Родичев Ю.А. Компьютерные сети - архитектура, технологии, защита

Подождите немного. Документ загружается.

311

Ethernet имеющуюся проводку на витой паре категории 3 или 5.

Эта спецификация позволяет повысить общую пропускную спо-

собность за счет одновременной передачи потоков бит по всем 4

парам кабеля. Максимальная длина сегмента для витой пары ос-

тается равной 100 м.

Интерфейс MII

Физический

уровень

Подуровень LLC

Подуровень MAC

Согласование

100Base-FX

100Base-TX

100Base-T4

Оптоволокно Витая пара Витая пара

Рис. 9.3. Структура уровней стека протоколов технологии

Fast Ethernet

Технология Fast Ethernet при работе на витой паре позволяет

за счет процедуры автопереговоров, реализуемой на физическом

уровне, двум портам выбирать наиболее эффективный режим ра-

боты – скорость 10 Мбит/с или 100 Мбит/с, а также полудуплекс-

ный или полнодуплексный режим.

9.4. Технология 100VG-AnyLAN

В качестве альтернативы технологии Fast Ethernet, фирмы

AT&T и HP выдвинули проект новой технологии со скоростью

передачи данных 100 Мбит/с – 100 Base-VG. В этом проекте бы-

ло предложено усовершенствовать метод доступа с учетом по-

требности мультимедийных приложений и при этом сохранить

совместимость формата пакета с форматом пакета сетей 802.3. В

сентябре 1993 г. по инициативе фирм IBM и HP был

образован

312

комитет IEEE 802.12, который занялся стандартизацией новой

технологии. Проект был расширен за счет поддержки в одной се-

ти кадров не только формата Ethernet, но и формата Token Ring. В

результате новая технология получила название 100VG-AnyLAN,

т. е. технология для любых сетей (Any LAN – любые сети), имея

в виду, что в локальных сетях технологии Ethernet и Token Ring

используются в подавляющем количестве узлов

. В 1995 г. техно-

логия 100VG-AnyLAN получила статус стандарта IEEE 802.12.

В технологии 100VG-AnyLAN определены новый метод дос-

тупа Demand Priority и новая схема квартетного кодирования

Quartet Coding, использующая избыточный код 5В/6В.

Метод доступа Demand Priority основан на передаче концен-

тратору функций арбитра, решающего проблему доступа к разде-

ляемой среде. Метод Demand Priority повышает пропускную спо-

собность сети за счет введения детерминированного

доступа к

общей среде, использующего два уровня приоритетов: низкий –

для обычных приложений и высокий – для мультимедийных.

Сеть 100VG-AnyLAN всегда включает центральный концен-

тратор, называемый концентратором уровня 1 или корневым

концентратором. Корневой концентратор имеет связи с каждым

узлом сети, образуя топологию «звезда». Он представляет собой

интеллектуальный центральный контроллер, который управляет

доступом к сети,

постоянно выполняя цикл кругового сканирова-

ния своих портов и проверяя наличие запросов на передачу кад-

ров от присоединенных к ним узлов. Концентратор принимает

кадр от узла, выдавшего запрос, и передает его только через тот

порт, к которому присоединен узел с адресом, совпадающим с

адресом назначения, указанным в кадре.

Метод Demand Priority (приоритетный доступ

по требованию)

основан на том, что узел, которому нужно передать кадр по сети,

передает запрос (требование) на выполнение этой операции кон-

центратору. Каждый запрос может иметь либо низкий, либо вы-

сокий приоритеты. Высокий приоритет отводиться для трафика

чувствительных к задержкам мультимедийных приложений.

Высокоприоритетные запросы всегда обслуживаются раньше

низкоприоритетных. Требуемый уровень

приоритета кадра уста-

навливается протоколами верхних уровней, не входящими в тех-

нологию 100VG-AnyLAN и передается для отработки уровню

313

MAC. Концентратор уровня 1 постоянно сканирует запросы уз-

лов, используя алгоритм кругового опроса. Это сканирование по-

зволяет концентратору определить, какие узлы требуют передачи

кадров через сеть и каковы их приоритеты.

В течение одного цикла кругового сканирования каждому уз-

лу разрешается передать один кадр данных через сеть. Концен-

траторы, присоединенные как узлы к

концентраторам верхних

уровней иерархии, также выполняют свои циклы сканирования и

передают запрос на передачу кадров концентратору. Концентра-

тор нижнего уровня с N портами имеет право передать N кадров в

течение одного цикла опроса. Каждый концентратор ведет от-

дельные очереди для низкоприоритетных и высокоприоритетных

запросов. Низкоприоритетные запросы обслуживаются только до

тех пор

, пока не получен высокоприоритетный запрос. В этом

случае текущая передача низкоприоритетного кадра завершается

и обрабатывается высокоприоритетный запрос. Перед возвратом

к обслуживанию низкоприоритетных кадров должны быть об-

служены все высокоприоритетные запросы. Чтобы гарантировать

доступ для низкоприоритетных запросов в периоды высокой ин-

тенсивности поступления высокоприоритетных запросов, вво-

дится порог ожидания запроса. Если

у какого-либо низкоприори-

тетного запроса время ожидания превышает этот порог, то ему

присваивается высокий приоритет.

