Основы информационных технологий

Локальные компьютерные сети

Разбить на страницы
Показывать лекцию целиком

Характеристика и особенности ЛКС

Локальная компьютерная сеть представляет собой систему обмена информацией и распределенной обработки данных, охватывающую небольшую территорию (этаж, здание, несколько соседних зданий) внутри предприятий и организаций, т.е. это система взаимосвязанных и распределенных на фиксированной территории средств передачи, хранения и обработки информации, ориентированных на коллективное использование общесетевых ресурсов - аппаратных, программных, информационных. Такую сеть можно рассматривать как коммуникационную систему, которая поддерживает в пределах некоторой ограниченной территории один или несколько высокоскоростных каналов передачи информации, предоставляемых подключенным абонентским системам для кратковременного использования.

В обобщенной структуре ЛКС выделяются совокупность абонентских систем (АС), серверов и коммуникационная подсеть (КП). Основными компонентами ЛКС являются кабели с оконечным приемопередающим оборудованием, рабочие станции (РС), серверы, сетевые адаптеры, модемы, концентраторы, коммутаторы, маршрутизаторы, мосты (их назначение указано ниже).

Рабочие станции формируются на базе персональных компьютеров (ПК) и используются для решения прикладных задач, выдачи запросов в сеть на обслуживание, приема результатов удовлетворения запросов, обмена информацией с другими РС.

Серверы сети - это аппаратно-программные системы, выполняющие функции управления сетевыми ресурсами общего доступа; они могут работать и как обычные АС. Сервер создается на базе более мощного ПК, чем для РС. В ЛКС может быть несколько различных серверов для управления сетевыми ресурсами, однако всегда имеется один (или несколько) для управления внешними ЗУ общего доступа и организации распределенных баз данных (РБД).

Рабочие станции и серверы соединяются с кабелем коммуникационной подсети с помощью интерфейсных плат (сетевых адаптеров - СА), основные функции которых- организация приема-передачи данных из (в) РС, согласование скорости приема-передачи информации (буферизация), формирование пакета данных, параллельно-последовательное пре-образование кодов (конвертирование), кодирование/декодирование данных, проверка правильности передачи, установление соединения с требуемым абонентом сети, организация собственно обмена данными. В ряде случаев перечень функций СА существенно увеличивается, и тогда они строятся на основе микропроцессоров.

К основным характеристикам ЛКС относятся следующие:

  • длина общего канала связи;
  • вид физической среды передачи данных (волоконно-оптический кабель, витая пара, коаксиальный кабель);
  • топология сети;
  • максимальное число АС в сети;
  • максимально возможное расстояние между РС в сети;
  • максимальное число каналов передачи данных;
  • максимальная скорость передачи данных;
  • тип передачи сигналов (синхронный или асинхронный);
  • способ синхронизации сигналов;
  • метод доступа абонентов в сеть;
  • структура программного обеспечения сети;
  • возможность передачи голоса, изображений, видеосигналов;
  • возможность связи ЛКС между собой и сетью более высокого уровня;
  • возможность использования процедуры установления приоритетов при одновременном подключении абонентов к общему каналу;
  • условия надежной работы сети.
    •

    К числу наиболее типичных областей применения ЛКС относятся следующие [87].

    Обработка текстов - одна из наиболее распространенных функций средств обработки информации, используемых в ЛКС. Передача и обработка информации в сети, развернутой на предприятии (в организации, вузе и т.д.), обеспечивает реальный переход к "безбумажной" технологии, вытесняя полностью или частично пишущие машинки.

    Организация собственных информационных систем, содержащих автоматизированные базы данных - индивидуальные и общие, сосредоточенные и распределенные. Такие БД могут быть в каждой организации или фирме.

    Обмен информацией между АС сети - важное средство сокращения до минимума бумажного документооборота.

    Обеспечение распределенной обработки данных, связанное с объединением АРМ всех специалистов данной организации в сеть.

    Поддержка принятия управленческих решений, предоставляющая руководителям и управленческому персоналу организации достоверную и оперативную информацию, которая необходима для оценки ситуации и принятия правильных решений.

    Организация электронной почты - одного из видов услуг ЛКС, которые позволяют руководителям и всем сотрудникам предприятия оперативно получать всевозможные сведения, необходимые в его производственно-хозяйственной, коммерческой и торговой деятельности.

    Коллективное использование дорогостоящих ресурсов необходимое условие снижения стоимости работ, выполняемых в порядке реализации вышеуказанных применений ЛКС.

    Для деления ЛКС на группы используются определенные классификационные признаки [87].

    По назначению ЛКС делятся на информационные (информационно-поисковые), управляющие (технологическими, административными, организационными и другими процессами), информационно-расчетные и другие.

    По типам используемых в сети ЭВМ их можно разделить на неоднородные, где применяются различные классы (микро-, мини-, большие) и модели (внутри классов) ЭВМ, а также различное абонентское оборудование, и однородные, содержащие одинаковые модели ЭВМ и однотипный состав абонентских средств.

    По организации управления однородные ЛКС разделяются на сети с централизованным и децентрализованным управлением.

    В сетях с централизованным управлением выделяются одна или несколько машин (центральных систем или органов), управляющих работой сети. Диски выделенных машин, называемых файл-серверами или серверами баз данных, доступны всем другим компьютерам (рабочим станциям) сети. На серверах работает сетевая ОС. Каждая РС имеет доступ к дискам серверов и совместно используемым принтерам, но, как правило, не может работать непосредственно с дисками других РС. Серверы могут быть выделенными, и тогда они выполняют только задачи управления сетью и не используются как РС, или невыделенными, когда параллельно с задачей управления сетью выполняют пользовательские программы (при этом снижается производительность сервера и надежность работы всей сети из-за возможной ошибки в пользовательской программе, которая может привести к остановке работы сети). Такие сети отличаются простотой обеспечения функций взаимодействия между АС. В сетях с централизованным управлением большая часть информационно-вычислительных ресурсов сосредоточена в центральной системе.

