физо. Документ Microsoft Word. Московская финансовопромышленная академия Кафедра Информатики
 Скачать 0.65 Mb.
|
|
Тема 6. Организация функционирования локальных сетей. Технология Ethernet Все данные в сети отправляются источником и движутся в направлении получателя. К тому же, было определено, что функцией физического уровня является передача данных. После того как данные отправлены, канальный уровень эталонной модели OSI обеспечивает доступ к сетевым среде передачи данных и физическую передачу в среде, позволяющей данным определять местоположение адресата в сети. Также канальный уровень отвечает за выдачу сообщений об ошибках, учет топологии сети и управление потоком данных. В эталонной модели OSI канальный и физический уровни являются смежными. Канальный уровень обеспечивает надежный транзит данных через физический уровень. Этот уровень использует адрес управления доступом к среде передачи данных (Media Access Control, MAC). Как было сказано ранее, канальный уровень решает вопросы физической адресации (в противоположность сетевой или логической адресации), топологии сети, дисциплины линий связи (каким образом конечной системе использовать сетевой канал), уведомления об ошибках, упорядоченной доставки кадров и управления потоком информации. Кроме того, канальный уровень использует МАС-адрес в качестве средства задания аппаратного или канального адреса, позволяющего нескольким станциям коллективно использовать одну и ту же среду передачи данных и одновременно уникальным образом идентифицировать друг друга. Для того чтобы мог осуществляться обмен пакетами данных между физически соединенными устройствами, относящимися к одной локальной сети, каждое устройство-отправитель должно иметь МАС- адрес, который оно может использовать в качестве адреса пункта назначения. Каждый компьютер, независимо от того, подключен он к сети или нет, имеет уникальный физический адрес. Не существует двух одинаковых физических адресов. Физический адрес (или МАС-адрес) «зашит» на плате сетевого адаптера. Таким образом, в сети именно плата сетевого адаптера подключает устройство к среде передачи данных. Каждая плата сетевого адаптера, который работает на канальном уровне эталонной модели OSI, имеет свой уникальный МАС-адрес. В сети, когда одно устройство хочет переслать данные другому устройству, оно может установить канал связи с этим другим устройством, воспользовавшись его МАС-адресом. Отправляемые источником данные содержат МАС-адрес пункта назначения. По мере продвижения пакета в среде передачи данных сетевые адаптеры каждого из устройств в сети сравнивают МАС-адрес пункта назначения, имеющийся в пакете данных, со своим собственным физическим адресом. Если адреса не совпадают, сетевой адаптер игнорирует этот пакет, и данные продолжают движение к следующему устройству. Если же адреса совпадают, то сетевой адаптер делает копию пакета данных и размещает ее на канальном уровне компьютера. После этого исходный пакет данных продолжает движение по сети, и каждый следующий сетевой адаптер проводит аналогичную процедуру сравнения. Сетевые адаптеры (Network Interface Card, NIC) преобразуют кадры данных в сигналы для передачи по сети, В ходе изготовления фирмой-производителем каждому сетевому адаптеру присваивается физический адрес, который заносится в специальную микросхему, устанавливаемую на плате адаптера. В большинстве сетевых адаптеров МАС-адрес зашивается в ПЗУ. Когда адаптер инициализируется, этот адрес копируется в оперативную память компьютера. Поскольку МАС-адрес определяется сетевым адаптером, то при замене адаптера изменится и физический адрес компьютера; он будет соответствовать МАС-адресу нового сетевого адаптера. Сетевой адаптер вместе со своим драйвером реализует второй, канальный уровень модели открытых систем в конечном узле сети – компьютере. Распределение обязанностей между сетевым адаптером и его драйвером стандартами не определяется, поэтому каждый производитель решает этот вопрос самостоятельно. Обычно сетевые адаптеры делятся на адаптеры для клиентских компьютеров и адаптеры для серверов. В адаптерах для клиентских компьютеров значительная часть работы перекладывается на драйвер, тем самым адаптер оказывается проще и дешевле. Недостатком такого подхода является высокая степень загрузки центрального процессора компьютера рутинными работами по передаче кадров из оперативной памяти компьютера в сеть. Центральный процессор вынужден заниматься этой работой вместо выполнения прикладных задач пользователя. Поэтому адаптеры, предназначенные для серверов, обычно снабжаются собственными процессорами, которые самостоятельно выполняют большую часть работы по передаче кадров из оперативной памяти в сеть и в обратном направлении. Тема 7. Локальные вычислительные сети Локальные вычислительные сети (ЛВС) представляют собой систему распределенной обработки данных, охватывающую небольшую территорию (диаметром до 10 км) внутри учреждений, НИИ, вузов, банков, офисов и т.