Чернега В., Платтнер Б. Компьютерные сети. Учебное пособие для вузов

Подождите немного. Документ загружается.

Раздел 3. Локальные компьютерные сети

179

ся отдельной сетью. К сегменту 10BASE-2 разрешается подключать не более

30 станций. Структура "тонкой" Ethernet 10BASE-2 показана на рисунке 3.9.

Сеть имеет топологию шины. Каждая рабочая станция PC подключа-

ется к линии связи через трансивер Т. Задачей трансивера (приемопередат-

чика) является подключение к среде и обнаружение коллизий. Практически

во всех 10BASE-2 трансиверы встроены в сетевую интерфейсную плату (се-

тевой адаптер). Расстояние между трансиверами в кабельном сегменте "тон-

кой" Ethernet должно составлять не менее 50 см. Подключение трансивера к

кабелю осуществляется через Т-образный коаксиальный разъем (Т-

коннектор). Соединение сегментов осуществляется разъемом со штыковым

креплением типа BNC (Bayonet Nut Connector).

Для исключения появления отраженных волн, на концах сегментов

включается нагрузочный резистор (терминатор), имеющий сопротивление,

равное волновому сопротивлению тонкого коаксиального кабеля (50 Ом).

Конструктивно он вмонтирован в разъем кабеля типа РК50-9-11.

Как и в толстой сети, несколько сегментов тонкой сети могут быть со-

единены в единую сеть с помощью повторителей. При этом также должно

соблюдаться правило 5-4-3, т.е. разрешается использование в сети не более 5

сегментов, из них два должны быть ненагруженными. Очевидно, что в этом

случае устанавливается четыре повторителя. Компьютеры можно подклю-

чать только к трем сегментам. Два промежуточных сегмента увеличивают

диаметр сети.

3.2.5. Ethernet на основе витой пары 10BASE-T

Сеть на основе витой пары – 10BASE-T является самой распростра-

ненной разновидностью локальной компьютерной сети Ethernet. В этой сети

используется топология “звезда”. В роли центрального узла сети выступает

концентратор (хаб – от англ. Hub). Он представляет собой многопортовый

Рисунок 3.9 – Тонкая Ethernet 10BASE-2

Компьютерные сети

180

повторитель, который передает полученные пакеты во все свои выходные

порты, за исключением порта источника пакета, независимо от адресата по-

лучателя. В качестве физической среды применяется телефонный неэкрани-

рованный провод (витая пара). Длина отвода между компьютером и концен-

тратором не должна превышать 100 м. Рабочие станции подключаются с по-

мощью стандартного сетевого разъема типа RJ-45 к кабельному концентра-

тору (рисунок 3.10). Трансивер в большинстве случаев является внутренним

и монтируется на сетевой плате.

С точки зрения производительности концентраторы просто передают

пакеты с использованием всей пропускной способности (полосы) линии свя-

зи. Задержка, вносимая повторителем, весьма мала (в соответствии с IEEE

802.3 – менее 3 мкс). Сети, содержащие концентраторы, имеют пропускную

способность 10 Mбит/с подобно сегменту на основе коаксиального кабеля и

прозрачны для большинства сетевых протоколов, таких как TCP/IP и IPX.

При попытке передачи пакетов несколькими станциями одновременно воз-

никает коллизия. В этом случае концентратор выдает соответствующую Jam-

последовательность на все выходные порты.

Следует заметить, что концентратор в процессе функционирования се-

ти не только транслирует кадры, но и осуществляет контроль состояния ли-

ний связи с компьютерами, отключая их в случае обрыва или короткого за-

мыкания. При этом он может выдавать администратору диагностическое со-

общение о возникших неисправностях.

Путем соединения концентраторов 10BASE-T друг с другом, можно

создать иерархическую структуру сети (рисунок 3.11). Общее количество

рабочих станций в такой сети не должно превышать 1024. При этом следует

придерживаться правила: между любыми двумя станциями сети должно на-

ходиться не более четырех повторителей. Это требование получило название

правило 4-х хабов. При выполнении такого условия обеспечивается син-

хронизация станций и надежное распознавание коллизий.