Операции передачи данных на 4-парном кабеле используют

как полнодуплексный, так и полудуплексный режимы. Полноду-

плексные операции применяют для одновременной передачи в

двух направлениях (от узла к концентратору и от концентратора к

узлу) сигнальной информации о

состоянии линии. Полудуплекс-

ные операции используются для передачи данных от концентра-

тора узлу и от узла концентратору по всем четырем парам.

9.5. Технология Gigabit Ethernet

Основная идея разработчиков стандарта Gigabit Ethernet со-

стояла в максимальном сохранении идей классической технологии

Ethernet при достижении битовой скорости в 1000 Мбит/с. Стан-

дарт был принят в 1998 году на заседании комитета IEEE 802.3.

314

В технологии Gigabit Ethernet:

– сохраняются все форматы кадров Ethernet;

– сохраняется полудуплексная версия протокола, поддержи-

вающая метод доступа CSMA/CD, и полнодуплексная версия, ра-

ботающая с коммутаторами;

– поддерживаются все основные виды кабелей, используемых

в Ethernet и Fast Ethernet: волоконно-оптический, витая пара кате-

гории 5 и коаксиальный кабель.

Для передачи по витой паре категории 5 данных со скоростью

1000 Мбит/с

организуется параллельная передача одновременно

по всем 4 парам кабеля (так же, как и в технологии 100VG-

AnyLAN) с использованием специального метода кодирования.

Подуровень MAC стандарта Gigabit Ethernet использует тот же

самый протокол передачи CSMA/CD, что и Ethernet и Fast

Ethernet. Основные ограничения на максимальную длину сегмен-

та (или коллизионного домена) определяются этим протоколом.

Технология Gigabit Ethernet позволяет эффективно строить

крупные локальные

сети, в которых мощные серверы и магистра-

ли нижних уровней сети работают на скорости 100 Мбит/с, а ма-

гистраль Gigabit Ethernet объединяет их, обеспечивая достаточно

большой запас пропускной способности.

9.6. Технология Token Ring

Сеть Token Ring разработана компанией IBM в 1984 г. Она по-

прежнему является основной технологией IBM для локальных се-

тей. Фактически по образцу Token Ring IBM была создана спе-

цификация IEEE 802.5, которая почти идентична и полностью со-

вместима с сетью Token Ring. В сети Token Ring кольцо образу-

ется отрезками кабеля, соединяющими соседние станции. Таким

образом, каждая станция связана со своей предшествующей и по

следующей станцией и может непосредственно обмениваться

данными только с ними. В сети Token Ring любая станция всегда

непосредственно получает данные только от одной станции –

той, которая является предыдущей в кольце. Передачу же данных

станция всегда осуществляет своему ближайшему соседу вниз по

потоку данных. Переданные данные проходят по кольцу всегда в

одном направлении

от одной станции к другой.

315

Сети Token Ring и IEEE 802.5 являются примерами сетей с пе-

редачей маркера. Сети с передачей маркера перемещают вдоль се-

ти небольшой блок данных, называемый маркером. Владение этим

маркером гарантирует право передачи. Если узел, принимающий

маркер, не имеет информации для отправки, он просто переправ-

ляет маркер к следующей станции. Каждая станция может удер-

живать маркер

в течение определенного времени, после истечения

которого станция обязана прекратить передачу собственных дан-

ных (текущий кадр разрешается завершить) и передать маркер да-

лее по кольцу. Станция может успеть передать за время удержа-

ния маркера один или несколько кадров в зависимости от размера

кадров и величины времени удержания маркера.

Если у

станции, владеющей маркером, есть информация для

передачи, она захватывает маркер, изменяет у него один бит (в

результате чего маркер превращается в последовательность «на-

чало блока данных»), дополняет информацией, которую он хочет

передать и, наконец, отсылает эту информацию к следующей

станции кольцевой сети. Когда информационный блок циркули-

рует по кольцу, маркер в

сети отсутствует, поэтому другие стан-

ции, желающие передать информацию, вынуждены ожидать.

Следовательно, в сетях Token Ring не может быть коллизий. Если

обеспечивается раннее высвобождение маркера, то новый маркер

может быть выпущен после завершения передачи блока данных.

Информационный блок циркулирует по кольцу, пока не дос-

тигнет предполагаемой станции назначения, которая копирует

информацию для

дальнейшей обработки. Информационный блок

продолжает циркулировать по кольцу; он удаляется после дости-

жения станции, отославшей этот блок. Станция отправки может

проверить вернувшийся блок, чтобы убедиться, что он был про-

смотрен и затем скопирован станцией назначения.

