). На время прохождения данных маркер в сети отсутствует, остальные станции не имеют возможности передачи, и коллизии невозможны в принципе. Для обработки возможных ошибок, в результате которых маркер может быть утерян, существует механизм его регенерации.

Недетерминированными называют случайные методы доступа. Они предусматривают конкуренцию всех узлов сети за право передачи. Возможны одновременные попытки передачи со стороны нескольких узлов, в результате чего возникают коллизии.

Наиболее распространенным методом такого типа является CSMA/CD (carrier-sense multiple access/collision detection) - множественный доступ с контролем несущей/обнаружением коллизий. Перед началом передачи данных устройство «прослушивает» сеть, чтобы убедиться, что никто больше ее не использует. Если среда передачи в этот момент кем-то используется, адаптер задерживает передачу, если же нет - начинает передавать данные.

В случае когда два адаптера, обнаружив свободную линию, начинают передачу одновременно, происходит коллизия. При ее обнаружении обе передачи прерываются и устройства повторяют передачу через некоторое произвольное время (естественно, предварительно опять «прослушав» канал на предмет занятости). Для получения информации устройство должно принимать все пакеты в сети, чтобы определить, не оно ли является адресатом.

Из истории Ethernet

сли бы мы начали рассмотрение локальных сетей с какой-либо другой технологии, то не учли бы реального значения, которое Ethernet имеет в настоящее время в этой области. Волею ли сложившихся обстоятельств или вследствие технических преимуществ, но конкуренции он на сегодня не имеет, занимая около 95% рынка.

Днем рождения Ethernet считается 22 мая 1973 года. Именно в этот день Роберт Меткалф (Robert Metcalfe) и Дэвид Боггс (David Boggs) опубликовали описание экспериментальной сети, построенной ими в Исследовательском центре Xerox. Базировалась она на толстом коаксиальном кабеле и обеспечивала скорость передачи данных 2,94 Мбит/с. Новая технология получила имя Ethernet (эфирная сеть), в честь радиосети Гавайского университета ALOHA, в которой был использован схожий механизм разделения среды передачи (радиоэфира).

К концу 70-х годов под Ethernet была подведена солидная теоретическая база. А в феврале 1980 года фирма Xerox совместно с DEC и Intel представила разработку IEEE, которая спустя три года была утверждена в качестве стандарта 802.3.

Метод получения доступа к среде передачи данных у Ethernet недетерминированный - это множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD). Проще говоря, устройства разделяют среду передачи хаотично, случайным образом. При этом алгоритм может приводить к далеко не равноправному разрешению соперничества станций за доступ к среде. Это, в свою очередь, может породить длительные задержки доступа, особенно в условиях перегрузки. В экстремальных случаях скорость передачи может упасть до нуля.

Из-за такого неупорядоченного подхода долгое время считалось (и считается до сих пор), что Ethernet не обеспечивает качественной передачи данных. Предсказывали его вытеснение сначала маркерным Token Ring, потом АТМ, но в действительности все произошло наоборот.

То, что Ethernet до сих пор доминирует на рынке, объясняется большими изменениями, которым он подвергся за время своего 20-летнего существования. Тот «гигабит» в полном дуплексе, который мы видим сейчас уже в сетях начального уровня, мало похож на родоначальника семейства 10Base 5. В то же время после введения 10Base-T совместимость сохраняется как на уровне взаимодействия устройств, так и на уровне кабельной инфраструктуры.

Развитие от простого к сложному, рост вместе с потребностями пользователей - вот ключ невероятного успеха технологии. Судите сами:

