Глава 1. Общие принципы построения сетей
просто. Здесь не страшны повреждения отдельных станций, все остальные при этом продолжают работать в нормальном режиме.
Топология «шина» помимо ситуации с коллизиями имеет и другие существен- ные недостатки. Так, в центральной линии при подключении к ней компьютеров возникают неоднородности, от которых отражаются электромагнитные волны, что приводит к появлению ложных сигналов, интерференция падающих и отраженных волн создает в линии большие неравномерности по уровню сигнала. К таким же эффектам приводит и несогласование центральной линии на ее концах и короткое замыкание в любой точке.
Размер сети не может быть большим по двум основным причинам:
1. Затухание сигнала в физической линии.
2. Конечная скорость распространения волны в линии приводит к тому, что информация о возникшем конфликте не успевает дойти до станции, отпра- вившей пакет, и она начинает передавать следующий пакет, в то время как предыдущий оказался испорченным.
Топология «звезда» может быть реализована в двух вариантах: пассивная и ак- тивная. Пассивная звезда в центре имеет многопортовый повторитель (концентра- тор, хаб), который любой пакет, приходящий на один из своих портов, ретрансли- рует на все остальные порты. Поэтому по своим сетевым возможностям пассивная звезда ничем не отличается от «шины».
В центре активной звезды стоит коммутатор, который наделен функциями управления: дает разрешение на передачу, осуществляет адресное соединение и т. д.
В топологии «кольцо», как правило, используют два кабеля между узлами: на передачу и на прием. Все узлы равноправны и обладают свойствами регенератора,
это позволяет строить довольно протяженные сети. Кольцевая топология обладает высокой надежностью и устойчивостью к перегрузкам. При разрыве кольца (повре- ждение кабеля или узла) пакеты могут быть направлены в обратном направлении
(в «обход»).
1.3 Взаимодействие компьютеров. Адресация
При объединении компьютеров в сети возникает задача их идентификации. Она решается с помощью системы адресов.
Требования к адресу следующие:
1. Уникальность в мировой системе.
2. Иерархичность структуры адресов.
3. Компактность записи.
4. Удобство для пользователя при опознавании адреса.
5. Минимизация труда администратора при составлении адресных таблиц.
Крайне необходимо, чтобы этот процесс шел автоматически.
Удовлетворить всем этим требованиям с помощью одной системы адресации невозможно, поэтому в настоящее время используют сразу три системы:
1. Аппаратные адреса — уникальные цифровые адреса сетевых карт, которые задаются их производителями. Эти адреса функционируют на канальном уровне
1.4 Организация каналов передачи13ЭМВОС и непосредственно могут работать только в небольших локальных сетях.
Для адресации в больших сетях они не применяются, так как не обладают свой- ством иерархичности. Поэтому таблицы, составляемые из таких адресов, очень громоздки и сложны для администраторов сетей.
2. Числовые (сетевые) адреса — это тоже уникальные цифровые адреса, но они присваиваются не сетевым картам, а пользователям единой международной орга- низацией IANA — Internet Assigned Numbers Authority — комиссией по константам
Интернет. Система регистрации описана в документе RFC2050, а деятельность
IANA — в RFC1700. В этой системе задается номер сетевого узла в старших битах и номер хоста в младших битах. Например, адрес класса С в IP-сетях задается так
(табл. 1.1).
Таблица 1.1 – Пример задания адреса класса С
Номер узла
Номер хоста
11000100 00001011 11111111 00000001
Или в сокращенной (десятичной записи)
196 11 255 1
Такая система записи сравнительно компактна (32 бита), имеет постоянный размер, а главное — иерархична.
3. Цифровые адреса при всех своих достоинствах неудобны для пользователей.
Их неудобно запоминать и трудно идентифицировать с конкретными объектами.
Поэтому в сетях передачи данных также используются символьные адреса или имена. Например, tor.rk.tusur.ru или www.panasonic-batteries.com.
Недостатками таких адресов являются переменный формат, большая длина и отсутствие глобальной иерархичности.