В отличие от сетей CSMA/CD (например, Ethernet) сети с пе-

редачей маркера являются сетями с детерминированным мето-

дом

доступа. Это означает, что можно вычислить максимальное

время, которое пройдет, прежде чем любая конечная станция

сможет передавать. Это предсказуемое значение максимального

времени делает сеть Token Ring идеальной для применений, где

задержка должна быть известна и важна устойчивость функцио-

нирования сети.

316

Технология Token Ring обеспечивает скорости передачи 4

Мбит/с или 16 Мбит/с. В сетях Token Ring со скоростью передачи

16 Мбит/с используется алгоритм доступа к кольцу, называемый

алгоритмом раннего освобождения маркера (Early Token Release).

В соответствии с ним станция передает маркер доступа следую-

щей станции сразу же после окончания передачи последнего бита

кадра, не дожидаясь возвращения по кольцу

этого кадра с битом

подтверждения приема. В этом случае пропускная способность

кольца используется более эффективно и приближается к 80% от

номинальной. Время удержания одной станцией маркера ограни-

чивается тайм-аутом, после истечения которого станция обязана

передать маркер далее по кольцу.

Стандарт Token Ring фирмы IBM изначально предусматривал

построение связей в сети с помощью концентраторов. Сеть

Token

Ring может включать до 260 узлов. Концентратор Token Ring

может быть активным или пассивным. Пассивный концентратор

просто соединяет порты внутренними связями так, чтобы стан-

ции, подключаемые к этим портам, образовали кольцо. Активный

концентратор выполняет функции регенерации сигналов и по-

этому иногда называется повторителем, как в стандарте Ethernet.

В общем случае сеть Token Ring имеет комбинированную звезд-

но

-кольцевую конфигурацию. Конечные узлы подключаются к

концентратору по топологии звезды, а сами концентраторы объе-

диняются через специальные порты Ring In (RI) и Ring Out (RO)

для образования магистрального физического кольца. Физиче-

ская конфигурация сети Token Ring изображена на рисунке 9.4.

Все станции в кольце должны работать на одной скорости –

либо 4 Мбит/с, либо 16 Мбит/с. Кабели, соединяющие станцию с

концентратором, называются ответвительными, а кабели, соеди-

няющие концентраторы, – магистральными.

Технология Token Ring позволяет использовать для соедине-

ния конечных станций и концентраторов различные типы кабеля:

экранированную и неэкранированную витую пару (STP Туре 1,

UTP Туре 3, UTP Туре 6), а также волоконно-оптический кабель.

При использовании экранированной витой пары STP Type 1 из

номенклатуры кабельной системы IBM в кольцо допускается

объединять до 260 станций

при длине ответвительных кабелей до

100 метров, а при использовании неэкранированной витой пары

317

максимальное количество станций сокращается до 72 при длине

ответвительных кабелей до 45 метров.

Рис. 9.4. Физическая конфигурация сети Token Ring

Расстояние между пассивными концентраторами может дос-

тигать 100 м при использовании кабеля STP Туре 1 и 45 м при

использовании кабеля UTP Type 3. Между активными концентра-

торами максимальное расстояние увеличивается соответственно

до 730 м или 365 м в зависимости от типа кабеля. Максимальная

длина кольца Token Ring составляет 4000 м.

Технология Token Ring является более сложной технологией,

чем Ethernet. Она

обладает свойствами отказоустойчивости. В се-

ти Token Ring определены процедуры контроля работы сети, ко-

торые используют обратную связь кольцеобразной структуры –

посланный кадр всегда возвращается в станцию-отправитель. В

некоторых случаях обнаруженные ошибки в работе сети устра-

няются автоматически, например может быть восстановлен поте-

рянный маркер.

Для контроля сети одна из станций выполняет роль

так назы-

ваемого активного монитора. Активный монитор выбирается во

время инициализации кольца как станция с максимальным значе-

нием МАС-адреса. Если активный монитор выходит из строя,

процедура инициализации кольца повторяется и выбирается но-

вый активный монитор. Чтобы сеть могла обнаружить отказ ак-

318

тивного монитора, последний в работоспособном состоянии каж-

дые 3 секунды генерирует специальный кадр своего присутствия.

Если этот кадр не появляется в сети более 7 секунд, то остальные

станции сети начинают процедуру выборов нового активного мо-

нитора.

9.7. Технология FDDI

Технология FDDI (Fiber Distributed Data Interface) – оптоволо-

конный интерфейс распределенных данных – это первая техноло-

гия локальных сетей, в которой средой передачи данных является

волоконно-оптический кабель. В 1988 году разработана началь-

ная версия стандарта FDDI, который обеспечивает передачу кад-

ров со скоростью 100 Мбит/с по двойному волоконно-

оптическому кольцу длиной до 100 км.

