МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

Алматинский институт энергетики и связи

М.А. Ташимов

КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ И СИСТЕМЫ

Учебное пособие

Алматы 2006

УДК 681.326 (075)

ББК 32.973.202я7

Т25. М.А. Ташимов Компьютерные сети и системы

Учебное пособие, Алматы: АИЭС. 2006. – 98с.

В учебном пособии согласно программе дисциплины « Компьютерные сети и системы» рассматриваются основные принципы, стандарты, протоколы и структуры построения локальных компьютерных сетей. Было уделено внимание принципам работы беспроводных сетей и технологиям широкополосного доступа в сеть. Представляемый материал позволяет изучить базовые и новые высокопроизводительные технологии организации локальных сетей, основные компоненты и правила их построения. В работе приводятся контрольные вопросы и упражнения, а также тест для закрепления знаний изучаемого предмета студентами. Электронный вариант данного пособия может быть использован для дистанционного обучения.

Табл. 5, Ил. 26, Библиогр.- 15 назв.

РЕЦЕНЗЕНТЫ: кафедра вычислительной техники Каз. НТУ им. К.И. Сатпаева, к.т.н., профессор А.Ш. Турым;

зав. кафедры АЭС, к.т.н., профессор А.Я. Жангозин.

Печатается по плану издания Министерства образования и науки Республики Казахстан на 2006г.

Т 4310020000

00 (05)- 06

ISBN 9965-708-61-4

с Алматинский институт энергетики и связи, 2006.

Введение

Стремительное развитие науки и техники, их проникновение во все новые области деятельности человека вместе с решением поставленных прежде проблем постоянно порождает поток вопросов и ставит новые, как правило, более сложные, задачи. Во времена первых компьютеров казалось, что увеличение их быстродействия в 100 раз позволит решить большинство проблем, однако гигафлопная производительность современных суперЭВМ сегодня является явно недостаточной для многих ученых. Электро - и гидродинамика, сейсморазведка и прогноз погоды, моделирование химических соединений, исследования в области ядерной физики и физики элементарных частиц - вот далеко не полный список областей наук, исследователи которых используют каждую возможность ускорить выполнение своих программ.

Наиболее перспективным и динамичным направлением увеличения скорости решения этих проблем является широкое внедрение новых сетевых технологий. В связи с бурным развитием информационных и компьютерных технологий усложняется и структура сетей, как локальных, так и глобальных. Архитектура используемых сетей должна изменяться так, чтобы удовлетворить все возрастающую потребность пользователей. При этом вычислительная сеть не только обеспечивает доступ через Интернет к мировым информационным ресурсам, но также является основой распределенных вычислений и обработки информации. Современная вычислительная сеть должна обеспечить выполнение трех основных требований: хорошей масштабируемости, высокой производительности и управляемости. Хорошая масштабируемость необходима для того, чтобы можно было менять число пользователей, работающих в сети, конечно в большую сторону, и, соответственно, количество разнообразных программ, которые в ней используются. Высокая производительность сети требуется, особенно при работе в Интернете, для ускорения работы самого пользователя. И, наконец, сеть должна быть управляемой, чтобы ее можно было перестраивать для удовлетворения постоянно меняющихся потребностей организации и пользователей. Все эти требования должны выполняться при обеспечении преемственности существующей сети. Эти требования отражают новый этап в развитии сетевых технологий - этап создания высокопроизводительных сетей.

Централизованные ресурсы, новые классы программ, новые принципы их применения, изменение информационных потоков, увеличение одновременно работающих пользователей и более мощные вычислительные платформы- все эти факторы нужно учитывать при разработке и развитии компьютерных сетей. Кроме того, сетевые технологии широко используются в архитектуре современных многопроцессорных вычислительных систем. «Компьютерные сети и системы» является базовой дисциплиной для изучения, проектирования

и освоения современных информационных технологий в учебном процессе, подготовки специалистов по многим направлениям. Это связано с тем, что компьютеры и сетевые технологии внедряются и используются во всех сферах деятельности человека, где бы он не работал. Поэтому целью предмета является изучение будущими специалистами основ и принципов построения современных сетевых технологий, а также подготовка их к эффективному использованию информационных технологий в будущей профессиональной деятельности. Дисциплина «Компьютерные сети и системы» служит для освоения фундамента современной сетевой технологий студентами и приобретению ими навыков и умения целенаправленно использовать ее в своей практической работе.

Курс состоит из лекционных, практических и лабораторных занятий. Базовые теоретические знания (ядро) содержатся в лекциях, а практические сведения, которыми должен владеть студент даются на практических и лабораторных занятиях.

Основными задачами изучения дисциплины являются:

- общие принципы построения и требования, предъявляемые при проектировании сетей;

- основные компоненты, используемые при созданий сетей;

- базовые технологии локальных сетей;

- беспроводные сети;

- современные технологии доступа в сеть;

В результате изучения курса студент должен знать:

-основные проблемы построения и требования, предъявляемые к современным вычислительным сетям;

- многоуровневую модель взаимодействия открытых систем OSI (Open

System Interconnection);

- стандарты, характеристики и разновидности линий связи;

- методы передачи дискретных данных и методы коммутации;

- базовые технологии локальных сетей: Ethernet, Token Ring, FDDI, Fast

Ethernet, 100 VG- Any Lan, Gigabit Ethernet;

- принципы работы основных компонентов для построения сетей:

сетевые адаптеры (Network Interface Card, NIC), повторители (Repeator), концентраторы (Hub), мосты (Bridge), коммутаторы (Switch), модемы и маршрутизаторы( Router);

- беспроводные сети;

- методы и организация доступа в сеть;

-общие принципы администрирования и управления сетью.

1 Общие принципы построения вычислительных сетей и основы передачи дискретных данных

1.1 Общие принципы построения и эволюция развития компьютерных сетей.

Эволюция вычислительных систем:

-системы централизованной пакетной обработки;

-многотерминальные системы;

-локальные сети на основе мини-микро-ЭВМ;

-удаленный доступ к ЭВМ – глобальная сеть;

-персональные компьютеры-появление первой технологии локальной сети Ethernet.

Вычислительная сеть- частный случай распределенных систем:

-мультипроцессорные компьютеры;

-многомашинные системы;

-вычислительные сети.

Вычислительные сети можно классифицировать на:

-локальные вычислительные (ЛВС) LAN ( Local Area Netwoks);

-сети корпоративные MAN ( Megopolis Area Networks )-сети мегаполиса;

-глобальная сеть WAN ( Wide Area Networks- Internet).

Основные технологии локальных сетей:

LAN : Ethernet, Token Ring, FDDI ( Fiber Distributed Date Interface), Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, 100 VG- Any LAN. Первая экспериментальная сеть Ethernet Network была разработана еще 1975 г фирмой Xerox, а 1980г. фирмы DEC, Intel и Xerox совместно разработали и опубликовали стандарт Ethernet версии 2 для сети, построенной на основе коаксиального кабеля.

Первая глобальная сеть ARPA NET была разработана в 1969г в США .

Основные аппаратные и программные компоненты сети:

-компьютеры;

-коммуникационное оборудование: кабели, сетевые платы (NIC-Network

Interconnection Card), повторители (Repeator), концентраторы(Hub), мосты (Bridge), коммутаторы(Switch), маршрутизаторы (Router) и модемы (Modem);

-сетевые операционные системы: WINDOWS NT, WINDOWS 2000, UNIX,

LINUX, SOLARIS и др.;

- сетевые приложения: броузеры (Explore, Netscape), программы

передачи файлов ( FTP), почтовые программы(E-mail), всемирная паутина ( WWW- Word Wide Web), программы базы данных и др.

Проблемы физической передачи данных по линиям связи:

а) передаваемая дискретная информация представляется следующими основными видами кодирования: потенциальные (манчестерский код, NRZ, NRZI ), импульсные (AMI, биполярный код), модуляция (аналоговая, частотная и фазовая), а также логическое кодирование (избыточные коды и скрэмблирование);

б) при этом надо решать следующие проблемы:

1) помехоустойчивость линий передач;

2) обеспечение необходимой скорости передачи информации;

3) взаимную синхронизацию между компьютерами;

4) надежность передаваемой информации (простой способ проверки подсчет контрольной суммы);

в) для передачи информации в виде двоичных кодов по физическим каналам в основном используются: в локальных сетях- сетевые адаптеры, в глобальных сетях- модемы, а также другое коммуникационное оборудование .

Проблемы объединения нескольких компьютеров:

а) топология физических связей.

Под топологией компьютерных сетей понимается конфигурация графа, вершинам которых соответствуют компьютеры сети, а ребром- физические связи между ними. Конфигурация физических связей определяется электрическими соединениями компьютеров между собой и могут отличаться от конфигураций логических связей между узлами сети.

Основные топологии компьютерной сети: шинная, звезда, кольцевая, ячеистая, многозвенная, смешанная и иерархическая звезда;

б) организация совместного использования линий связи.

Разделяемая среда передачи данных ( Shared media )- это когда одна линия попеременно используется несколькими компьютерами ( Ethernet, Token Ring );

в) адресация компьютеров:

1) аппаратные адреса (hardware) предназначены для небольших сетей и поэтому они не имеют иерархическую структуру. Пример: адрес сетевого адаптера локальной сети;

2) символьные адреса или имена имеют иерархическую структуру, используются как в небольших, так и в глобальных сетях;

3) числовые составные адреса. Пример: IP и IPX-адреса . Используются

числовые составные адреса фиксированного формата, состоящего из двух частей: старшая часть – номер сети, а младшая-номер узла в сети. Пример: IP- адрес 192. 16. 221. 115, состоящий из 4-х байтов (32 бита) и представленный в десятичном исчислений, где первые 3 байта 192.16.221.- номер сети, а 4-ый байт 115- номер узла в этой сети.

Для распределения адресов имеется служба централизованного

разрешения имен для сети Internet: DNS( Domain Name System).

Структуризация как средство построения больших сетей:

а) в технологиях на однородные локальные сети существуют ограничения:

1) на длину связи между узлами;

2) на количество узлов в сети;

3) на интенсивность трафика.

Для снятия этих ограничений используются специальные методы структуризации и специальные структурообразующее оборудование: повторители, концентраторы, мосты, коммутаторы и маршрутизаторы, которые еще называют коммуникационным оборудованием;

б) физическая структуризация.

Повторитель удлиняет допустимую длину кабеля сети и разделяет ЛВС на сегменты. Повторитель ( Repeator ), который имеет несколько портов и соединяет несколько физических сегментов, называют концентратором (Concentrator) или хабом ( Hub ). Концентратор всегда изменяет физическую топологию сети, но при этом оставляет без изменения ее логическую топологию.

1.2 Многоуровневый подход. Протокол, интерфейс и стек протоколов

Многоуровневый ( иерархический ) подход используется для описания и реализации средств сетевого взаимодействия.

Формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты, лежащие на одном уровне, но в разных узлах, называются протоколом.

Модули, реализующие протоколы соседних уровней и находящиеся в одном узле и работающие по определенным правилам, принято называть интерфейсом.

Иерархически организованный набор протоколов, достаточный для организации взаимодействия узлов в сети, называют стеком коммуникационных протоколов.

