Наверняка, многим понятно, что компьютеры, расположенные в различных точках планеты, увеличиваясь количественно рано или поздно должны были «научиться» общаться между собой и стать способными осуществлять работу совместно. Средствами такой коммуникации стали которые бывают локальными и глобальными. Что касается локальных сетей - это сети, которые объединяют компьютеры, расположенные на небольших расстояниях друг от друга, к примеру, в одном здании. Основным предназначением глобальных сетей является соединение сетей и компьютеров, разделённых огромными расстояниями - сотнями и тысячами километров. Самой большой на планете является сеть Интернет.

Даже понимание теоретических основ функционирования сетей, часто не даёт человеку возможности продолжить довольно простую фразу: протокол компьютерной сети это … Ниже попробуем разобраться, что же представляют собой и для чего они нужны. Сразу отметим, протокол компьютерной сети это основополагающий момент, который даёт возможность организовать связь между компьютерами, независимо от расстояния, которое их разделяет.

Дело в том, что простого подключения одного компьютера к другому - шага, необходимого для создания компьютерной сети, не достаточно. Для того чтобы возможность передачи информации в сети стала доступной, необходимо, чтобы компьютеры "понимали" друг друга. Протокол компьютерной сети это и есть специально разработанное средство, посредством которого компьютеры "общаются" через сеть на понятном друг для друга «языке». Кроме того, протокол компьютерной сети это совокупность правил, придерживаясь которым можно организовать между компьютерами.

Для того, что бы полностью понять, что такое протокол, отвлечёмся от компьютерной индустрии. Даже тот человек, который никогда сталкивался с сетями и Интернетом, в повседневной жизни встречал устройства, функционирование которых также основано на специально разработанных протоколах. К примеру, обычная телефонная связь, которую используют все, основана на собственном протоколе, позволяющим аппаратам, устанавливать факт снятия телефонной трубки на аппарате, который принимает звонок, распознавать факт разъединения, а также номер звонящего.

Надеемся, теперь понятно, почему компьютерному миру понадобился единый язык (названный протоколом), понятный каждому компьютеру в мире.

Основные протоколы сети Интернет представлены TCP/IP, POP3, SMTP, FTP, HTTP, IMAP4, WAIS, Gorpher, WAP. Каждый из этих протоколов выполняет определённые функции.

Базовым протоколом в интернете является TCP/IP - протокол, созданный лучшими умами человечества. Одним из создателей данного протокола был Винтон Серф. Сегодня этого человека считают "отцом Глобальной сети". Сейчас Винтон Серф трудиться на посту старшего вице-президента в вопросах создания и развития Интернет-архитектуры корпорации MCI WorldCom Inc.

Работы над протоколом Transmission Control (то есть TCP/IP) были завершены в 1972 году группой разработчиков, возглавляемых именно Винтоном Серфом.

Изначально TCP/IP разрабатывался для нужд минобороны США, но затем протокол перерос свое предназначение и стал базовым набором правил, позволившим глобальной сети Интернет получить стремительно развитие. Кроме того по этому протоколу функционирует небольшие сети, использующие - интранеты. Сегодня стандарты TCP/IP представляют собой открытые протоколы и постоянно совершенствуются.

Стоит отметить, что TCP/IP на самом деле не является одним протоколом, по своей сути - это целый перечень протоколов, которые работают совместно. Протокол состоит из двух уровней. Назначением протокола верхнего уровня - TCP, является организация правильного преобразования данных в пакеты информации, которые становятся по достижению принимающей стороны основой для построения исходного послания. На протокол нижнего уровня - IP разработчики возложили обязанность следить за правильностью доставки сообщений по адресу назначения.

В локальных сетях основная роль в организации взаимодействия узлов принадлежит протоколу канального уровня, который ориентирован на вполне определенную топологию ЛКС. Так, самый популярный протокол этого уровня – Ethernet – рассчитан на топологию «общая шина», когда все узлы сети параллельно подключаются к общей для них шине, а протокол Token Ring – на топологию «звезда». При этом применяются простые структуры кабельных соединений между РС сети, а для упрощения и удешевления аппаратных и программных решений реализовано совместное использование кабелей всеми РС в режиме разделения времени (в режиме TDH). Такие простые решения, характерные для разработчиков первых ЛКС во второй половине 70-х годов ХХ-го века, наряду с положительными имели и отрицательные последствия, главные из которых – ограничения по производительности и надежности.

Поскольку в ЛКС с простейшей топологией (общая шина, кольцо, звезда) имеется только один путь передачи информации, производительность сети ограничивается пропускной способностью этого пути, а надежность сети – надежностью пути. Поэтому по мере развития и расширения сфер применения локальных сетей с помощью специальных коммуникационных устройств (мостов, коммутаторов, маршрутизаторов) эти ограничения постепенно снимались. Базовые конфигурации ЛКС (шина, кольцо) превратились в элементарные звенья, из которых формируются более сложные структуры локальных сетей, имеющие параллельные и резервные пути между узлами.

Однако внутри базовых структур локальных сетей продолжают работать все те же протоколы Ethernet и Token Ring. Объединение этих структур (сегментов) в общую, более сложную локальную сеть осуществляется с помощью дополнительного оборудования, а взаимодействие РС такой сети – с помощью других протоколов.

В развитии локальных сетей, кроме отмеченного, наметились и другие тенденции:

· отказ от разделяемых сред передачи данных и переход к использованию активных коммутаторов, к которым РС сети присоединяются индивидуальными линиями связи;

· появление нового режима работы в ЛКС при использовании коммутаторов – полнодуплексного (хотя в базовых структурах локальных сетей РС работают в полудуплексном режиме, т.к. сетевой адаптер станции в каждый момент времени либо передает свои данные, либо принимает другие, но не делает это одновременно). Сегодня каждая технология ЛКС приспособлена для работы как в полудуплексном, так и в полнодуплексном режимах.

Стандартизация протоколов ЛКС осуществлена комитетом 802, организованном в 1980 в институте IEEE. Стандарты семейства IEEE 802.Х охватывают только два нижних уровня модели ВОС – физический и канальный. Именно эти уровни отражают специфику локальных сетей, старшие уровни, начиная с сетевого, имеют общие черты для сетей любого класса.

В локальных сетях, как уже отмечалось, канальный уровень разделен на два подуровня:

· логической передачи данных (LLC);

· управления доступом к среде (МАС).

Протоколы подуровней МАС и LLC взаимно независимы, т.е. каждый протокол подуровня МАС может работать с любым протоколом подуровня LLC, и наоборот.

Подуровень МАС обеспечивает совместное использование общей передающей среды, а подуровень LLC – организует передачу кадров с различным уровнем качества транспортных услуг. В современных ЛКС используются несколько протоколов подуровня МАС, реализующих различные алгоритмы доступа к разделяемой среде и определяющих специфику технологий Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, Token Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN.

Протокол LLC . Для технологий ЛКС этот протокол обеспечивает необходимое качество транспортной службы. Он занимает положение между сетевыми протоколами и протоколами подуровня МАС. По протоколу LLC кадры передаются либо дейтаграммным способом, либо с помощью процедур с установлением соединения между взаимодействующими станциями сети и восстановлением кадров путем их повторной передачи при наличии в них искажений.