    Если информационно-вычислительные ресурсы ЛКС равномерно распределены по большому числу АС, централизованное управление мало эффективно из-за резкого увеличения служебной (управляющей) информации. В этом случае эффективными оказываются сети с децентрализованным (распределенным) управлением, или одноранговые. В таких сетях нет выделенных серверов, функции управления сетью передаются по очереди от одной РС к другой. Рабочие станции имеют доступ к дискам и принтерам других РС. Это облегчает совместную работу групп пользователей, но производительность сети несколько понижается. По скорости передачи данных в общем канале различают:

  • ЛКС с малой пропускной способностью (единицы и десятки мегабит в секунду), в которых в качестве физической передающей среды используются обычно витая пара или коаксиальный кабель;
  • ЛКС со средней пропускной способностью (десятки мегабит в секунду), в которых используется также коаксиальный кабель или витая пара;
  • ЛКС с большой пропускной способностью (сотни мегабит в секунду), где применяются оптоволоконные кабели (световоды).
    •

    По топологии, т.е. конфигурации элементов в сети, ЛКС бывают с шинной топологией, кольцевой, звездообразной, смешанной (звездно-кольцевой, сегментированной).

    Отметим основные особенности ЛКС и их отличия от глобальных сетей. Они заключаются в следующем [84], [85].

  • Качество линий связи, способ их прокладки и протяженность. Поскольку ЛКС по определению отличаются небольшой протяженностью линий связи, в таких сетях стало возможным применение высококачественных линий (коаксиального кабеля, витой пары, оптоволоконного кабеля), не всегда доступным в ГКС из-за экономических ограничений. В ГКС часто применяются уже существующие телефонные линии связи, а в ЛКС линии прокладываются заново.
  • Разделение каналов. Каналы связи в ЛКС используются, как правило, совместно несколькими узлами сети, а в ГКС - индивидуально.
  • Использование метода коммутации пакетов. Для ЛКС характерно неравномерное распределение нагрузки, т.е. наличие пульсирующего трафика. В связи с этим очень эффективной оказывается коммутация пакетов, обеспечивающая большую пропускную способность сети. В ГКС наряду с коммутацией используются и другие методы коммутации, а также некоммутируемые каналы.
  • Масштабируемость. ЛКС отличаются плохой масштабируемостью из-за жесткости базовых топологий, определяющих способ подключения РС и длину линий связи. ГКС рассчитаны на работу с произвольными топологиями, поэтому для них характерна хорошая масштабируемость.
  • Сложность оборудования и методов передачи данных. В ЛКС наличие качественных линий связи позволило упростить процедуры передачи данных (применяются немодулированные информационные сигналы, отсутствуют обязательные подтверждения получения пакета) и соответствующее оборудование. В ГКС из-за низкой надежности физических каналов эти процедуры значительно сложнее: широко применяются модуляция, асинхронные методы передачи данных, сложные методы контроля достоверности передачи данных и обеспечения их безопасности и т.д.
  • Скорость обмена данными. В ЛКС, где используются высокоскоростные каналы (10, 16, 100 и более Мбит/с), она неизмеримо больше, чем в ГКС, где скорости передачи данных 2400, 9600, 28800, 33600 бит/с, 56 и 64 Кбит/с и только на магистральных каналах - до 2 Мбит/с.
  • Оперативность удовлетворения запросов пользователей. Для ЛКС обычным является режим on-line, поэтому время доставки пакета (кадра) адресату составляет несколько миллисекунд. В ГКС, где скорость передачи данных сравнительно низкая, это время исчисляется несколькими секундами, реализация служб для режима on-line затруднена, зато широко используется режим off-line (дейтаграммный режим доставки пакетов).
  • Перечень услуг пользователям. В ЛКС этот перечень существенно шире, чем в ГКС, где в основном предоставляются почтовые услуги и передача файлов.
    •

    Заметим, что указанные особенности ЛКС и их отличия от глобальных сетей характерны для сетей конца 80-х и начала 90-х годов ХХ века. В последние годы наметилась устойчивая тенденция сближения ЛКС и ГКС, приведшая к значительному взаимопроникновению их технологий. Одним из проявлений этой тенденции является появление корпоратив-ных и городских сетей, занимающих промежуточное положение между локальными и глобальными сетями. В таких сетях даже при больших расстояниях между узлами прокладываются качественные линии связи, обеспечивающие высокие скорости передачи данных. Используются оптоволоконные линии связи, упрощаются процедуры обеспечения корректности передачи информации, как это имеет место в сети Frame Relay. Режим работы on-line стал обычным и в ГКС, например, в гипертекстовой информационной службе WWW (World Wide Web), интерактивные возможности которой перенесены в ЛКС.

    Процесс переноса служб и технологий из глобальных сетей в локальные и корпоративные сети приобрел практически массовый характер. В связи с этим появился даже специальный термин - Intranet-технологии (Intra - внутренний), обозначающий применение служб внешних (глобальных) сетей во внутренних (локальных, корпоративных). В ЛКС стали обращать такое же большое внимание на обеспечение безопасности ин-формации, как и в глобальных, т. е. используются те же методы защиты информации от несанкционированного доступа. Появляются новые технологии, предназначенные для использования в ГКС и ЛКС. Это прежде всего технология АТМ, объединяющая все существующие виды трафика в одной транспортной сети.

    Протоколы и технологии локальных сетей

    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. Такие простые решения, характерные для разработчиков первых ЛКС во второй половине 70-х годов ХХ 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 - моноканал, производительность сети ограничивается пропускной способностью этого пути, а надежность сети - надежностью пути. Поэтому по мере развития и расширения сфер применения локальных сетей с помощью специ-альных 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 отмеченных, 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 канальный уровень разделен на два подуровня:

  • логической передачи данных (LLC - Logical Link Control);
  • управления доступом к среде (МАС - Media Access Control).
    •

    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 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.

    Технология Ethernet (стандарт 802.3). Это самый распространенный стандарт локальных сетей. По этому протоколу в настоящее время работают большинство ЛКС. Имеется несколько вариантов и модификаций технологии Ethernet, составляющих целое семейство технологий. Из них наиболее известными являются 10-мегабитный вариант стандарта IEEE 802.3, а также новые высокоскоростные технологии Fast Ethernet и Gigabit Ethernet. Все эти варианты и модификации отличаются типом физической среды передачи данных.

    Все виды стандартов Ethernet используют один и тот же метод доступа к передающей среде - метод случайного доступа CSMA/CD. Он применяется исключительно в сетях с общей логической шиной, которая работает в режиме коллективного доступа и служит для передачи данных между любыми двумя узлами сети. Такой метод доступа носит вероятностный характер: вероятность получения среды передачи в свое распоряжение зависит от загруженности сети. При значительной загрузке сети интенсивность коллизий возрастает и ее полезная пропускная способ-ность резко падает.