Интерфейс определяет набор сервисов, предоставляемый данным уровнем следующему уровню. Протоколы определяют правило взаимодействия модулей одного уровня в разных узлах, а интерфейсы- модулей соседних уровней в одном узле.

1.2.1 Модель OSI

Cтандарт принят в 1984г., объем 1000 стр. Модель описывает только системные средства взаимодействия, реализуемые операционной системой, системными утилитами, системными аппаратными средствами. Модель не включает средства взаимодействия приложений конечных пользователей.

Схема модели взаимодействия ISO/ OSI.

ISO-(International Organization for Standardization) международная организация по стандартизации.

В OSI различают два основных протоколов передачи данных:

- с установлением соединения (connection-oriented);

- без предварительного установления соединения (connection less)

дейтограммные протоколы.

Основные функции и назначение уровней модели (рисунок 1.1)

Физический уровень осущесвляет:

- передачу битов (сигналов) по физическим каналам связи;

- определяет способ соединения сетевого кабеля с платой сетевого адаптера (тип разъема, количество контактов и их функции);

- способ передачи данных;

- отвечает за кодирование и синхронизацию битов.

Канальный уровень производит:

- проверку доступности среды передачи;

- реализацию механизмов обнаружения и коррекции ошибок;

- биты (информации) группируются в наборы, называемые кадрами

(frames);

- обеспечивает корректность передачи каждого кадра, помещая

специальную последовательность бит на начало и конец кадра, для его выделения;

- вычисляет контрольную сумму и добавляет ее к кадру для проверки

правильности передачи данных;

- исправляет ошибки за счет повторной передачи поврежденных кадров.

В некоторых технологиях локальных сетей в протоколах канального уровня заложена определенная структура связей между компьютерами и способы их адресации. Протоколы канального уровня используются компьютерами, мостами, коммутаторами и маршрутизаторами. В компьютерах функции канального уровня реализуются усилителями сетевых адаптеров и их драйверов.

Сетевой уровень осуществляет:

- правильный выбор маршрута передачи сообщения между сетями;

- адресацию сообщения и перевод логических адресов и имен в физические адреса;

- согласование разных технологий;

- формирование из кадров пакеты;

- коммутация пакетов, маршрутизация и контроль за перегрузкой данных.

Сообщения сетевого уровня называются пакетами (packets). Этот уровень

служит для образования единой транспортной системы, объединяющей

Компьютер 1 Компьютер 2

1

2

3

4

5

6

1

7

2

3

4

5

6

7

Сообщение Сообщение

Прикладной Протоколы

уровень Aplication

7 7 layer

Представитель-

ный уровень Presenta-

7 6 6 7 tion layer

Сеансовый Интерфейсы

уровень Session

7 6 5 5 6 7 layer

Транспортный

уровень Transport

7 6 5 4 4 5 6 7 layer

Сетевой

уровень Network

7 6 5 4 3 3 4 5 6 7 layer

Канальный

уровень Data Link

7 6 5 4 3 2 2 3 4 5 6 7 layer

Физический

уровень Physical

layer

Сообщение

7 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7

Служебная информация

7 6 5 4 3 2 1

Полезная Заголовок сообщения

информация

Рисунок 1.1- Схема модели взаимодействия OSI

несколько сетей, причем эти сети могут использовать различные принципы передачи сообщений между конечными узлами и обладать произвольной структурой связи. На сетевом уровне работают два вида протоколов: сетевые протоколы (routed protocols) и протокол маршрутизации ( routing protocols). Примерами протоколов сетевого уровня являются протокол межсетевого взаимодействия IP стека TCP/IP и протокол межсетевого обмена пакетами IPX стека Novell. На сетевом уровне работают еще протоколы преобразования (прямого и обратного) адреса ARP (Address Resolution Protocol) RARP (Reverse Address Resolution Protocol).

Транспортный уровень обеспечивает:

- доставку пакетов без ошибок в той же последовательности, без потерь и

дублирования;

- переупаковку сообщений: длинные разбиваются на несколько пакетов, а

короткие объединяются в один, повышая эффективность передачи пакетов в сети;

- на транспортном уровне компьютера-получателя сообщения

распаковываются, восстанавливаются в первоначальном виде и обычно посылается сигнал подтверждения приема.

Протоколы этого уровня и выше, как правило, реализуются программными

средствами конечных узлов сети- компонентами их сетевых операционных систем. Примерами являются протоколы TCP и UDP стека TCP/ IP и протокол SPX стека Novell.

Сеансовый уровень обеспечивает:

- управление диалогом, фиксируя какая из сторон является активной в

настоящий момент;

- синхронизацию между пользовательскими задачами посредством

- расстановки в потоке данных контрольных точек ( checkpoints), при этом

в случае ошибки передаются только данные, следующие за последней контрольной точкой;

- распознавание имен и защита, необходимые для двух приложений в сети.

На практике немногие приложения используют сеансовый уровень и он редко реализуется в виде отдельных протоколов, хотя функции этого уровня часто объединяют с функциями прикладного уровня и реализуют в одном протоколе.

Представительный уровень:

- имеет дело с формой представления передаваемой по сети информации,

не меняя при этом ее содержания (определяет формат);

- отвечает за преобразование протоколов, трансляцию данных, их

шифрование, смену или преобразование применяемых наборов символов (кодовой таблицы) и расширение графических команд;

- управление сжатием данных для уменьшения передаваемых битов.

На этом уровне работает утилита, называемая редиректором ( redirector). Ее

назначение: переадресовать операции ввода/вывода к ресурсам сервера.

Пример- Протокол Secure Socket Layer (SSL), обеспечивающий секретный

обмен сообщениями для протоколов прикладного уровня стека TCP/IP.

Прикладной уровень обеспечивает:

- услуги для передачи файлов, доступ к базам данных, WEB-страницы ,

электронная почта и др.;

- управляет общим доступом к сети, потоком данных и обработкой

ошибок.

Прикладный уровень это набор разнообразных протоколов, с помощью

которых пользователи сети получают доступ разделяемым ресурсам и сетевым услугам.

Примеры

1 Утилиты сетевых операционных систем.

2 Службы передачи файлов.

3 Электронная почта.

Нижние уровни модели 1,2 и 3- являются сетезависимыми, т.е. протоколы

этих уровней зависят и связаны с технической реализацией сети и используемым коммуникационным оборудованием.

Верхние уровни модели 5, 6 и 7- являются сетенезависимыми. Протоколы

этих уровней не зависят от технических особенностей построения сети, сетевых технологии и их топологии.

Транспортный уровень 4- является промежуточным. Он скрывает все

детали функционирования нижних уровней от верхних. Это позволяет разрабатывать приложения, независящие от технических средств непосредственной транспортировки сообщений.

1.2.2 Стандартные стеки коммуникационных протоколов

Стек OSI полностью соответствует модели OSI, которая является концептуальной схемой взаимодействия открытых систем.

Стек TCP/IP- набор протоколов сети Интернет.

Стек IPX/SPX ( Internetwork Packet Exchange / Sequenced Packet Exchange )- набор протоколов OC Novell Netware. Этот стек протоколов использовался на ранних стадиях в локальных сетях небольших размеров и с ограниченными ресурсами ПК.Усовершенствуется и работает в глобальных сетях с ОС Unix, Sun Solaris, Microsoft Windows NT.

Стек Netbios / SMB- используется в продукциях компании IBM и Microsoft.

Протокол Netbios ( Network Basic Iunput/Output System). Разработан в 1984г. Основные функции: сетевое расширение стандартных функций базовой системы ввода и вывода BIOS IBM PC для сетевой программы PC Network IBM. Заменен на NetBEUI- NetBIOS Extented User Interface - протокол расширенного пользовательского интерфейса. Ресурсы сети не более 200 компьютеров, невозможно маршрутизация пакетов.

Протокол SMB (Server Message Block) выполняет функции сеансового, представительного и прикладного уровней. На основе SMB реализуется файловая служба, печати и передачи сообщении между приложениями.

1.3 Линий связи и их характеристики. Стандарты кабелей

1.3.1 Типы линий связи

Физическая среда передачи данных ( medium ) может представлять собой

кабель, т.е. набор проводов, изоляционных и защитных оболочек и соединительных разъемов, а также земную атмосферу или космическое пространство, через которые распространяются электромагнитные волны.

В зависимости от физической среды линий связи могут быть:

- проводные ( воздушные );

- кабельные ( медные или волоконно-оптические );

- радиоканалы наземной и спутниковой связи.

Состав линий связи представлен на следующем рисунке 1.2:

ООД- оконечное оборудование является аппаратурой пользователя линий связи.

DTE- Data Terminal Equipment. Вырабатывает данные для передачи по линии связи и подключается непосредственно к аппаратуре передачи данных. Пример- Компьютеры или маршрутизаторы ЛВС.

DCE- Data Circuit terminating Equipment.

АПД- аппаратура передачи данных непосредственно связывает

компьютеры или локальные сети пользователя с линией связи. Разделение DTE и DCE в ЛВС является условным. Например: сетевой адаптер можно считать как принадлежностью компьютера (DTE), так и составной частью канала связи, т.е. DCE.

Промежуточная аппаратура обычно используется на линиях связи большой протяженности и решает две основные задачи:

-улучшение качества сигнала;

- создание постоянного составного канала связи между двумя абонентами сети.

В глобальной сети промежуточное оборудование (мультиплексоры,

демультиплексоры, коммутаторы и др.) образуют составной канал на долговременной основе. Наличие промежуточной коммутационной аппаратуры избавляет создателей глобальной сети от необходимости прокладывать отдельную кабельную линию для каждой пары соединяемых узлов сети.

ООД АПД узлам сети передачи данных ООД

Мул.

Мод.

Усил.

Дем.

Комм.

Усил.

Мод.

DTE DCE промежуточное оборудование DCE DTE

линий связи

линия связи

Рисунок 1.2 - Состав линий связи

Промежуточная аппаратура бывает двух типов: аналоговые и цифровые.

Для создания высокоскоростных каналов, которые мультекплексируют

несколько низкоскоростных аналоговых абонентских каналов используется техника частотного мультиплексирования FDM (Frequency Division Multiplexing).

Промежуточная аппаратура образования высокоскоростных цифровых

каналов (мультиплексоры, демультиплексоры, коммутаторы) работает по принципу временного мультиплексирования TDM (Time Division Multiplexing), когда каждому низкоскоростному каналу выделяется определенная доля времени (тайм-слот или квант) высокоскоростного канала.

1.3.2 Характеристики линий связи

К основным характеристикам линий связи относятся:

- амплитудно-частотная характеристика;

- полоса пропускания;

- затухание;

- помехоустойчивость;

- перекрестные наводки на ближнем конце линии;

- пропускная способность;

- достоверность передачи данных;

- удельная стоимость.

1.3.2.1 Амплитудно-частотная характеристика, полоса пропускания и затухание(attenuation).

U Авых

1 Затухание = ------ ; Адб= 10 log Pвых/ Рвх,

Авх Авх где Рвых/ Рвх-мощ-

ность сигнала на выходе/ входе

0,5 Авых

Полоса пропускания зависит от типа

линии и ее протяженности.

0 f

полоса пропус-

кания

Рисунок 1.3

1.3.2.2 Пропускная способность (throughput).

Измеряется в бит/сек., кбит/сек., мбит/сек. и гбит/сек.

