Несмотря на то, что коммутаторы прозрачны для сетевых протоколов и пользовательских приложений, они способны функционировать в разных режимах, что может как положительно, так и отрицательно отразиться на пересылке кадров Ethernet по сети. Одним из базовых параметров коммутатора является дуплексный режим для каждого отдельного порта, подключённого к каждому главному устройству. Порт на коммутаторе должен быть настроен таким образом, чтобы совпадать с параметрами дуплексного режима определённого типа среды передачи данных. Для обмена данными в сетях Ethernet используются два типа настроек дуплексного режима: полудуплексный и полнодуплексный.

Полудуплексная передача данных

Полудуплексная связь использует однонаправленный поток данных, когда отправка и получение данных не выполняются в одно и то же время. Это подобно использованию рации, когда единовременно может говорить только один человек. Если кто-либо пытается говорить во время разговора другого человека, происходит коллизия. В результате при полудуплексной связи используется множественный доступ с контролем несущей и определением коллизий, что позволяет снизить вероятность коллизий и обнаружить их в случае возникновения. При полудуплексной связи возможно снижение производительности, вызванное постоянным пребыванием в режиме ожидания, поскольку данные могут передаваться одновременно только в одном направлении. Полудуплексные соединения, как правило, встречаются на более старом оборудовании, например на концентраторах. Узлы, которые подключены к концентраторам, совместно использующим подключение к порту коммутатора, должны работать в полудуплексном режиме, так как конечные компьютеры должны иметь возможность обнаруживать коллизии. Узлы могут функционировать в полудуплексном режиме, если сетевую интерфейсную плату нельзя настроить для работы в полнодуплексном режиме. В этом случае для порта на коммутаторе по умолчанию также устанавливается полудуплексный режим. Из-за этих ограничений полнодуплексная связь заменила полудуплексную на более современном оборудовании.

Полнодуплексная передача данных

В полнодуплексной связи поток данных передаётся в обе стороны, что позволяет одновременно отправлять и получать информацию. Поддержка двухсторонней передачи данных повышает производительность за счёт сокращения времени ожидания между передачами. Большинство продаваемых сегодня сетевых адаптеров Ethernet, Fast Ethernet и Gigabit Ethernet работают в полнодуплексном режиме. В полнодуплексном режиме детектор коллизий отключён. При этом исключена возможность столкновения кадров, пересылаемых двумя связанными конечными узлами, поскольку эти узлы используют два отдельных канала связи в сетевом кабеле. Каждое полнодуплексное соединение использует только один порт. Полнодуплексным соединениям требуется коммутатор, который поддерживает полнодуплексный режим, или прямое подключение, между двумя узлами, каждый из которых поддерживает полнодуплексную передачу данных. Узлы, которые непосредственно подключены к выделенному порту коммутатора с помощью сетевых адаптеров, поддерживающих полнодуплексную связь, должны подключаться к портам коммутатора, настроенных для работы в полнодуплексном режиме.

На рисунке показаны две настройки дуплексного режима, доступные на современном сетевом оборудовании.

Коммутатор Cisco Catalyst поддерживает три настройки дуплексного режима:

• Параметр full устанавливает полнодуплексный режим.

• Параметр half устанавливает полудуплексный режим.

• Параметр auto обеспечивает автоматическое согласование дуплексного режима. При включении автоматического согласования два порта связываются друг с другом, чтобы определить оптимальный режим работы.

Для портов Fast Ethernet и 10/100/1000 по умолчанию выбирается параметр auto. Для портов 100BASE-FX по умолчанию выбирается параметр full. Порты 10/100/1000 функционируют либо в полудуплексном, либо в полнодуплексном режиме, когда работают со скоростью 10 или 100 Мбит/с, и только в полнодуплексном, когда работают со скоростью 1000 Мбит/с.

В технических системах часто возникает задача связать две подсистемы или два узла для организации информационного обмена между ними. Полученную коммуникативную связь называют каналом связи .

Каналы связи можно разделить по типу передаваемого сигнала (электрический, оптический, радиосигнал и т.д.), по среде передачи данных (воздух, электрический проводник, оптоволокно и т.д.) и по многим другим характеристикам. В этой статье речь пойдёт о делении каналов связи по режимам и правилам приёма и передачи информации. По указанным признакам каналы связи делят на симплексные, полудуплексные и дуплексные.

