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

Подождите немного. Документ загружается.

Раздел 3. Локальные компьютерные сети

249

па CFP. Кадры-маячки несут служебную информацию о продолжительности

CFP-промежутка и позволяют синхронизировать работу всех узлов сети. Во

время режима бесконкурентного доступа точка доступа опрашивает все узлы

сети о кадрах, которые стоят в очереди на передачу, посылая им служебные

опросные (поллинговые) кадры CF_POLL. Опрашиваемые узлы в ответ на

получение кадров CF_POLL посылают подтверждение СF_ACK. Если под-

тверждения не получено, то точка доступа переходит к опросу следующего

узла.

Для осуществления передачи данных между всеми узлами сети, точка

доступа может передавать кадр данных (DATA) и совмещать кадр опроса с

передачей данных (кадр DATA+CF_POLL). Аналогично узлы сети могут со-

вмещать кадры подтверждения с передачей данных DATA+CF_ACK (рису-

нок 3.46).

Во время режима PCF допускаются следующие типы кадров:

 DATA – кадр данных;

 CF_ACK – кадр подтверждения;

 CF_POLL – кадр опроса узла;

 DATA+CF_ACK – комбинированный кадр данных и подтверждения;

 DATA+CF_POLL – комбинированный кадр данных и опроса;

 DATA+CF_ACK+CF_POLL — комбинированный кадр данных, под-

тверждения и опроса;

 CF_ACK+CF_POLL – комбинированный кадр подтверждения и опроса

узла.

Рисунок 3.46 – Процедура совмещения кадров подтверждения с передачей данных

Компьютерные сети

250

3.8. Выводы по разделу

1. Расположение ЛКС на ограниченном пространстве позволяет ис-

пользовать в этих сетях собственные линии связи на базе проводных и воло-

конно-оптических кабелей. За счет этого скорости передачи данных в ЛКС

составляют от 4 до 10000 Мбит/с. Вероятность ошибки при передаче по та-

ким линям на несколько порядков ниже, чем в глобальных сетях.

2. В локальных сетях преимущественно используются звездная, шин-

ная кольцевая и звездно-иерархическая топология.

3. Особенностью ЛКС является коллективное использование линии

связи, поэтому возникает проблема регулировать доступ отдельных компью-

теров к моноканалу. Доступ может осуществляться состязательным или ор-

ганизационным способом. При состязательном способе возможно возникно-

вение коллизий и нарушение функционирования всей сети.

4. При реализации состязательного доступа к среде передачи приме-

няются метод множественного доступа с контролем передачи и обнаружени-

ем коллизий CSMA/CD. Для эффективного использования среды передачи

ограничивается минимальная и максимальная длина кадра. Минимальная

длина выбирается таким образом, чтобы при возникновении коллизии на

максимальном удалении от передатчика, и достижении сигнала коллизии пе-

редающей станции, передача кадра не была бы завершена. Максимальная

длина связана с допустимой задержкой ожидания станциями освобождения

линии и размером буфера промежуточного хранения кадра. Состязательный

доступ характерен для топологии "шина" и "звезда".

5. В сетях с организационным способом доступа право работы с кана-

лом реализуется посредством посылки специального кадра разрешения –

маркера. Станция, получившая маркер, может начинать передачу данных.

После завершения передачи право на использование общей линии передает-

ся другому компьютеру. Этот способ применяется в шинной топологии (ло-

гическое кольцо) и в топологии физическое кольцо.

6. Из нескольких десятков типов систем проводных соединений в ЛКС

лидируют два стандарта: 802.3 (Ethernet) – шинная и звездная топологии, и

802.5 (Token Ring) – физическое кольцо. В первом доступ к общей среде

осуществляется состязательным способом CSMA/CD, а во втором регулиро-

вание доступа выполняется путем посылки в кольцо свободного маркера.