Выбор способа представления дискретной информации в виде сигналов, подаваемых на линию связи, называется физическим или линейным кодированием.

Количество изменений информационного параметра несущего периодического сигнала в секунду измеряется в бодах (band). Если сигнал имеет более двух различных состояний, то пропускная способность в битах в секунду будет выше, чем число бод.

1.3.2.3 Связь пропускной способности линии с ее полосой пропускания.

Связь между полосой пропускания и ее максимально возможной пропускной способностью, вне зависимости от принятого способа физического кодирования, установил Клод Шеннон

С = F Log ₂ ( 1+ P_c/ P_ш ) (1),

где С- максимальная пропускная способность линии в бит/сек;

F- ширина полосы пропускания линии в герцах;

Р_с – мощность сигнала;

Р_ш – мощность шума.

Пропускная способность вычисляется также по формуле Найквиста, не учитывающей шумы

С = 2 F log ₂M (2),

где М – количество различных состоянии информационного параметра.

1.2.3.4 Помехоустойчивость и достоверность.

Перекрестные наводки на ближнем конце NEXT (Near End Gross Talk )- определяет помехоустойчивость кабеля к внутренним источникам помех, когда электромагнитное поле сигнала, передаваемого выходом передатчика по одной паре проводников, наводит на другую пару проводников сигнал помехи.

NEXT _дб = 10 log P _вых/ Р_нав(3) ,

где Р_вых- мощность выходного сигнала;

Р_нав– мощность наведенного сигнала.

Достоверность передачи данных характеризует вероятность искажения для каждого передаваемого бита. Иногда этот же показатель называют интенсивностью битовых ошибок BER ( Bit Error Rate ).

BER = 10^–4--- 10^–6 –для каналов связи,

BER = 10^-9—для оптоволоконных линии.

1.3.3 Стандарты кабелей

Наиболее используемые стандарты:

EIA / TIA- 568A- Американский стандарт;

ISO / IEC 11801- Международный стандарт;

EN50173- Европейский стандарт.

1.3.3.1 Кабели на основе неэкранированной витой пары UTP (Unshielded Twisted Pair) разделяются на 5 категории 1-5, в разработке 5е, 6 и 7 категории. В основном в сетях используются кабели 5 категории. Основные параметры этого кабеля:

- скорость передачи 100-1000 мбит/сек в разных технологиях;

- волновое сопротивление 100 Ом при частоте 100 МГц;

- NEXT- не менее 74 _дб при частоте 150 кГц и 32,5 _дб при частоте 100МГц;

- затухание 0,8- 22_дб при частотах 64 кГц и 100МГц соответственно;

- активное сопротивление не более 9,4 Ома на 100 метров;

- емкость кабеля не более 5,6 пф на 100м;

- розетка 8 контактный RJ-45.

1.3.3.2 Кабели на основе экранированной витой пары STP (Shielded Twisted Pair).

Этот кабель является основным стандартом фирмы IBM, делятся на 9 типов (1-9). Тип 1 соответствует параметру кабеля UTP-5, но волновое сопротивление равно 150 Ом. Для согласования необходимы трансиверы, которые имеются в адаптерах Token Ring.

1.3.3.3 Коаксиальные кабели.

Толстый коаксиальный кабель RG-8, RG-11 разработан для сети Ethernet 10-Base-5:

- волновое сопротивление равно 50 Ом;

- диаметр 12 / 2,17мм;

- затухание не хуже 18 дб /км при частоте 10 МГц;

- плохо гнется.

Тонкий коаксиальный кабель RG-58/U и RG-58A/U:

- волновое сопротивление 50 Ом;

- диаметры внутреннего провода 0,89мм;

- разъем BNC.

1.3.3.4 Волоконно-оптические кабели различают:

- многомодовое волокно MMF (Multi Mode Fiber) со ступенчатым и плавным изменением показателя преломления;

- одномодовое SMF (Single Mode Fiber).

В одномодовом используется центральный проводник диаметром 5-10мкм.

Стандарт многомодового кабеля по размеру диаметра внутреннего и внешнего волокна 62,5 / 125 мкм и 50 / 125 мкм. Некоторые параметры:

- полоса пропускания 500-800 МГц / км;

- источник света: светодиоды с длиной волны 1,55; 1,3; 0,85мкм и

лазерные излучатели с длиной волны 1,3 и 1,55мкм;

- разъемы MIC, ST и SC.

1.4 Методы передачи данных на физическом уровне

При передаче дискретных данных по каналам связи применяются два основных типа физического кодирования:

- на основе синусоидального несущего сигнала (аналоговая модуляция);

- на основе последовательности прямоугольных импульсов (цифровое кодирование).

1.4.1 Аналоговая модуляция и методы аналоговой модуляции

U тональная частота Амплитудно-частотная характеристика канала

тональной частоты. Строгое ограничение полосы

пропускания тонального канала связано с исполь

зованием аппаратуры уплотнения и коммута-

ции каналов в телефонных сетях.

Рисунок 1.4

300гц 3400гц F

Устройство, которое выполняет функции модуляции несущей синусоиды на передающей стороне и демодуляции на приемной стороне, носит название модем (модулятор-демодулятор).

Способы аналоговой модуляции ( рисунок 1.5)

   1

   1

   1

1 0 0 t исходная информация

в битах

t амплитудная модуля-

ция

t частотная модуляция

t фазовая модуляция

Рисунок 1.5

При фазовой модуляции значениям данных 0 и 1 соответствуют сигналы одинаковой частоты, но с различной фазой. Напр.: 0 и 180⁰ или 0, 90, 180, 270⁰.

В скоростных модемах часто используются комбинированные методы модуляции, как правило, амплитудная в сочетании с фазовой. Спектр сигнала при амплитудной модуляции имеет вид (рисунок 1.6):

А f_c – частота несущей

f_m –частота модуляции

спектры модулированного сигнала

Для канала тональной частоты такой

способ модуляции приемлем для переда-

чи данных не более 3100 / 2 = 1550 бит/с.

f_c-f_m f_c f_c+f_m F Рисунок 1.6

Если же для представления данных используются 4 уровня амплитуды, то пропускная способность канала повышается до 3100 бит/с. Для повышения скорости передачи данных используются комбинированные методы модуляции. Наиболее распространенными являются методы квадратурной амплитудной модуляции QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Эти методы основаны на сочетании фазовой модуляции с 8 значениями величины сдвига фазы и амплитудной модуляции с 4 уровнями амплитуды.

1.4.2 Цифровое кодирование

Применяются: потенциальные и импульсные коды.

Способы кодирования:

- метод потенциального кодирования без возврата к нулю NRZ ( Non Return to Zero);

- потенциальный код с инверсией при «1» NRZI (Non Return to Zero with ones Inverted);

- метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией AMI

(Bipolar Alternate Mark Inversion);

- биполярный импульсный код;

- манчестерский код;

- потенциальный код 2B1Q.

Метод кодирования NRZ прост в реализации, обладает хорошей распознаваемостью ошибок, но не обладает свойством самосинхронизации и требует наличия тактовой частоты синхронизации. Другим недостатком является наличие низкочастотной составляющей, которая приближается к нулю при передаче длинных единиц и нулей.

В чистом виде этот код в сетях не используется, а используются различные его модификации.

В биполярном кодировании с альтернативной инверсией используются три уровня потенциала: отрицательный, нулевой и положительный. Для кодирования логического нуля используется нулевой потенциал, а логическая единица кодируется либо положительным потенциалом, либо отрицательным, при этом потенциал каждой новой «1» противоположен потенциалу предыдущей.

Код AMI частично ликвидирует проблемы постоянной составляющей и отсутствия самосинхронизации присущие коду NRZ. В коде NRZI при передаче нуля потенциал, установленный в предыдущем такте не меняется, а при

Способы дискретного кодирования

исходная информация

0 1 0 1 1 0 0 0

Потенциальный код NRZ

Биполярный код AMI (NRZI)

Биполярный импульсный код

Манчестерский код

+3в

+2в Потенциальный

код 2B1Q

+1в

0в

-1в

-2в-

-3в-

Рисунок 1.7

передаче единицы потенциал инвертируется на противоположный.

В биполярном импульсном коде «1» представлен импульсом одной полярности, а «0»-другой. Обеспечивается самосинхронизация и спектр шире.

В манчестерском коде для кодирования единиц и нулей используется перепад напряжения, т.е. «1» кодируется перепадом от низкого уровня к высокому, а «0»-обратным перепадом. Основные достоинства: самосинхронизация обеспечивается;

- нет постоянной составляющей;

- для передачи данных используются два уровня;

- применяется в технологиях Ethernet и Token Ring.

Потенциальный код 2B1Q имеет 4 уровня сигнала для кодирования данных:

00-соответствует состояние –2,5в;

01-----------«------------------ - 0,833в;

11 ------------«------------------ +0,833в;

10 -------------«------------------+2,5в.

Скорость передачи в два раза быстрее, чем код AMI.

1.4.3 Логическое кодирование

Используется для улучшения потенциальных кодов и применяются два метода :

- избыточные коды;

- скрэмблирование.

Избыточные коды основаны на разбиении исходной последовательности бит на порции, которые часто называют символами. Затем каждый исходный символ заменяется на новый, который имеет большее количество бит, чем исходный. Например: логический код 4в / 5в, используемый в технологиях FDDI и Fast Ethernet, заменяет исходные символы в 4 бита на символы длиной 5 бит. Кроме устранения постоянной составляющей и приданию коду свойства самосинхронизации, избыточные коды позволяют приемнику распозновать искаженные биты. Если приемник принимает запрещенный код, значит, на линии произошло искажение сигнала.

Соответствие исходных и результирующих кодов 4в / 5в представлены ниже в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Исходный код	Результирующий код	Исходный код	Результирующий код
0000	11110	1000	10010
0001	01001	1001	10011
0010	10100	1010	10110
0011	10101	1011	10111
0100	01010	1100	11010
0101	01011	1101	11011
0110	01110	1110	11100
0111	01111	1111	11101

Код 4в / 5в передается по линии с помощью физического кодирования по одному из методов потенциального кодирования , чувствительному к длинным последовательностям нулей. Символы кода 4в / 5в длиной 5 бит гарантируют, что при любом их сочетании на линии не могут встретится более трех нулей подряд.

Скрэмблирование. Перемешивание данных скрэмблером перед передачей их в линию с помощью потенциального кода является другим способом логического кодирования. Методы скрэмблирования заключаются в побитном вычислении результирующего кода на основании бит исходного кода и полученных в предыдущих тактах бит результирующего кода.

Скрэмблер реализуется следующим соотношением

В_i = А_i + В_i_-3 + В_i_-5 ,

где В_i - двоичная цифра результирующего кода, полученная в такте работы скрэмблера;

А_i - двоичная цифра исходного кода, поступающая на такте на вход скрэмблера;

В_i_-3 и В_i_-5 - двоичные цифры результирующего кода, полученные на предыдущих тактах работы скрэмблера, соответственно на 3 и 5 тактов ранее текущего такта;

+ - сложение по модулю 2.