п., т.е. это система взаимосвязанных и распределенных на фиксированной территории средств передачи и обработки информации, ориентированных на коллективное использование общесетевых ресурсов - аппаратных, информационных, программных. ЛВС можно рассматривать как коммуникационную систему, которая поддерживает в пределах одного здания или некоторой ограниченной территории один или несколько высокоскоростных каналов передачи информации, предоставляемых множеству подключенных устройств (обычно ПК). Они подключают компьютеры и службы к общей среде физического уровня. К устройствам локальной сети относятся следующие устройства. Мосты. Подключают сегменты локальной сети и помогают фильтровать трафик. Концентраторы. Концентрируют соединения локальной сети и позволяют использовать в качестве среды передачи данных витую пару. Коммутаторы. Обеспечивают сегментам и настольным системам дуплексную связь и выделенную полосу пропускания. Маршрутизаторы. Обеспечивают большое количество сервисов, включая организацию взаимодействия сетей и управление широковещанием. Наиболее распространенными технологиями ЛВС являются Ethernet, Fiber Distributed Data Interface (FDDI) и Token Ring, которые применяются практически во всех существующих локальных сетях.  Рис. 15. Наиболее широко в локальных сетях используются технологии Ethernet, FDDI и Token Ring Стандарты локальных сетей определяют вид кабельных систем и сигналы на физическом и канальном уровнях эталонной модели OSI. В этой книге будут рассмотрены стандарты Ethernet IEEE 802.3, так как именно в соответствии с этими стандартами работает большинство локальных сетей. Тема 8. Принципы работы сети Ethernet Вопросы темы: Вопрос 1. Физический уровень Ethernet. Вопрос 2. Как работает сеть Ethernet. Технология Ethernet была разработана Исследовательским центром корпорации Xerox – Xerox PARC в 1970 году и является на сегодняшний день наиболее популярным стандартом. Ethernet представляет собой семейство технологий, отличающихся, главным образом, скоростью и типом физической среды передачи – собственно Ethernet со скоростью 10 Мбит/с, Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с, Gigabit Ethernet со скоростью 1 Гбит/с и стандарт 10GE со скоростью 10 Гбит/с. Ethernet описан в стандарте IEEE 802.3. Более поздние технологии Fast Ethernet и Gigabit Ethernet описываются в приложениях к этому стандарту - IEEE 802.3u и IEEE 802.3z соответственно. Вопрос 1. Физический уровень Ethernet. Первоначально в технологии Ethernet использовались тонкий и толстый коаксиальный кабель, а также витая пара и оптоволокно. Спецификация физического уровня Ethernet на тонком коаксиальном кабеле получила название 10Base2. Здесь цифра 10 означает скорость передачи в Мбит/с, Base – метод передачи на одной базовой частоте (в отличие от Broadband методов, использующих несколько несущих), а последний символ названия обозначает тип кабеля. Спецификация физического уровня, использующая толстый коаксиальный кабель называется 10Base5, спецификация на витой паре – 10BaseТ, а спецификации, использующие оптоволокно – l0Base-FL, l0Base-FB. В настоящее время сегменты на коаксиальном кабеле практически не встречаются. Отказ от коаксиального кабеля объясняется сложностью его прокладки, а также небольшой пропускной способностью данного типа кабеля (в редких случаях доходящей до 30 Мбит/с при использовании специального оборудования). Современные модификации Ethernet – Fast Ethernet и Gigabit Ethernet – используют витую пару и оптоволоконный кабель в качестве среды передачи. Стандарт 802.3u установил три различных спецификации для физического уровня Fast Ethernet и дал им следующие названия: 100Base-TX для двухпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 5 или экранированной витой паре STP Type 1; 100Base-T4 для четырехпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 3,4 или 5; 100Base-FX для многомодового оптоволоконного кабеля, используются два волокна. В Gigabit Ethernet используются одномодовое и многомодовое оптоволокно (спецификации 1000Base-SX и 1000Base-LX), твинаксиальный кабель (спецификация 1000Base-CX) и витая пара UTP категории 5 (спецификация 1000Base-T). Существуют коммутаторы, которые позволяют соединять сегменты на витой паре с помощью оптоволоконного кабеля. Вопрос 2. Как работает сеть Ethernet. Сети семейства Ethernet являются сетями со случайным доступом. Т.