• март 1981 года - фирма 3Сom представляет Ethernet-трансивер;
• сентябрь 1982 года - создан первый сетевой адаптер для персонального компьютера;
• 1983 год - появилась спецификация IEEE 802.3, определена шинная топология сети 10Base 5 (толстый Ethernet) и 10Base 2 (тонкий Ethernet). Скорость передачи - 10 Мбит/с. Установлено предельное расстояние между точками одного сегмента - 2,5 км;
• 1985 год - выпущена вторая версия спецификации IEEE 802.3 (Ethernet II), в которой небольшие изменения были внесены в структуру заголовка пакета. Сформирована жесткая идентификация Ethernet-устройств (МАС-адреса). Был создан список адресов, в котором любой производитель может зарегистрировать уникальный диапазон (сейчас это стоит всего 1250 долл.);
• сентябрь 1990 года - IEEE утверждает технологию 10Вase-T (витая пара) с физической топологией «звезда» и концентраторами (hub). Логическая топология CSMA/CD не изменилась. В основу стандарта легли разработки SynOptics Communications под общим названием LattisNet;
• 1990 год - фирма Kalpana (впоследствии она была быстро куплена вместе с разработанным коммутатором CPW16 будущим гигантом Cisco) предлагает технологию коммутации, основанную на отказе от использования разделяемых линий связи между всеми узлами сегмента;
• 1992 год - начало применения коммутаторов (swich). Используя адресную информацию, содержащуюся в пакете (МАС-адрес), коммутатор организует независимые виртуальные каналы между парами узлов. Коммутация фактически незаметно для пользователя преобразует недетерминированную модель Ethernet (с конкурентной борьбой за полосу пропускания) в систему с адресной передачей данных;
• 1993 год - спецификация IEEE 802.3x, появляется полный дуплекс и контроль соединения для 10Вase-T, спецификация IEEE 802.1p добавляет групповую адресацию и 8-уровневую систему приоритетов. Предложен Fast Ethernet;
• в июне 1995 года введен Fast Ethernet, стандарт IEEE 802.3u (100Base-T).

На этом краткую историю можно закончить: Ethernet принял вполне современные очертания, но развитие технологии, конечно, не остановилось - речь об этом пойдет немного позже.

Незаслуженно забытый ARCNET

ttached Resourse Computing Network (ARCNET) - сетевая архитектура, разработанная компанией Datapoint в середине 70-х годов. В качестве стандарта IEEE ARCNET принят не был, но частично соответствует IEEE 802.4 как сеть с передачей маркера (логическое кольцо). Пакет данных может иметь любой размер в пределах от 1 до 507 байт.

Из всех локальных сетей ARCNET обладает самыми широкими возможностями в области топологий. Кольцо, общая шина, «звезда», «дерево» могут быть применены в одной сети. В дополнение к этому можно использовать весьма протяженные сегменты (до нескольких километров). Такие же широкие возможности касаются и среды передачи - подходят и коаксиальный, и оптоволоконный кабели, а также витая пара.

Доминировать на рынке этому недорогому стандарту помешало низкое быстродействие - всего-то 2,5 Мбит/с. Когда в начале 90-х годов Datapoint разработала ARCNET PLUS со скоростью передачи до 20 Мбит/с, время было уже упущено. Fast Ethernet не оставил ARCNET ни малейшего шанса на широкое применение.

Тем не менее в пользу большого (но так и не реализованного) потенциала этой технологии можно сказать, что в некоторых отраслях (обычно АСУТП) эти сети живут до сих пор. Детерминированный доступ, возможности автоконфигурирования, согласования скорости обмена в диапазоне от 120 Кбит/с до 10 Мбит/с в сложных условиях реального производства делают ARCNET просто незаменимой.

Кроме того, ARCNET обеспечивает необходимую для систем управления возможность точно определять максимальное время доступа к любому устройству в сети при любой нагрузке по простой формуле: T = (TDP + TOBЅNb)ЅND, где TDP и TOB - соответственно время передачи пакета данных и одного байта, зависящее от выбранной скорости передачи, Nb - количество байтов данных, ND - количество устройств в сети.

Token Ring - классический пример передачи маркера

oken Ring - еще одна технология, берущая свое начало в 70-х годах. Эта разработка голубого гиганта - IBM, являющаяся основой стандарта IEEE 802.5, имела больше шансов на успех, чем многие другие локальные сети. Token Ring является классической сетью с передачей маркера. Логическая топология (и физическая в первых версиях сети) - кольцо. Более современные модификации построены на витой паре по топологии «звезда», и с некоторыми оговорками совместимы с Ethernet.

Изначальная скорость передачи, описанная в IEEE 802.5, составляла 4 Мбит/с, однако существует более поздняя реализация на 16 Мбит/с. Из-за более упорядоченного (детерминированного) метода доступа к среде Token Ring на ранних этапах развития часто продвигалась как более качественная замена Ethernet.

Несмотря на существование схемы приоритетного доступа (который назначался каждой станции в отдельности), обеспечить постоянный темп передачи битов (Constant Bit Rate, CBR) не удавалось по весьма простой причине: приложений, которые могли бы использовать преимущества этих схем, тогда не существовало. Да и в настоящее время их стало не намного больше.