1.5 Методы передачи канального уровня и методы коммутации

1.5.1 Методы передачи данных канального уровня

Канальный уровень обеспечивает передачу пакетов данных, поступающих от протоколов верхнего уровня, узлу назначения, адрес которого также указывает протокол верхнего уровня. Протоколы канального уровня оформляют переданные пакеты в кадры соответствующего формата, помещая указанный адрес назначения в одно из полей такого кадра, а также сопровождая кадр контрольной суммой. Другой областью действия протоколов канального уровня являются связи типа «точка- точка» глобальных сетей, когда протокол канального уровня ответствен за доставку кадра непосредственному соседу. Адрес в этом случае принципиального значения не имеет, а на первый план выходит способность протокола восстанавливать искаженные и утерянные кадры.

Наиболее существенными характеристиками метода передачи, а значит и протокола, работающего на канальном уровне, являются следующие:

- асинхронный/ синхронный;

- символьно-ориентированный/ бит ориентированный;

- с предварительно установлением / без установления (дейтограммный);

- с обнаружением искаженных потерянных данных / без обнаружения;

- с восстановлением искаженных и потерянных данных , без восстановления;

- с поддержкой динамической компрессии данных / без поддержки.

Многие из этих свойств характерны не только для протоколов канального уровня, но и для протоколов более высоких уровней.

Асинхронные протоколы оперируют не с кадрами, а с отдельными символами, которые представлены байтами со старт-становыми символами. В синхронных протоколах обмен данными осуществляется кадрами, которые имеют в общем случае заголовок, поле данных и концевик. Все биты кадра передаются непрерывным синхронным потоком, что значительно ускоряет передачу данных. Формат кадра в общем виде представлен ниже.

Кадр 1 Кадр 2

Допускается в протоколах использование в кадре полей данных переменной длины до определенного максимума. Например: Ethernet- (46-1500) байт, ATM- 53 байт – фиксированный.

Синхронные протоколы: символьно-ориентированные и бит ориентированные. Для обоих характерны одни и те же методы синхронизации- биты. Главное различие между ними заключается в методе синхронизации символов и кадров.

Для достижения прозрачности данных необходимо, чтобы флаг не присутствовал в поле данных кадра. Это достигается с помощью приема, известного как вставка «0» бита- бит- стаффинга. После пяти (11111) единиц вставляется «0» бит- стаффинга при передаче и обратно убирается при приеме.

Канальный уровень должен обнаруживать ошибки передачи данных, связанных с искажением бит в принятом кадре данных или с потерей кадра, и по возможности их корректировать. Все методы обнаружения ошибок основаны на передаче в составе кадра данных служебной информации, по которой можно судить с некоторой степенью вероятности о достоверности принятых данных (контрольная сумма). Методы коррекции ошибок в вычислительных сетях основаны на повторной передаче кадра данных в том случае, если кадр теряется и не доходит до адресата или приемник обнаружит в нем искажение информации.

1.5.2 Методы коммутации

Существует три различные схемы коммутации абонентов в сетях:

- коммутация каналов;

- коммутация пакетов;

- коммутация сообщений.

Сети с коммутацией пакетов и каналов разделяются на сети с динамической коммутацией и сети с постоянной коммутацией.

Сети с динамической коммутацией: это телефонные сети общего пользования, локальные сети, сети TCP/ IP. Постоянная коммутация-это технология SDN ( Synchronocs Digital Hierrarehy) на основе которых строятся выделенные каналы связи с пропускной способностью в несколько гигобит/сек. Некоторые сети(Х.25 и АТМ) могут поддерживать оба режима.

1.5.2.1 Коммутация каналов.

Отдельные каналы соединяются между собой специальной аппаратурой-коммутаторами, которые могут устанавливать связи между любыми конечными узлами сети. В сети с коммутацией каналов перед передачей данных всегда необходимо выполнить процедуру установления соединения, в процессе которой и создается составной канал коммутаторы должны обеспечивать одновременную передачу данных нескольких абонентских каналов. Для этого они должны быть высокоскоростными и поддерживать технику мультиплексирования.

Для мультиплексирования абонентских каналов используются две техники (способа):

- техника частотного мультиплексирования FDM (Frequency Division Multiplexing);

- техника мультиплексирования с разделением времени TDM (Time Division Multiplexing).

Для разделения абонентских каналов по методу FDM характерна техника модуляции высокочастотного несущего синусоидального сигнала низкочастотным речевым сигналом.

В результате спектр модулированного сигнала переносится в другой диапазон, который симметрично располагается относительно несущей частоты и имеет ширину приблизительно совпадающую с шириной модулирующего сигнала. Обычно высокочастотный диапазон делится на полосы, которые отводятся для передачи данных абонентских каналов.

В сетях на основе FDM- коммутации принято три уровней иерархии уплотненных каналов:

-1 уровень (базовая группа)- 12 абонентов ( f = 60—108 кгц);

-2 уровень (супергруппа) – 5 базовых групп = 60 абонентов ( f = 332—552 кгц);

-3 уровень ( главная группа)- 10 супергрупп = 600 абонентов ( f = 564—3084 кгц).

При переходе к цифровой форме представления голоса была разработана

новая техника мультиплексирования, ориентирующаяся на дискретный характер передаваемых данных (TDM). Аппаратура TDM – сетей- мультиплексоры, коммутаторы и демультиплексоры- работает в режиме разделения времени, поочередно обслуживая в течение цикла своей работы все абонентские каналы. Цикл TDM -125 мкс, что соответствует периоду следования голоса в цифровом абонентском канале. Каждому соединению выделяется один квант времени цикла работы аппаратуры, называемой также тайм-слотом. Длительность тайм слота зависит от числа абонентских каналов, обслуживаемых мультиплексором и коммутатором. Мультиплексор принимает информацию по N входным каналам от конечных абонентов, каждый из которых передает данные по абонентскому каналу со скоростью 64 кбит/ сек.- 1 байт каждые 125 мксек.

Пример - Мультиплексор Т1 поддерживает 24 входных абонентских канала,

создавая на выходе обоймы стандарта Т1, передаваемого со скоростью 1,54 мгбит / сек. ( 24 * 64 кбит/сек.).

1.5.2.2 Коммутация пакетов

Коммутация пакетов- это техника коммутации абонентов, которая специально была разработана для эффективной передачи компьютерного трафика. Коэффициент пульсации трафика отдельного пользователя сети, равный отношению средней интенсивности обмена данными к максимально возможной, может составлять от 1: 50 до 1: 100.

При коммутации пакетов все передаваемые пользователем сообщения разбиваются в исходном узле на сравнительно небольшие части, называемые пакетами. Пакеты могут иметь переменную длину, но в узких пределах. Например: от 46 до 1500 байт. Каждый пакет снабжается заголовком, в котором указывается адресная информация, необходимая для доставки пакета узлу назначения для сбора сообщения. Пакеты трансформируются как независимые информационные блоки. Коммутаторы сети принимают пакеты от конечных узлов и на основании адресной информации передают их друг другу, а в конечном итоге- узлу назначения.

Сообщением называется логически завершенная порция данных- запрос на передачу файла, ответ на этот запрос, содержащий весь файл и.т.п. Сообщения могут иметь произвольную длину, от нескольких байт до многих мегабайт.

Коммутаторы пакетной сети отличаются от коммутаторов каналов тем, что они имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов, если выходной порт коммутатора в момент принятия пакета занят передачей другого пакета. В этом случае пакет находится некоторое время в очереди пакетов в буферной памяти выходного порта, а когда до него дойдет очередь, то он передает следующему коммутатору. Такая схема передачи данных позволяет сглаживать пульсации трафика на магистральных связях между коммутаторами и тем самым использовать их наиболее эффективно для повышения пропускной способности сети в целом.

1.5.2.3 Коммутация сообщений

Под коммутацией сообщений понимается передача единого блока данных между транзитными компьютерами сети с временной буферизацией этого блока на диске каждого компьютера. Транзитные компьютеры могут соединятся

между собой как сетью с коммутацией пакетов, так и сетью с коммутацией каналов.

Сообщение хранится в транзитном компьютере на диске, причем время хранения может быть достаточно большим, если компьютер загружен другими работами или сеть временно перегружена. По такой схеме обычно передаются сообщения, не требующие немедленного ответа, чаще всего сообщения электронной почты.

2 Базовые технологии локальных сетей

2.1 Характеристика протоколов локальных сетей и структура стандартов.

2.1.1 Общая характеристика протоколов локальных сетей и структура стандартов IEEE 802.x

Для упрощения и, соответственно, удешевления аппаратных и программных средств в локальных сетях для совместного использования кабелей всеми компьютерами применяется технология передачи данных TDM- режим разделения времени. ЛВС работают, в основном, в полудуплексном режиме (half-duplex), хотя возможно использование полнодуплексного режима (full-duplex), особенно в последних версиях технологий. Современные высокопроизводительные технологии Fast Ethernet и Gigabit Ethernet в значительной степени сохраняют преемственность Ethernet.

В 1980 году в институте IEEE был организован комитет 802 по стандартизации локальных сетей, в результате работы которого было принято семейство стандартов IEEE-802.x., которые содержат рекомендации по проектированию нижних уровней локальных сетей. Позже результаты работы этого комитета легли в основу комплекса международных стандартов ISO 8802-1-5. Стандарты семейства IEEE -802.x. охватывают только два нижних уровня семиуровневой модели- физический и канальный.

Канальный уровень делится в локальных сетях на два подуровня:

- логической передачи данных LLC ( Logical Link Control);

- управление доступом к среде MAC ( Media Access Control).

Уровень МАС обеспечивает корректное совместное использование общей

среды, предоставляя ее в соответствии с определенным алгоритмом в распоряжение той или иной станции сети. После того как доступ к среде получен, ею может воспользоваться более высокий уровень- подуровень LLC, организующий передачу логических единиц данных, кадров информации с различным уровнем качества транспортных услуг.

Уровень LLC отвечает за передачу кадров меду узлами сети с различной

степенью надежности, а также реализует функции интерфейса с прилегающим с ним сетевым уровнем. Протоколы подуровней MAC и LLC взаимно независимы. Каждый протокол подуровня МАС может применятся с любым протоколом подуровня LLC , и наоборот.

Структура стандарта для технологии Ethernet и Token Ring на рисунке ниже,

но они справедливы и для других технологий, таких как Arcnet, FDDI, 100 VG- Any Lan.

LLC (802.2) поддерживает несколько режимов работы независимо от выбора конкретной технологии.

Стандарт 802.1 дает общие определения ЛВС и их свойств и осущесвляет связь трех уровней модели OSI. Стандарт 802.1 описывает взаимодействие между собой различных технологий, а также стандарты по построению более сложных сетей на основе базовых технологий. Эта группа стандартов носит общее название стандартов межсетевого взаимодействия ( internetworking).

Сюда входят такие важные стандарты:

- 802.1D- описывает логику работы моста/ коммутатора;

- 802.1H- определяет работу транслирующего моста, который может без

маршрутизатора объединять сети Ethernet и FDDI, Ethernet и Token Ring и.т.п.;

- 802.1Q- определяет способ построения виртуальных локальных сетей

VLAN в сетях на основе коммутаторов.

Существуют и развиваются и другие стандарты локальных сетей, являющиеся модификацией и развитием существующих базовых технологий. Например:

- 802.4-локальные сети Token Bus LAN с методом доступа Token Bus;

- 802.12 – Demand Priority Access LAN, 100VG- Any LAN- локальные сети с

методом доступа по требованию с приоритетами;

- 802.11-Wireless Networks- беспроводные сети и др.