    Полезная пропускная способность сети - это скорость передачи пользовательских данных, переносимых полем данных кадров. Она всегда меньше номинальной битовой скорости протокола Ethernet за счет служебной информации кадра, межкадровых интервалов и ожидания доступа к среде. Коэффициент использования сети в случае отсутствия коллизий и ожидания доступа имеет максимальное значение 0,96.

    Технологией Ethernet поддерживаются 4 разных типа кадров, имеющих общий формат адресов. Распознавание типа кадров осуществляется автоматически.

    Для всех стандартов Ethernet имеют место следующие характеристики и ограничения:

  • номинальная пропускная способность - 10 Мбит/с;
  • максимальное число РС в сети - 1024;
  • максимальное расстояние между узлами в сети - 2500 м;
  • максимальное число коаксиальных сегментов сети - 5;
  • максимальная длина сегмента - от 100 м (для 10Base-T) до 2000 м (для 10Base-F);
  • максимальное число повторителей между любыми станциями сети - 4.
    •

    Технология Token Ring (стандарт 802.5). Здесь используется разделяемая среда передачи данных, которая состоит из отрезков кабеля, соединяющих все РС сети в кольцо. К кольцу (общему разделяемому ресурсу) применяется детерминированный доступ, основанный на передаче станциям права на использование кольца в определенном порядке. Это право предается с помощью маркера. Маркерный метод доступа гарантирует каждой РС получение доступа к кольцу в течение времени оборота маркера. Используется приоритетная система владения маркером - от 0 (низший приоритет) до 7 (высший). Приоритет для текущего кадра определяется самой станцией, которая может захватить кольцо, если в нем нет более приоритетных кадров.

    В сетях Token Ring в качестве физической среды передачи данных применяется экранированная и неэкранированная витая пара и волоконно-оптический кабель. Сети работают с двумя битовыми скоростями - 4 и 16 Мбит/с, причем в одном кольце все РС должны работать с одной скоростью. Максимальная длина кольца - 4 км, а максимальное количество РС в кольце - 260. Ограничения на максимальную длину кольца связаны со временем оборота маркера по кольцу. Если в кольце 260 станций и время удержания маркера каждой станцией равно 10 мс, то маркер после совершения полного оборота вернется в активный монитор через 2,6 с. При передаче длинного сообщения, разбиваемого, например, на 50 кадров, это сообщение будет принято получателем в лучшем случае (когда активной является только РС-отправитель) через 260 с, что для пользователей не всегда приемлемо.

    Максимальный размер кадра в стандарте 802.5 не определен. Обычно он принимается равным 4 Кбайтам для сетей 4 Мбит/с и 16 Кбайтам для сетей 16 Мбит/с.

    В сетях 16 Мбит/с используется также и более эффективный алгоритм доступа к кольцу. Это алгоритм раннего освобождения маркера (ETR): станция передает маркер доступа следующей станции сразу же после окончания передачи последнего бита своего кадра, не дожидаясь возвращения по кольцу этого кадра и занятого маркера. В этом случае по кольцу будут передаваться одновременно кадры нескольких станций, что существенно повышает эффективность использования пропускной способности кольца. Конечно, и в этом случае в каждый данный момент ге-нерировать кадр в кольцо может только та РС, которая в этот момент владеет маркером доступа, а остальные станции будут лишь ретранслировать чужие кадры.

    Технология Token Ring (технология этих сетей была разработана еще в 1984 г. фирмой IBM) существенно сложнее технологии Ethernet. В ней заложены возможности отказоустойчивости: за счет обратной связи кольца одна из станций (активный монитор) непрерывно контролирует наличие маркера, время оборота маркера и кадров данных, обнаруженные ошибки в сети устраняются автоматически, например, потерянный маркер может быть восстановлен. В случае выхода из строя активного монитора выбирается новый активный монитор и процедура инициализации кольца повторяется.

    Стандарт Token Ring изначально предусматривал построение связей в сети с помощью концентраторов, называемых MAU, т.е. устройствами многостанционного доступа. Концентратор может быть пассивным (соединяет порты внутренними связями так, чтобы РС, подключенные к этим портам, образовали кольцо, а также обеспечивает обход какого-либо порта, если подключенный к этому порту компьютер выключается) или активным (выполняет функции регенерации сигналов и поэтому иногда называется повторителем).

    Для сетей Token Ring характерна звездно-кольцевая топология: РС подключаются к концентраторам по топологии звезды, а сами концентраторы через специальные порты Ring In (RI) и Ring Out (RO) объединяются для образования магистрального физического кольца. Сеть Token Ring может строиться на основе нескольких колец, разделенных мостами, маршрутизирующие кадры адресату (каждый кадр снабжается полем с маршрутом прохождения колец).

    Недавно технология Token Ring стараниями компании IBM получила новое развитие: предложен новый вариант этой технологии (HSTR), поддерживающий битовые скорости в 100 и 155 Мбит/с. При этом сохранены основные особенности технологии Token Ring 16 Мбит/с.

    Технология FDDI. Это первая технология ЛКС, в которой для передачи данных используется волоконно-оптический кабель. Она появилась в 1988 г. и ее официальное название - оптоволоконный интерфейс распределенных данных (Fiber Distributed Data Interface, FDDI). В настоящее время в качестве физической среды, кроме волоконно-оптического кабеля, применяется неэкранированная витая пара.

    Технология FDDI предназначена для использования на магистральных соединениях между сетями, для подключения к сети высокопроизводительных серверов, в корпоративных и городских сетях. Поэтому в ней обеспечена высокая скорость передачи данных (100 Мбит/с), отказоустойчивость на уровне протокола и большие расстояния между узлами сети. Все это сказалось на стоимости подключения к сети: для подключения клиентских компьютеров эта технология оказалась слишком дорогой.

    Существует значительная преемственность между технологиями Token Ring и FDDI. Основные идеи технологии Token Ring восприняты и получили совершенствование и развитие в технологии FDDI, в частности, кольцевая топология и маркерный метод доступа.

    В сети FDDI для передачи данных используются два оптоволоконных кольца, образующих основной и резервный пути передачи между РС. Станции сети подключаются к обоим кольцам. В нормальном режиме задействовано только основное кольцо. В случае отказа какой-либо части основного кольца оно объединяется с резервным кольцом, вновь образуя единое кольцо (это режим "свертывания" колец) с помощью концентраторов и сетевых адаптеров. Наличие процедуры "свертывания" при отказах - основной способ повышения отказоустойчивости сети. Существуют и другие процедуры для определения отказов в сети и восстановления ее работоспособности.