7. К классическим сетям Ethernet относятся сети 10BASE-5,-2,-Т. Пер-

вые два типа используют для передачи сигналов «толстый» и «тонкий» коак-

сиальные кабели, при топологии «шина». В сетях 10BASE-Т применяются

кабели типа «витая пара» и звездная топология. Передача данных осуществ-

ляется сигналами с манчестерским линейным кодированием, скорость пере-

Раздел 3. Локальные компьютерные сети

251

дачи данных равна 10 Мбит/с, максимальное расстояние между станциями

составляет несколько сот метров.

8. Каждая станция при получении доступа передает один кадр, со-

стоящий из преамбулы, стартового разделителя, адресов отправителя и по-

лучателя, поля с типом (или длиной) кадра, информационной части и кон-

трольной последовательности кадра. По окончании передачи кадра все узлы

сети должны выдержать технологическую межпакетную паузу длиной 9,6

микросекунд.

9. Передача данных в сети Token Ring осуществляется сигналами с

манчестерским кодированием со скоростью 4 или 16 Мбит/с. Второе значе-

ние скорости обеспечивается при использовании процедуры раннего осво-

бождения маркера и передаче по кольцу двух кадров. К важнейшим пре-

имуществам сети Token Ring относится фиксированная задержка (а не слу-

чайная, как у Ethernet). Станция, передавшая кадр с данными, устанавливает

маркер в занятое состояние и изменяет его на свободное только после воз-

вращения кадра с отметкой о копировании его получателем.

10. Маркерный кадр сети Token Ring состоит из трех байтов: стартово-

го разделителя, байта управления доступом и конечного разделителя. Обна-

ружение разделителей осуществляется по нарушению чередования полярно-

стей передаваемых импульсов. Кадр данных содержит те же байты, что и

маркер, к которым добавляются адресные поля получателя и отправителя,

поле данных, контрольной последовательности кадра и статусного байта.

Для управления работой кольца используется шесть типов управляющих

кадров.

11. Сеть FDDI относится к высокоскоростным сетям (100 Мбит/с) и ос-

новывается на кольцевой технологии Token Ring. В качестве среды исполь-

зуется волоконно-оптическая линия длиной до 100 км. В процессе передачи

производится логическое кодирование 4В/5В. Для обеспечения надежности

сети она строится на основе двух оптоволоконных колец, образующих ос-

новной и резервный пути передачи. Такой способ построения позволяет при

отказах отдельных участков или узлов сети замыкать кольцо по резервному

пути и обеспечить функционирование сети.

12. Отличие метода доступа в FDDI от Token Ring состоит в том, что

время удержания маркера на является постоянным, а зависит от загрузки

кольца. Кроме этого, в формате кадра отсутствует поле приоритетов. Вместо

него введено два класса трафика: асинхронный и синхронный.

13. Сеть Fast Ethernet обеспечивает обмен данными по электрическим и

оптоволоконным кабелям со скоростью 100 Мбит/с. Все отличия сети от

классической Ethernet сосредоточены на физическом уровне. В процессе пе-

редачи производится логическое кодирование 4В/5В или 8В/6Т и линейное

кодирование MLT-3 или NRZI. Существует три разновидности Fast Ethernet:

Компьютерные сети

252

100BASE-TX, которая предназначена для передачи данных по двум витым

парам кабеля 5-й категории длиной до 100 м; 100BASE-FX, где в качестве

сегментов применяются два световода оптоволоконного кабеля длиной до

412 м; 100BASE-T4. в которой передача данных осуществляется по четырем

витым парам неэкранированного телефонного кабеля UTP категории 3 дли-

ной до 100 метров.

14. Сеть Fast Ethernet имеет иерархическую топологию, форматы кад-

ров несколько отличаются от формата классической Ethernet. Сокращен

межкадровый интервал. Не занятое состояние среды индицируется непре-

рывной передачей служебной комбинации "Idle" (11111). Физический ин-

терфейс делится на подуровни согласования, независимый от среды интер-

фейс и устройство физического уровня. Для соединения со средой использу-

ется зависимый от среды интерфейс.