Учитывая это обстоятельство, можно было гарантировать только то, что производительность для всех станций сети снизится в равной мере. Но для победы в конкурентной борьбе этого было мало, и сейчас найти реально работающую сеть Token Ring практически невозможно.

FDDI - первая локальная сеть на оптоволокне

ехнология Fiber Distributed Data Interface (FDDI) была разработана в 1980 году комитетом ANSI. Это была первая компьютерная сеть, использовавшая в качестве среды передачи только оптоволоконный кабель. Причинами, побудившими производителей создать FDDI, были недостаточные в то время скорость (не более 10 Мбит/с) и надежность (отсутствие схем резервирования) локальных сетей. Кроме того, это была первая (и не слишком удачная) попытка вывести сети передачи данных на «транспортный» уровень, составив конкуренцию SDH.

Стандарт FDDI оговаривает передачу данных по двойному кольцу оптоволоконного кабеля со скоростью 100 Мбит/с, что позволяет получить надежный (зарезервированный) и быстрый канал. Расстояния довольно значительные - до 100 км по периметру. Логически работа сети была построена на передаче маркера.

Дополнительно предусматривалась развитая схема приоритезации трафика. Сначала рабочие станции разделялись на два вида: синхронные (имеющие постоянную полосу пропускания) и асинхронные. Последние, в свою очередь, распределяли среду передачи с помощью восьмиуровневой системы приоритетов.

Несовместимость с сетями SDH не позволила FDDI занять сколько-нибудь значимую нишу в области транспортных сетей. Сегодня эта технология практически вытеснена АТМ . А высокая стоимость не оставила шансов FDDI в борьбе с Ethernet за локальную нишу. Не помогли стандарту и попытки прейти на более дешевый медный кабель. Технология CDDI, основанная на принципах FDDI, но с применением в качестве среды передачи витой пары, популярностью не пользовалась и сохранилась только в учебниках.

Разработка AT&T и HP - 100VG-AnyLAN

ту технологию, как и FDDI, можно отнести ко второму поколению локальных сетей. Создавалась она в начале 90-х годов совместными усилиями компаний AT&T и HP как альтернатива технологии Fast Ethernet. Летом 1995 года она практически одновременно со своим конкурентом получила статус стандарта IEEE 802.12. 100VG-AnyLAN имела неплохой шанс на победу благодаря своей универсальности, детерминированности и более полной, чем у Ethernet, совместимости с существующими кабельными сетями (витая пара категории 3).

Схема квартетного кодирования Quartet Coding, использующая избыточный код 5В/6В, позволяла применять 4-парную витую пару категории 3, которая была тогда распространена едва ли не больше, чем современная 5-я категория. Переходный период, по сути, не затронул Россию, где из-за более позднего начала строительства коммуникационных систем сети были повсеместно проложены уже с использованием 5-й категории.

Кроме использования старой проводки каждый концентратор 100VG-AnyLAN может быть настроен на поддержку кадров 802.3 (Ethernet) либо кадров 802.5 (Token Ring). Метод доступа к среде Demand Priority определяет простую двухуровневую систему приоритетов - высокий для мультимедийных приложений и низкий для всех остальных.

Надо сказать, это была серьезнейшая заявка на успех. Подвела высокая стоимость, обусловленная большей сложностью и в немалой мере закрытостью технологии от тиражирования сторонними производителями. К этому прибавилось уже знакомое по Token Ring отсутствие реальных приложений, использующих преимущества системы приоритетов. В результате 100Вase-T удалось надолго и окончательно захватить лидерство в отрасли.

Новаторские технические идеи немного позже нашли применение сначала в 100Base-T2 (IEEE 802.3у), а затем и в «гигабитном» Ethernet 1000Вase-T.

Apple Talk, Local Talk

Apple Talk - стек протоколов, предложенный компанией Apple в начале 80-х годов. Изначально протоколы Apple Talk применялись для работы с сетевым оборудованием, объединяемым названием Local Talk (адаптеры, встроенные в компьютеры Apple).

Топология сети строилась как общая шина или «дерево», максимальная длина ее составляла 300 м, скорость передачи - 230,4 Кбит/с. Среда передачи - экранированная витая пара. Сегмент Local Talk мог объединять до 32 узлов.