Использование всех трех систем адресации осуществляется следующим обра- зом. Пользователь задает символьный адрес. Компьютер переводит его в числовой
(сетевой) адрес. При взаимодействии пакета с сетевой картой в ЛВС используется аппаратный адрес. Такая система представляется громоздкой, но зато позволяет абоненту работать как в локальных, так и в глобальных сетях.
1.4 Организация каналов передачи
Взаимодействие компьютеров предполагает установление между ними канала передачи. С точки зрения семиуровневой модели взаимодействия открытых систем эта процедура реализуется на физическом и канальном уровнях. В состав канала передачи (рис. 1.3) входят:
оконечное оборудование данных (ООД) или DТЕ (Date Terminal Equipment) —
это терминальное оборудование (компьютер, маршрутизатор);
аппаратура передачи данных (АПД) или DСЕ (Date Circuit Terminating
Equipment), которая связывает компьютеры или ЛВС с линиями связи.
Примеры АПД — модемы, порты мультиплексоров, сетевые карты компью- теров. Оборудование АПД работает на физическом уровне;
14Глава 1. Общие принципы построения сетей
линия связи обеспечивает непосредственную передачу сигнала по каналу.
Физической средой в линиях связи является волоконно-оптический кабель,
многопарный электрический кабель, коаксиальный кабель, радиолинии;
между двумя хостами в канале передачи на большие расстояния есть узлы связи (коммутаторы, мультиплексоры ввода-вывода, маршрутизаторы). Их функция заключается в организации канала передачи (сетевой уровень)
и пропускании пакетов при организованном канале.
Рис. 1.3 – Канал передачи
Вопросы,
связанные с физической средой передачи, модемами, цифровыми системами передачи и распределения рассмотрены в смежных дисциплинах («Ос- новы построения телекоммуникационных систем и сетей», «Сети связи и системы коммутации» и др.). Поэтому в этом разделе будут рассмотрены только особенно- сти построения и работы каналов передачи применительно к компьютерным сетям.
В компьютерных сетях применяют физическое кодирование и логическое коди- рование. Физическое кодирование в терминологии цифровых систем передачи вы- полняет функции линейного кодирования (синхронизация, минимизация ширины спектра, высокая энергетическая эффективность). Наиболее распространенными являются коды: потенциальные (NRZ, AMI, 2B1Q) и импульсные (биимпульсный,
манчестерский). Некоторые из этих кодов будут рассмотрены подробней при опи- сании конкретных сетей.
Логическое кодирование предназначено для улучшения характеристик линей- ных кодов, для обнаружения и исправления ошибок, для шифрования данных. При логическом кодировании указанные последовательности «нулей» и «единиц» заме- няются специальными кодовыми последовательностями. Примерами таких кодов являются HDB-3, 4B5B, 4B3T и др. Некоторые из этих кодов будут рассмотрены ниже.
Синхронизация в сетях передачи данных, так же как и в цифровых системах передачи, подразделяется на побитовую (тактовую) и кадровую (цикловую). Поби- товая синхронизация реализуется путем выделения тактовой частоты, а кадровая —
применением специальных синхробайтов (рис. 1.4,
a).
Рис. 1.4 – Синхронная (
а) и асинхронная (
б) передачи
1.5 Структуризация и объединение сетей15В этом случае для
n байт используется один или несколько синхробайтов. Код синхробайта может быть разным, например 01111110 или 01010101. Такой метод передачи называется синхронным.
Для линий с низким качеством применяют асинхронный режим передачи
(рис. 1.4,
б). Здесь каждый байт обрамляется битами «старт» и «стоп», и тогда он может передаваться независимо от других. Между байтами допускаются вре- менные задержки переменной величины. Метод асинхронной передачи проще и де- шевле. Однако он требует большего удельного веса служебных бит и работает на сравнительно низких скоростях (до 115 Кбит/с).
Метод синхронной передачи имеет большее быстродействие, но он сложнее в реализации. Поэтому синхронные модемы дороже асинхронных.