Различают три режима работы протокола LLC:

· LLC1 – процедура без установления соединения и без подтверждения. Это дейтаграммный режим работы. Он используется обычно тогда, когда восстановление данных после ошибок и упорядочение данных осуществляется протоколами вышележащих уровней;

· LLC2 – процедура с установлением соединения и подтверждением. По этому протоколу перед началом передачи между взаимодействующими РС устанавливается логическое соединение и, если это необходимо, выполняются процедуры восстановления кадров после ошибок и упорядочения потока кадров в рамках установленного соединения (протокол работает в режиме скользящего окна, используемом в сетях ARQ). Логический канал протокола LLC2 является дуплексным, т.е. данные могут передаваться одновременно в обоих направлениях;

· LLC3 – процедура без установления соединения, но с подтверждением. Это дополнительный протокол, который применяется, когда временные задержки (например, связанные с установлением соединения) перед отправкой данных не допускаются, но подтверждение о корректности приема данных необходимо. Протокол LLC3 используется в сетях, работающих в режиме реального времени по управлению промышленными объектами.

Указанные три протокола являются общими для всех методов доступа к передающей среде, определенных стандартами IEEE 802.Х.

Кадры подуровня LLC по своему назначению делятся на три типа – информационные (для передачи данных), управляющие (для передачи команд и ответов в процедурах LLC2) и ненумерованные (для передачи ненумерованных команд и ответов LLC1 и LLC2).

Все кадры имеют один и тот же формат: адрес отправителя, адрес получателя, контрольное поле (где размещается информация, необходимая для контроля правильности передачи данных), поле данных и два обрамляющих однобайтовых поля «Флаг» для определения границ кадра LLC. Поле данных может отсутствовать в управляющих и ненумерованных кадрах. В информационных кадрах, кроме того, имеется поле для указания номера отправленного кадра, а также поле для указания номера кадра, который отправляется следующим.

3.1.1. Общая характеристика протоколов локальных сетей

При организации взаимодействия узлов в локальных сетях основная роль отводит­ся протоколу канального уровня. Однако для того, чтобы канальный уровень мог справиться с этой задачей, структура локальных сетей должна быть вполне опреде­ленной, так, например, наиболее популярный протокол канального уровня - Ether­net - рассчитан на параллельное подключение всех узлов сети к общей для них шине - отрезку коаксиального кабеля или иерархической древовидной структуре сегментов, образованных повторителями. Протокол Token Ring также рассчитан на вполне определенную конфигурацию - соединение компьютеров в виде логическо­го кольца.

Подобный подход, заключающийся в использовании простых структур кабель­ных соединений между компьютерами локальной сети, соответствовал основной цели, которую ставили перед собой разработчики первых локальных сетей во вто­рой половине 70-х годов. Эта цель заключалась в нахождении простого и дешевого решения для объединения в вычислительную сеть нескольких десятков компьюте­ров, находящихся в пределах одного здания. Решение должно было быть недоро­гим, поскольку в сеть объединялись недорогие компьютеры - появившиеся и быстро распространившиеся тогда мини-компьютеры стоимостью в 10 000-20 000 долла­ров. Количество их в одной организации было небольшим, поэтому предел в не­сколько десятков (максимум - до сотни) компьютеров представлялся вполне достаточным для роста практически любой локальной сети.

Для упрощения и, соответственно, удешевления аппаратных и программных решений разработчики первых локальных сетей остановились на совместном ис-

182 Глава 3 Базовые технологии локальных сетей

пользовании кабелей всеми компьютерами сети в режиме разделения времени, то есть режиме TDM. Наиболее явным образом режим совместного использования кабеля проявляется в классических сетях Ethernet, где коаксиальный кабель физи­чески представляет собой неделимый отрезок кабеля, общий для всех узлов сети. Но и в сетях Token Ring и FDDI, где каждая соседняя пара компьютеров соедине­на, казалось бы, своими индивидуальными отрезками кабеля с концентратором, эти отрезки не могут использоваться компьютерами, которые непосредственно к ним подключены, в произвольный момент времени. Эти отрезки образуют логи­ческое кольцо, доступ к которому как к единому целому может быть получен толь­ко по вполне определенному алгоритму, в котором участвуют все компьютеры сети. Использование кольца как общего разделяемого ресурса упрощает алгоритмы пе­редачи по нему кадров, так как в каждый конкретный момент времени кольцо занято только одним компьютером.

Использование разделяемых сред (shared media) позволяет упростить логику работы сети. Например, отпадает необходимость контроля переполнения узлов сети кадрами от многих станций, решивших одновременно обменяться информацией. В глобальных сетях, где отрезки кабелей, соединяющих отдельные узлы, не рас­сматриваются как общий ресурс, такая необходимость возникает, и для решения этой проблемы в протоколы обмена информацией вводятся весьма сложные про­цедуры управления потоком кадров, предотвращающие переполнение каналов свя­зи и узлов сети.

Использование в локальных сетях очень простых конфигураций (общая шина и кольцо) наряду с положительными имело и отрицательные последствия, из кото­рых наиболее неприятными были ограничения по производительности и надежно­сти. Наличие только одного пути передачи информации, разделяемого всеми узлами сети, в принципе ограничивало пропускную способность сети пропускной способ­ностью этого пути (которая делилась в среднем на число компьютеров сети), а надежность сети - надежностью этого пути. Поэтому по мере повышения попу­лярности локальных сетей и расширения их сфер применения все больше стали применяться специальные коммуникационные устройства - мосты и маршрутиза­торы, - которые в значительной мере снимали ограничения единственной разделя­емой среды передачи данных. Базовые конфигурации в форме общей шины и кольца превратились в элементарные структуры локальных сетей, которые можно теперь соединять друг с другом более сложным образом, образуя параллельные основные или резервные пути между узлами.

Тем не менее внутри базовых структур по-прежнему работают все те же прото­колы разделяемых единственных сред передачи данных, которые были разработа­ны более 15 лет назад. Это связано с тем, что хорошие скоростные и надежностные характеристики кабелей локальных сетей удовлетворяли в течение всех этих лет пользователей небольших компьютерных сетей, которые могли построить сеть без больших затрат только с помощью сетевых адаптеров и кабеля. К тому же колос­сальная инсталляционная база оборудования и программного обеспечения для тех­нологий Ethernet и Token Ring способствовала тому, что сложился следующий подход: в пределах небольших сегментов используются старые протоколы в их неизменном виде, а объединение таких сегментов в общую сеть происходит с помо­щью дополнительного и достаточно сложного оборудования.

В последние несколько лет наметилось движение к отказу от разделяемых сред передачи данных в локальных сетях и переходу к применению активных коммута-

3.1. Протоколы и стандарты локальных сетей 183

торов, к которым конечные узлы присоединяются индивидуальными линиями связи. В чистом виде такой подход предлагается в технологии ATM (Asynchronous Transfer Mode), а в технологиях, носящих традиционные названия с приставкой switched (коммутируемый): switched Ethernet, switched Token Ring, switched FDDI, обычно используется смешанный подход, сочетающий разделяемые и индивидуальные среды передачи данных. Чаще всего конечные узлы соединяются в небольшие разделяе­мые сегменты с помощью повторителей, а сегменты соединяются друг с другом с помощью индивидуальных коммутируемых связей.

Существует и достаточно заметная тенденция к использованию в традицион­ных технологиях так называемой микросегментации, когда даже конечные узлы сразу соединяются с коммутатором индивидуальными каналами. Такие сети полу­чаются дороже разделяемых или смешанных, но производительность их выше.

При использовании коммутаторов у традиционных технологий появился но­вый режим работы - полнодуплексный (full-duplex). В разделяемом сегменте стан­ции всегда работают в полудуплексном режиме (half-duplex), так как в каждый момент времени сетевой адаптер станции либо передает свои данные, либо принимает чу­жие, но никогда не делает это одновременно. Это справедливо для всех технологий локальных сетей, так как разделяемые среды поддерживаются не только класси­ческими технологиями локальных сетей Ethernet, Token Ring, FDDI, но и всеми новыми - Fast Ethernet, lOOVG-AnyLAN, Gigabit Ethernet.