Рисунок 3.10 – Схема сети Ethernet 10 BASE -T

Раздел 3. Локальные компьютерные сети

181

Недостатком сети на основе концентратора, как и любой сети с шин-

ной топологией, является возможность осуществлять обмен данными в одно

и то же время только между двумя компьютерами, в противном случае воз-

никают коллизии.

Таким образом, в сети со звездной топологией в течение сеанса связи

между компьютерами оказываются занятыми только два кабельных сегмен-

та, а остальные не используются. Для устранения этого недостатка были раз-

работаны сетевые коммутаторы, призванные заменить концентраторы (хабы)

в сетях 10BASE-T.

3.2.6. Сетевые адаптеры Ethernet

Сетевые адаптеры (карты) для персональных компьютеров предна-

значены для сопряжения параллельной шины компьютера с двухпроводной

линией связи. Структурная схема карты сети Ethernet 10BASE-2 изображена

на рисунке 3.12. Функционально схема состоит из четырех блоков. До не-

давнего времени каждый из блоков был реализован в виде одной специали-

зированной БИС. В адаптере, изображенном на рисунке 3.12, используется

набор микросхем фирмы National Semiconductor типа DP-8390…8392. В по-

следних моделях адаптеров почти все эти микросхемы интегрированы в

один чип, который располагается на системной плате компьютера, однако

принцип действия адаптера остается прежний. Сетевые адаптеры выпуска-

ются для шины PCI и других типов шин.

Контроллер сетевого интерфейса адаптера обеспечивает функции се-

тевого протокола по стандарту IEEE 802.3. Он осуществляет преобразование

последовательного кода в параллельный и обратно, вычисляет контрольную

последовательность кадра (КПК), управляет обменом с внешним буфером

Рисунок 3.11 – Иерархическая структура сети 10BASE-T

Компьютерные сети

182

объемом до 64 КБ. В нем содержится буферы для передаваемого и прини-

маемого пакетов. Адреса буферов располагаются в области верхней памяти

(UMA) в диапазоне A0000h…FFFFFh.

В последовательном сетевом интерфейсе производится кодирование и

декодирование сигналов манчестерского кода и преобразование уровней

входных и выходных сигналов, а также сигналов коллизий. Приемопередат-

чик (трансивер) коаксиального кабеля служит для усиления и преобразова-

ния линейных сигналов, а также обнаружения коллизии (конфликта). На ри-

сунке 3.13,а показана схема трансивера коаксиального кабеля вместе с

трансформаторной схемой гальванической развязки.

Для разделения цепей питания по постоянному току (гальванической

развязки) БИС трансивера применяется преобразователь напряжения

Рисунок 3.12 – Структурная схема сетевой карты Ethernet 10BASE-2

Рисунок 3.13 – Схема трансивера сетевого адаптера а) и выходной каскад б)

для коаксиального кабеля

Раздел 3. Локальные компьютерные сети

183

(+5/+9)В с гальванической развязкой цепей питания. Гальваническая развяз-

ка цепей сигналов передатчика, приемника и сигнала коллизии осуществля-

ется посредством высокочастотных трансформаторов Тр. Практически все

сетевые адаптеры снабжаются трансиверами для коаксиального кабеля (со-

единитель BNC) и для витой пары (соединитель RJ-45).

Пример реализации схемы выходного каскада трансивера для коакси-

ального кабеля показан на рисунке 3.13,б.

3.3. Локальная сеть Token Ring

3.3.1. Состав сети и типы кадров

Сеть Token Ring построена в соответствии со стандартом IEEE 802.5.