15. В сети Fast Ethernet поддерживается функция автовыбора взаимо-

действия, с помощью которой два взаимодействующих устройства физиче-

ского уровня могут автоматически выбрать скорость передачи (10 или 100

Мбит/с) и режим работы.

16. Сети 100VG-Any LAN позволяют станциям обмениваться данными

со скоростью 100 Мбит/с. Передача осуществляется по четырем парам UTP

кабеля 3-й категории, по каждой паре со скоростью 25 Мбит/с. Поддержи-

ваются кадры двух технологий Ethernet и Token Ring. Кадры в сети переда-

ются не всем станциям, а только станции назначения. В сети имеется выде-

ленный арбитр доступа – концентратор, который опрашивает порты. Если

имеется запрос на передачу и сеть свободна, концентратор разрешает работу.

17. Сети класса Gigabit Ethernet включают сети со скоростями передачи

1 и 10 Гбит/с. Технологии имеется много общих признаков со своими пред-

шественниками 10BASE и 100BASE: это – метод доступа к среде передачи

данных CSMA/CD, полудуплексный и полнодуплексный режимы работы, а

также форматы кадров Ethernet. Сети 1000BASE-FX ориентированы на при-

менение 4-х витых пар категории 5 или выше (длиной до 100 м, с разъемом

RJ-45) и оптоволоконных кабелей.

18. В сети 1000BASE-FX применяется логическое кодирование типа

8В/10B. Минимальная длина кадра составляет 512 байт, при коротких кадрах

адаптер автоматически дополняет его до стандартной величины. Для повы-

шения помехоустойчивости используется восьмипозиционное сверточное

кодирование (на восемь различных состояний). Символы передаются по

всем четырем витым парам кабеля одновременно с использованием пяти-

уровневого кодирования PAM-5 (–2; –1; 0; 1; 2). Передача ведется одновре-

менно по 4-м парам кабеля, тактовая частота при этом снижается с 250 до

125 МГц.

19. Одним из важнейших параметров локальных сетей является произ-

Раздел 3. Локальные компьютерные сети

253

водительность, измеряемая количеством кадров, передаваемых от источника

к получателю за единицу времени. Другой не менее важный параметр - эф-

фективная битовая скорость. Эффективная скорость возрастает с увеличени-

ем длины кадра и уменьшением загрузки сети.

20. Для объединения локальных сетей применяется следующее обору-

дование: повторители и концентраторы; сетевые мосты; коммутаторы; мар-

шрутизаторы. Повторители объединяют сети на физическом уровне, осуще-

ствляя согласование электрических параметров сопрягаемых сетей и усиле-

ние сигналов. Концентратор представляет собой многопортовый Ethernet-

повторитель, служащий в качестве центральной точки сети со звездообраз-

ной технологией, в которой соединяются кабели рабочих станций. Как и по-

вторители, концентраторы функционирует на физическом уровне эталонной

модели.

21. Мосты функционируют на канальном уровне и разделяют сеть на

отдельные подсети, что позволяет изолировать трафик. Коммутатор пред-

ставляет собой мультипроцессорный мост, способный независимо трансли-

ровать кадры между всеми парами своих портов. Маршрутизаторы работают

на сетевом уровне, они могут переадресовывать и маршрутизировать паке-

ты через множество сетей, обмениваясь служебной информацией, завися-

щей от протокола между различными сетями.

22. В сетях Ethernet, построенных на основе повторителей или концен-

траторов, при возникновении столкновений сигналы коллизий проходят бес-

препятственно через такие коммуникационные устройства и распространя-

ются на всю сеть. Участок сети, состоящий из нескольких сегментов, в пре-

делах которого распространяется коллизия, называется доменом коллизий.

Расчет домена коллизий сводится к определению времени двойного оборота

PDV и времени уменьшения межкадрового интервала IPG.

23. Сеть Ethernet устойчиво функционирует только в случае, если па-

раметры домена коллизий не превышают допустимые значения для данной

скорости передачи. С целью уменьшения размера домена коллизии приме-

няют сегментацию сетей на основе мостов, коммутаторов и маршрутизато-

ров. Такие устройства изолируют сегменты сети, не допуская распростране-

ния коллизий в смежные сегменты.