В полнодуплексном режиме сетевой адаптер может одновременно передавать свои данные в сеть и принимать из сети чужие данные. Такой режим несложно обеспечивается при прямом соединение с мостом/коммутатором или маршрутиза­тором, так как вход и выход каждого порта такого устройства работают независи­мо друг от друга, каждый со своим буфером кадров.

Сегодня каждая технология локальных сетей приспособлена для работы как в полудуплексном, так и полнодуплексном режимах. В этих режимах ограничения, накладываемые на общую длину сети, существенно отличаются, так что одна и та же технология может позволять строить весьма различные сети в зависимости от выбранного режима работы (который зависит от того, какие устройства использу­ются для соединения узлов - повторители или коммутаторы). Например, техноло­гия Fast Ethernet позволяет для полудуплексного режима строить сети диаметром не более 200 метров, а для полнодуплексного режима ограничений на диаметр сети не существует. Поэтому при сравнении различных технологий необходимо обяза­тельно принимать во внимание возможность их работы в двух режимах. В данной главе изучается в основном полудуплексный режим работы протоколов, а полно­дуплексный режим рассматривается в следующей главе, совместно с изучением коммутаторов.

Несмотря на появление новых технологий, классические протоколы локальных сетей Ethernet и Token Ring по прогнозам специалистов будут повсеместно исполь­зоваться еще по крайней мере лет 5-10, в связи с чем знание их деталей необходимо для успешного применения современной коммуникационной аппаратуры. Кроме того, некоторые современные высокопроизводительные технологии, такие как Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, в значительной степени сохраняют преемственность со своими предшественниками. Это еще раз подтверждает важность изучения класси­ческих протоколов локальных сетей, естественно, наряду с изучением новых тех­нологий.

184 Глава 3 Базовые технологии локальных сетей

3.1.2. Структура стандартов IEEE 802.x

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. Эти стандарты были созда­ны на основе очень распространенных фирменных стандартов сетей Ethernet, ArcNet и Token Ring.

Помимо IEEE в работе по стандартизации протоколов локальных сетей прини­мали участие и другие организации. Так, для сетей, работающих на оптоволокне, американским институтом по стандартизации ANSI был разработан стандарт FDDI, обеспечивающий скорость передачи данных 100 Мб/с. Работы по стандартизации протоколов ведутся также ассоциацией ЕСМА, которой приняты стандарты ЕСМА-80, 81, 82 для локальной сети типа Ethernet и впоследствии стандарты ЕСМА-89, 90 по методу передачи маркера.

Стандарты семейства IEEE 802.x охватывают только два нижних уровня семи­уровневой модели OSI - физический и канальный. Это связано с тем, что именно эти уровни в наибольшей степени отражают специфику локальных сетей. Старшие же уровни, начиная с сетевого, в значительной степени имеют общие черты как для локальных, так и для глобальных сетей.

Специфика локальных сетей также нашла свое отражение в разделении каналь­ного уровня на два подуровня, которые часто называют также уровнями. Каналь­ный уровень (Data Link Layer) делится в локальных сетях на два подуровня:

Логической передачи данных (Logical Link Control, LLC);

Управления доступом к среде (Media Access Control, MAC).

Уровень MAC появился из-за существования в локальных сетях разделяемой среды передачи данных. Именно этот уровень 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 пользоваться более высокий уровень - уровень LLC, организу­ющий передачу логических единиц данных, кадров информации, с различным уров­нем качества транспортных услуг. В современных локальных сетях получили распространение несколько протоколов уровня MAC, реализующих различные ал­горитмы доступа к разделяемой среде. Эти протоколы полностью определяют спе­цифику таких технологий, как Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, Token Ring, FDDI, lOOVG-AnyLAN.

Уровень LLC отвечает за передачу кадров данных между узлами с различной степенью надежности, а также реализует функции интерфейса с прилегающим к нему сетевым уровнем. Именно через уровень LLC сетевой протокол запрашивает у канального уровня нужную ему транспортную операцию с нужным качеством. На уровне LLC существует несколько режимов работы, отличающихся наличием или отсутствием на этом уровне процедур восстановления кадров в случае их поте­ри или искажения, то есть отличающихся качеством транспортных услуг этого уровня.

Протоколы уровней MAC и LLC взаимно независимы - каждый протокол уровня MAC может применяться с любым протоколом уровня LLC, и наоборот.

Эта структура появилась в результате большой работы, проведенной комите­том 802 по выделению в разных фирменных технологиях общих подходов и общих функций, а также согласованию стилей их описания. В результате канальный уро­вень был разделен на два упомянутых подуровня. Описание каждой технологии разделено на две части: описание уровня MAC и описание физического уровня. Как видно из рисунка, практически у каждой технологии единственному протоко­лу уровня MAC соответствует несколько вариантов протоколов физического уров­ня (на рисунке в целях экономии места приведены только технологии Ethernet и Token Ring, но все сказанное справедливо также и для остальных технологий, та­ких как ArcNet, FDDI, lOOVG-AnyLAN).

Над канальным уровнем всех технологий изображен общий для них протокол LLC, поддерживающий несколько режимов работы, но независимый от выбора конкретной технологии. Стандарт LLC курирует подкомитет 802.2. Даже техноло­гии, стандартизованные не в рамках комитета 802, ориентируются на использова­ние протокола LLC, определенного стандартом 802.2, например протокол FDDI, стандартизованный ANSI.

Особняком стоят стандарты, разрабатываемые подкомитетом 802.1. Эти стан­дарты носят общий для всех технологий характер. В подкомитете 802.1 были разработаны общие определения локальных сетей и их свойств, определена связь трех уровней модели IEEE 802 с моделью OSI. Но наиболее практически важны-

186 Глава 3 Базовые технологии локальных сетей

ми являются стандарты 802.1, которые описывают взаимодействие между собой различных технологий, а также стандарты по построению более сложных сетей на основе базовых топологий. Эта группа стандартов носит общее название стан­дартов межсетевого взаимодействия (internetworking). Сюда входят такие важные стандарты, как стандарт 802.ID, описывающий логику работы моста/коммутато­ра, стандарт 802.1Н, определяющий работу транслирующего моста, который мо­жет без маршрутизатора объединять сети Ethernet и FDDI, Ethernet и Token Ring и т. п. Сегодня набор стандартов, разработанных подкомитетом 802.1, продолжа­ет расти. Например, недавно он пополнился важным стандартом 802.1Q, опреде­ляющим способ построения виртуальных локальных сетей VLAN в сетях на основе коммутаторов.

Стандарты 802.3,802.4, 802.5 и 802.12 описывают технологии локальных сетей, которые появились в результате улучшений фирменных технологий, легших в их основу. Так, основу стандарта 802.3 составила технология Ethernet, разработанная компаниями Digital, Intel и Xerox (или Ethernet DIX), стандарт 802.4 появился как обобщение технологии ArcNet компании Datapoint Corporation, а стандарт 802.5 в основном соответствует технологии Token Ring компании IBM.

Исходные фирменные технологии и их модифицированные варианты - стан­дарты 802.x в ряде случаев долгие годы существовали параллельно. Например, технология ArcNet так до конца не была приведена в соответствие со стандартом 802.4 (теперь это делать поздно, так как где-то примерно с 1993 года производство оборудования ArcNet было свернуто). Расхождения между технологией Token Ring и стандартом 802.5 тоже периодически возникают, так как компания IBM регуляр­но вносит усовершенствования в свою технологию и комитет 802.5 отражает эти усовершенствования в стандарте с некоторым запозданием. Исключение составля- ет технология Ethernet. Последний фирменный стандарт Ethernet DIX был принят в 1980 году, и с тех пор никто больше не предпринимал попыток фирменного раз­вития Ethernet. Все новшества в семействе технологий Ethernet вносятся только в результате принятия открытых стандартов комитетом 802.3.