Симплексная связь

Симплексный канал связи — это односторонний канал, данные по нему могут передаваться только в одном направлении. Первый узел способен отсылать сообщения, второй может только принимать их, но не может подтвердить получение или ответить. Типичным примером каналов связи этого типа является речевое оповещение в школах, больницах и других учреждениях. Другой пример — радио и телевидение.

При симплексной передаче данных один узел связи имеет передатчик, а другой (другие) приёмник.

Полудуплексная связь

При полудуплексном типе связи оба абонента имеют возможность принимать и передавать сообщения. Каждый узел имеет в своём составе и приёмник, и передатчик, но одновременно они работать не могут. В каждый момент времени канал связи образуют передатчик одного узла и приёмник другого.

Типичным примером полудуплексного канала связи является рация. По рации обычно происходит приблизительно такой диалог:

— Белка, Белка! Я Мадагаскар! Приём!

— Мадагаскар, я Белка. Приём!

Слово «Приём» делегирует право на передачу сообщения. В этот момент узел, который был приёмником, становится передатчиком и наоборот. Конечно, направление обмена данными меняется не само по себе. Для этого на рации предусмотрена специальная кнопка. Человек, начинающий говорить, зажимает эту кнопку, включая свою рацию в режим передачи. После этого он произносит своё сообщение и кодовое слово «Приём», отпускает кнопку и возвращается в режим приёмника. Кодовое слово даёт другому абоненту понять, что сообщение закончено и он может переключиться в режим передачи для ответного сообщения. Слово «Приём» позволяет избежать коллизий, когда оба абонента начнут передавать одновременно и ни одно из сообщений не будет услышано собеседником.

Дуплексная связь

По дуплексному каналу данные могут передаваться в обе стороны одновременно. Каждый из узлов связи имеет приёмник и передатчик. После установления связи передатчик первого абонента соединяется с приёмником второго и наоборот.

Классическим примером дуплексного канала связи является телефонный разговор. Безусловно, одновременно говорить и слушать собеседника тяжело для человека, но такая возможность при телефонном разговоре имеется, и,согласитесь, разговаривать по дуплексному телефону гораздо удобнее, чем по полудуплексной рации. Электронные же устройства, в отличие от человека, без проблем могут одновременно передавать и принимать сообщения, благодаря своему быстродействию и внутренней архитектуре.

Стандарт IEEE 802.3-2012 определяет два режима работы МАС-подуровня:

● полудуплексный (half-duple x) – использует метод CSMA/CD для доступа узлов к разделяемой среде. Узел может только принимать или передавать данные в один момент времени, при условии получения доступа к среде передачи;

● полнодуплексный (full-duplex ) – позволяет паре узлов, имеющих соединение «точка-точка», одновременно принимать и передавать данные. Для этого каждый узел должен быть подключен к выделенному порту коммутатора.

Метод доступа CSMA/CD

Основная идея Ethernet состояла в использовании шинной топологии на основе коаксиального кабеля. Кабель использовался как разделяемая среда передачи, по которой рабочие станции, подключенные к сети, выполняли широковещательную двунаправленную (во всех направлениях) передачу. На обоих концах кабеля устанавливались терминаторы (заглушки).

Рис. 5.21 Сеть Ethernet

Поскольку использовалась общая среда передачи, то требовался контроль над доступом узлов к физической среде. Для организации доступа узлов к разделяемой среде передачи был использован метод множественного доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий (Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection, CSMA/CD).

Метод CSMA/CD основан на конкуренции (contention) узлов за право доступа к сети и включает следующие процедуры:

● контроль несущей;

● обнаружение коллизий.