2.1.2 Протокол LLC уровня управления логическим каналом (802.2)

Протокол LLC обеспечивает для технологии ЛВС нужное качество услуг транспортной службы, передавая свои кадры:

- дейтограммным способом;

- с установлением соединения и восстановлением кадров.

LLC помещает пакет протокола верхнего уровня в свой кадр, который дополняется необходимыми служебными полями. Далее через межуровневый интерфейс LLC передает свой кадр вместе с адресной информацией об узле назначения соответствующему протоколу уровня МАС, который упаковывает кадр LLC в свой кадр, например кадр Ethernet.

LLC предоставляет верхним уровням три типа процедур:

- LLC1- процедура без установления соединения и без подтверждения;

- LLC2- процедура с установлением соединения и подтверждением;

- LLC3- процедура без установления соединения, но с подтверждением.

Этот набор процедур является общим для всех методов доступа к среде.

LLC1- работает в стеке TCP/IP и IPX/SPX.

LLC2- работает в стеке NetBIOS / NetBEUI.

LLC3- работает в стеке SNA в том случае, когда на нижнем уровне

применяется технология Token Ring.

2.2 Технология Ethernet. Метод доступа CCMA / CD. Расчет производительности сети. Форматы кадров.

2.2.1 История создания Ethernet и метод доступа CSMA / CD

Еще к середине 70-х годов фирма Xerox разработала сеть Ethernet. Метод доступа к среде передачи данных, используемый в сети Ethernet CSMA/CD (Carrier Sense Multiply Access with Collision Detection- коллективный доступ с опознаванием несущей и обнаружением коллизий) был опробован во второй половине 60-х годов в радиосети Гавайского университета, получившее название Aloha. В 1980 году фирмы DEC, Intel и Xerox совместно разработали и опубликовали стандарт версии II для сети Ethernet, построенный на основе коаксиального кабеля. На его основе был разработан ныне действующий международный стандарт IEEE 802.3. В зависимости от типа кабеля, используемого в качестве физической среды передачи данных, стандарт IEEE 802.3 имеет следующие модификации: 10 Base-5, 10 Base –2, 10 Base –Т и 10 Base –F. Ethernet является первой классической технологией для построения локальных сетей и наиболее распространена в мире.

Метод коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий CSMA / CD (Carrier Sense Multiply Access with Collision Detection) применяется в сетях с логической общей шиной, к которым относится Ethernet.

Все компьютеры такой сети имеют непосредственный доступ к общей шине и имеют возможность обмениваться информацией между двумя любыми узлами. Для этого компьютер (станция) должен убедиться, что разделяемая среда (общая шина) свободна. Это достигается прослушиванием основной гармоники сигнала (несущей частоты – CS – Carrier Sense). Признаком не занятости 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 компьютер может начать передачу данных, которые помещаются в кадры определенной структуры и снабжаются уникальным адресом станции назначения. Все станции, подключенные к кабелю, могут распознать факт передачи кадров, и та станция, которая узнает собственный адрес, записывает его содержание в свой внутренний буфер, обрабатывает полученные данные, передает их вверх по своему стеку, а затем посылает ответ. После окончания передачи кадра все узлы сети обязаны выдержать технологическую паузу IPG (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.

Но могут возникнут также ситуации, когда две или более станции одновременно решают, что среда свободна, и начинают передавать свои кадры. При этом происходит коллизия (Collision), т.к. содержимые обоих кадров сталкиваются на общем кабеле и происходит искажение информации. Коллизия – это следствие распределенного характера передачи информации в сети.

Чтобы корректно обработать коллизию, все станции одновременно наблюдают за возникающими на кабеле сигналами. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется обнаружение коллизии (CD – Collision Detection).

Для увеличения вероятности скорейшего обнаружения коллизии всеми станциями сети, компьютер который обнаружил коллизию, прерывает передачу своего кадра и усиливает ситуацию коллизии посылкой в сеть специальной последовательности сигналов из 32 бит, называемой jam- последовательностью. 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. Работа случайного метода доступа и возникновение коллизии продемонстрировано на рисунке 2.1.

Технологическая пауза коллизия случайная пауза

9,6мкс (jam) Р

3        1

        1

       2

        1

Общая

шина 1

передача

перед

передача

Узел 1

Узел 2

передача

ожидание

Узел 3

Рисунок 2.1 - Метод случайного доступа CSMA/ CD

Случайная пауза P = L × I, где I - интервал отсрочки; I = 512 bt, bt - битовый интервал равный 0,1 мкс для технологии Ethernet при максимальной скорости передачи 10 мгб/с. L - целое число, выбранный с равной вероятностью из диапозона (0 ¸ 2ⁿ) , где n - номер повторной попытки передачи данного кадра : 1, 2 …, 10. Таким образом, случайная пауза может принять значение от нуля до 52,4mс. Р = 0 ¸ 52,4 mс.

Для надежного распознавания коллизий должно выполняться следующее соотношение

PDV< T_min (1),

где Tmin – время передачи кадра минимальной длины;

PDV - время, за которое сигнал коллизии успевает распространиться до самого дальнего узла сети и обратно.

PDV - (Path Delay Valuе) – называют временем двойного оборота. При выполнении этого условия передающая станция должна успевать обнаружить коллизию, которую вызвал переданный ее кадр, еще до того, как она закончит передачу этого кадра.

В технологии Ethernet время передачи кадра минимальной длины (72 байт или 576 бит вместе с преамбулой) равно 575 битовых интервала или 57,5 мксек. Следовательно, время двойного оборота PDV должно быть меньше 57,5 мкс, т.е. PDV £ 57,5 мкс. Время двойного оборота PDV 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 кабели.

Чтобы сеть работала корректно кроме PDV, необходимо рассчитать также уменьшение межкадрового интервала повторителями PVV (Path Variability), которое должно быть меньше предельного допустимого значения 49 bt, т.е. PVV < 49 bt < 4,9 мксек.. Таким образом, технологическая пауза между передаваемыми кадрами должно быть не менее (9,6 – 4,9) = 4,7 мкс.

В технологии Ethernet, независимо от применяемого стандарта физического уровня, существует понятие домена коллизий.

Домен коллизий (Collision domain) – это часть сети Ethernet, все узлы которой распознают коллизию независимо от того, в какой части этой сети коллизия возникла. Сеть Ethernet, построенная на повторителях, всегда образует один домен коллизий. Домен коллизий соответствует одной разделяемой среде. Мосты, коммутаторы и маршрутизаторы делят сеть Ethernet на несколько доменов коллизий.

2.2.2 Расчет производительности сети Ethernet

Для расчета максимального количества кадров минимальной длины, проходящих по сегменту Ethernet, заметим, что размер кадра минимальной длины вместе с преамбулой составляет 72 байт или 576 бит, поэтому на его передачу затрачивается 57,5 мкс. Прибавив межкадровый интервал в 9,6 мкс получим, период следования кадров минимальной длины, который составляет 67,1мкс. Отсюда максимально возможная пропускная способность сегмента Ethernet составляет: 10⁶ : 67,1 = 14903 кадров в сек. Наличие в сегменте нескольких узлов снижает эту величину за счет ожидания доступа к среде, а также за счет коллизий, приводящих к необходимости повторной передачи кадров.

Кадры максимальной длины Ethernet вместе с преамбулой составляют 1526 байт или 12208 бит. Максимально возможная пропускная способность сегментов Ethernet для кадров максимальной длины составляет

10⁶: 1230,3 (1207мкс+ 9,6 мкс) = 813 кадров.

Полезная пропускная способность сети всегда меньше номинальной битовой скорости за счет:

- служебной информации кадра;

- межкадровых интервалов;

- ожидания доступа к среде.

Для кадров минимальной длины полезная пропускная способность равна

С_п = 14903 * 46* 8 = 5,48 мгбит/сек.

Для кадров максимальной длины полезная пропускная способность составляет

С_п= 813* 1500* 8 = 9,76 мгбит/сек,

что близко к номинальной скорости Ethernet 10 мгбит/сек.

2.2.3 Форматы кадров технологии ETHERNET

В сетях Ethernet на канальном уровне используются кадры 4-х различных форматов. Это связано с длительной историей развития технологии Ethernet. Сегодня практически все сетевые адаптеры, драйверы сетевых адаптеров, мосты/коммутаторы и маршрутизаторы умеют работать со всеми форматами кадров, причем распознавание типа кадра выполняется автоматически.

Приводим ниже форматы кадров Ethernet:

- кадр 802.3/LLC;

- кадр Raw 802.3 (или кадр Novell 802.3);

- кадр Ethernet DIX (или кадр Ethernet-II);

- кадр Ethernet SNAP.

2.3 Структура, стандарты, правила построения и методика расчета конфигурации сети Ethernet

2.3.1 Модификации стандартов и примеры реализации сетей Ethernet

Технологии Ethernet в зависимости от типа используемого кабеля имеют следующие модификации:

- 10 Base – 5 – толстый коаксиальный кабель;

- 10 Base – 2 – тонкий коаксиальный кабель;

- 10 Base – T – кабель на основе неэкранированной витой пары UTP;

- 10 Base – F – волоконно-оптический кабель.

В названий стандарта обозначают: число 10 - битовая скорость передачи данных 10 мгб/c; cлово Base – метод передачи на одной базовой частоте 10МГц; последние символы 5, 2, Т, F - тип кабеля.

Схема построения сети на основе толстого коаксиального кабеля (10 Base-5) представлена на рисунке 2.2.

Ненагруженный сегмент

Трансивер Повторитель Повторитель Кабель RG-8,RG11

Т Т

Блок повторения Кабель

AUI

Разьем DB-15

Сетевой адаптер

Т- терминатор

Компьютеры Компьютеры

Рисунок 2.2 - Сеть 10 Вase-5 из трех сегментов, один из которых ненагруженный.

Как видно из рисунка, сеть состоит из 3^х сегментов, соединенных повторителями. Сегмент кабеля имеет максимальную длину 500 м (без повторителей) и должен иметь на концах согласующие терминаторы сопротивлением, равным волновому сопротивлению кабеля (50 Ом), поглощающие распространяющиеся по кабелю сигналы и препятствующие возникновению отраженных сигналов. Компьютеры подключаются к кабелю (RG-8, RG-11) при помощи приемо- передатчика – трансивера (transmitter+receiver=transceiver). Трансивер устанавливается непосредственно на кабеле и питается от сетевого адаптера компьютера и соединяется с ним кабелем AUI (Attachment Unit Interface) длиной до 50 м, состоящим из 4^х витых пар. Для подсоединения к интерфейсу AUI используется разъем ДВ-15.

Допускается подключение к одному сегменту не более 100 трансиверов, причем расстояние между подключениями трансиверов не должно быть меньше 2,5м. На кабеле имеется разметка через каждые 2,5 м, которая обозначает точки подключения трансиверов. Трансивер – это часть сетевого адаптера, которая выполняет следующие функции:

- прием и передачу данных с кабеля на кабель;

- определение коллизий на кабеле;

- электрическую развязку между кабелями и остальной частью адаптера;

- защиту кабеля от некорректной работы адаптера.