Более поздние стандарты изначально разрабатывались не одной компанией, а группой заинтересованных компаний, а потом передавались в соответствующий подкомитет IEEE 802 для утверждения. Так произошло с технологиями Fast Ethernet, lOOVG-AnyLAN, Gigabit Ethernet. Группа заинтересованных компаний образовывала сначала небольшое объединение, а затем по мере развития работ к нему присоединялись другие компании, так что процесс принятия стандарта но­сил открытый характер.

Сегодня комитет 802 включает следующий ряд подкомитетов, в который вхо­дят как уже упомянутые, так и некоторые другие:

802.1 - Internetworking - объединение сетей;

802.2 - Logical Link Control, LLC - управление логической передачей данных;

802.3 - Ethernet с методом доступа CSMA/CD;

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

802.5 - Token Ring LAN - локальные сети с методом доступа Token Ring;

802.6 - Metropolitan Area Network, MAN - сети мегаполисов;

802.7 - Broadband Technical Advisory Group - техническая консультационная группа по широкополосной передаче;

3.1. Протоколы и стандарты локальных сетей 187

802.8 - Fiber Optic Technical Advisory Group - техническая консультационная группа по волоконно-оптическим сетям;

802.9 - Integrated Voice and data Networks - интегрированные сети передачи голоса и данных;

о 802.10 - Network Security - сетевая безопасность;

802.11 - Wireless Networks - беспроводные сети;

802.12 - Demand Priority Access LAN, lOOVG-AnyLAN - локальные сети с мето­дом доступа по требованию с приоритетами.

» При организации взаимодействия узлов в локальных сетях основная роль отво­дится классическим технологиям Ethernet, Token Ring, FDDI, разработанным более 15 лет назад и основанным на использовании разделяемых сред.

Разделяемые среды поддерживаются не только классическими технологиями локальных сетей Ethernet, Token Ring, FDDI, но и новыми - Fast Ethernet, lOOVG-AnyLAN, Gigabit Ethernet.

Современной тенденцией является частичный или полный отказ от разделяе­мых сред: соединение узлов индивидуальными связями (например, в техноло­гии ATM), широкое использование коммутируемых связей и микросегментации. Еще одна важная тенденция - появление полнодуплексного режима работы практически для всех технологий локальных сетей.

Комитет IEEE 802.x разрабатывает стандарты, которые содержат рекомендации для проектирования нижних уровней локальных сетей - физического и каналь­ного. Специфика локальных сетей нашла свое отражение в разделении каналь­ного уровня на два подуровня - LLC и MAC.

Стандарты подкомитета 802.1 носят общий для всех технологий характер и по­стоянно пополняются. Наряду с определением локальных сетей и их свойств, стандартами межсетевого взаимодействия, описанием логики работы моста/ком­мутатора к результатам работы комитета относится и стандартизация сравни­тельно новой технологии виртуальных локальных сетей VLAN.

» Подкомитет 802.2 разработал и поддерживает стандарт LLC. Стандарты 802.3, 802.4, 802.5 описывают технологии локальных сетей, которые появились в ре­зультате улучшений фирменных технологий, легших в их основу, соответствен­но Ethernet, ArcNet, Token Ring.

Более поздние стандарты изначально разрабатывались не одной компанией, а группой заинтересованных компаний, а потом передавались в соответствую­щий подкомитет IEEE 802 для утверждения.

188 Глава 3 Базовые технологии локальных сетей

Конец работы -

Эта тема принадлежит разделу:

Посвящаем нашей дочери анне

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Твитнуть

Модели и протоколы компьютерных сетей

13.6.1. Общее представление

Протокол в общем смысле представляет собой правила поведения, известные обеим взаимодействующим сторонам. То же самое представляют собой сетевые протоколы: правила поведения, известные обеим взаимодействующим сторонам. Что, в какой момент, в ответ на какое сообщение нужно сделать, какие данные

Для планомерного развития и стандартизации сетевых соединений, служб, технологии и устройств, необходимо некоторое всеобщее рамочное соглашение, определяющее основные принципы, параметры и термины, на основе которых можно будет разрабатывать конкретные решения. Такое рамочное соглашение, в общих чертах определяющее порядок приема и передачи информации на всех уровнях сетевого взаимодействия, получило название сетевой модели.

Известно несколько стеков протоколов, самыми широко распространенны­ми из которых являются TCP/IP, IPX/SPX, NetBIOS/SMB. Мы ограничимся рассмотрением стека TCP/IP, поскольку на протоколах этого стека построен весь Интернет.

13.6.2. Стек протоколов TCP/IP

Уровень сетевых интерфейсов

Уровню сетевых интерфейсов не сопоставлен ни один протокол, но на нем реа­лизована поддержка практически всех известных сегодня технологий и протоколов объединения компьютеров в сеть.

Уровень межсетевого взаимодействия

На уровне межсетевого взаимодействия решаются задачи маршрутизации дан­ных. На этом уровне работают несколько протоколов.

□ IP (Internet Protocol - протокол межсетевого взаимодействия). Решает задачу передачи данных между сетями.

□ RIP (Routing Information Protocol - протокол маршрутной информации) и OSPF (Open Shortest Path First - выбор кратчайшего пути первым). Про­токолы сбора и конфигурирования маршрутной информации, отвечающие за выбор оптимального маршрута передачи данных.

□ ICMP (Internet Control Message Protocol - протокол межсетевых управляющих сообщений). При помощи этого протокола собирается информация об ошибках доставки и длительности жизни пакетов, а также передаются тестирующие со­общения, подтверждающие наличие запрошенного узла в сети.

Транспортный уровень

Транспортный уровень предоставляет механизмы доставки данных.

□ TCP (Transmission Control Protocol - протокол управления передачей). Описы­вает правила создания логического соединения между удаленными процессами и механизм обработки ошибок доставки пакетов (механизм повторной передачи «сбойных» пакетов).

□ UDP (User Datagramm Protocol - протокол пользовательских датаграмм). Упрощенный вариант протокола доставки данных без установления логического соединения и проверки ошибок доставки пакетов.

Прикладной уровень

К прикладному уровню относятся протоколы, носящие прикладной характер. Большинство этих протоколов связано с соответствующими прикладными про­граммами, работающими на их основе.

□ FTP (File Trancfer Protocol - протокол передачи файлов). В качестве транс­портного протокола этот протокол использует TCP, что повышает надежность передачи файлов через большое количество промежуточных узлов.

□ TFTP (Trivial File Trancfer Protocol - простейший протокол передачи файлов). Этот протокол базируется на UDP и используется в локальных сетях.

□ SNMP (Simple Network Management Protocol - простой протокол управления сетью).

□ Telnet - протокол, используемый для эмуляции терминала удаленной станции.

□ SMTP (Simple Mail Transfer Protocol - простой протокол передачи сообщений). Передает сообщения электронной почты при помощи транспортного протокола TCP.

□ HTTP (Hiper Text Transfer Protocol - протокол передачи гипертекста). Базовый протокол Всемирной паутины, без которой сегодня невозможно представить себе Интернет. Именно он обеспечивает передачу страниц сайтов на наши компьютеры.

Кроме перечисленных базовых протоколов, в состав стека TCP/IP на приклад­ном уровне входит еще множество протоколов.

13.6.3. Сетевая модель OSI

Когда стек протоколов TCP/IP уже в полную силу обеспечивал функциониро­вание самых разнообразных сетей, международная организация по стандартизации (International Organization for Standartization, ISO) разработала концептуальную модель взаимодействия открытых систем (Open Systems Interconnection, OSI). Эта модель оказалась настолько удачной, что в настоящее время многие сетевые процессы и проблемы принято описывать именно в терминах модели OSI. В модели OSI три базовых понятия: уровень, интерфейс и протокол.