Перед тем, как начать передачу, сетевое устройство должно удостовериться, что среда передачи данных свободна. Это достигается путем прослушивания несущей. Если среда свободна, то устройство начинает передавать данные. Во время передачи кадра, устройство продолжает прослушивать среду передачи. Делается это для того, чтобы гарантировать, что никакое другое устройство не начало передачу данных в то же самое время. После окончания передачи кадра все устройства сети должны выдержать технологическую паузу (Inter Packet Gap), равную 9,6 мкс. Эта пауза называется межкадровым интервалом и нужна для приведения в исходное состояние сетевых адаптеров и для предотвращения монопольного захвата среды одним сетевым устройством. После окончания технологической паузы устройства имеют право начать передачу своих кадров, т.к. среда свободна.

Сетевые устройства могут начинать передачу данных в любой момент, когда они определят, что канал свободен. Если устройство попыталось начать передачу кадра, но обнаружило, что сеть занята, оно вынуждено ждать, пока передающий узел не закончит передачу.

Рис. 5.22 Передача кадра в сети Ethernet

Ethernet – это широковещательная среда, поэтому все станции получают все кадры, передаваемые по сети. Однако не все устройства будут обрабатывать эти кадры. Только то устройство, МАС-адрес которого совпадает с МАС-адресом назначения, указанным в заголовке кадра, копирует содержимое кадра во внутренний буфер. Затем устройство проверяет кадр на наличие ошибок, и если их нет, передает полученные данные вышележащему протоколу. В противном случае, кадр будет отброшен. Устройство-отправитель не уведомляется, успешно доставлен кадр или нет.

В сетях Ethernet неизбежны конфликты (коллизии ), т.к. возможность их возникновения заложена в самом алгоритме CSMA/CD. Это связано с тем, что между моментом передачи, когда сетевое устройство проверяет, свободна ли сеть, и моментом начала фактической передачи проходит какое-то время. Возможно, что в течение этого времени какое-нибудь другое устройство сети начнет передачу.

Если несколько устройств в сети начали передачу примерно в одно и то же время, битовые потоки, поступающие от разных устройств, сталкиваются друг с другом и искажаются, т.е. происходит коллизия. В этом случае каждое из передающих устройств должно быть способно обнаружить коллизию до того, как закончит передачу своего кадра. Обнаружив коллизию, устройство прекращает передачу кадра и усиливает коллизию посылкой в сеть специальной последовательности из 32 бит, называемой jam -последовательностью. Это делается для того, чтобы все устройства сети смогли распознать коллизию. После того, как все устройства распознали коллизию, каждое устройство отключается на некоторый случайно выбранный интервал времени (свой для каждой станции сети). Когда время истечет, устройство опять может начать передачу данных. Когда передача возобновится, устройства, вовлеченные в коллизию, не имеют приоритета по передаче данных над остальными устройствами сети.

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

Рис. 5.23 Обнаружение коллизий в сети Ethernet

Домен коллизий

В полудуплексной технологии Ethernet независимо от 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 сети она возникла.

Сеть Ethernet, построенная на повторителях и концентраторах, образует один домен коллизий.

Напомним, что повторитель представлял собой устройство физического уровня модели OSI, используемое для соединения сегментов среды передачи данных с целью увеличения общей длины сети.

В сетях Ethernet (спецификации 10BASE2 и 10BASE5) на основе коаксиального кабеля применялись двухпортовые повторители, связывающие два физических сегмента. Работал повторитель следующим образом: он принимал сигналы из одного сегмента сети, усиливал их, восстанавливал синхронизацию и передавал в другой. Повторители не выполняли сложную фильтрацию и другую обработку трафика, т.к. не являлись интеллектуальными устройствами. Также общее количество повторителей и соединяемых ими сегментов было ограничено из-за временных задержек и других причин.

Позже появились многопортовые повторители, к которым рабочие станции подключались отдельным кабелем. Такие многопортовые повторители получили название «концентраторы». Причина появления многопортовых повторителей была следующей. Поскольку оригинальная технология Ethernet использовала в качестве среды передачи коаксиальный кабель и шинную топологию, то было сложно прокладывать кабельную систему здания. Позже международный стандарт на структурированную кабельную систему зданий определил использование топологии «звезда», в которой все устройства подключались к единой точке концентрации с помощью кабелей на основе витой пары. Под эти требования отлично подходила технология Token Ring и поэтому, чтобы выжить в конкурентной борьбе, технологии Ethernet пришлось адаптироваться к новым требованиям. Так появилась спецификация 10BASE-T Ethernet, которая использовала в качестве среды передачи кабели на основе витой пары и топологию «звезда».