Малая пропускная способность быстро вызвала необходимость разработки адаптеров для сетевых сред с большей пропускной способностью: Ether Talk, Token Talk и FDDI Talk для сетей стандарта Ethernet, Token Ring и FDDI соответственно. Таким образом, Apple Talk пошел путем универсальности на канальном уровне и может подстраиваться под любую физическую реализацию сети.

Как и большинство других изделий компании Apple, эти сети живут внутри «яблочного» мира и практически не пересекаются с PC.

UltraNet - сеть для суперкомпьютеров

Еще одним практически неизвестным в России видом сетей является UltraNet. Она активно использовалась для работы с вычислительными системами класса суперкомпьютеров и мэйнфреймами, но в настоящее время активно вытесняется Gigabit Ethernet.

UltraNet использует топологию «звезда» и способна обеспечить скорость обмена информацией между устройствами до 1 Гбит/с. Эта сеть отличается весьма сложной физической реализацией и очень высокими, под стать суперкомпьютерам, ценами. Для управления UltraNet используются компьютеры РС, которые подключаются к центральному концентратору. Дополнительно в состав сети могут входить мосты и роутеры для соединения с сетями, построенными по технологиям Ethernet или Token Ring.

В качестве среды передачи могут использоваться коаксиальный кабель и оптоволокно (на расстояния до 30 км).

Промышленные и специализированные сети

Следует отметить, что сети передачи данных используются не только для связи между компьютерами или для телефонии. Есть еще довольно большая ниша промышленных и специализированных устройств. Например, достаточно популярна технология CANBUS, созданная для замены одной общей шиной толстых и дорогих жгутов проводов в автомобилях. В этой сети нет большого выбора физических соединений, ограничена длина сегмента, небольшая (до 1 Mбит/с) скорость передачи. Однако CANBUS - это удачное сочетание необходимых для малой и средней автоматизации показателей качества и низкого ценового уровня реализаций. К подобным системам можно также отнести ModBus, PROFIBUS, FieldBus.

Сегодня интересы разработчиков CAN-контроллеров постепенно смещаются в сторону домашней автоматизации.

ATM как универсальная технология передачи данных

Описание стандарта АТМ не зря помещено в конец статьи. Это, пожалуй, одна из последних, но безуспешных попыток дать бой Ethernet на его поле. Эти технологии являются полной противоположностью друг другу по истории создания, ходу внедрения и идеологии. Если Ethernet поднимался «снизу вверх, от частного к общему», увеличивал скорость и качество, следуя за потребностью пользователей, то АТМ развивался совсем иначе.

В середине 80-х годов Американский национальный институт стандартов (ANSI) и Международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии (CCITT, МККТТ) начали разработку стандартов ATM (Asynchronous Transfer Mode - Асинхронный режим передачи) как набора рекомендаций для сети B-ISDN (Broadband Integrated Services Digital Network). Только в 1991 году усилия академической науки увенчались созданием АТМ-Форума, который до сих пор определяет развитие технологии. Первым же крупным проектом, сделанным с использованием этой технологии в 1994 году, стала магистраль известной сети NSFNET, до этого использовавшей канал Т3.

Суть работы АТМ очень проста: нужно смешать все виды трафика (голос, видео, данные), уплотнить и передать по одному каналу связи. Как уже отмечалось выше, достигается это не путем каких-либо технических прорывов, а скорее многочисленными компромиссами. В чем-то это похоже на способ решения дифференциальных уравнений. Непрерывные данные разбиваются на интервалы, которые достаточно малы и с которыми можно проводить операции по коммутации.

Естественно, такой подход сильно усложнил и без того непростую задачу разработчиков и производителей реального оборудования и недопустимо для рынка задержал сроки внедрения.

На размер минимальной порции данных (ячеек - в терминологии АТМ) влияют несколько факторов. С одной стороны, увеличение размера снижает требования к скорости процессора-коммутатора ячеек и повышает эффективность использования канала. С другой стороны, чем меньше ячейка, тем скорее возможна передача.

Действительно, пока одна ячейка передается, вторая (пусть самая первоочередная) ждет. Сильная математика, механизм очередей и приоритетов может немного сгладить эффект, но не устранить причину. После достаточно долгих экспериментов в 1989 году для ячейки был определен размер в 53 байта (5 байт служебных и 48 - данных). Очевидно, что для разной скорости этот размер может быть различным. Если для скоростей от 25 до 155 Мбит/с подходит размер в 53 байта, то для гигабита 500 байт будут ничем не хуже, а для 10 гигабит годятся и 5000 байт. Но в этом случае проблема совместимости становится неразрешимой. Рассуждения носят отнюдь не академический характер - именно ограничение на скорость коммутации поставило технический предел повышению скорости АТМ более 622 Мбит и резко повысило стоимость на меньших скоростях.