е. протоколы Ethernet не гарантируют стации доступ к каналу. Однако при реализации такие протоколы оказались проще остальных, что определило их популярность у разработчиков. Кроме того, в большинстве локальных сетей метод случайного доступа оказывается одним из наиболее эффективных. На канальном уровне данные передаются в виде кадров. Каждая станция указывает в заголовке кадра МАС-адрес станции, которой она хочет передать данные, свой МАС-адрес, а также другую полезную информацию. После заголовка следуют передаваемые данные и концевик кадра (трейлер), содержащий код контроля ошибок. Наиболее распространённая структура кадра Ethernet приведена на рисунке:  DA – destination address, МАС-адрес узла назначения, SA – source address, МАС-адрес узла источника, T/L – type или length, тип протокола, который вложил свой пакет в кадр или длина кадра, Data – данные, CRC – код контроля ошибок. При передаче данных в сети Ethernet каждая станция анализирует заголовок кадра, распознавая свой MAC-адрес в поле адреса узла назначения. Если станция узнаёт свой MAC-адрес в поле адреса узла назначения, то она принимает данный кадр. В противном случае станция заканчивает приём кадра, очищая свой буфер приёма. Например, кадр данных передается от станции А к станции D. Заголовок кадра просматривается всеми станциями. Станция D распознает свой адрес и обрабатывает кадр. Станции В и С не распознают свои МАС-адреса и игнорируют кадр (рис. 16).  Рис. 16. Станция D распознает свой адрес и принимает кадр; станции В и С не распознают свои МАС-адреса и игнорируют его Тема 9. Широковещание в сети Ethernet Иногда возникает ситуация при которой кадр должен быть доставлен всем узлам в сегменте. Тогда в поле адреса узла назначения должен быть указан адрес, который распознали бы все станции. В соответствие со стандартом таким адресом является адрес, состоящий только из единиц, т.е. FFFF. FFFF. FFFF – в шестнадцатеричной системе. К примеру, если станция А передает кадр, используя в качестве адреса узла назначения адрес, состоящий из всех единичек, то станции В, С и D должны принять этот кадр и передать его верхним уровням для дальнейшей обработки. Широковещание может серьезно влиять на производительность станций, излишне отвлекая их. По этой причине широковещание должно применяться, только если МАС-адрес не известен или если данные предназначаются для всех станций. Технология Ethernet является технологией коллективного использования среды передачи данных. Это означает, что все устройства в сети должны следить за передачами в сети и конкурировать за возможность, или право, на передачу. Это также означает, что в один и тот же момент времени в сети возможна только одна передача. Как было сказано ранее, «Сетевые устройства», если более чем один узел пытается осуществить передачу, имеет место коллизия. Вследствие этого данные от разных устройств сталкиваются между собой и повреждаются. Если устройство обнаруживает, что имеет место коллизия, то его сетевой адаптер выдает сигнал повторной передачи с задержкой. Поскольку задержка перед повторной передачей определяется алгоритмом над случайными величинами, величина этой задержки различна для каждого устройства в сети. Таким образом, вероятность повторного возникновения коллизии уменьшается. Однако, если трафик в сети очень напряженный, повторные коллизии приводят к повторным передачам с задержкой, что вызывает значительное замедление работы сети. Тема 10. Метод доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий В Ethernet применяется метод множественного доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий (carrier sense multiple access/collision detection, CSMA/CD). Использование метода CSMA/CD позволяет устройствам