    Основное отличие маркерного метода доступа к передающей среде, используемого в сети FDDI, от этого метода в сети Token Ring заключается в том, что в сети FDDI время удержания маркера является постоянной величиной только для синхронного трафика, который критичен к задержкам передачи кадров. Для асинхронного трафика, не критичного к небольшим задержкам передачи кадров, это время зависит от загрузки кольца: при небольшой загрузке оно увеличивается, а при большой - может уменьшаться до нуля. Таким образом, для асинхронного трафика метод доступа является адаптивным, хорошо регулирующим временные перегрузки сети. Механизм приоритетов кадров отсутствует. Считается, что достаточно разделить трафик на два класса - синхронный, который обслуживается всегда (даже при перегрузках кольца), и асинхронный, обслуживаемый при малой загрузке кольца. Станции FDDI применяют алгоритм раннего освобождения маркера, как это сделано в сети Token Ring со скоростью 16 Мбит/с.

    В сети FDDI выделенный активный монитор отсутствует, все станции и концентраторы равноправны, при обнаружении отклонений от нормы они осуществляют повторную инициализацию сети и, если это не-обходимо, ее реконфигурацию.

    Результаты сравнения технологии FDDI с технологиями Ethernet и Token Ring приведены в табл.5.1.

    Технологии Fast Ethernet и 100VG-AnyLAN. Обе эти технологии не являются самостоятельными стандартами и рассматриваются как развитие и дополнение технологии Ethernet, реализованное соответственно в 1995 и 1998 годах. Новые технологии Fast Ethernet (стандарт 802.3и) и 100VG-AnyLAN (стандарт 802.3z) имеют производительность 100 Мбит/с и отличаются степенью преемственности с классическим Ethernet.

    В стандарте 802.3и сохранен метод случайного доступа CSMA/CD и тем самым обеспечена преемственность и согласованность сетей 10 Мбит/с и 100 Мбит/с.

    В технологии 100VG-AnyLAH используется совершенно новый метод доступа - Demand Priority (DP), приоритетный доступ по требованию. Эта технология существенно отличается от технологии Ethernet. Она поддерживает различные типы трафика в довольно узкой области и не нашла широкого распространения.

    Отметим особенности технологии Fast Ethernet и ее отличия от технологии Ethernet:

  • структура физического уровня технологии Fast Ethernet - более сложная, что объясняется использованием трех вариантов кабельных систем: волоконно-оптический кабель, витая пара категории 5 (используются две пары), витая пара категории 3 (используются четыре пары). Отказ от коаксиального кабеля привел к тому, что сети этой технологии всегда имеют иерархическую древовидную структуру;
  • диаметр сети сокращен до 200 м, время передачи кадра минимальной длины уменьшено в 10 раз за счет увеличения скорости передачи в 10 раз;

  • технология Fast Ethernet может использоваться при создании магистралей локальных сетей большой протяженности совместно с коммутаторами (полудуплексный вариант работы для этой технологии является основным);

    Сравнение сетей различных топологий
    Характеристики Тип технологии
    FDDI Ethernet Token Ring
    Пропускная способность Мбит/с 100 10 16
    Топология Двойное кольцо Шина, звезда Звезда, кольцо
    Метод доступа Маркерный, доля от времени оборота маркера CSMA/CD Маркерный, приоритетная система резервирования
    Среда передачи данных Оптоволокно, неэкранированная витая пара Толстый коаксиал, тонкий коаксиал, витая пара, оптоволокно Экранированная и неэкранированная витая пара, оптоволокно
    Максимальная длина сети (без мостов) 200 км (100 км на кольцо) 2500 м 4000 м
    Максимальное расстояние между узлами 2 км 2500 м 100 м
    Максимальное количество узлов 500 1024 260
  • для всех трех спецификаций физического уровня, отличающихся типом применяемого кабеля, форматы кадров отличаются от форматов кадров технологий 10-мегабитного Ethernet;
  • признаком свободного состояния передающей среды является не отсутствие сигналов, а передача по ней специального символа в кодированном виде;
  • применяется метод кодирования 4В/5В, хорошо себя зарекомендовавший в технологии FDDI. В соответствии с этим методом каждые 4 бита передаваемых данных представляются 5 битами, т.е. из 32 комбинаций 5-битных символов для кодирования исходных 4-битных символов используются только 16 комбинаций, а из ос-тавшихся 16 комбинаций выбираются несколько кодов, которые используются как служебные. Один из служебных кодов постоянно передается в течение пауз между передачей кадров. Если он в линии связи отсутствует, то это свидетельствует об отказе физической связи;
  • кодирование и синхронизация сигналов осуществляются с помощью биполярного кода NRZ;
  • технология Fast Ethernet рассчитана на применение концентраторов-повторителей для образования связей в сети (то же самое имеет место для всех некоаксиальных вариантов Ethernet).
    •

    Технология Gigabit Ethernet. Появление этой технологии представляет собой новую ступень в иерархии сетей семейства Ethernet, обеспечивающую скорость передачи в 1000 Мбит/с. Стандарт по этой технологии принят в 1998г., в нем максимально сохранены идеи классической технологии Ethernet.

    По поводу технологии Gigabit Ethernet следует отметить следующее:

  • на уровне протокола не поддерживаются (так же, как и у его предшественников): качество обслуживания, избыточные связи, тестирование работоспособности узлов и оборудования. Что касается качества обслуживания, то считается, что высокая скорость передачи данных по магистрали и возможность назначения пакетам приоритетов в коммутаторах вполне достаточны для обеспечения качества транспортного обслуживания пользователей сети. Поддержка избыточных связей и тестирование оборудования осуществляются протоколами более высоких уровней;
  • сохраняются все форматы кадров Ethernet;
  • имеется возможность работы в полудуплексном и полнодуплексном режимах. Первый из них поддерживает метод доступа CSMA/CD, а второй - работу с коммутаторами;
  • поддерживаются все основные виды кабелей, как и в предшествующих технологиях этого семейства: волоконно-оптический, коаксиальный, витая пара;
  • минимальный размер кадра увеличен с 64 до 512 байт, максимальный диаметр сети тот же - 200 м. Можно передавать несколько кадров подряд, не освобождая среду.
    •

    Технология Gigabit Ethernet позволяет строить крупные локальные сети, в которых серверы и магистрали нижних уровней сети работают на скорости 100 Мбит/с, а магистраль 1000 Мбит/с объединяет их, обеспечивая запас пропускной способности.