Второй компромисс АТМ - технология с установлением соединения. Перед сеансом передачи на канальном уровне устанавливается виртуальный канал отправитель-получатель, который не может использоваться другими станциями, тогда как в традиционных технологиях статистического уплотнения соединение не устанавливается, а в среду передачи помещаются пакеты с указанным адресом. Для этого в таблицу коммутации заносятся номер порта и идентификатор соединения, который присутствует в заголовке каждой ячейки. Впоследствии коммутатор обрабатывает поступающие ячейки, основываясь на идентификаторах соединения в их заголовках. Опираясь на этот механизм, можно регламентировать для каждого соединения пропускную способность, задержку и максимальную потерю данных - то есть обеспечить определенное качество обслуживания.

Все перечисленные свойства плюс хорошая совместимость с иерархией SDH позволили АТМ сравнительно быстро стать стандартом магистральных сетей передачи данных. Но с полной реализацией всех возможностей технологии возникли большие проблемы. Как это бывало не раз, локальные сети и клиентские приложения не поддерживали функций АТМ, а без этого мощная технология с большим потенциалом оказывалась только лишним преобразованием между мирами IP (по сути Ethernet) и SDH. Сложилась весьма неприятная ситуация, которую сообщество АТМ попыталось исправить. К сожалению, не обошлось без стратегических просчетов. Несмотря на все преимущества волоконной оптики по сравнению с медными кабелями, высокая цена интерфейсных плат и портов коммутаторов делала ATM на 155 Мбит/с чрезвычайно дорогой для использования в этом сегменте рынка.

Предприняв попытку определить низкоскоростные решения для настольных систем, ATM Forum ввязался в разрушительные споры по поводу того, на какие скорость и тип соединения следует ориентироваться. Производители разделились на два лагеря: сторонников медного кабеля со скоростью 25,6 Мбит/с и сторонников оптического кабеля со скоростью 51,82 Мбит/с. После ряда громких конфликтов (первоначально была выбрана скорость 51,82 Мбит/с) ATM Forum провозгласил 25 Мбит/с в качестве стандарта. Но драгоценное время было потеряно безвозвратно. На рынке технологии пришлось встретиться уже не с «классическим» Ethernet с его разделяемой средой передачи, а с Fast Ethernet и коммутируемым 10Вase-T (с надеждой на скорое появление коммутируемого 100Вase-T). Высокая цена, небольшое количество производителей, необходимость в более квалифицированном обслуживании, проблемы с драйверами и т.п. только усугубили ситуацию. Надежды на внедрение в сегмент корпоративных сетей рухнули, и достаточно слабая промежуточная позиция АТМ на некоторое время закрепилась. Таково ее положение в отрасли и сегодня.

КомпьютерПресс 10"2002

Тема 1.3: Открытые системы и модель OSІ

Тема 1.4: Основы локальных сетей

Тема 1.5: Базовые технологии локальных сетей

Тема 1.6: Основные программные и аппаратные компоненты ЛВС

Локальные сети

1.5. Базовые технологии или сетевые технологии локальных сетей

1.5.3. 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:

1. 10BASE5 (толстый коаксиальный кабель) - обеспечивает скорость передачи данных 10 Мбит/с и длину сегмента до 500м.
2. 10BASE2 (тонкий коаксиальный кабель) - обеспечивает скорость передачи данных 10 Мбит/с и длину сегмента до 200м.
3. 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.
4. 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:

1. 100BASE-T4 - используется неэкранированная витая пара (счетверенная витая пара). Расстояние от концентратора до конечного узла до 100м.
2. 100BASE-TX - используются две витые пары (неэкранированная и экранированная). Расстояние от концентратора до конечного узла до 100м.
3. 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:

1. 1000BASE-SX – применяется оптоволоконный кабель с длиной волны светового сигнала 850 нм.
2. 1000BASE-LX – используется оптоволоконный кабель с длиной волны светового сигнала 1300 нм.
3. 1000BASE-CX – используется экранированная витая пара.
4. 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.