Концентраторы работали на физическом уровне модели OSI. Они повторяли сигналы, поступившие с одного из портов на все остальные активные порты, предварительно восстанавливая их, и не выполняли никакой фильтрации трафика и другой обработки данных. Поэтому логическая топология сетей, построенных с использованием концентраторов, всегда оставалась шинной.

В один момент времени в сетях, построенных на повторителях и концентраторах, мог передавать данные только один узел. В случае одновременного поступления сигналов в общую среду передачи возникала коллизия , которая приводила к повреждению передаваемых кадров. Таким образом, все подключенные к таким сетям устройства находились в одном домене коллизий.

Рис. 5.24 Домен коллизий

С увеличением количества сегментов сети и компьютеров в них, возрастало количество коллизий, и пропускная способность сети падала. Помимо этого, полоса пропускания сегмента делилась между всеми подключенными к нему устройствами. Например, при подключении к сегменту с пропускной способностью 10 Мбит/с десяти рабочих станций, каждое устройство могло передавать в среднем со скоростью не более 1 Мбит/с. Встала задача сегментации сети , т.е. разделения пользователей на группы (сегменты) в соответствии с их физическим размещением, с целью уменьшения количества клиентов, соперничающих за полосу пропускания.

Коммутируемая сеть Ethernet

Задача сегментации сети и повышения ее производительности была решена с помощью устройства, называемого мостом (bridge). Мост был разработан инженером компании Digital Equipment Corporation (DEC) Радьей Перлман (Radia Perlman) в начале 1980-х годов и представлял собой устройство канального уровня модели OSI, предназначенное для объединения сегментов сети. Мост был изобретен немного позже маршрутизаторов, но так как он был дешевле и прозрачен для протоколов сетевого уровня (работал на канальном уровне), то стал широко применяться в локальных сетях. Мостовые соединения (bridging ) являются фундаментальной частью стандартов для локальных сетей IEEE.

Мост работал по алгоритму прозрачного моста (transparent bridge ), который определен стандартом IEEE 802.1D. Прежде чем переслать кадры из одного сегмента в другой, он анализировал их и передавал только в том случае, если такая передача действительно была необходима, то есть МАС-адрес рабочей станции назначения принадлежал другому сегменту. Таким образом, мост изолировал трафик одного сегмента от трафика другого и делил один большой домен коллизий на несколько небольших, что повышало общую производительность сети. Однако мост передавал широковещательные кадры (например, необходимые для работы протокола ARP) из одного сегмента в другой, поэтому все устройства сети находились в одном широковещательном домене (Broadcast domain ).

Подробнее алгоритм прозрачного моста будет рассмотрен в главе 6.

Коммутируемая сеть Ethernet (Ethernet switched network ) – сеть Ethernet, сегменты которой соединены мостами или коммутаторами

Рис. 5.25 Соединение двух сегментов сети в помощью моста

Так как мосты были обычно двухпортовыми устройствами, то их эффективность сохранялась лишь до тех пор, пока количество рабочих станций в сегменте оставалось относительно невелико. Как только оно увеличивалось, в сетях возникала перегрузка, которая приводила к потере пакетов данных.

Увеличение количества устройств, объединяемых в сети, повышение мощности процессоров рабочих станций, появление мультимедийных приложений и приложений клиент-сервер требовали большей полосы пропускания. В ответ на эти растущие требования фирмой Kalpana в 1990 г. на рынок был выпущен первый коммутатор (switch ), получивший название EtherSwitch.

Коммутатор представляет собой многопортовый мост и также функционирует на канальном уровне модели OSI. Основное отличие коммутатора от моста заключается в том, что он производительнее, может устанавливать одновременно несколько соединений между разными парами портов и поддерживает развитый функционал.

Рис. 5.26 Локальная сеть, построенная на коммутаторах

В 1993 году фирма Kalpana внедрила полнодуплексную технологию Ethernet (Full Duplex Ethernet Switch, FDES) в свои коммутаторы. Через какое-то время, при разработке технологии Fast Ethernet полнодуплексный режим работы стал частью стандарта IEEE 802.3.