Повторитель (repeater) служит для объединения в одну сеть нескольких сегментов кабеля и увеличения тем самым общей длины сети. Повторитель принимает сигналы из одного сегмента кабеля и побитно синхронно повторяет их в другом сегменте, улучшая форму и мощность импульсов, а также синхронизируя импульсы. Повторитель состоит из двух и более трансиверов, которые присоединяются к сегментам кабеля, а также блока повторения со своим тактовым генератором.

Правило применения повторителей в сети Ethernet (10 Base 5 и 2) носит название “Правила 5-4-3”: 5 сегментов, 4 повторителя, 3 нагруженных сегмента. Ограничение числа повторителей объясняется дополнительными задержками распространения сигнала, которые они вносят. Каждый повторитель подключается к сегменту одним своим трансивером, поэтому к нагруженным сегментам можно подключить не более 99 узлов. Таким образом максимальное количество узлов в сети 10 Base –5 составляет: 99 x 3 = 297 узлов. К достоинствам сети 10 Base –5 относятся: хорошая защищенность кабеля от внешних воздействий и сравнительно большое расстояние между узлами, а недостатками являются высокая стоимость кабеля и сложность прокладки и монтажа из-за ее большой жесткости. Технология Ethernet 10 Base –2 использует в качестве передающей среды, тонкий коаксиальный кабель, марки RG-58, RG-58A и RG-58C.

Максимальная длина сегмента без повторителей составляет 185 м. Компьютеры подключаются к кабелю с помощью высокочастотного BNC - конектора, который представляет тройник, один отвод которого соединяется с сетевым адаптером, а два других – с двумя концами разрыва кабеля. Максимальное число компьютеров, подключаемых к одному сегменту–30 шт. Технология 10 Base –2 предусматривает использование повторителей согласно “Правила 5-4-3”. В этом стандарте трансиверы объединены с сетевыми адаптерами за счет того, что более гибкий тонкий коаксиальный кабель подводится непосредственно к выходному разъему платы сетевого адаптера, установленный в шасси компьютера.

Общим недостатком технологии сетей 10 Base–5 и 10 Base–2 является отсутствие оперативной информации о состоянии моноканала, что затрудняет поиск неисправностей при эксплуатации.

В технологии Ethernet 10 Base–T в качестве среды передачи данных используются две неэкранированные пары (UTP-Unshielded Twisted Pair) категории 3 (рисунок 2.3).

Появление этой модификации технологии Ethernet обусловлено следующими факторами: необходимостью использования уже проложенных в зданиях кабельной системы; внедрением новых технологий построения коммуникаций– структуризованные кабельные сети (СКС); необходимостью улучшения эксплуатации сети и повышения комфорта пользователя. Переход на витую пару кабеля требует только замены трансивера сетевого адаптера, а метод доступа и все протоколы канального уровня остались теми же, что и в сетях Ethernet на коаксиале.

К О Н Ц Е Н Т Р А Т О Р ( HUB)

Tх   Rх

Tх   Rх

Tх   Rх

Rх       Tх

Rх      Tх

Rх      Tх

Витая пара Разьем Сетевой

UTP

RG-45 адаптер

Компьютеры

Рисунок 2.3 - Сеть Ethernet 10- Base-T

Сеть стандарта Ethernet 10 Base–Т (рисунок 2.3) имеет топологию “Звезда”. В сегменте этой сети может находиться только два устройства – компьютер и повторитель концентратор –HUB.

Каждый компонент сети использует отдельные сигнальные пары для передачи и приема информации. На рисунке 2.3 представлена схема построения сети с использованием трехпортового концентратора.

Концентратор осуществляет функции повторителя сигналов на всех отрезках витых пар, подключенных к его портам, так что образуется единая среда передачи данных - логический моноканал (логическая общая шина). Концентратор обнаруживает коллизии в сегменте в случае одновременной передачи сигналов по нескольким своим R_x-входам и посылает jam – последовательность на все свои T_x – выходы.

В технологии 10 Base–Т возможно использование двух режимов передачи данных:

- полудуплексный режим;

- полнодуплексный режим.

Полудуплексный режим – для передачи и приема данных используются различные каналы, но не могут осуществляться одновременно. При полнодуплексном режиме для приема и передачи данных также используются различные каналы, но обмен информацией может осуществляться одновременно. При использовании полнодуплексного режима производительность сети увеличивается вдвое.

Функционально сеть Ethernet на оптическом кабеле (10 Base-F) состоит из тех же элементов, что и сеть стандарта 10 Base-T. Как и в случае витой пары, для соединения адаптера с концентратором используются два оптоволокна – одно соединяет выход Т_х адаптера со входом R_x концентратора, а другой вход R_x адаптера с выходом Т_х концентратора.

2.3.2 Характеристики и методика расчета конфигурации сети

В технологиях 10 Base–Т и 10 Base-F концентраторы могут соединяться в древовидные иерархические структуры. При этом должно выполняться “Правило 4^х хабов” вместо правила “5-4-3” для Ethernet на коаксиальном кабеле, т.е. для обеспечения надежного распознавания коллизий между любыми двумя станциями сети максимальное число концентратов не должно превышать 4^х. Общее количество станции в сети не должно превышать 1024шт.

Чтобы сеть Ethernet, состоящая из сегментов различной физической природы, работала корректно необходимо выполнение 4^х основных условий:

- количество станций в сети не более 1024;

- максимальная длина каждого физического сегмента не более величины , определенном в соответствующем стандарте физического уровня;

- время двойного оборота сигнала PDV (Path Delay Value) между двумя самыми удаленными друг от друга станциями сети не более 575 битовых интервала;

- сокращение межкадрового интервала IPG ( PVV- Path Variability Value) при прохождении последовательности кадров через все повторители дожно быть не больше, чем 49 битовых интервала. Так как при отправке кадров конечные узлы обеспечивают начальное межкадровое расстояние в 96 битовых интервала, то после прохождения повторителей оно должно быть не менее, чем 96 – 49 = 47 битовых интервала.

Для расчета PDV ниже приводится конфигурация сети Ethernet, состоящая из различных сегментов и построенная по иерархическому принципу (см. рисунок 4). С каждым сегментом связана постоянная задержка, названная базой, которая зависит только от типа сегмента и от положения сегмента на пути сигнала (левый, промежуточный и правый). Приведенная сеть по правилам 4^х- хабов не является корректной, т. к. между узлами сегментов 1 и 6 имеется 5- хабов, хотя не все сегменты являются сегментами 10 Base- FB. Кроме того общая длина сети равна 2800 метров, что нарушает правило 2500м.

Концентратор

3

500 м 500 м

10 Base- FB 10 Base-FB

Промежуточный

сегмент

Концентратор

           5

Концентратор

           1

Концентратор

            4

Концентратор

          2

              Сегмент 3                                                                                        Сегмент 4

1000 м 600 м

10 Base-FL 10 Base-FB

Сегмент 2 Сегмент 5

100 м левый правый 100 м

10 Base-T сегмент сегмент 10 Base-T

Сегмент 1 Сегмент 6

Рисунок 2.4 - Конфигурация сети Ethernet.

Рассчитаем для этой сети PDV (данные взяты из нижеприведенных таблиц).

Для расчета времени двойного оборота PDV и сокращения межкадрового интервала повторителями, ниже в таблицах приводятся данные для всех физических стандартов сетей Ethernet в битовых интервалах (bt).

Левый сегмент 1: 15,3 (база) + 100* 0,113 = 26,6 bt или = 2,66 мкс.

Промежуточный сегмент 2: 33,5 + 1000 * 0,1 = 133,5

Промежуточный сегмент 3: 24 + 500* 0,1 = 74,0

Промежуточный сегмент 4: 24 + 500* 0,1 = 74,0

Промежуточный сегмент 5: 24 + 600 * 0,1 = 84,0

Правый сегмент 6: 165 + 100 * 0,113 = 176,3

Сумма = 568,4 = 56,84 мкс

Сумма всех составляющих = 568,4 bt , что меньше допустимого 575 bt. По этому критерию сеть проходит, хотя она является некорректной.

Рассчитаем значение PVV для нашего примера:

Левый сегмент 1 10 Base-T: сокращение 10,5 bt

Промежуточный сегмент 2 10 Base-FL : 8 bt

3 10 Base –FB: 2 bt

4 : 2 bt

5 : 2 bt

Сумма = 24,5 bt

Эта величина меньше предельного значения в 49 битовых интервала.

Таблица 2.1- Данные для расчета PDV

Тип сегмента

стандарты

База левого

сегмента, bt

База

промежуточ-ного сегмента, bt

База правого сегмента, bt

Задержки среды на 1м, bt

Максим. длина сег- мента, bt

10 Base - 5

10 Base - 2

10 Base - T

10 Base - FB

10 Base - FL

FOIRL

AUI (>2м)

11,8

15,3

12,3

7,8

46,5

42,0

24,0

33,5

29,0

169,5

165,0

156,5

152,0

0,0866

0,1026

0,113

0,1

0,1026

500

185

100

2000

1000

2+48

Таблица 2.2 - Сокращение межкадрового интервала повторителями

Тип сегмента

стандарты

Передающий сегмент, bt

Промежуточный сегмент, bt

10 Base – 5, 10 Base - 2

10 Base - FB

10 Base - FL

10 Base - T

10,5

2.4 Технология сети Token Ring

2.4.1 Основные характеристики и метод доступа к среде

В основу сети Token Ring (стандарт IEEE 802.5) положен маркерный метод доступа к разделяемой среде, в которой все станции сети соединены в кольцо.

Для организации работы сети по кольцу циклически от станции к станции передается кадр специального формата – маркер. Станция, которая получила маркер, анализирует его и при отсутствии у нее данных при передаче обеспечивает его продвижение к следующей станции. Станция-получатель принимает информацию, записывает в свой буфер и со специальной отметкой отправляет этот же пакет далее по сети. Когда переданный пакет возвращается к отправителю, он изымает свой пакет из сети и посылает маркер следующей станции. Работа сети проиллюстрирована на рисунках 2.5 и 2.6.

2 3

2 Овал: Пакет А

1 4

Рисунок 2.5

6 5

Передатчик пакета А в кольце, состоящий из 6 станций, от станции 1 к станции 3 (заштриховано). После прохождения станции назначения 3 в пакете А устанавливаются два признака: признак распознавания адреса и признак копирования пакета в буфер (*-звездочки внутри пакета).

Технология Token Ring имеет две разновидности со скоростями 4 и 16 мгб/с. Для контроля сети одна из станций выполняет роль так называемого активного монитора, которая выбирается во время инициализации кольца, как станция с максимальным значением МАС - адреса. Если активный монитор выходит из строя процедура инициализации 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 течении 7 секунд, то остальные станции начинают процедуру выборов нового активного монитора.

Время владения разделяемой средой в сети Token Ring ограничивается временем удержания маркера, после истечения, которого станция отказа прекратит передачу собственных данных (текущий кадр разрешается завершить) и передает маркер долее по кольцу. Станция может успеть передать за время удержания маркера один или несколько кадров в зависимости от размера кадров и величины времени удержания маркера. Время удержания маркера по умолчанию – 10мсек. За это время при скорости 4 и 16 мгб/с. Можно передать 5 и 20 кбайт информации. Но максимальные размеры кадра выбраны 4 и 16 кбайт, т.е. с некоторым запасом. В сетях Token Ring 16 мгб/с используется несколько другой алгоритм доступа к кольцу, называемый алгоритмом раннего освобождения маркера (Early Token Release). При этом станция передает маркер доступа следующей станции сразу же после окончания передачи последнего бита кадра, не дожидаясь возращения по кольцу этого кадра с битом подтверждения приема. В этом случае пропускная способность кольца используется более эффективно, т.к. по кольцу одновременно продвигаются кадры нескольких станций.