Первоначально скорость передачи в канале была 4 Мбит/с. Затем скорость

удалось повысить до 16 Мбит/с. Основным отличием между сетями со ско-

ростью 4 Мбит/с и 16 Мбит/с является введение в 16-Мбитовую архитектуру

Token Ring процедуры раннего освобождения маркера (Early Token Release –

ETR). Это позволило перемещать по кольцу два маркера одновременно. В

сети со скоростью 16 Мбит/с и процедурой ETR передающая станция осво-

бождает маркер сразу же после отправки кадра данных. Максимальное число

компьютеров в кольце 260, а максимальная длина кольца равна 4 км. При

объединении сетей с помощью моста количество компьютеров можно уве-

личить. К важнейшим преимуществам сетей Token Ring относится фикси-

рованная задержка (а не случайная, как у Ethernet). Это позволяет исполь-

зовать их в системах управления производственными процессами, критич-

ными к задержкам.

Большинство устройств, подключаемых к сети, – это персональные

компьютеры (ПК), или рабочие станции (РС). Один ПК служит в качестве

файл-сервера (ФС), т.е. устройства, на котором размещается сетевая опера-

ционная система (ОС). Периферийные устройства – принтеры, модемы, под-

ключаются либо к РС, либо к файл-серверу. Сервер и рабочие станции взаи-

модействуют между собой через сетевые платы (карты). Такая плата уста-

навливается на каждом компьютере, подсоединяемом к сети. Сетевые платы

подключаются к устройствам многостанционного доступа MAU (Multistation

Access Unit), служащими концентраторами сетевых кабелей.

Сетевая плата имеет 9-контактный порт, заканчивающийся разъемом,

через который кабель подключается к порту MAU. Она обеспечивает связь

рабочей станции с остальной частью сети. В ее состав входят микросхемы

Token Ring, реализующие стандартные программы, называемые агентами.

Агент интерпретирует и маршрутизирует все кадры данных, передаваемых

Компьютерные сети

184

между соответствующим устройством и сетью.

Передача сигналов по кольцу осуществляется биимпульсными сигна-

лами с дифференциальным манчестерским кодированием, при котором "1"

передается биимпульсом 01, а "0"  10. После включения и инициализации

сети в кольце циркулирует свободный маркерный блок. Получив свободный

маркер, станция, имеющая данные для передачи, меняет состояние маркера

на занятый, добавляет к нему блок данных вместе с адресами отправителя и

получателя и отправляет дальше по кольцу. Все станции кольца ретрансли-

руют кадр побитно, как повторители. При поступлении кадра на станцию на-

значения она копирует его во внутренний буфер и устанавливает в кадре

признак подтверждения приема. Станция, отправившая кадр в кольцо, после

получения его с подтверждением приема изымает этот кадр из кольца и пе-

редает в сеть новый свободный маркер.

Существует 3 типа кадров: кадр маркера, кадр данных и кадр аварий-

ного завершения (для очистки кольца при возникновении отклонений от

нормальной ситуации). Подробнее форматы этих типов кадров рассмотрены

ниже.

3.3.2. Упрощенная схема подключения к физическому кольцу

Рабочая станция включается в сеть через сетевую плату. Эта плата

подключается к устройствам многостанционного доступа МАU (иногда их

обозначают MSAU). В каждом блоке МАU расположено обычно восемь

портов для сетевых устройств, подключаемых к портам МАU абонентскими

кабелями. В состав порта МАU входит внутреннее реле Р, получающее пи-

тание от компьютера в момент подключения к МАU разъема кабеля сетевой

платы (рисунок 3.14). .

Рисунок 3.14 – Схема подключения рабочей станции к кольцу

Раздел 3. Локальные компьютерные сети

185

При переключении реле магистральный кабель соединяется с входом и вы-

ходом рабочей станции, включая тем самым станцию в кольцо.

Расширение сети выполняется с помощью портов RO и RI, размещен-

ных на обоих концах блока МАU. С помощью этих портов и небольшого со-

единительного кабеля (патч-кабеля) можно соединить два МАU. Цепь сиг-

налов между МАU и в самих блоках МАU называются путем основного

кольца. К сетевыми картам порты МАU подключаются через абонентский

кабель (рисунок 3.15).