    Технология Wi-Fi. Технология Wi-Fi (произносится "вай-фай", сокр. от англ. Wireless Fidelity - беспроводная надежность) - это стандарт на оборудование Wireless LAN, которое устанавливается там, где развертывание кабельной системы невозможно или экономически нецелесообразно. Мобильные устройства этого оборудования (смартфоны и ноутбуки), оснащенные клиентскими Wi-Fi приемо-передающими устройствами, могут подключаться к локальной сети и получать доступ в Internet через так называемые точки доступа (хост-порты).

    Обычно схема Wi-Fi сети содержит не менее одной точки доступа и не менее одного клиента, но возможно подключение двух клиентов в режиме "точка-точка", и тогда точка доступа не используется, а клиенты со-единяются посредством сетевых адаптеров напрямую. Наименьшая скорость передачи данных для Wi-Fi - 1 Мбит/с. Стандарт Wi-Fi дает клиенту полную свободу при выборе критериев для соединения с другими клиентами. Последние версии операционных систем этого стандарта содержат функцию, которая показывает пользователю все доступные сети и позволяет переключаться между ними.

    Технология Wi-Fi применяется в основном для управления движущимися объектами, а также в тех случаях, когда невозможно прокладывать проводные сети Ethernet.

    Преимущества Wi-Fi:

  • возможность развертывания сети без прокладки кабеля, что уменьшает стоимость ее создания и расширения;
  • Wi-Fi-устройства достаточно широко представлены на рынке, а устройства разных производителей могут взаимодействовать на базовом уровне сервисов;
  • для клиентских станций возможно перемещение в пространстве;
  • Wi-Fi - это набор глобальных стандартов, поэтому Wi-Fi-оборудование может работать в разных странах по всему миру.
    •

    В качестве недостатков Wi-Fi можно отметить следующие:

  • наличие ограничений в частотном диапазоне в различных странах;
  • довольно высокое по сравнению с другими стандартами потребление энергии;
  • ограниченный радиус действия (до 100 м);
  • возможность наложения сигналов от различных точек доступа, что затрудняет связь клиентов друг с другом;
  • недостаточно высокая информационная безопасность. Отметим, что Microsoft Windows полностью поддерживает Wi-Fi посредством драйверов.
    •

    До сих пор рассматривались протоколы, работающие на первых трех уровнях семиуровневой эталонной модели ВОС и реализующие соответствующие методы логической передачи данных и доступа к передающей среде. В соответствии с этими протоколами передаются пакеты между рабочими станциями, но не решаются вопросы, связанные с сетевыми фай-ловыми системами и переадресацией файлов. Эти протоколы не включают никаких средств обеспечения правильной последовательности приема переданных данных и средств идентификации прикладных программ, нуждающихся в обмене данными.

    В отличие от протоколов нижнего уровня, протоколы верхнего уровня (называемые также протоколами среднего уровня, так как они реализуются на 4-м и 5-м уровнях модели ВОС) служат для обмена данными. Они предоставляют программам интерфейс для передачи данных методом дейтаграмм, когда пакеты адресуются и передаются без подтвержде-ния получения, и методом сеансов связи, когда устанавливается логическая связь между взаимодействующими станциями (источником и адресатом) и доставка сообщений подтверждается.

    Здесь лишь коротко отметим протокол IPX/SPX, получивший некоторое применение в локальных сетях, особенно в связи с усложнением их топологии (вопросы маршрутизации перестали быть тривиальными) и расширением предоставляемых услуг. IPX/SPX - сетевой протокол NetWare, причем IPX (Internetwork Packet Exchange) - протокол межсетевого обмена пакетами, а SPX (Sequenced Packet Exchange) - протокол последовательного обмена пакетами.

    Протокол IPX/SPX. Этот протокол является набором протоколов IPX и SPX. Фирма Nowell в сетевой операционной системе NetWare применяет протокол IPX для обмена дейтаграммами и протокол SPX для обмена в сеансах связи.

    Протокол IPX/SPX относится к программно-реализованным протоколам. Он не работает с аппаратными прерываниями, используя функции драйверов операционных систем. Пара протоколов IPX/SPX имеет фиксированную длину заголовка, что приводит к полной совместимости разных реализаций этих протоколов.

    Протокол IPX применяется маршрутизаторами в сетевой операционной системе (СОС) NetWare. Он соответствует сетевому уровню модели ВОС и выполняет функции адресации, маршрутизации и переадресации в процессе передачи пакетов данных. Несмотря на отсутствие гарантий доставки сообщений (адресат не передает отправителю подтверждения о получении сообщения), в 95% случаев не требуется повторной передачи. На уровне IPX выполняются служебные запросы к файловым серверам, и каждый такой запрос требует ответа со стороны сервера. Этим и определяется надежность работы методом дейтаграмм, так как маршрутизаторы воспринимают реакцию сервера на запрос как ответ на правильно переданный пакет.

    Протокол SPX работает на транспортном уровне модели ВОС, но имеет и функции, свойственные протоколам сеансового уровня. Он осуществляет управление процессами установки логической связи, обмена и окончания связи между любыми двумя узлами (рабочими станциями) ЛКС. После установления логической связи пакеты могут циркулировать в обоих направлениях с гарантией того, что они передаются без ошибок. Протокол SPX гарантирует очередность приема пакетов согласно очередности отправления.

    Сетевые устройства ЛКС

    Укажем назначение и наиболее важные особенности сетевых устройств, используемых в локальных сетях.

    Сетевой адаптер (СА) - электронная плата для сопряжения компьютера со средой передачи информации в сети.

    Сетевые адаптеры, концентраторы и кабельная система - это минимум оборудования для создания ЛКС с общей разделяемой средой, но с небольшим количеством РС, иначе общая среда становится узким местом по пропускной способности. Поэтому сетевые адаптеры и концентраторы используются для построения базовых фрагментов сетей, которые объединяются в более крупные структуры с помощью мостов, коммутаторов и маршрутизаторов.

    Выпускаемые в настоящее время адаптеры можно отнести к адаптерам четвертого поколения. Они выполняют ряд высокоуровневых функций, таких как приоритизация кадров, адаптация к временным параметрам шины и оперативной памяти компьютера с целью повышения производительности обмена "сеть-компьютер".