24. В сетях Ethernet, коммутаторы поддерживают только древовидные

связи, т.е. которые не содержат петель. Для автоматического решения про-

блемы зацикливания пакетов разработан "алгоритм покрывающего дерева"

STA. Этот алгоритм обеспечивает построение древовидной топологии связей

сети с единственным путем минимальной стоимости от каждого коммутато-

ра и от каждого сегмента до некоторого выделенного корневого коммутатора

– корня дерева.

25. В беспроводных сетях связь между компьютерами осуществляется

Компьютерные сети

254

с помощью радиоволн. Беспроводные сети могут быть созданы двумя раз-

личными способами: сеть без базовой станции и сеть с точкой доступа. Точ-

ка доступа AP выполняет в беспроводной сети роль своеобразного концен-

тратора. Связь отдельных сетей между собой выполняется путем соединения

точек доступа сегментом кабельной сети либо радиомостом.

26. В беспроводных сетях при организации доступа используются два

способа обслуживания: асинхронный и обслуживание с ограниченным вре-

менем. При асинхронном обслуживании каждая из станций может получить

доступ к разделяемой среде, но при этом возможны коллизии. Способ огра-

ниченного времени обслуживания гарантирует максимально допустимое

время доступа станции к среде. В процессе реализации этого способа фор-

мируются суперкадры с двумя временными интервалами: один – бесконку-

рентный доступ, в течение которого точка доступа поочередно опрашивает

станции и при их готовности осуществляет обмен кадрами, второй – состяза-

тельный доступ.

27. Для обеспечения совместимости работы беспроводных сетей их ос-

новные параметры оговариваются стандартами IEEE 802.11. Стандарты за-

дают частотный диапазон излучаемых сигналов, способ модуляции, метод

доступа и избежания коллизий, а также скорости передачи данных.

28. Принципы построения локальных компьютерных сетей, особенно-

сти настройки и управления более детально изложены в [2,10,11,22,23,27],

моделирование сетей – в [21], а вопросы программирования сетевых комму-

таторов и конфигурирования виртуальных локальных сетей – в [17].

3.9. Контрольные вопросы

1. В каких топологиях локальных компьютерных сетей и по какой причине

возникают коллизии?

2. Как осуществляется доступ к среде в сетях с шинной топологией?

3. Из каких соображений рассчитывается минимальная длина кадра в сетях

с CSMA/CD?

4. По каким признакам рабочие станции распознают коллизию?

5. Каким образом в сети с физической шиной можно регулировать доступ,

чтобы избежать коллизий?

6. Каковы преимущества топологии "физическое кольцо"?

7. В чем состоит различие канальных подуровней управления логической

передачей данных LLC и управления доступом к среде МАС?

8. Каковы отличия способов подключения к среде в "тонкой" и "толстой"

сети Ethernet?

9. С какой целью введена межпакетная пауза в сетях Ethernet, и каковы ее

Раздел 3. Локальные компьютерные сети

255

параметры?

10. Почему появились различия в форматах кадров Ethernet и как обеспечи-

вается совместимость различных типов кадров?

11. Что определяет диаметр сети? Диаметр используемого кабеля или диа-

метр сегмента кабельного кольца?

12. Почему в результате внедрения сетей 10Base-T их топология из шинной

превратилась в древовидную?

13. Из каких узлов состоит сетевой адаптер Ethernet и каковы их функции?

14. Как в сетях Token Ring сохраняется целостность кольца при выключе-

нии питания одной из рабочих станций?

15. Как отправитель сообщения сети Token Ring узнает, что кадр был ус-

пешно принят получателем?

16. Каким образом в сети FDDI обеспечивается высокая надежность пере-

дачи и живучесть сети?

17. Чем вызвано наличие трех вариантов реализации сети Fast Ethernet, и с

какой целью в этих сетях применяется логическое кодирование 5В/6В?