В технологии T.R. используется приоритетный метод доступа к среде. 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 ее копии, отвечает активный монитор. Если активный монитор не получает маркер в течении длительного времени (напр. 2,6с), то он порождает новый маркер.

2.4.2 Форматы кадров

В технологии Token Ring существуют три различных формата кадров:

- маркер;

- кадр данных;

- прерывающая последовательность.

Номера станций

*

А

t₁ t₂t₃t₄t₅t₆t₇t₈t₉

Станция 1 Копирование Изьятие Маркер

получила пакета А в буфер пакета получает

маркер станции 3, отметка станция 2

в пакете о получений

Рисунок 2.6 - Маркерный метод доступа в технологий Token Ring

Кадр маркера состоит из трех полей, каждый длиной 1 байт. Формат кадра маркера представлен в таблице 2.3.

J k 0 j k 0 0 0 P P P T M R R R j k1 j k 1 I E

Таблица 2.3

Начальный ограничитель SD (Start Delimiter) появляется в начале маркера, а также в начале любого кадра, проходящего по сети. Поле представляет уникальную последовательность манчестерского кода jkojkooo.

Управление доступом (Access Control) состоит из 4^х подполей: PPP, T, T и RRR, где PPP – биты приоритета, T-бит маркера, М - бит монитора, RRR – резервные биты приоритета.

Конечный ограничитель ЕД (End Delimiter)-последнее поле маркера. Состоит из последовательности манчестерского кода jk1jk1 и двух однобитовых признаков: I и Е.

Признак I (Intermediate) показывает, является ли кадр последним в серии кадров (I=0) или промежуточным (I=1). Признак E (Error)-это признак ошибки. Любая единица сети при обнаружении ошибки устанавливает этот признак в 1.

Кадр данных состоит из следующих полей:

- начальный ограничитель SD;

- управление кадром FC (Frame Control);

- адрес назначения DA (Destination Address);

- адрес источника SA (Sours Address);

- данные (Info);

- контрольная сумма FCS (Frame Check Sequence);

- конечный ограничитель ED;

- статус кадра FS (Frame Status).

Поле FS определяет тип кадра (МАС или LLC), при этом предусмотрено 6 типов управляющих кадров МАС - уровня.

Поле статус FS имеет длину 1 байт и имеет вид АсххАСхх, где А – бит распознавания адреса, С - бит копирования кадра, а хх - резервные биты. Назначение остальных полей общеизвестны и описаны в технологии Ethernet.

Прерывающая последовательность состоит из двух байтов, содержащих начальный и конечный ограничители. Прерывающая последовательность может появиться в любом месте потоки битов и сигнализирует о том, что текущая передача кадра или маркера отменяется.

2.4.3 Схема построения сети Token Ring

Сеть Token Ring может включать до 260 узлов, связь между которыми обеспечивается с помощью концентраторов MSAU (Multi-Station Access Unit), т.е. устройствами много дистанционного доступа ( рисунок 2.7).

Концентратор Token Ring может быть активным или пассивным. Пассивный концентратор просто соединяет карты внутренними связями так, чтобы станции, подключенные, к этим портам образовали кольцо. Активный концентратор выполняет функции регенерации сигналов и поэтому иногда называется повторителем, как в стандарте Ethernet.

При использовании пассивного концентратора роль ускорителя сигналов в сети берет на себя каждый сетевой повторитель, а роль синхронизирующего блока выполняет сетевой адаптер активного монитора.

В общем случае сеть Token Ring имеет комбинированную звезду - кольцевую топологию. Конечные узлы подключаются к MSAU по топологии звезды, а сами концентраторы объединяются через специальные порты Ring I_n (RI) и Ring Out (RO) для образования магистрального физического кольца.

Ring in Ring out

Концентратор

Рисунок 2.7 - Схема конфигурации сети Token Ring

Все станции в кольце должны работать на одной скорости – либо 4 мгб/с,

либо 16 мгб/с. Технология Token Ring позволяет использовать для соединения различные типы кабеля STP-1 допускается объединить до 260 станций при длине ответвлительных кабелей 100 м, а при использовании неэкранированной витой пары UTP максимальное число станций сокращается до 72 при длине ответвлительных кабелей до 45 м. Между активными MSAU максимальное расстояние увеличивается соответственно до 730 м или 365 м в зависимости от типа кабеля. Максимальная длина кольца составляет 4000м.

2.5 Технология FDDI

Технология FDDI ( Fiber Distributed Date Interface )- оптоволоконный интерфейс распределенных данных- эта первая технология локальных сетей, в которой средой передачи данных является волоконно-оптический кабель. Начальные версии стандарта были разработаны в период 1986-88 годы, которая обеспечивала передачу кадров со скоростью 100 мгбит/сек по двойному оптоволоконному кольцу длиной 100 км.

2.5.1 Основные характеристики

Технология FDDI во многом основывается на технологии Token Ring, развивая и совершенствуя ее основные идеи. Сеть FDDI строится на основе двух оптоволоконных колец, которые образуют основной и резервные пути передачи данных между узлами сети. Наличие двух колец- это основной способ повышения отказоустойчивости сети.

В случае какого либо отказа, когда часть первичного кольца не может передавать данные (напр.: обрыв кабеля, отказ узла), первичное кольцо объединяется со вторичным, вновь образуя единое кольцо. Этот режим работы сети называется Wrap, т.е. «свертыванием» или «сворачиванием» колец. Операция свертывания производится средствами и / или сетевых адаптеров FDDI. Сеть FDDI может полностью восстанавливать свою работоспособность в случае единичных отказов ее элементов. При множественных отказах сеть распадается на несколько не связанных сетей. Отличие метода доступа в технологии FDDI от Token Ring заключается в том, что время удержания маркера не является постоянной величиной. Это время зависит от загрузки кольца- при небольшой загрузке оно увеличивается, а при больших перегрузках может уменьшатся до нуля.

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

Первичное кольцо Обрыв кольца

Вторичное кольцо

Рисунок 2.8 - Реконфигурация колец при отказе.

Эти изменения в методе доступа касается только асинхронного трафика, который не критичен к небольшим задержкам трафика. Для синхронного трафика время удержания маркера по прежнему остается фиксированной величиной. Механизм приоритетов кадров, аналогичный принятому в технологии Token Ring, в технологии FDDI отсутствует. Трафик делится только на два класса: асинхронный и синхронный, последний обслуживается всегда, даже при перегрузках кольца. В остальном пересылка кадров между станциями кольца на уровне МАС полностью соответствует технологии Token Ring. Станции FDDI применяют алгоритм раннего освобождения маркера, как и сети Token Ring со скоростью 16 мгбит/сек. Адреса уровня МАС имеют стандартный для технологии IEEE-802 формат. Формат кадра FDDI близок к формату кадра Token Ring, основные отличия заключаются в отсутствии полей приоритетов.

На рисунке 2.9 приведено соответствие структуры протоколов технологии FDDI семиуровневой модели OSI.

Подуровни: PHY ( Physical )

PMD ( Physical Media Dependent)

LLC 802.2 SMT ( Station Management )

Рисунок 2.9

FDDI определяет протокол физического уровня и протокол подуровня

доступа к среде (МАС) канального уровня.

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. Поэтому все узлы обмениваются специальными кадрами SMT для управления сетью.

2.5.2 Особенности метода доступа и отказоустойчивость технологии 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 появлении станция должна измерить интервал времени, который прошел с момента прихода предыдущего маркера. Этот интервал называется временем оборота маркера ( Token Rotation Time- TRT). Интервал TRT сравнивается с другой величиной – максимальным допустимым временем оборота маркера по кольцу-T_-_opr . Если в технологии Token Ring максимально допустимое время оборота маркера является фиксированной величиной (2,6 сек.), то в технологии FDDI станции договариваются о величине T-opr во время инициализации кольца. Каждая станция может предложить свое значение T-opr, в результате для кольца устанавливается минимальное из предложенных станциями времени. Это позволяет учитывать потребности приложении, работающих на станциях.

При очередном поступлении маркера для передачи асинхронного кадра сравнивается фактическое время оборота маркера TRT с максимально возможным T-opr. Если кольцо не перегружено, то маркер приходит раньше, истекает интервал T-opr , т.е. TRT меньше T-opr_. В этом случае станции разрешается захватить маркер и передать свой кадр (или кадры) в кольцо. Время удержания маркера THT равно разности T-opr – TRT, и в течение этого времени станция передает в кольцо столько асинхронных кадров сколько успеет.

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

Для обеспечения отказоустойчивости в стандарте FDDI предусмотрено создание двух оптоволоконных колец- первичного и вторичного. Одновременное подключение к первичным и вторичным 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 – станции (Station), а также концентраторов (Concentrator). Для станции и концентраторов допустим любой вид подключения- как одиночный, так и двойной.

Названия:

- SAS (Single Attachment Station);

- DAS (Dual Attachment Station);

- SAC (Single Attachment Concentrator);

- DAC (Dual Attachment Concentrator).

Обычно концентраторы имеют двойное подключение, а станции – одинарное, хотя это не обязательно (см. рисунок 2.10). Чтобы устройства легче было правильно подключить к сети, их разъемы маркируются.

В случае однократного обрыва кабеля между устройствами с двойным подключением сеть FDDI сможет продолжать нормальную работу за счет автоматической реконфигурации внутренних путей передачи кадров между портами концентратора.

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.

Отказоустойчивость поддерживается за счет постоянного слежения уровня SMT концентраторов и станций за временными интервалами циркуляции маркеров 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 ее реконфигурации. Реконфигурация внутренних путей в концентраторах и сетевых адаптерах выполняется специальными оптическими переключателями, которые перенаправляют световой луч и имеют достаточно сложную конструкцию.

2.5.3 Физический уровень технологии FDDI

В технологии FDDI для передачи световых сигналов по оптическим волокнам реализовано логическое кодирование 4В / 5В в сочетании с физическим кодированием NRZI. Эта схема приводит к передаче по линий связи сигналов с тактовой частотой 125 МГц. Так как из 32 комбинации 5- битовых символов для кодирования исходных 4- битовых символов нужно только 16 комбинаций, то из оставшихся 16 выбрано несколько кодов, которые используются как служебные. Наиболее важным служебным символом является символ Idle – простой, который постоянно передается между портами в течение пауз между передачей кадров данных. За счет этого станции и концентраторы сети FDDI имеют постоянную информацию о состоянии физических соединении своих портов. В случае отсутствия потока Idle фиксируется отказ физической связи и производится реконфигурация внутреннего пути концентратора или станции, если это возможно.

С помощью других служебных символов кода 4В / 5В выясняются типы портов и корректность соединения.