    Повторители - относятся к физическому уровню эталонной модели ВОС. Они позволяют увеличивать протяженность сети, гарантируя при этом, что сигналы (последовательность электрических или световых им-пульсов, несущих информацию и перемещающихся в среде передачи данных) будут распознаны принимающим устройством. Повторители принимают ослабленный (вследствие затухания) сигнал, очищают его от помех, усиливают и отправляют дальше в сеть, тем самым увеличивая расстояния, на которых сеть может функционировать. Выполняя те же функции, повторители дают возможность увеличить число узлов в сети, поскольку каждый узел является причиной небольшого ослабления сигнала.

    Концентратор (хаб, многопортовый повторитель) - это сетевое устройство, которое выполняет основную функцию - повторение кадра либо на всех портах (как определено в стандарте Ethernet), либо только на некоторых портах согласно алгоритму, определенному соответствующим стандартом.

    Важными особенностями концентраторов является то, что они:

  • усиливают сигналы в сети;
  • распространяют сигналы в сети;
  • используются как точки концентрации в сети;
  • не занимаются маршрутизацией и коммутацией;
  • не выполняют фильтрацию.
    •

    Фильтрацией называется процесс, в ходе которого в сетевом трафике контролируются определенные характеристики, например, адрес источника, адрес получателя или протокол, и на основании установленных критериев принимается решение - пропускать трафик дальше или игнорировать его.

    Мосты. Это устройство, служащее для объединения в единую сеть нескольких сетей различных типов, а также для снижения нагрузки в сети. Однако чаще мосты используются для соединения сегментов сети. Мосты работают на канальном уровне модели OSI и не занимаются исследованием информации от верхних уровней. Назначение мостов состоит в том, чтобы устранить ненужный трафик и уменьшить вероятность возникновения коллизий. Это достигается путем разделения сети на сегменты и за счет фильтрации трафика по пункту назначения или МАС-адресу.

    Мосты фильтруют трафик только по МАС-адресу, поэтому они могут быстро пропускать трафик, представляющий любой протокол сетевого уровня. Мосты отвечают только за то, чтобы пропускать или не пропускать пакеты дальше, основываясь при этом на содержащихся в них МАС-адресах.

    Наиболее важные особенности мостов:

  • более высокая интеллектуальность, чем у концентратора, - они могут анализировать приходящие пакеты и пропускать (или не пропускать) их дальше на основании адресной информации;
  • возможность принимать и пропускать пакеты данных между двумя сетевыми сегментами;
  • возможность управления широковещательными пакетами в сети;
  • наличие и ведение внутренних таблиц адресов.
    •

    Коммутатор - это сложное многопортовое вычислительное устройство, имеющее несколько процессорных модулей и реализующее технологию коммутации сегментов сети. В коммутаторе осуществляется параллельная обработка нескольких кадров, что обеспечивает существенное повышение производительности сети.

    Главное достоинство коммутатора - это его высокая производительность. Разработчики коммутаторов стараются выпускать неблокирующие модели коммутаторов. Неблокирующий коммутатор - это такой коммутатор, который может передавать кадры через свои порты с той же скоростью, с которой они на них поступают.

    Пропускная способность коммутатора - это количество пользовательских данных (в мегабитах в секунду), переданных в единицу времени через его порты. Максимальное значение пропускной способности коммутатора достигается при передаче кадров максимальной длины, для которых доля служебной информации гораздо меньше, чем для кадров минимальной длины.

    Задержка передачи кадров - время с момента прихода первого байта кадра на входной порт коммутатора до момента появления этого байта в его выходном порту. При полной буферизации кадров (для кадров минимальной длины) эта задержка колеблется от 50 до 200 мкс.

    Маршрутизатор - устройство межсетевого взаимодействия, используемое для объединения отдельных сетей и доступа к Internet. Маршрутизаторы обеспечивают сквозную маршрутизацию трафика между различными сетями на основании информации сетевого протокола и способны принимать решение о выборе оптимального маршрута движения данных в сети. С помощью маршрутизаторов решается также проблема чрезмерного широковещательного трафика, так как они не переадресовывают дальше широковещательные кадры, если им это не предписано. Маршрутизаторы и мосты отличаются тем, что:

  • мостовые соединения осуществляются на канальном уровне, а маршрутизация - на сетевом уровне модели ВОС;
  • мосты используют физические или МАС-адреса для принятия решения о передаче данных, а маршрутизаторы - различные схемы адресации, существующие на сетевом уровне. Адреса сетевого уровня называются логическими, или IP-адресами. Они реализованы в программном обеспечении и соотносятся с сетью, в кото-рой находится маршрутизатор, поэтому их называют еще сетевыми адресами или протокольными. МАС-адреса устанавливаются производителем сетевого адаптера и зашиваются в адаптере на аппаратном уровне. IP-адреса обычно назначаются сетевым администратором.
    •

    Для успешной маршрутизации необходимо, чтобы каждая сеть имела уникальный номер, который включается в IP-адрес каждого устройства, подключенного к сети.

    Таким образом, суммируя сведения о сетевых устройствах, можно отметить следующие:

  • сетевые устройства - это аппаратные средства, используемые для объединения сетей;
  • повторители принимают ослабленный сигнал, очищают его от помех, усиливают и отправляют дальше в сеть;
  • термин "концентратор" применяется вместо термина "повторитель", когда речь идет об устройстве, которое служит центром сети;
  • область сети, в пределах которой пакет данных порождается и вступает в конфликт, называется доменом коллизий;
  • мосты устраняют лишний трафик и уменьшают вероятность возникновения конфликтов, что достигается за счет разделения сети на сегменты и фильтрации трафика по адресу станции или МАС-адресу;
  • маршрутизаторы способны принимать интеллектуальные решения о выборе оптимального маршрута доставки данных в сети.
    •

    Структурированная кабельная система и логическая структуризация ЛКС

    Структурированная кабельная система (СКС) составляет фундамент любой компьютерной сети и представляет собой набор коммуникационных элементов (кабелей, разъемов, кроссовых панелей и шкафов, коннекторов), которые удовлетворяют стандартам локальных сетей и позволяют создавать регулярные, легко расширяемые структуры сетей путем добавления сегментов, коммутаторов или изъятия ненужного оборудования.

    Структурированная кабельная система, отвечающая высоким требованиям к качеству кабельной системы, строится избыточной, что облегчает реконфигурацию и расширение сетей (стоимость последующего расширения СКС превосходит стоимость установки избыточных элементов).