Сеть FDDI строится на основе двух

оптоволоконных колец,

образующих основной и резервный пути передачи данных между

узлами сети. Использование двух колец – это основной способ

повышения отказоустойчивости в сети FDDI. Узлы сети подклю-

чаются к обоим кольцам. В нормальном режиме работы сети дан-

ные проходят через все узлы и все участки кабеля первичного

(Primary) кольца, поэтому этот режим назван

режимом Thru –

«сквозным» или «транзитным». Вторичное кольцо (Secondary) в

этом режиме не используется.

В случае какого-либо вида отказа, когда часть первичного

кольца не может передавать данные (например, обрыв кабеля или

отказ узла), первичное кольцо объединяется с вторичным (рис.

9.5), образуя вновь единое кольцо. Этот режим работы сети назы-

вается Wrap, т.

е. «свертывание» или «сворачивание» колец. Опе-

рация свертывания проводится концентраторами и/или сетевыми

адаптерами FDDI. Для упрощения этой операции данные по пер-

вичному кольцу всегда передаются против часовой стрелки, а по

вторичному – по часовой. Поэтому при образовании общего

кольца из двух колец передатчики станций по-прежнему остают-

ся подключенными к приемникам соседних

станций, что позво-

ляет правильно передавать и принимать информацию соседними

станциями.

319

Рис. 9.5. Свертывание колец

В стандартах FDDI отводится много внимания различным

процедурам, позволяющим определить наличие отказа в сети и

провести необходимую реконфигурацию. Сеть FDDI может пол-

ностью восстанавливать свою работоспособность в случае еди-

ничных отказов ее элементов. При множественных отказах сеть

распадается на несколько несвязанных сетей.

Кольца в сетях FDDI рассматриваются как общая разделяемая

среда передачи данных, поэтому для нее определен специальный

метод доступа. Этот метод очень близок к методу доступа сетей

Token Ring и также называется методом маркерного кольца –

token ring. Отличия метода доступа в сетях FDDI заключаются в

том, что время удержания маркера не является постоянной вели-

чиной, как в сети Token Ring. Это время зависит от загрузки

кольца

: при небольшой загрузке оно увеличивается, а при боль-

ших перегрузках может уменьшиться до нуля.

В качестве физической среды технология FDDI может исполь-

зовать кроме волоконно-оптического кабеля и кабель UTP кате-

гории 5 (этот вариант физического уровня называется TP-PMD).

Максимальная общая длина кольца FDDI составляет 100 ки-

лометров, максимальное число станций с двойным подключени-

ем в

кольце – 500. Максимальные расстояния между соседними

узлами для многомодового кабеля равны 2 км, для витой пары

320

UPT категории 5 – 100 м, а для одномодового оптоволокна зави-

сят от его качества.

Технология FDDI разрабатывалась для применения в ответст-

венных участках сетей – на магистральных соединениях между

крупными сетями, например сетями зданий, а также для подклю-

чения к сети высокопроизводительных серверов. Поэтому глав-

ным для разработчиков было обеспечить высокую скорость пере-

дачи данных,

отказоустойчивость на уровне протокола и большие

расстояния между узлами сети. Все эти цели были достигнуты. В

результате технология FDDI получилась качественной, но весьма

дорогой. Даже появление более дешевого варианта для витой па-

ры не намного снизило стоимость подключения одного узла к сети

FDDI. Поэтому практика показала, что основной областью приме-

нения технологии FDDI

стали магистрали сетей, состоящих из не-

скольких зданий, а также сети масштаба крупного города, то есть

класса MAN. Для подключения клиентских компьютеров и даже

небольших серверов технология оказалась слишком дорогой.

9.8. Структуризация локальных сетей

При построении сетей с небольшим количеством станций, как

правило, используется одна из типовых физических топологий.

Многие организации имеют по нескольку локальных сетей (ино-

гда построенных на базе различных сетевых технологий), кото-

рые необходимо объединить между собой. Причин этому может

быть несколько.

Во-первых, например, если взять высшее учебное заведение,

то в

соответствии с задачами логично организовать сети на каж-

дом факультете, а также в некоторых отделах, например бухгал-

терия, ректорат и т.п. Эти сети могут объединять рабочие стан-

ции, общие принтеры и свои сервера. Однако рано или поздно

возникает задача их взаимодействия, например обращение к еди-

ной базе данных системы

управления или пересылки почты.

Во-вторых, факультеты могут располагаться в разных здани-

ях. Может оказаться дешевле создать несколько локальных сетей

и объединить их, например, с помощью лазерных линий связи.

Кроме того, расстояния между станциями могут быть недопусти-

мо большими для построения одной локальной сети.