1.5 Структуризация и объединение сетей
Если сеть содержит небольшое количество станций с небольшими расстояния- ми между ними, то они физически связаны одной из простейших топологий (шина,
звезда, кольцо, полносвязная). Такая сеть называется однородной. С увеличением числа станций (
nA
20) и расстояния между ними проявляется влияние затухания сигналов и уменьшение скорости передачи вследствие коллизий. Для устранения этих недостатков большие сети разбивают на отдельные однородные сегменты,
между которыми помещаются активные устройства, регенерирующие сигнал с це- лью усиления и восстановления формы, а также ограничивающие взаимный тра- фик. Эта процедура носит название структуризации сети. При
этом предполагается,
что все сегменты сети работают в одном стеке протоколов (например, Ethernet-IP).
В качестве активных устройств, разделяющих сети на сегменты, используются концентраторы (хабы), коммутаторы или маршрутизаторы.
1. Структурированная сеть на хабах приведена на рисунке 1.5.
Рис. 1.5 – Сеть на хабах
Порт каждого хаба ретранслирует поступающие пакеты на выходы всех осталь- ных своих портов. Поэтому в конечном итоге на всех портах всех хабов появляется один и тот же пакет. Таким способом решается проблема компенсации затухания и искажения формы импульса, но остается проблема коллизий и создания излишней нагрузки на станции, которые получают все пакеты, а не те, которые им предназна- чены. Можно сказать, что хабы обеспечивают физическую структуризацию сети,
16Глава 1. Общие принципы построения сетейно не обеспечивают логической структуризации, так как информационные потоки не упорядочились.
2. Структурированная сеть на коммутаторах имеет ту же структуру, что изобра- жена на рисунке 1.5, только вместо хабов включены коммутаторы. Коммутаторы —
это многопортовые устройства, они могут анализировать аппаратные адреса по- лучателей и путем внутренних переключений направлять пакеты только на один из выходных портов. На все другие порты пакеты не передаются. Если к порту коммутатора подключена ЛВС на хабах, то весь внутренний трафик будет замы- каться внутри этой ЛВС, а внешний (предназначенный станциям других сегмен- тов) передаваться на другие порты. Про такую схему можно сказать, что в ней есть и физическая, и логическая структуризация.
3. Структурированная сеть на маршрутизаторах —
R (router) приведена на ри- сунке 1.6.
Рис. 1.6 – Схема на маршрутизаторах
Здесь маршрутизатор, так же как и коммутатор, селектирует пакеты, но не с помощью аппаратных адресов, а по сетевым адресам получателя.
Изоляция тра- фика в сегментах более надежна, масштаб сети значительно больше (не только локальные, но и глобальные сети).
Можно сказать, что названные выше активные устройства служат объединению сетей. Это действительно так, если рассматривать сети, работающие по одним протоколам. Если же нам надо свя- зать станции, относящиеся к сетям с различными протоколами,
например Х.25 и IP, то обычных коммутаторов и маршрутизаторов недостаточно. В этом случае применяют специальные шлюзы, ко- торые осуществляют переход от одного протокола в другой. Один из способов реализации шлюза — метод инкапсуляции (рис. 1.7),
когда пакет одного протокола, например IP, в шлюзе снабжается заголовком протокола Х.25.
Теперь IP-пакет может проходить по сети с другим протоколом. Основные проблемы реализации такого шлюза:
шлюз должен работать как на передачу, так и на прием;
добавление заголовка снижает скорость передачи;
Контрольные вопросы по главе 1
17
усложнение системы адресации. Поскольку взаимодействующие сети име- ют разные системы адресации, в шлюзе должны быть таблицы перехода от одних адресов к другим. Составление таких таблиц совершается вручную;
для реализации шлюза нужны специализированные устройства — погранич- ные маршрутизаторы.
Рис. 1.7 – Инкапсуляция протоколов
Контрольные вопросы по главе 1 1. Дайте понятие и приведите примеры стека протоколов сети передачи данных.
2. Перечислите достоинства и недостатки топологий «звезда» и «шина».