    СКС состоит из трех иерархически построенных подсистем: горизонтальной (в пределах этажа), соединяющей кроссовый шкаф этажа с розетками пользователей; вертикальной, соединяющей кроссовые шкафы каждого этажа с центральной аппаратной здания; подсистемы кампуса, соединяющей несколько зданий с главной аппаратной всего кампуса. Горизонтальная подсистема отличается многообразием ответвлений и перекрестных связей, наиболее подходящий тип кабеля для нее - неэкранированная витая пара. Вертикальная подсистема (иначе называемая магистральной) должна передавать данные на большие расстояния и с большей скоростью. Для нее выбор кабеля ограничивается двумя вариантами: волоконно-оптический кабель (это предпочтительный вариант) и толстый коаксиальный кабель - широкополосный кабель, используемый в кабельном телевидении. Для подсистемы кампуса предпочтительным кабелем является оптоволокно.

    Структурированная кабельная система по сравнению с хаотически проложенными кабелями обладает рядом преимуществ: более высокой надежностью (производитель СКС гарантирует качество не только ее отдельных элементов, но и их совместимость), универсальностью (СКС может стать единой передающей средой в ЛКС для передачи компьютерных данных, организации локальной телефонной сети, передачи видеоинформации), большим сроком службы (до 10-15 лет), меньшими затратами при расширении сети с целью добавления новых РС (что объясняется избыточностью СКС), обеспечением более эффективного обслуживания (в СКС отказ одного сегмента не приводит к отказу всей сети, так как сег-менты объединяются концентраторами, которые диагностируют и локализуют неисправный участок).

    В настоящее время эксплуатируется громадное количество сравнительно небольших локальных сетей (на 10-30 РС), в том числе и тех, в которых передаются большие объемы мультимедийной информации и применяются высокоскоростные технологии (скорость обмена до 1000 Мбит/с). Для них характерно использование одной разделяемой среды, что позволяет реализовать стандартные технологии и приводит к экономичным и эффективным решениям.

    Эффективность одной разделяемой среды для небольших ЛКС очевидна:

  • возможность использования стандартного набора протоколов, а следовательно, сравнительно дешевого коммуникационного оборудования - сетевых адаптеров, повторителей, концентраторов;
  • возможность наращивания (в определенных пределах) числа узлов сети;
  • довольно простое управление сетью, чему способствует сама логика разделения среды, не допускающая потерь кадров из-за переполнения буферов коммуникационных устройств.
    •

    Однако по мере развития локальных сетей, появления новых технологий и протоколов все в большей степени стали проявляться недостатки ЛКС на одной разделяемой среде. Главные из них следующие:

  • невозможность построения крупных сетей (на сотни и тысячи узлов) на основе одной разделяемой среды. Причина не только в том, что все технологии ограничивают количество узлов в разделяемой среде (Token Ring - 260 узлами, FDDI - 500 узлами, все виды семейства Ethernet - 1024 узлами), но и в плохой работе сети на одной разделяемой среде, если количество РС приближается к разрешенному пределу;
  • резкое возрастание величины задержки доступа к передающей среде при достижении коэффициента использования сети некоторого порогового значения (коэффициент использования сети, иначе называемый коэффициентом нагрузки сети, - это отношение трафика, который должна передать сеть, к ее максимальной пропускной способности). Для всего семейства технологий Ethernet пороговое значение этого коэффициента равно 40-50 %, для технологии Token Ring - 60 %, и для технологии FDDI - 70 %;
  • имеются жесткие ограничения максимальной длины сети: они лежат в пределах нескольких километров, и только для технологии FDDI это несколько десятков километров.
    •

    Все эти недостатки и ограничения, возникающие из-за использования общей разделяемой среды, преодолеваются путем разделения сети на несколько разделяемых сред, или отдельных сегментов, которые соединяются мостами, коммутаторами или маршрутизаторами. Следовательно, единая разделяемая среда, созданная концентраторами, делится на несколько частей (сегментов), подсоединяемых к портам моста, коммутатора или маршрутизатора. Такое деление сети, называемое структуризацией сети, обладает рядом преимуществ. К их числу относятся следующие.

  • Повышение производительности сети при том же количестве узлов, составе и характеристиках сетевого оборудования. Это объяснятся разгрузкой сегментов: в пределах данного сегмента циркулируют информационные потоки, создаваемые только "своими" рабочими станциями.
  • Увеличение гибкости сети. Каждая подсеть, т.е. логический сегмент сети, может быть адаптирована к специфическим особенностям рабочей группы пользователей, которую она обслуживает. Этому способствует и то, что каждая подсеть имеет свои средства управления, повышающие степень ее самостоятельности.
  • Повышение безопасности данных, циркулирующих в сети. Это обеспечивается путем запрета доступа определенных пользователей к ресурсам "чужих" сегментов, установления различных логических фильтров на мостах, коммутаторах и маршрутизаторах с целью контроля доступа к ресурсам, чего не позволяют сделать повторители. При работе в широковещательном режиме в сети с общей разделяемой средой информация распространяется по всей кабельной системе, поэтому лица, заинтересованные в расстройстве схемы адресации и приеме не адресованных им передач, имеют для этого большие возможности. В сети с логической структуризацией защищенность информации выше, так как работа в широковещательном режиме возможна только в пределах логического сегмента.
  • Упрощение управления сетью. Это можно рассматривать как побочный эффект уменьшения трафика и повышения безопасности данных. Подсети образуют логические домены управления сетью, поэтому проблемы одной подсети не оказывают влияния на другие подсети.
  • Повышение надежности работы сети: выход из строя одной подсети не отражается на работе других взаимосвязанных подсетей сети, так как коммуникационное оборудование, осуществляющее множественное взаимодействие, изолирует отказавшие подсети.
  • Увеличивается диапазон действия сети, так как коммуникационное оборудование устраняет ограничение по допустимой протяженности кабеля.
  • Возможность использования приоритизации трафика. Эта возможность обусловлена тем, что коммутаторы буферизируют кадры перед их отправкой на другой порт. Для каждого входного и выходного порта коммутатор формирует не одну, а несколько очередей, отличающихся по приоритету обработки. Приоритизация трафика коммутаторами - это один из механизмов обеспечения качества транспортного обслуживания в ЛКС. Она особенно желательна для приложений, предъявляющих различные требования к допустимым задержкам кадров и к пропускной способности сети.
  • Возможность использования полнодуплексного режима работы протоколов локальных сетей. Такая возможность предоставляется коммутаторами ЛКС. В этом режиме отсутствует этап доступа к разделяемой среде, а общая скорость передачи данных увеличивается в два раза (по сравнению с полудуплексным режимом).
  • Отсутствие необходимости в замене уже установленного оборудования - кабельной системы, сетевых адаптеров, концентраторов. К портам коммутаторов можно подключать как конечный узел сети, так и концентратор, организующий логический сегмент.
    •