Уровни пронумерованы от 7-го (верхний уровень) до 1-го (нижний уровень). Чем выше уровень, тем более глобальны решаемые им задачи. Каждый вышесто­ящий уровень реализует свою функциональность, получая услуги от нижележа­щего уровня и управляя им. Управление и передача услуг осуществляются через стандартные интерфейсы, благодаря которым вышестоящий уровень изолируется от детализации того, как именно реализует услуги нижележащий уровень. Вза­имодействие протоколов смежных уровней в одном узле осуществляется через интерфейсы.

Стек протоколов - иерархически организованный набор протоколов, достаточный для организации взаимодействия узлов сети.

Протокол - формальный набор правил и соглашений, регламентирующий обмен информацией между компьютерами по сети. Реализует функции одного или нескольких уровней.

Технология ЛВС организует, как правило, только функции двух нижних уровней модели OSI. Однако из этого не следует, что компьютеры, связанные в локальную сеть, не поддерживают протоколы уровней, расположенных выше канальных. Эти протоколы также работают, но они относятся к технологиям локальных сетей.

Стандарт IEEE разделяют канальный уровень на 2 подуровня: управление логическим каналом и управление доступом к среде.

Функции уровня LLC реализуются программным соответствующим модулем ОС, а функции уровня MAC реализуются программно-аппаратным (связка сетевой драйвер и сетевой адаптер).

Уровень MAC

Основные функции:

1. обеспечение доступа к разделяемой среде;

2. передача кадров между конечными узлами, используются функции устройства физического уровня.

3. Транспортировка кадров осуществляется уровнем MAC в несколько этапов:

3.1. формирование кадра. На этом этапе осуществляется заполнение полей кадра на основе информации, получаемой от верхних уровней.(Адрес источника и назначения, пользовательские данные, признак протокола верхнего уровня). После того как кадр был сформирован, уровень MAC подсчитывает контрольную сумму кадра и помещает ее в соответствующее поле;

3.2. передача кадра через среду. Когда кадр сформирован и доступ к разделяемой среде получен, уровень MAC передает данные на физический уровень, который побитно передает данные в среду;

3.3. прием кадров. Уровень MAC каждого узла проверяет адрес назначения поступившего кадра и если он совпадает с его собственным, то продолжает его обработку. Осуществляется проверка контрольной суммы кадров. Если она прошла успешно, то кадр передается на уровень LLC.

Уровень LLC

Выполняет 2 функции :

1. организует интерфейс и прилегающим к нему сетевым уровнем;

2. обеспечивает доставку кадров с заданной степенью надежности.

1) Интерфейсные функции LLC заключаются в передаче пользовательских и служебных данных между уровнем MAC и сетевым уровнем. При передаче данных сверху вниз LLC принимает от протокола сетевого уровня пакет, в котором уже содержатся пользовательские данные. Помимо пакетов сверху передается адрес узла назначения в формате той технологии локальной сети, в пределах которой она функционирует. При передаче данных снизу вверх происходит процесс демультиплексирования, при передаче сверху вниз – мультиплексирование. Задачи мультиплексирования и демультиплексирования свойственны любому протоколу, над которым могут функционировать несколько протоколов. Для демультиплексирования данных LLC использует в своем заголовке специальные поля DSAP (точка входа службы приемника). Используется для хранения кода протокола, которому адресовано поле данных. SSAP (точка входа службы источника) используется для указания кода протокола, от которого посылаются данные.

2) Доставка кадров с заданной степенью надежности. Протокол LLC поддерживает несколько режимов работы, которые отличаются наличием или отсутствием процедур восстановления кадров в случае их потери или искажения. Уровень LLC представляет 3 типа транспортных узлов:

• LLC-1 – услуга без установления соединения и без подтверждения полученных данных;
• LLC-2 – дает пользователю возможность установить логическое соединение перед началом передачи любого блока данных, если потребуется выполнить процедуру восстановления после ошибок и упорядочение потоков блоков в рамках установленного соединения;
• LLC-3 - без установления соединения, но с подтверждением полученных данных.

Деятельность IEEE в области стандартизации вызвала необходимость обеспечения максимальной совместимости спецификаций ISO и IEEE 802. С этой целью комитеты 802 разделили уровень звена данных на два подуровня: управление доступом к среде (Media Access Control – МАС и управление логическим звеном данных (Logical Link Control – LLC).

Рисунок 5.1 Связь стандартов IEEE 802 с моделью OSI/ISO.

Как видно из рисунка, MAC охватывает 802.3, 802.4, 802.5 и 802.6, а LLC включает 802.2.

Разбиение уровня на два подуровня MAC/LLC дает целый ряд преимуществ. Прежде всего это дает возможность управлять доступом к разделяемому (общему) каналу с автономных устройств DTE. Во-вторых, это позволяет реализовать децентрализованный механизм управления (равноранговые станции) и повышает устойчивость ЛС к ошибкам. В-третьих, это обеспечивает более совместимый с глобальными сетями интерфейс, поскольку LLC является подмножеством базового множества протокола. В-четвертых, LLC не зависит от конкретного метода доступа; MAC же зависит от протокола. Этот подход обеспечивает сетям, основанным на стандартах IEEE 802, гибкий интерфейс ввода и вывода.

Три уровня (физический уровень и подуровни MAC и LLС) взаимодействуют путем обмена протокольными блоками данных через точки доступа к сервису (Service Access Point - SAP). Условные названия точек доступа к сервису (SAP) таковы:

PSAP - в верхней части физического уровня;

MSAP - в верхней части подуровня MAC;

LSAP - верхней части подуровня LLC.

Стандарты ЛВС

Спецификации Institute of Electrical and Electronics Engineers IEEE802 определяют стандарты для физических компонентов сети. Эти компоненты – сетевая карта (Network Interface Card – NIC) и сетевой носитель (network media), которые относятся к физическому и канальному уровням модели OSI. Спецификации IEEE802 определяют механизм доступа адаптера к каналу связи и механизм передачи данных. Стандарты IEEE802 подразделяют канальный уровень на подуровни:

• Logical Link Control (LLC) – подуровень управления логической связью;
• Media Access Control (MAC) – подуровень управления доступом к устройствам.

Спецификации IEEE 802 делятся на 16 стандартов :

Стандарт 802.1 (Internetworking – объединение сетей) задает механизмы управления сетью на MAC – уровне. В разделе 802.1 приводятся основные понятия и определения, общие характеристики и требования к локальным сетям, а также поведение маршрутизации на канальном уровне, где логические адреса должны быть преобразованы в их физические адреса и наоборот.

Стандарт 802.2 (Logical Link Control – управление логической связью)определяет функционирование подуровня LLC на канальном уровне модели OSI. LLC обеспечивает интерфейс между методами доступа к среде и сетевым уровнем.

Стандарт802.3(Ethernet Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection – CSMA/CD LANs Ethernet – множественный доступ к сетям Ethernet с проверкой несущей и обнаружением конфликтов)описывает физический уровень и подуровень MAC для сетей, использующих шинную топологию и коллективный доступ с прослушиванием несущей и обнаружением конфликтов. Прототипом этого метода является метод доступа стандарта Ethernet (10BaseT, 10Base2, 10Base5). Метод доступа CSMA/CD. 802.3 также включает технологии Fast Ethernet (100BaseTx, 100BaseFx, 100BaseFl).

100Base-Tx – двухпарная витая пара. Использует метод MLT-3 для передачи сигналов 5-битовых порций кода 4В/5B по витой паре, а также имеется функция автопереговоров (Auto-negotiation) для выбора режима работы порта.