18. Почему в одних вариантах сетей Fast Ethernet применяется логическое

кодирование 5В/6В, а в других – 8В/6Т?

19. Каким образом рабочие станции сети Fast Ethernet определяют возмож-

ность доступа к среде?

20. За счет чего в гигабитовых сетях Ethernet удалось обеспечить передачу

данных со скоростью 10 Гбит/с по витой паре, полоса пропускания ко-

торой ограничивается несколькими сотнями МГц?

21. Какими мерами обеспечивается необходимая помехоустойчивость в ги-

габитовых компьютерных сетях?

22. Что представляет собой домен коллизий, как осуществляется расчет его

параметров?

23. С какой целью и какими средствами выполняется сегментация локаль-

ных сетей?

24. За счет чего суммарная пропускная способность коммутаторов выше,

чем у концентраторов?

25. Что представляет собой точка доступа в беспроводных сетях и каковы

ее функции?

26. С какой целью в беспроводных цепях применяются при модуляции

ССК-последовательности или многочастотная модуляция ортогональ-

ных сигналов OFDM?

27. Назовите параметры беспроводных компьютерных сетей, которые рег-

ламентируются международными стандартами.

28. Как в беспроводных сетях регулируется доступ станций к среде?

Раздел 4

КОМПЬЮТЕРНАЯ СЕТЬ ИНТЕРНЕТ

В чем состоит сложность объединения сетей? Почему стек протоколов

TCP/IP отличается от эталонной модели OSI? Чем отличается байт от октета?

На основании чего сетевой компьютер определяет, какую маску использовать для

выделения номера сети? Зачем нужно преобразовывать IP-адреса в физические? За-

чем нужно делить сети на подсети? Как отправитель узнает, что пакет не посту-

пил получателю? С какой целью в сети Интернет ввели два транспортных протоко-

ла? Зачем протоколы маршрутизации делят на внутренние и внешние? Какое отно-

шение к маршрутизации имеет политика? Если протоколы маршрутизации не вы-

полняют маршрутизацию, то как же она осуществляется? Как реализованы сервис-

ные службы в сети Интернет? На эти и другие вопросы Вы найдете ответ, изучив

материал данного раздела.

4.1. Особенности функционирования объединенных сетей

4.1.1. Цель и проблемы объединения разнородных сетей

Совокупность независимых разнородных сетей, объединенных в еди-

ную сеть на основе протоколов TCP/IP, получила название Интернет

(Internetwork или сокращенно Internet). Цель объединения разнородных се-

тей – создание унифицированной, согласованной и эффективной сетевой

системы, которая позволяла бы более эффективно решать задачи на распре-

деленных в пространстве компьютерах, обеспечивала обмен данными между

любыми абонентами сети, а также поддерживала ряд универсальных сетевых

служб. Осуществить объединение сетей простым их соединением не пред-

ставляется возможным. Это связано с тем, что объединяемые компьютерные

сети зачастую различаются используемыми операционными системами, ти-

пами компьютеров и коммуникационным оборудованием, форматами дан-

ных, способами кодирования и передачи, электрическими характеристиками.

При достижении этой цели решались также задачи сокрытия от поль-

зователя особенностей низкоуровневой структуры объединенной сети, ис-

ключения зависимости взаимодействия пользователей от топологии объеди-

ненной сети, использования универсального набора идентификационных па-

Раздел 4. Компьютерная сеть Интернет

257

раметров – имен и адресов.

Для соединения двух разнородных сетей необходимо использовать се-

тевой узел на основе специализированного компьютера, осуществляющего

преобразование и согласование форматов и протоколов этих сетей, осна-

щенный двумя сетевыми адаптерами, каждый из которых включен в свою

сеть. Очевидно, что параметры кодирования и модуляции, информационные

и электрические характеристики каждого из адаптеров должны полностью

отвечать параметрам, используемых в соответствующих сетях.