3. Какие интерфейсы используются в каналах связи?
4. Назовите иерархичные системы адресации.
5. Назовите узловые элементы, обеспечивающие структуризацию сетей.
Глава 2
ЛОКАЛЬНЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ
СЕТИ (ЛВС)
2.1 Общие понятияЛокальная вычислительная сеть (ЛВС) — это коммуникационная система, под- держивающая в пределах здания или группы зданий один или несколько высокоско- ростных каналов передачи цифровой информации, подключенных к устройствам
(ЭВМ) кратковременно [1, 3, 6, 7, 10].
ЛВС появились в связи с развитием элементной базы РЭА, а также благода- ря усовершенствованиям архитектуры и технологии производства ЭВМ. На неко- тором этапе закон Гроша (производительность ЭВМ равна квадрату его стоимо- сти), который был справедлив для первых суперкомпьютеров, перестал действо- вать. Другими словами, суперкомпьютеры перестали удовлетворять
пользователей как по скорости обработки информации, так и по удобству обращения с ними.
Появилась необходимость осуществления взаимодействия ЭВМ: разделение вы- числительных и информационных ресурсов. Первые разработки в области ЛВС
появились в начале 70-х годов, а пик их развития пришелся на середину/конец
80-х. Новое дыхание технике ЛВС придали технологии коммутации (начало 90-х)
и более высокоскоростные версии ЛВС (Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, 10 Gb Ethernet).
В настоящее время ЛВС применяются для объединения ЭВМ в различных мас- штабах: от рабочих групп до сетей предприятия и кампусных сетей. Таким образом,
локальные сети позволяют строить масштабируемые сети в узком смысле этого слова. Локальные сети обеспечивают взаимодействие ЭВМ, что необходимо для работы распределенных приложений обеспечения электронного документооборо- та, исследовательских сетей с параллельными вычислениями, групп разработчиков и т. д.
При разработке ЛВС предполагалось, что наиболее важным аспектом этих се- тей будет стоимость аппаратуры и линий связи, поэтому в качестве среды взаимо- действия многих станций используется некий общий разделяемый ресурс, который
2.1 Общие понятия
19
используется всеми станциями совместно в режиме разделения времени (TDMA).
Данные требования привели к использованию следующих типов топологий:
шина (bus);
кольцо (ring);
звезда (star).
По методу доступа различают сети:
со случайным (стохастическим) доступом (Ethernet);
пропорциональным (маркерным) доступом (Token Ring).
Метод доступа к среде обуславливает характеристики того или иного типа
ЛВС: нагрузочная способность, прогнозируемость задержек и т. д. Функциониро- вание происходит на двух нижних уровнях модели ЭМВОС (рис. 2.1): физическом и канальном.
Рис. 2.1 – Структура уровней
Спецификации на ЛВС определяют разделение канального уровня на два подуровня:
управления доступом к среде (Media Access Control) —
MAC. Функция доступа к каналу и арбитража (CSMA/CD).
Здесь одной из главных функций является адресация;
управления логическим звеном канала данных (Logical
Link Control) — LLC. Функции соединения абонентов и контроля потока пакетов. Этот подуровень определяет механизмы взаимодействия с протоколами верхних уров- ней (сетевого). Практически все распространенные семей- ства протоколов сетевого и более верхних уровней осу- ществляют поддержку ЛВС.
Спецификации физического уровня для ЛВС разнообразны и включают в себя практически все известные физические среды: от простого телефонного кабеля до оптоволокна, включая коаксиал и радиоканалы, что позволяет передавать данные с высокими скоростями.
20Глава 2. Локальные вычислительные сети (ЛВС)Адресация в ЛВС подразумевает использование типичных для се- тевых окружений адресов (MAC-адресов):
индивидуальный адрес (unicast) — обеспечивает однознач- ную идентификацию каждого устройства на канальном уровне;
групповой адрес (multicast) — обеспечивает доставку кадра некоторой группе хостов, взаимодействующих с разделяе- мой средой;
широковещательный (broadcast) — обеспечивает доставку кадра всем станциям в данной ЛВС.