100Base-T4 – четырехпарная витая пара. Вместо кодирования 4B/5В в этом методе используется кодирование 8B/6T.

100BaseFx – многомодовое оптоволокно. Эта спецификация определяет работу протокола Fast Ethernet по многомодовому оптоволокну в полудуплексном и полнодуплексном режимах на основе хорошо проверенной схемы кодирования и передачи оптических сигналов, использующейся уже на протяжении ряда лет в стандарте FDDI. Как и в стандарте FDDI, каждый узел соединяется с сетью двумя оптическими волокнами, идущими от приемника (Rx) и от передатчика (Tx).

Этот метод доступа используется в сетях с общей шиной (к которым относятся и радиосети, породившие этот метод). Все компьютеры такой сети имеют непосредственный доступ к общей шине, поэтому она может быть использована для передачи данных между любыми двумя узлами сети. Простота схемы подключения - это один из факторов, определивших успех стандарта Ethernet. Говорят, что кабель, к которому подключены все станции, работает в режиме коллективного доступа (multiply access – MA).

Метод доступа CSMA/CD определяет основные временные и логические соотношения, гарантирующие корректную работу всех станций в сети.

Все данные, передаваемые по сети, помещаются в кадры определенной структуры и снабжаются уникальным адресом станции назначения. Затем кадр передается по кабелю. Все станции, подключенные к кабелю, могут распознать факт передачи кадра, и та станция, которая узнает собственный адрес в заголовках кадра, записывает его содержимое в свой внутренний буфер, обрабатывает полученные данные и посылает по кабелю кадр-ответ. Адрес станции–источника также включен в исходный кадр, поэтому станция-получатель знает, кому нужно послать ответ.

Стандарт802.4 (Token Bus LAN – локальные сети Token Bus) определяет метод доступа к шине с передачей маркера, прототип – ArcNet.

При подключении устройств в ArcNet применяют топологию «шина» или «звезда». Адаптеры ArcNet поддерживают метод доступа Token Bus (маркерная шина) и обеспечивают производительность 2,5 Мбит/с. Этот метод предусматривает следующие правила:

Все устройства, подключённые к сети, могут передавать данные, только получив разрешение на передачу (маркер);

В любой момент времени только одна станция в сети обладает таким правом;

Кадр, передаваемый одной станцией, одновременно анализируется всеми остальными станциями сети.

В сетях ArcNet используется асинхронный метод передачи данных (в сетях Ethernet и Token Ring применяется синхронный метод), т. е. передача каждого байта в ArcNet выполняется посылкой ISU (Information Symbol Unit – единица передачи информации), состоящей из трёх служебных старт/стоповых битов и восьми битов данных.

Стандарт802.5 (Token Ring LAN – локальные сети Token Ring) описывает метод доступа к кольцу с передачей маркера, прототип – Token Ring.

Сети стандарта Token Ring, так же как и сети Ethernet, используют разделяемую среду передачи данных, которая состоит из отрезков кабеля, соединяющих все станции сети в кольцо. Кольцо рассматривается как общий разделяемый ресурс, и для доступа к нему используется не случайный алгоритм, как в сетях Ethernet, а детерминированный, основанный на передаче станциями права на использование кольца в определенном порядке. Право на использование кольца передается с помощью кадра специального формата, называемого маркером, или токеном.

Стандарт802.6 (Metropolitan Area Network – городские сети) описывает рекомендации для региональных сетей.

Стандарт802.7 (Broadband Technical Advisory Group – техническая консультационная группа по широковещательной передаче) описывает рекомендации по широкополосным сетевым технологиям, носителям, интерфейсу и оборудованию.

Стандарт 802.8 (Fiber Technical Advisory Group – техническая консультационная группа по оптоволоконным сетям) содержит обсуждение использования оптических кабелей в сетях 802.3 – 802.6, а также рекомендации по оптоволоконным сетевым технологиям, носителям, интерфейсу и оборудованию, прототип – сеть FDDI (Fiber Distributed Data Interface).

Стандарт FDDI использует оптоволоконный кабель и доступ с применением маркера. Сеть FDDI строится на основе двух оптоволоконных колец, которые образуют основной и резервный пути передачи данных между узлами сети. Использование двух колец – это основной способ повышения отказоустойчивости в сети FDDI, и узлы, которые хотят им воспользоваться, должны быть подключены к обоим кольцам. Скорость сети до 100 Мб/с. Данная технология позволяет включать до 500 узлов на расстоянии 100 км.

Стандарт 802.9 (Integrated Voice and Data Network – интегрированные сети передачи голоса и данных) задает архитектуру и интерфейсы устройств одновременной передачи данных и голоса по одной линии, а также содержит рекомендации по гибридным сетям, в которых объединяют голосовой трафик и трафик данных в одной и той же сетевой среде.

В стандарте 802.10 (Network Security – сетевая безопасность) рассмотрены вопросы обмена данными, шифрования, управления сетями и безопасности в сетевых архитектурах, совместимых с моделью OSI.

Стандарт802.11 (Wireless Network – беспроводные сети) описывает рекомендации по использованию беспроводных сетей.

Технология 100VG – это комбинация Ethernet и Token-Ring со скоростью передачи 100 Мбит/c, работающая на неэкранированных витых парах. В проекте 100Base-VG усовершенствован метод доступа с учетом потребности мультимедийных приложений. В спецификации 100VG предусматривается поддержка волоконно-оптических кабельных систем. Технология 100VG использует метод доступа – обработка запросов по приоритету (demand priority access). В этом случае узлам сети предоставляется право равного доступа. Концентратор опрашивает каждый порт и проверяет наличие запроса на передачу, а затем разрешает этот запрос в соответствии с приоритетом. Имеется два уровня приоритетов – высокий и низкий.

Стандарт 802.13 Cat.6 -10Gb LAN (основана заново) не используется.

Cable Modem Working Group . Стандарты передачи данных по традиционным кабельным телевизионным сетям. Эталонная архитектура задает собой смешанную оптоволоконную/кабельную структуру, охватывающую площадь до 80 км от головного узла. Основной сетевой протокол разрабатывается в расчете на трафик LLC IEE802.2(представитель Ethernet). В то же время высказывается предположение, что сеть должна поддерживать технологию ATM для передачи различного мультимедийного трафика.

Wireless Personal Area Networks Group . Разработка стандартов для малоразмерных беспроводных сетей.

Broadband Wireless Access Study Group. Разработка стандартов для широкополосного беспроводного доступа.

Resilient Packet Ring Working Group. Стандарт определяет протокол сети с очень высокой скоростью передачи, оптимизированный для пакетной передачи в оптоволоконных сетях с кольцевой топологией.

Вопросы:

1. Какое название традиционно используется для единицы передаваемых данных на каждом из уровней?

2. Дайте определение открытой системы.

3. Какая организация разработала стандарты сетей Ethernet?

4. Какое из административных подразделений Интернета непосредственно занимается стандартизацией?

5. Какая организация стояла у истоков создания и стандартизации стека TCP/IP?

6. Определите основные особенности стека TCP/IP.

7. Функции самых нижних уровней моделей OSI?

8. Дайте определение транспортных и информационных услуг.

9. Какие протоколы относятся к слою управления (control plane)?

10. Должны ли маршрутизаторами поддерживаться протоколы транспортного уровня?

11. Пусть на двух компьютерах установлено идентичное программное и аппаратное обеспечение за исключением того, что драйверы сетевых адаптеров Ethernet поддерживают отличающиеся интерфейсы с протоколом сетевого уровня IP. Будут ли эти компьютеры нормально взаимодействовать, если их соединить в сеть?