С точки зрения компоновки сеть Token Ring представляет собой звез-

ду, а с точки зрения электрических соединений – кольцо. Эта схема обеспе-

чивает высокую гибкость при проектировании и компоновке сети.

3.3.3. Управление средой кольца

Время владения линией связи в сети Token Ring ограничивается вре-

менем удержания маркера (Token Holding Time), после окончания которого

станция обязана прекратить передачу собственных данных и отправить мар-

кер следующей станции. Компьютер может успеть передать один или не-

сколько кадров, в зависимости от их размера и допустимого времени удер-

жания. Стандартное время удержания кадра установлено равным 10 мс. Если

это время истекло, а передача кадра не закончена, то кадр разрешается за-

вершить.

Управление физическим уровнем Token Ring осуществляется посред-

ством выполнения ряда функций, присущих этой архитектуре. Каждая стан-

ция в кольце имеет сетевую плату, которая содержит агента (стандартные

программы, интерпретирующие и обрабатывающие передаваемые кадры).

Рисунок 3.15 – Физическая звезда / электрическое кольцо Token Ring

Компьютерные сети

186

Этот агент взаимодействует с определенными управляющими станциями

Token Ring посредством передачи кадров управления доступом к среде МАС

(Medium Access Control). Роль управляющей станции заранее определена ар-

хитектурой Token Ring.

Управляющие станции обеспечивают функции контроля локального

кольца и функции сервера, связанные с управлением кольцом. В процессе

управления кольцом контролирующая станция может выполнять функции:

пассивного монитора; активного монитора; сервера отчетов о конфигураци-

ях; сервера параметров кольца; монитора ошибок кольца; сервера моста LAN

(ЛКС); механизма выдачи отчетов.

Пассивные мониторы представляют собой станции общего назначе-

ния. Они также служат для обнаружения сбоев в активном мониторе. Если

пассивные мониторы не обнаруживают МАС-кадра активного монитора, то

они вступают в состязание за выполнения роли активного монитора.

Активный монитор является главным менеджером связи в кольце. Он

отвечает за поддержание передачи данных и управляющую информацию,

циркулирующую между всеми станциями кольца. Активный монитор обес-

печивает выполнение следующих основных функций:

1) поддержку главного генератора тактовых импульсов (ГТИ) с целью

обеспечения синхронности ГТИ всех станций;

2) инициирование уведомления соседа о своем адресе;

3) мониторинг уведомления соседа (поддерживает постоянный про-

цесс уведомления, используя таймер протокола);

4) контроль и поддержание надлежащей задержки в кольце;

5) мониторинг передачи маркера и кадров; проверку бита завершения

передачи кадра между станциями, а при ошибках – выполнение очистки

кольца;

6) выявление утерянных маркеров и кадров; проверяет максимальное

время оборота кадра в кольце (10 мс); если кадр не обнаружен, а интервал

истек, монитор выполняет очистку кольца;

7) очистку кольца; при обнаружении сбоев, программой синхрониза-

ции передается специальный широковещательный кадр (Ring Purge), кото-

рый очищает кольцо перед передачей нового маркера.

В процессе функционирования сети только одна рабочая станция мо-

жет быть активным монитором. Эта роль выполняется любой рабочей стан-

цией кольца. Она назначается динамически в соответствии с процессами

Token Ring в данном кольце.

Раздел 3. Локальные компьютерные сети

187

3.3.4. Кадры сети Token Ring

Как уже отмечалось выше, в сети Token Ring используются 3 различ-

ных формата кадров: маркер, данные и кадр аварийного завершения (для

очистки кольца при возникновении отклонений от нормальной ситуации).

Маркер содержит лишь 3 байта: стартовый разделитель (Start

Delimiter) СтР; байт управления доступом УД (Access Control) и конечный

разделитель КР (End Delimiter) (рисунок 3.16).