Работа в полнодуплексном режиме обеспечивает возможность одновременного приема и передачи информации, т.к. к среде передачи подключены только два устройства. Прием и передача ведутся по двум разным физическим каналам «точка-точка». Например, по разным парам кабеля на основе витой пары или разным волокнам оптического кабеля.

Благодаря этому исключается возникновение коллизий в среде передачи (больше не требуется метод CSMA/CD, т.к. отсутствует конкуренция за доступ к среде передачи), увеличивается время, доступное для передачи данных, и удваивается полезная полоса пропускания канала. Каждый канал обеспечивает передачу на полной скорости. Например, для спецификации 10BASE-T каждый канал передает данные со скоростью 10 Мбит/с. Для спецификации 100BASE-TX – со скоростью 100 Мбит/с. На концах дуплексного соединения скорость соединения удваивается, т.к. данные могут одновременно передаваться и приниматься. Например, в спецификации 1000BASE-T, в которой данные передаются по каналам со скоростью 1000 Мбит/с, суммарная пропускная способность будет равна 2000 Мбит/с.

Рис. 5.27 Передача данных в дуплексном режиме

Также благодаря полнодуплексному режиму исчезло ограничение на общую длину сети и количество устройств в ней. Осталось только ограничение на длину кабелей, соединяющих соседние устройства.

Работа в полнодуплексном режиме возможна только при соединении сетевых устройств, порты которых его поддерживают. Если к порту устройства подключается сегмент, представляющий собой разделяемую среду, то порт будет работать в полудуплексном режиме и распознавать коллизии. Порты современных сетевых устройств поддерживают функцию автоопределения полудуплексного или дуплексного режима работы.

При работе порта в полнодуплексном режиме, интервал отправки между последовательными кадрами не должен быть меньше технологической паузы, равной 9,6 мкс. Для того чтобы исключить переполнение приемных буферов устройств при работе в полнодуплексном режиме, требуется использовать механизм управления потоком кадров.

Следует отметить, что спецификации 10, 40 и 100 Gigabit Ethernet поддерживают только полнодуплексный режим работы. Это связано с тем, что современные сети стали полностью коммутируемыми, и коммутаторы при взаимодействии с другими коммутаторами или высокоскоростными сетевыми адаптерами практически всегда используют режим полного дуплекса.

Доступ к среде на основе конкуренции

Механизмы доступа к среде

Каждая сеть должна поддерживать определенный механизм управления доступом к среде передачи данных. Реализуется доступ к среде на втором (канальном) уровне эталонной модели OSI. Хотя теоретически механизм доступа к среде должен быть универсальным, на практике различают несколько способов его реализации. В частности, в локальных сетях для управления доступом к среде передачи данных используется четыре различных подхода:

Конкуренция за право доступа;

Передача маркера;

Доступ по приоритету;

Коммутируемый доступ.

В локальной сети, устройства которой соревнуются за право на передачу данных, применяется метод доступа к среде на основе конкуренции (contention-based media access method) . Совокупность устройств, соперничающих друг с другом за полосу пропускания, называются конфликтным доменом (collision domain). Данный метод применяется во многих разновидностях Ethernet.

Технология доступа к среде на основе конкуренции довольна примитивна и не предполагает использования централизованного механизма управления. Вместо этого каждое сетевое устройство берет на себя все функции по организации процесса передачи своих данных. Каждый раз, когда устройство собирается передать данные, оно должно определить, доступен ли кабель для передачи или уже используется другим устройством. Если кабель используется, необходимо подождать и через некоторое время предпринять следующую попытку.

Из приведенного описания механизма доступа к среде на основе конкуренции можно сделать вывод, что все подключенные к сети устройства передают и принимают данные в одном и том же диапазоне частот. Среда передачи способна передавать только один сигнал в отдельный момент времени, и этот сигнал занимает весь диапазон. Другими словами среда передачи данных поддерживает режим моно полосной передачи.

Технология монополосной передачи использует только один канал для транспортировки всех данных. Поэтому:

Только одно устройство может передавать данные в отдельный момент времени;

Устройство может либо передавать, либо получать данные. Такой режим называется полудуплексным (half-duplex).