Лекция 6

Методы доступа

Эффективность взаимодействия рабочих станций в рамках локальной компьютерной сети во многом определяется используемым правилом доступа к общей передающей среде в сетях с шинной и кольцевой топологии. Правило, с помощью которого организуется доступ рабочих станций к передающей среде, получило название метода доступа. Т.е., метод доступа – это способ «захвата» передающей среды, способ определения того, какая из рабочих станций может следующей использовать ресурсы сети. Но, кроме того, так же называется набор правил (алгоритм), используемых сетевым оборудованием, чтобы направлять поток сообщений через сеть, а также один из основных признаков, по которым различают сетевое оборудование.

В силу большого разнообразия локальных сетей и требований к ним, нельзя назвать какой–либо универсальный метод доступа, эффективный во всех случаях. Каждый из известных методов доступа имеет определенные преимущества и недостатки.

Классификация методов доступа:

Рисунок 6.1 Методы доступа.

В зависимости от используемого метода доступа локальные сети делятся на две группы. К первой группе относятся сети, в которых используются методы детерминированного доступа, ко второй – методы случайного доступа.

6.1 CSMA/CD

Суть метода:

1. Абонент, желающий передавать, следит за состоянием сети, это называется контролем несущей. Так как используется манчестерский код, то можно говорить о несущей частоте манчестерского кода. Если сеть свободна (по мнению абонента), то передача может начинаться без всякого ожидания.

2. После освобождения сети абонент начинает передачу и одновременно контролирует состояние сети. Это и есть обнаружение конфликта. Таким образом, конфликт определяется во время передачи. Если конфликт не обнаружен во время передачи, то передача считается успешной и доводится до конца.

3. Если конфликт обнаружен, то абонент усиливает его (передает некоторое время) для гарантии обнаружения конфликта всеми другими абонентами. А затем прекращает передачу на некоторое случайное время.

4. По истечении этого случайного промежутка времени, абонент повторяет попытку передачи, при этом контролирует среду на наличие конфликта. Повторная передача через случайное время уменьшает вероятность конфликта, но не исключает его.

Неравенство - условие отсутствия конфликтов. Это условие накладывает ограничение на размер сети. Двойное время распределения сигнала по сети не должно превышать времени передачи кадра, в том числе минимального кадра, т.е. 512 ВТ.

1 ВТ - время передачи 1 бита.

Рисунок 6.2 Условие обнаружения конфликта по МДКН/ОК.

Алгоритм множественного доступа с прослушиванием несущей и разрешением коллизий приведен на рисунке 6.3.

Метод множественного доступа с прослушиванием несущей и разрешением коллизий (CSMA/CD) устанавливает следующий порядок: если рабочая станция хочет воспользоваться сетью для передачи данных, она сначала должна проверить состояние канала: начинать передачу станция может, если канал свободен. В процессе передачи станция продолжает прослушивание сети для обнаружения возможных конфликтов. Если возникает конфликт из-за того, что два узла попытаются занять канал, то обнаружившая конфликт интерфейсная плата, выдает в сеть специальный сигнал, и обе станции одновременно прекращают передачу. Принимающая станция отбрасывает частично принятое сообщение, а все рабочие станции, желающие передать сообщение, в течение некоторого, случайно выбранного промежутка времени выжидают, прежде чем начать сообщение.

Рисунок 6.3 Алгоритм CSMA/CD.

Все сетевые интерфейсные платы запрограммированы на разные псевдослучайные промежутки времени. Если конфликт возникнет во время повторной передачи сообщения, этот промежуток времени будет увеличен. Стандарт типа Ethernet определяет сеть с конкуренцией, в которой несколько рабочих станций должны конкурировать друг с другом за право доступа к сети.

6.2 CSMA/CA

Метод множественного доступа с контролем несущей и предотвращением коллизий. Суть метода состоит в том, что после освобождения сети всеми желающими передавать абонентами передается не пакет, а специальный сигнал, контролируя который, они обнаруживают конфликты. То есть сталкиваются только эти сигналы, а не пакеты, искажения которых критичны. Каждая станция сети, в которой реализуется такой метод доступа, имеет дополнительное устройство – таймер или арбитр. Это устройство определяет, когда станция может вести передачу без опасности коллизий. Главная станция для управления использованием канала не предусматривается.

Установка времени на таймере, по истечении которого станция может вести передачу данных, осуществляется на приоритетной основе. Для станции с наивысшим приоритетом переполнение таймера наступает раньше. Если станция с высоким приоритетом не намерена вести передачу, канал будет находиться в состоянии покоя, т.е. свободен, и тогда следующая по приоритету станция может захватить канал.

Сети с методом доступа МДКН/ПК могут использоваться в более загруженных и протяженных сетях.

Достоинство:

• Уменьшение времени простоя канала.

Недостаток:

• Усложнение оборудования системы.

Метод передачи маркера широко используется в неприоритетных и приоритетных сетях с шинной, звездообразной и кольцевой топологией. Он относится к классу селективных методов: право на передачу данных станции получают в определенном порядке, задаваемом с помощью маркера , который представляет собой уникальную последовательность бит информации (уникальный кадр). Причем в сети обязательно должен быть компьютер, который следит за состоянием маркера. Магистральные сети, использующие этот метод, называются сетями типа «маркерная шина», а кольцевые сети – сетями типа «маркерное кольцо».

Рисунок 6.4 Топология общая шина с логическим кольцом.

В сетях типа «маркерная шина» доступ к каналу обеспечивается, таким образом, как если бы канал был физическим кольцом, причем допускается использование канала некольцевого типа (шинного, звездообразного).

Право пользования каналом передается организованным путем. Маркер (управляющий кадр) содержит адресное поле, где записывается адрес станции, которой предоставляется право доступа в канал. Станция, получив маркер со своим адресом, имеет исключительное право на передачу данных (кадра) по физическому каналу. Маркер освобождается компьютером источника после того, как он убедится, что данные приняты правильно. После передачи кадра станция отправляет маркер другой станции, которая является очередной по установленному порядку владения правом на передачу. Каждой станции известен идентификатор следующей станции. Станции получают маркер в циклической последовательности, при этом в физической шине формируется так называемое логическое кольцо. Все станции «слушают» канал, но захватить канал для передачи данных может только та станция, которая указана в адресном поле маркера. Работая, в режиме прослушивания канала, принять переданный кадр может только та станция, адрес которой указан в поле адреса получателя этого кадра.

В сетях типа «маркерная шина», помимо передачи маркера, решается проблема потери маркера из-за повреждения одного из узлов сети и реконфигурации логического кольца, когда в кольцо добавляется или из него удаляется один из узлов.

Преимущества такого метода очевидны:

o Не требуется физического упорядочения подключенных к шине станций, так как с помощью механизма логической конфигурации может быть обеспечен любой порядок передачи маркера станции, т.е. с помощью этого механизма осуществляется упорядоченное использование канала станциями;

o Имеется возможность использования в загруженных сетях;

o Возможна передача кадров произвольной длины.

Метод типа «маркерное кольцо» применяется в сетях с кольцевой топологией, которые относятся к типу сетей с последовательной конфигурацией, где широковещательный режим работы невозможен. В таких сетях сигналы распространяются через однонаправленные двухточечные пути между узлами. Узлы и однонаправленные звенья соединяются последовательно, образуя физическое кольцо.

В отличие от сетей с шинной топологией, где узлы действуют только как передатчики или приемники, и отказ узла или удаление его из сети не влияет на передачу сигнала к другим сетям, здесь при распространении сигнала все узлы играют активную роль, участвуя в ретрансляции, усилении, анализе и модификации проходящих сигналов.

Рисунок 6.5 Метод типа «маркерное кольцо».