Кодовая комбинация стартового разделителя СтР представляет собой

уникальную последовательность сигналов манчестерского кода с нарушени-

ем чередования полярностей вида JK0JK000. Здесь J и K – запрещенные сиг-

налы для манчестерского кода, причем символом J обозначен сигнал низко-

го уровня, а K – высокого. Использование таких сигналов позволяет легко

обнаружить на приемной стороне комбинацию стартового и конечного раз-

делителей и произвести синхронизацию по блокам.

Байт управления доступом УД содержит три бита приоритета (Р), бит

признака маркерного кадра (Т=1), бит индикации активного монитора (М=1)

и три резервных бита (R). В сети Token Ring предусмотрено восемь уровней

приоритета, начиная с 000 (низший) до 111 (высший). Бит монитора М уста-

навливается в 1 активным монитором и сбрасывается в 0 любой другой

станцией, передающей маркерный или информационный блок. При обнару-

жении активным монитором кадра с установленным битом М, он констати-

рует, что кадр обошел кольцо и не был обработан ни одной из станций сети.

Если это информационный кадр, то он исключается из кольца, а если маркер,

то передается дальше по кольцу.

Конечный разделитель КР содержит шестибитовую комбинацию ман-

честерского кода с нарушением правил образования сигналов вида JK1JK1,

а также биты признаков I (Intermediate) и E (Error). Значение I=1 индициру-

ет промежуточный кадр, а I=0 – последний. Признак Е устанавливается

станцией-отправителем в нулевое состояние. Если транзитная станция обна-

руживает в кадре ошибку, то она переводит бит Е в единицу.

Кадр данных предназначен для передачи информационного сообще-

Рисунок 3.16 – Формат маркерного кадра сети Token Ring

Компьютерные сети

188

ния либо команд управления кольцом. Кроме трех байтов СтР, УД и КР,

входящих в состав маркерного блока, кадр данных содержит несколько до-

полнительных полей. Общий формат кадра Token Ring показан на рисунке

3.17. Цифры в полях кадра показывают длину соответствующего поля в бай-

тах.

В поле управление кадром (УК) задается тип кадра (сообщение МАС-

уровня или пользовательские данные LLC-уровня). Если кадр определен как

МАС, то поле указывает, какой из типов кадров представлен данным кадром.

В сети используется 6 типов управляющих кадров.

1. "Тест дублирования адреса" – используется при первом подклю-

чении к среде, чтобы удостовериться, что адрес подключаемой станции уни-

кальный.

2. "Существует активный монитор"– периодически посылается в

кольцо активным монитором, чтобы сообщить о том, что он работоспособен.

3. "Существует резервный монитор"– отправляется любой станцией,

не являющейся активным монитором.

4. "Маркер заявки"– посылается резервным монитором, когда подоз-

ревается, что активный монитор вышел из строя. Затем резервные мониторы

договариваются о том, какой их них станет активным монитором.

5. "Сигнальный кадр"– передается станцией в случае обнаружения

серьезных сетевых проблем (обрыв кабеля, обнаружение станции, передаю-

щей кадр без получения маркера). Диагностирующая программа по станции,

отправившей "Сигнал", локализует неисправность.

6. "Очистка"– используется активным монитором для перевода всех

станций в исходное состояние и очистки кольца от всех ранее посланных

кадров.

Адреса получателя и отправителя имеют структуру, аналогичную се-

ти Ethernet. Старший бит адреса получателя определяет групповой (1) или

индивидуальный (0) адрес, а "1" в старшем бите адреса отправителя индици-

рует, что в кадре имеется специальное поле маршрутной информации.

Размер поля данных, следующего за адресом отправителя, может иметь

произвольную минимальную длину, в том числе и нулевую. Максимальный

размер зависит от скорости передачи: около 4500 байт при скорости 4

Мбит/с и 16 кбайт – при 16 Мбит/с. В поле данных может быть вложен пакет

другого протокола, например LLC.

Рисунок 3.17 – Формат кадра сети Token Ring