Полудуплексная сеть позволяет осуществлять передачу данных только одному устройству в данный момент времени – все остальные должны оставаться пассивными и прослушивать трафик на наличие адресованных им кадров.

В дуплексной (full-duplex) сети доступная полоса пропускания делиться на дискретные каналы. В альтернативном варианте физически разделенные проводники могут использоваться для создания избыточного канала, использующего тот же диапазон частот. В типичной дуплексной сети используется технология коммутации. В любом случае каждому устройству предоставляется в единицу времени как принимать, так и передавать данные.

Следует заметить, что полностью в дуплексной сети, предоставляющей доступ на основе конкуренции, только одно устройство в отдельном конфликтном домене имеет право передавать данные в определенный момент времени. Однако при развертывании дуплексной сети каждое устройство оказывается подключенным к коммутируемому порту. Таким образом, количество устройств в каждом конфликтном домене сокращается до двух: само устройство и коммутируемый порт, к которому оно подключено.

В зависимости от направления возможной передачи данных способы передачи

данных по линии связи делятся на следующие типы:

□ симплексный - передача осуществляется по линии связи только в одном на-

правлении;

□ полудуплексный - передача ведется в обоих направлениях, но попеременно

во времени (примером такой передачи служит технология Ethernet);

□ дуплексный - передача ведется одновременно в двух направлениях.

Режим, при котором передача ведётся в обоих направлениях, но с разделением по времени называют полудуплексным. В каждый момент времени передача ведётся только в одном направлении.

Разделение во времени вызвано тем, что передающий узел в конкретный момент времени полностью занимает канал передачи. Явление, когда несколько передающих узлов пытаются в один и тот же момент времени осуществлять передачу, называется коллизией и при методе управления доступом CSMA/CD считается нормальным, хотя и нежелательным явлением.

Этот режим применяется тогда, когда в сети используется коаксиальный кабель или в качестве активного оборудования используются концентраторы.

В зависимости от аппаратного обеспечения одновременный приём/передача в полудуплексном режиме может быть или физически невозможен (например, в связи с использованием одного и того же контура для приёма и передачи в рациях) или приводить к коллизиям.

Режим, при котором, в отличие от полудуплексного, передача данных может производиться одновременно с приёмом данных.

Суммарная скорость обмена информацией в данном режиме может достигать вдвое большего значения. Например, если используется технология Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с, то скорость может быть близка к 200 Мбит/с (100 Мбит/с - передача и 100 Мбит/с - приём).

Дуплексная связь обычно осуществляется с использованием двух каналов связи: первый канал - исходящая связь для первого устройства и входящая для второго, второй канал - входящая для первого устройства и исходящая для второго.

В ряде случаев возможна дуплексная связь с использованием одного канала связи. В этом случае устройство при приёме данных вычитает из сигнала свой отправленный сигнал, а получаемая разница является сигналом отправителя (модемная связь по телефонным проводам, GigabitEthernet).

Понятие ИКТ

интегральная технология передачи данных и обработки данных.

#ИКТ, именуемая также ITT, появилась в результате объединения технологий обработки и передачи данных в единое целое. Сегодня развитие и использование ИКТ определяет движение к созданию информационного общества. Так, в декабре 1999 г. Европейская Комиссия объявила о новом проекте, именуемом E-Europa - “Электронная Европа”. Его цель - преобразование европейского индустриального общества в информационное. Этот проект включает:

совершенствование сети Internet, расширение набора ее информационных ресурсов;

использование ресурсов Internet для обучения;

обеспечение быстрого и дешевого доступа к Internet;

развитие платежной системы, в том числе - компьютерных карточек;

вовлечение в электронное сообщество нетрудоспособных граждан;

развитие здравоохранения и обеспечение безопасности транспорта на основе информационно-коммуникационных технологий;

обеспечение прозрачности деятельности правительств путем создания множества сайтов Web.

К информационно-коммуникационным технологиям, в первую очередь, относятся:

доступ и работа в информационных сетях;

цифровое телевидение;

электронная почта и факсимильная связь;

работа с базами данных и хранилищами сообщений.