Как и в предыдущем случае, в качестве маркера используется уникальная последовательность битов. Однако маркер не имеет адреса. Он снабжается полем занятости, в котором записывается один из кодов, обозначающих состояние маркера – свободное или занятое. Если не один из узлов сети не имеет данных для передачи, свободный маркер циркулирует по кольцу, совершая однонаправленное (обычно против часовой стрелки) перемещение. В каждом узле маркер задерживается на время, необходимое для его приема, анализа (с целью установления занятости) и ретрансляции. В выполнении этих функций задействованы кольцевые интерфейсные устройства.

Свободный маркер означает, что кольцевой канал свободен, и любая станция, имеющая данные для передачи, может его использовать. Получив свободный маркер, станция, готовая к передаче кадра с данными, меняет состояние маркера на «занятый», передает его дальше по кольцу и добавляет к нему кадр. Занятый маркер вместе с кадром совершает полный оборот по кольцу и возвращается к станции-отправителю. По пути станция-получатель, удостоверившись по адресной части кадра, что именно ей он адресован, снимает копию с кадра. Изменить состояние маркера снова на свободный может только тот узел, который изменил его на «занятое». По возвращении занятого маркера с кадром данных к станции-отправителю, кадр удаляется из кольца, а состояние маркера меняется на свободное, после чего любой узел может захватить маркер и начать передачу данных.

С целью предотвращения монополизации канала станция-отправитель не может повторно использовать возвращенный к ней маркер для передачи другого кадра данных. Если после передачи свободного маркера в кольцо он, совершив полный оборот, возвращается к станции-отправителю в таком же состоянии, (это означает, что все другие станции сети не нуждаются в передаче данных), станция может совершить передачу другого кадра.

В кольцевой сети с передачей маркера также решается проблема потери маркера в результате ошибок при передаче или при сбоях в узле. Отсутствие передач в сети означает потерю маркера. Функции восстановления кольца в таких случаях выполняет сетевой мониторный узел.

Преимущества сети «маркерное кольцо»:

o Имеется возможность проверки ошибок при передаче данных: станция-отправитель, получив свой кадр от станции-получателя, сверяет его с исходным вариантом кадра. В случае наличия ошибки кадр передается повторно;

o Канал используется полностью, его простои отсутствуют;

o Этот метод доступа может быть реализован в загруженных сетях;

o Имеется принципиальная возможность (и в некоторых сетях она реализована) осуществлять одновременную передачу несколькими станциями сети.

Недостатки этого метода:

o Невозможность передачи кадров произвольной длины;

o В простейшем исполнении не предусматривается использование приоритетов, вследствие чего станция, имеющая для передачи важную информацию, вынуждена ждать освобождения маркера, что сопряжено с опасностью несвоевременной доставки данных адресату;

o Данный метод доступа целесообразно использовать только в локальных сетях с относительно небольшим количеством узлов, так как в противном случае время на передачу данных может оказаться неприемлемо большим;

o Снижается надежность управления (выход из строя «центра» приводит к полной дезорганизации обмена).

Алгоритм множественного доступа с передачей полномочия, или маркера, приведен на рисунке 6.6.

Метод с передачей маркера - это метод доступа к среде, в котором от рабочей станции к рабочей станции передается маркер, дающий разрешение на передачу сообщения. При получении маркера рабочая станция может передавать сообщение, присоединяя его к маркеру, который переносит это сообщение по сети. Каждая станция между передающей станцией и принимающей видит это сообщение, но только станция – адресат принимает его. При этом она создает новый маркер.

Маркер (token), или полномочие, - уникальная комбинация битов, позволяющая начать передачу данных.

Каждый узел принимает пакет от предыдущего, восстанавливает уровни сигналов до номинального уровня и передает дальше. Передаваемый пакет может содержать данные или являться маркером. Когда рабочей станции необходимо передать пакет, ее адаптер дожидается поступления маркера, а затем преобразует его в пакет, содержащий данные, отформатированные по протоколу соответствующего уровня, и передает результат далее по ЛВС .

Рисунок 6.6 Алгоритм TPMA.

Пакет распространяется по ЛВС от адаптера к адаптеру, пока не найдет своего адресата, который установит в нем определенные биты для подтверждения того, что данные достигли адресата, и ретранслирует его вновь в ЛВС . После чего пакет возвращается в узел из которого был отправлен. Здесь после проверки безошибочной передачи пакета, узел освобождает ЛВС , выпуская новый маркер. Таким образом, в ЛВС с передачей маркера невозможны коллизии (конфликты). Метод с передачей маркера в основном используется в кольцевой топологии.

Данный метод характеризуется следующими достоинствами:

· гарантирует определенное время доставки блоков данных в сети;

· дает возможность предоставления различных приоритетов передачи данных.

Вместе с тем он имеет существенные недостатки:

· в сети возможны потеря маркера, а также появление нескольких маркеров, при этом сеть прекращает работу;

· включение новой рабочей станции и отключение связаны с изменением адресов всей системы.

Множественный доступ с разделением во времени основан на распределении времени работы канала между системами (рисунок 6.7).

Доступ TDMA основан на использовании специального устройства, называемого тактовым генератором. Этот генератор делит время канала на повторяющиеся циклы. Каждый из циклов начинается сигналом разграничителем . Цикл включает n пронумерованных временных интервалов, называемых ячейками. Интервалы предоставляются для загрузки в них блоков данных.

Рисунок 6.7 Структура множественного доступа с разделением во времени.

Данный способ позволяет организовать передачу данных с коммутацией пакетов и с коммутацией каналов.

Первый (простейший) вариант использования интервалов заключается в том, что их число (n) делается равным количеству абонентских систем, подключенных к рассматриваемому каналу. Тогда во время цикла каждой системе предоставляется один интервал, в течение которого она может передавать данные. При использовании рассмотренного метода доступа часто оказывается, что в одном и том же цикле одним системам нечего передавать, а другим не хватает выделенного времени. В результате - неэффективное использование пропускной способности канала.

Второй, более сложный, но высокоэкономичный вариант заключается в том, что система получает интервал только тогда, когда у нее возникает необходимость в передаче данных, например при асинхронном способе передачи. Для передачи данных система может в каждом цикле получать интервал с одним и тем же номером. В этом случае передаваемые системой блоки данных появляются через одинаковые промежутки времени и приходят с одним и тем же временем запаздывания. Это режим передачи данных с имитацией коммутации каналов. Способ особенно удобен при передаче речи.

Доступ FDMA основан на разделении полосы пропускания канала на группу полос частот (рисунок 6.8), образующих логические каналы.

Широкая полоса пропускания канала делится на ряд узких полос, разделенных защитными полосами. Размеры узких полос могут быть различными.

При использовании FDMA, именуемого также множественным доступом с разделением волны WDMA, широкая полоса пропускания канала делится на ряд узких полос, разделенных защитными полосами. В каждой узкой полосе создается логический канал. Размеры узких полос могут быть различными. Передаваемые по логическим каналам сигналы накладываются на разные несущие и поэтому в частотной области не должны пересекаться. Вместе с этим, иногда, несмотря на наличие защитных полос, спектральные составляющие сигнала могут выходить за границы логического канала и вызывать шум в соседнем логическом канале.

Рисунок 6.8 Схема выделения логических каналов.

В оптических каналах разделение частоты осуществляется направлением в каждый из них лучей света с различными частотами. Благодаря этому пропускная способность физического канала увеличивается в несколько раз. При осуществлении этого мультиплексирования в один световод излучает свет большое число лазеров (на различных частотах). Через световод излучение каждого из них проходит независимо от другого. На приемном конце разделение частот сигналов, прошедших физический канал, осуществляется путем фильтрации выходных сигналов.

Метод доступа FDMA относительно прост, но для его реализации необходимы передатчики и приемники, работающие на различных частотах.

Похожая информация.