Отличительными признаками ЛВС являются:
высокая скорость передачи (10–1000 Мбит/с);
низкий уровень ошибок (
PD
10
7
–10
8
);
быстродействующий механизм управления обменом;
ограниченное число компьютеров, подключенных к сети.
2.2 Управление доступом к сетиПоскольку число абонентов (компьютеры, серверы, принтеры и т. д.) в ЛВС
может
быть достаточно велико, то им необходимо обеспечить доступ к общим разделяемым ресурсам. Этот доступ может быть как равноправный, так и с при- оритетом. Чаще всего используют равноправный случайный доступ. Для этого информация каждого абонента разбивается на пакеты (рис. 2.2).
Рис. 2.2 – Структура пакета
Длина пакета может быть различной — от нескольких десятков байт до несколь- ких килобайт. Назначение преамбулы, или стартовой комбинации, — обозначить на- чало пакета, организовать синхронизацию, настроить сетевую карту получателя на прием и обработку пакета.
Поле управления существует для указания типа пакета (если они разные по содержанию), его номера, размера и формата. Поле контрольной суммы служит для обнаружения и исправления ошибок.
Существует два способа доступа к сети:
1)
детерминированный, который работает по четким правилам предостав- ления доступа абонентам. При этом конфликты (коллизии) при доступе нескольких абонентов в сеть исключены. Примером такого способа явля- ется маркерный доступ (рис. 2.3). Здесь право доступа передается от узла
2.2 Управление доступом к сети21к узлу с помощью специального пакета, называемого маркером или токе- ном. Этот способ реализован в сетях FDDI и Token Ring;
2)
случайный, когда абоненты получают доступ непредсказуемым образом и поэтому здесь возможны конфликты. Скорость доставки пакетов не кон- тролируется. Она тем меньше, чем больше трафик в сети и чем больше вероятность коллизий. Такой способ реализован в сетях Ethernet и носит название МДКН/ОК или CSMA/CD. Расшифровка этих сокращенных на- званий следующая:
МДКН/ОК — множественный доступ с контролем несущей и обнару- жением коллизий;
CSMA/CD — Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection.
Рис. 2.3 – Маркерный доступ в кольцевой схеме
Рассмотрим суть CSMA/CD. CSMA — рабочие станции (компьютеры) подклю- чены к общей шине. С помощью приемника сетевой карты каждая из них кон- тролирует наличие сигнала в общей шине. При присутствии сигнала какой-либо другой станции пакет данных не передается. Как только передача другой станции закончится, начинается передача собственного пакета. CD — определяет наличие и процедуру устранения коллизий. Если две станции начали передачу одновремен- но или с небольшим сдвигом во времени, то их пакеты накладываются друг на друга и оба пакета искажаются. Чтобы устранить последствия коллизий, станции прослушивают сеть и после передачи пакета. При обнаружении коллизии стан- ция повторяет передачу через случайный отрезок времени, и так продолжается несколько раз до тех пор, пока пакет не будет передан.
Сеть, работающая по алгоритму CSMA/CD, имеет ограничения на ее размер
(диаметр) по двум основным причинам:
1.
Затухание сигнала в линиях, соединяющих элементы сети (компьютеры,
хабы, коммутаторы).
2. Условие «необнаружения коллизий». Суть этого фактора поясним с помо- щью рисунка 2.4. Пусть станция Cт. 1 начинает передачу своего пакета.
Пока начало этого пакета не дошло до самой удаленной станции
N, она может начать передачу своего пакета. Допустим, что эта передача началась непосредственно перед приходом пакета Cт. 1, т. е. через время
τ
3
LV .
Возникла коллизия. Информация об этом дойдет до станции отправителя также через время
τ
3
LV .
Общая задержка (время двойного оборота) составит 2
τ
3 2
LV . Если за это время пакет станции Cт. 1 не закончится, то Ст. 1 передачу пакета прекращает
Скачать 4.1 Mb.