Работу по установлению физического соединения контролирует протокол управления станциями SMT. Физический уровень разделен на два подуровня:

- независимый от среды подуровень PHY (Physical);

     В технологии FDDI для передачи световых сигналов по оптическим волокнам реализовано логическое кодирование 4В / 5В в сочетании с физическим кодированием NRZI. Эта схема приводит к передаче по линий связи сигналов с тактовой частотой 125

Станция 5

Класс В

( SAS )

Станция 7

Класс В

( SAS )

Станция 6

Класс В

( SAS )

                                        Станция 4 , Класс А

                                         Концентратор DAC

Станция 3

Класс А

( DAS )

Станция 2

Класс А

( DAS )

Станция 1

Класс А

( DAS )

мгц.

Порт А

Первичное Вторичное кольцо Обрыв кабеля

кольцо

Порт М

Порт S

Рисунок 2.10 - Подключение узлов к кольцам и реконструкция сети FDDI

при обрыве кабеля (красная линия)

Так как из 32 комбинации 5- битовых символов для кодирования исходных 4- битовых символов нужно только 16 комбинаций, то из оставшихся 16 выбрано несколько кодов

- зависящий от среды подуровень PMD (Physical Media Dependent).

Технология FDDI в настоящее время поддерживает два подуровня PMD: для волоконно-оптического кабеля и неэкранированной витой пары категории 5. Последний стандарт появился позже оптического и носит название TP-PMD.

Стандарт оптоволоконный подуровень определяет:

- использование в качестве основной физической среды многомодового волоконно- оптического кабеля 62,5 / 125 мкм;

- предельное расстояние между узлами для многомодового кабеля –2 км, а для одномодового кабеля – 10-40 км;

- требования к оптическим переключателям и разъемам;

- использование для передачи света с длиной волны в 1300нм;

- представление сигналов в оптических волокнах в соответствии с методом NRZI.

Подуровень TP-PMD определяет возможность передачи данных между станциями по витой паре в соответствии с методом физического кодирования

MLT-3, использующего два уровня потенциала +V и –V для представления данных в кабеле. Для получения равномерного по мощности спектра сигнала данные перед физическим кодированием проходят через скрэмблер. Максимальное расстояние между узлами в соответствии со стандартом TP-PMD составляет 100 метров.

Максимальная общая длина кольца FDDI составляет 100 км, максимальное число станций с двойным подключением в кольце- 500 шт.

Технология FDDI разрабатывалась для применения в ответственных участках сети-на магистральных соединениях между крупными сетями, а также для подключения к сети высокопроизводительных серверов. Практика показала, что основной областью применения технологии FDDI стали магистрали сетей, состоящих из нескольких зданий, сети масштаба крупного города, т.е. сети класса MAN. Для подключения клиентских компьютеров и даже небольших серверов технология FDDI оказалась слишком дорогой.

2.6 Технология Fast Ethernet

2.6.1 Физический уровень технологии Fast Ethernet

В 1992 году группа производителей сетевого оборудования SunOptics, 3Com и ряд других образовали некоммерческое объединение Fast Ethernet Alliance для разработки стандарта новой технологии со скоростью 100 мгбит/сек, которая должна была с максимально возможной степенью сохранить особенности и преемственность технологии Ethernet. В 1995 году был принят стандарт 802. 3u, который явился дополнением к стандарту 802.3 в виде отдельных глав.

Все отличия технологии Fast Ethernet от Ethernet сосредоточены на физическом уровне (см. рисунок 2.11). Как видно из рисунка уровни MAC и LLC не отличаются. Более сложная структура физического уровня технологии Fast Ethernet вызвана тем, что в ней используются три варианта кабельных систем:

- волоконно-оптический двухмодовый кабель;

- витая пара категории 5, используются две пары;

- витая пара категории 3, используются четыре пары.

Коаксиальный кабель не используется, поскольку на небольших расстояниях витая пара категории 5 позволяет передавать данные с той же скоростью, что и коаксиальный кабель, но сеть получается более дешевой и удобной в эксплуатации. На больших расстояниях оптическое волокно обладает гораздо более широкой полосой пропускания, чем коаксиал, а стоимость сети получается ненамного выше, особенно если учесть высокие затраты на поиск

Подуровень

LLC ( 802.2 )

Подуровень

Доступа к среде

     МАС

Согласование

(Reconcilliation)

Подуровень

LLC ( 802.2 )

Подуровень доступа к среде

      МАС

Стек протоколов                                        Стек протоколов

Ethernet (802.3) Fast Ethernet (802.3u)

Подуровень кодирования

( Physical Coding )

Подуровень физического присоединения (Physical Medium Attachment )

Подуровень зависимости физической среды ( Physical Medium Dependent )

Подуровень автопереговоров о скорости передачи ( Auto- Negotiation )

Разъем ( Medium Dependent Interface )

Подуровень

Физического

Присоединения

(Physical Medium

Attachment )

Разъем ( Medium Dependent Interface)

Канальный

Уровень Интерфейс Интерфейс

AUI MII

Физический уровень

Устройство физического

уровня

Рисунок 2.11

и устранения неисправностей в крупной кабельной коаксиальной системе.

Все отличия технологии Fast Ethernet от Ethernet сосредоточены на физическом уровне (см. рисунок 2.11).

Сети Fast Ethernet всегда имеют иерархическую структуру, построенную на концентраторах, как и сети 10Base-T / 10Base-F. Основным отличием конфигурации сетей Fast Ethernet является сокращение диаметра сети примерно до 200 метров, что объясняется уменьшением времени передачи кадра в 10 раз при увеличении скорости передачи в 10 раз по сравнению с 10 мгбит/сек Ethernet.

При использовании коммутаторов протокол Fast Ethernet может работать в полудуплексном режиме, в котором нет ограничений на общую длину сети, а остаются только ограничения на длину физических сегментов, соединяющих соседние устройства (адаптер-коммутатор, коммутатор- коммутатор). Поэтому при создании магистралей локальных сетей большой протяженности технология также активно применяется, но только в полудуплексном варианте совместно с коммутаторами.

Стандартом установлено три различных спецификации для физического уровня Fast Ethernet:

- 100 Base- TX - для двухпарного кабеля UTP-5 и STP-1;

- 100 Base- T4 – для 4-х парного кабеля UTP-3,4,5;

- 100 Base- FX – для многомодового оптоволоконного кабеля, используется два волокна.

Для всех трех стандартов справедливы следующие утверждения и характеристики:

- форматы кадров технологии Fast Ethernet не отличаются от форматов кадров технологии 10 мгбит Ethernet;

- межкадровый интервал ( IPG ) равен 0,96 мкс, битовый интервал равен 10 нс. Все временные параметры алгоритма доступа, измеренные в битовых интервалах остались прежними;

- признаком свободного состояния среды является передача по ней символа Idle соответствующего избыточному коду, а не отсутствие сигналов, как в стандарте Ethernet.

Физический уровень включает три элемента:

- уровень согласования;

- независимый от среды интерфейс;

- устройство физического уровня.

Устройство физического уровня состоит в свою очередь из подуровней:

- подуровня логического кодирования данных, преобразующего поступающие от уровня МАС байты в символы кода 4В / 5В или 8В / 6Т (оба кода используются в технологии Fast Ethernet);

- подуровней физического присоединения и подуровня зависимости от физической среды, которые обеспечивают формирование сигналов в соответствии с методом физического кодирования, напр. NRZI или MLT-3;

- подуровня автопереговоров, который позволяет двум взаимодействующим портам автоматически выбрать наиболее эффективный режим работы , напр. полудуплексный или полнодуплексный.

Интерфейс MII поддерживает независимый от среды способ обмена данными между подуровнем МАС и подуровнем PHY.

Физический уровень 100 Base – FX. Эта спецификация определяет работу протокола Fast Ethernet по многомодовому оптоволокну в полудуплексном и полнодуплекстных режимах на основе схемы кодирования FDDI (4B / 5B).

Физический уровень 100 Base- TX. В качестве передачи данных используется кабели UTP-5 или STP-1. Максимальная длина кабеля в обоих случаях- 100 м. Основные отличия от 100 Base – FX- использование метода MLT-3 для передачи сигналов 5- битовых порций кода 4В / 5В по витой паре, а также наличие функции автопереговоров для выбора режима работы порта.

Физический уровень 100 Base –T4. Эта спецификация была разработана для того, чтобы можно было использовать для Fast Ethernet имеющуюся проводку на витой паре категории 3. Эта спецификация позволяет повысить общую пропускную способность за счет одновременной передачи потоков бит по всем 4-парам кабеля. Вместо кодирования 4В / 5В в этом методе используется кодирование 8В / 6Т, которое обладает более узким спектром сигнала и при скорости 33 мгбит/сек укладывается в полосу 16 МГц витой пары категории 3. Каждый 8 бит информации уровня МАС кодируется 6-ю троичными цифрами (ternary symbols), т.е. цифрами, имеющими три состояния. Каждая троичная цифра имеет длительность 40 нс. Группа из 6-ти троичных цифр передается на одну из трех витых пар, независимо и последовательно. Четвертая пара всегда используется для прослушивания несущей частоты в целях обнаружения коллизии. Скорость передачи данных по каждой из трех передающих пар равна 33,3 мгбит/сек, поэтому общая скорость составила 33,3* 3 = 100 мгбит/с.

2.6.2 Правила построения сегментов Fast Ethernet при использовании концентраторов (повторителей)

Правила корректного построения сети Fast Ethernet включают:

- ограничения на максимальные длины сегментов, соединяющих DTE с DTE;

- ограничения на максимальные длины сегментов, соединяющих DTE с портом повторителя;

- ограничения на максимальный диаметр сети;

- ограничения на максимальное число повторителей и максимальную длину сегмента, соединяющего повторители.

Ограничения длин сегментов DTE- DTE. В качестве DTE (Data Terminal Equipment) может выступать любой источник кадров данных для сети: сетевой адаптер, порт моста, порт маршрутизатора, модуль управления сетью и другие подобные устройства. Порт повторителя не является DTE, т.к. он побитно повторяет уже появившийся в сегменте кадр.

Ограничения сетей Fast Ethernet, построенных на повторителях.

Повторители Fast Ethernet делятся на два класса 1 и 2. Повторители класса 1 поддерживают все типы логического кодирования данных: как 4В / 5В, так и 8В / 6Т. Повторители класса 2 поддерживают только какой-либо один тип логического кодирования – либо 4В / 5В, либо 8В / 6Т. Повторители класса 1 могут иметь порты всех трех типов физического уровня: 100 Base- TX, 100 Base- FX и 100 Base- T4. Повторители класса 2 имеют либо все порты 100 Base- T4, либо порты 100 Base- TX и 100 Base- FX, т.к. последние используют один логический код 4В / 5В. Задержка повторителя класса 1 составляет 70 bt. Повторители класса 2 вносят меньшую задержку при передаче сигналов: 46 bt для портов TX / FX и 33,3 bt для портов Т4. В одном домене коллизий допускается наличие только одного повторителя класса 1 и двух повторителей класса 2, причем они должны быть соединены между собой кабелем не длинее 5 метров. Небольшое количество повторителей Fast Ethernet не является препятствием для построения больших сетей, т.к. применение коммутаторов и маршрутизаторов делят сеть на несколько доменов коллизий, каждый из которых будет строится на одном или двух повторителях.

Ограничения сетей Fast Ethernet, построенных на повторителях класса 1 проиллюстрированы на рисунке 2.12.