Коммуникационные компьютеры, связывающие две сети и выпол-

няющие пересылку пакетов между ними, называются межсетевыми шлю-

зами (gateways) или маршрутизаторами

(internet routers). Термин "шлюз"

до сих пор достаточно часто используется в литературе о TCP/IP как сино-

ним маршрутизатора. Однако в узком смысле слова он применяется для обо-

значения устройства, осуществляющего объединение сетей на прикладном

уровне, т.е. объединяющего два различных семейства протоколов (напри-

мер, TCP/IP и IBM SNA) в одном конкретном приложении (чаще всего это

электронная почта или передача файлов). Маршрутизатор же осуществляет

объединение на сетевом уровне. Схема объединения двух сетей с помощью

маршрутизатора М изображена на рисунке 4.1.

Маршрутизаторы позволяют объединить сети, построенные на различ-

ных физических принципах: Ethernet, Token Ring, Point-to-Point, FDDI (Fiber

Distributed Data Interface), и так далее. Сетевой механизм взаимодействия

обеспечивает доставку небольших пакетов данных от отправителя прямо к

получателю без использования промежуточных прикладных программ. Пе-

ресылка небольших фрагментов данных вместо огромных и громоздких

файлов, как это делалось на прикладном уровне, обладает рядом преиму-

ществ:

1) в обмене непосредственно участвует низкоуровневое сетевое аппа-

ратное обеспечение, что делает его чрезвычайно эффективным;

2) взаимодействие на сетевом уровне позволяет отделить логику при-

Рисунок 4.1 – Схема объединения разнородных сетей

Компьютерные сети

258

ложения от механизма пересылки данных; поэтому компьютеры на проме-

жуточных узлах могут оперировать трафиком, не вникая, для каких сетевых

приложений он предназначен;

3) использование взаимодействия на сетевом уровне позволяет создать

универсальную систему, предназначенную для выполнения практически лю-

бых видов компьютерной связи;

4) структура системы позволяет легко управлять сетью; например, при

появлении новых сетевых технологий требуется только внести соответст-

вующие изменения в программное обеспечение сетевого уровня, не затраги-

вая при этом самих прикладных программ.

Следует особо подчеркнуть, что семейство протоколов TCP/IP было

разработано для обеспечения универсального взаимодействия между ком-

пьютерами, не зависящего от типов конкретных сетей, к которым эти ком-

пьютеры подключены. В связи с этим такая объединенная сеть с точки зре-

ния пользователя выглядит как единая виртуальная сеть, к которой подклю-

чаются все компьютеры. При этом для пользователя детали конкретного фи-

зического подключения не имеют значения. Поэтому, чтобы облегчить ко-

нечному пользователю понимание механизма взаимодействия, объединенная

сеть должна представляться в виде единой сети, а не совокупности отдель-

ных сетей. Для реализации такого подхода недостаточно наличия маршрути-

заторов, связывающих физические сети. Кроме этого, на каждом компьютере

объединенной сети должно быть установлено также специальное программ-

ное обеспечение, с помощью которого прикладные программы могут ис-

пользовать объединенную сеть так, как если бы это была одна физическая

сеть.

На рисунке 4.2 показано объединение двух сетей: Ethernet и Token Ring

с помощью маршрутизатора. Несмотря на то, что на нем показана связь

только между двумя компьютерами, подсоединенными к маршрутизатору из

разных сетей, каждый компьютер в Ethernet может общаться с любым ком-

пьютером в Token Ring.

На этом рисунке можно проследить разницу между конечной системой

(end system) – два компьютера на каждой стороне, и промежуточной систе-

мой (intermediate system) – маршрутизатор в середине. Прикладной и транс-

портный уровни используют протоколы соответственно FTP и

TCP, ориентированные на соединение (end-to-end). На рисунке эти два уров-

ня применяются только конечными системами. Сетевой уровень, однако, ра-

ботает с протоколом IP, не требующим соединения, так как применяется

способ передачи типа "пересылка-за-пересылкой" (hop-by-hop). Протокол се-

тевого уровня IP используется в данном случае двумя конечными и каждой

промежуточной системами.