конкурировать за права на передачу. Этот метод применяется исключительно в сетях с логической 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. В методе CSMA/CD невозможна одновременная передача данных от двух или более узлов. Более того, метод не даёт гарантии, что какая-либо станция получит возможность передать свои данные в сеть. Все данные, передаваемые по сети, помещаются в кадры и снабжаются уникальным МАС- адресом станции назначения. Перед отправкой данных узел «прослушивает» сеть, чтобы определить, можно ли осуществлять передачу, или сеть сейчас занята. Если в данный момент сеть никем не используется, узел осуществляет передачу. Все станции, подключенные к кабелю, могут распознать факт передачи кадра, и та станция, которая узнает собственный адрес в заголовке кадра, записывает его содержимое в свой внутренний буфер, обрабатывает полученные данные, передает их вверх по своему стеку, а затем посылает по кабелю кадр-ответ. Адрес станции источника содержится в исходном кадре, поэтому станция-получатель знает, кому нужно послать ответ. Пока идет передача, узел-отправитель контролирует сеть, удостоверяясь, что в этот же момент времени не передает никакая другая станция. После окончания передачи кадра все узлы сети обязаны выдержать технологическую паузу (Inter Packet Gap). Эта пауза, называемая также межкадровым интервалом, необходима для приведения сетевых адаптеров в исходное состояние, а также для предотвращения монопольного захвата среды одной станцией. По окончании паузы узлы снова могут передавать свои кадры, так как среда свободна. Если сеть занята, узел переходит в режим ожидания. Возникновение коллизий возможно в том случае, если два узла, «прослушивая» сеть, обнаруживают, что она свободна, и одновременно начинают передачу. В этом случае возникает коллизия, данные повреждаются и узлам необходимо повторно передать данные позже. Когда передающий узел узнает о коллизии, он передает сигнал «Наличие коллизии», делающий конфликт достаточно долгим для того, чтобы его могли распознать все другие узлы сети. После этого все передающие узлы прекращают отправку кадров и независимо друг от друга выбирают случайным образом отрезок времени, называемый временем задержки повторной передачи. По истечении этого периода осуществляется повторная передача. Если последующие попытки также заканчиваются неудачно, узел повторяет их до 1б раз, после чего отказывается от передачи. Время задержки для каждого узла разное. Если различие в длительности этих периодов задержки достаточно велико, то повторную передачу узлы начнут уже не одновременно. С каждой последующей коллизией время задержки удваивается, вплоть до десятой попытки, тем самым уменьшая вероятность возникновения коллизии при повторной передаче. С 10-й по 16-ю попытку узлы время задержки больше не увеличивают, поддерживая его постоянным. Несложно увидеть, что описанный метод носит вероятностный характер, и вероятность успешного доступа к общей среде зависит от загруженности сети, то есть от интенсивности потока кадров. При большой загруженности сети станция после 16 попыток откажется от передачи кадра, делая вывод, что сегмент неработоспособен. Если такие ситуации возникают часто, то следует задуматься об уменьшении числа станций в сегменте сети или о переходе на использование коммутаторов. Локальные вычислительные сети (ЛВС) представляют собой систему распределенной обработки данных, охватывающую небольшую. ЛВС можно рассматривать как коммуникационную систему, которая поддерживает в пределах некоторой ограниченной территории один или несколько высокоскоростных каналов передачи информации, предоставляемых множеству подключенных устройств (обычно ПК). ЛВС подключают компьютеры и службы к общей среде физического уровня. Наиболее распространенными технологиями ЛВС являются Ethernet, FDDI и Token Ring. Ethernet это семейство технологий, включающее собственно Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet и стандарт 10GE. В Ethernet применяется метод множественного доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий (carrier sense multiple access/collision detection, CSMA/CD) Коллизия это ситуация при которой два узла, "прослушивая" сеть, обнаруживают, что она свободна, и одновременно начинают передачу. При этом данные обоих узлов искажаются, а узлы приостанавливают передачу на случайное время. |