    Контрольные вопросы:

  • Какие характеристики ЛКС в наибольшей степени определяют ее возможности?
  • Как классифицируются ЛКС?
  • В чем состоят основные особенности ЛКС?
  • Каковы тенденции развития ЛКС?
  • Характеристика режимов работы протокола LLC.
  • Технология Ethernet - сущность, оценка, области применения.
  • Технология Token Ring - сущность, оценка, области применения.
  • Особенности технологий Fast Ethernet, 10VG-AnyLAП и Gigabit Ethernet.
  • Характеристика протокола IPX/SPX.
  • Состав и назначение сетевого коммуникационного оборудования ЛКС.
  • Всегда ли глобальная вычислительная сеть (ГВС) имеет в своей основе базовую сеть передачи данных?
  • Для чего необходимы точки соединения сетей (Interconnect Points) и точки доступа к сети (Network Access Points)?
  • Охарактеризуйте высокоскоростную магистраль Abilene.
  • В связи с чем 1 января 1983 года принято считать официальной датой рождения Интернет?
  • Каким образом в странах СНГ создаваемые сети соединяются между собой для обмена информацией?
  • Каким образом осуществляются доступ региональных научных сетей России к международному каналу связи и обмен трафиком иностранных сетей с основными российскими сетями?
  • Какие виды сервиса Интернет относятся к традиционным?
  • Дайте характеристику разным видам провайдеров Интернета.
  • Чем можно объяснить, что Интернет построен на основе архитектуры "клиент-сервер"?
  • Чем обеспечивается безопасность работы в Интернете?
    •
    Страницы:

    Характеристика и особенности ЛКС

    Локальная компьютерная сеть представляет собой систему обмена информацией и распределенной обработки данных, охватывающую небольшую территорию (этаж, здание, несколько соседних зданий) внутри предприятий и организаций, т.е. это система взаимосвязанных и распределенных на фиксированной территории средств передачи, хранения и обработки информации, ориентированных на коллективное использование общесетевых ресурсов - аппаратных, программных, информационных. Такую сеть можно рассматривать как коммуникационную систему, которая поддерживает в пределах некоторой ограниченной территории один или несколько высокоскоростных каналов передачи информации, предоставляемых подключенным абонентским системам для кратковременного использования.

    В обобщенной структуре ЛКС выделяются совокупность абонентских систем (АС), серверов и коммуникационная подсеть (КП). Основными компонентами ЛКС являются кабели с оконечным приемопередающим оборудованием, рабочие станции (РС), серверы, сетевые адаптеры, модемы, концентраторы, коммутаторы, маршрутизаторы, мосты (их назначение указано ниже).

    Рабочие станции формируются на базе персональных компьютеров (ПК) и используются для решения прикладных задач, выдачи запросов в сеть на обслуживание, приема результатов удовлетворения запросов, обмена информацией с другими РС.

    Серверы сети - это аппаратно-программные системы, выполняющие функции управления сетевыми ресурсами общего доступа; они могут работать и как обычные АС. Сервер создается на базе более мощного ПК, чем для РС. В ЛКС может быть несколько различных серверов для управления сетевыми ресурсами, однако всегда имеется один (или несколько) для управления внешними ЗУ общего доступа и организации распределенных баз данных (РБД).

    Рабочие станции и серверы соединяются с кабелем коммуникационной подсети с помощью интерфейсных плат (сетевых адаптеров - СА), основные функции которых- организация приема-передачи данных из (в) РС, согласование скорости приема-передачи информации (буферизация), формирование пакета данных, параллельно-последовательное пре-образование кодов (конвертирование), кодирование/декодирование данных, проверка правильности передачи, установление соединения с требуемым абонентом сети, организация собственно обмена данными. В ряде случаев перечень функций СА существенно увеличивается, и тогда они строятся на основе микропроцессоров.

    К основным характеристикам ЛКС относятся следующие:

  • длина общего канала связи;
  • вид физической среды передачи данных (волоконно-оптический кабель, витая пара, коаксиальный кабель);
  • топология сети;
  • максимальное число АС в сети;
  • максимально возможное расстояние между РС в сети;
  • максимальное число каналов передачи данных;
  • максимальная скорость передачи данных;
  • тип передачи сигналов (синхронный или асинхронный);
  • способ синхронизации сигналов;
  • метод доступа абонентов в сеть;
  • структура программного обеспечения сети;
  • возможность передачи голоса, изображений, видеосигналов;
  • возможность связи ЛКС между собой и сетью более высокого уровня;
  • возможность использования процедуры установления приоритетов при одновременном подключении абонентов к общему каналу;
  • условия надежной работы сети.
    •

    К числу наиболее типичных областей применения ЛКС относятся следующие [87].

    Обработка текстов - одна из наиболее распространенных функций средств обработки информации, используемых в ЛКС. Передача и обработка информации в сети, развернутой на предприятии (в организации, вузе и т.д.), обеспечивает реальный переход к "безбумажной" технологии, вытесняя полностью или частично пишущие машинки.

    Организация собственных информационных систем, содержащих автоматизированные базы данных - индивидуальные и общие, сосредоточенные и распределенные. Такие БД могут быть в каждой организации или фирме.

    Обмен информацией между АС сети - важное средство сокращения до минимума бумажного документооборота.

    Обеспечение распределенной обработки данных, связанное с объединением АРМ всех специалистов данной организации в сеть.

    Поддержка принятия управленческих решений, предоставляющая руководителям и управленческому персоналу организации достоверную и оперативную информацию, которая необходима для оценки ситуации и принятия правильных решений.

    Организация электронной почты - одного из видов услуг ЛКС, которые позволяют руководителям и всем сотрудникам предприятия оперативно получать всевозможные сведения, необходимые в его производственно-хозяйственной, коммерческой и торговой деятельности.

    Коллективное использование дорогостоящих ресурсов необходимое условие снижения стоимости работ, выполняемых в порядке реализации вышеуказанных применений ЛКС.

    Для деления ЛКС на группы используются определенные классификационные признаки [87].

    По назначению ЛКС делятся на информационные (информационно-поисковые), управляющие (технологическими, административными, организационными и другими процессами), информационно-расчетные и другие.

    По типам используемых в сети ЭВМ их можно разделить на неоднородные, где применяются различные классы (микро-, мини-, большие) и модели (внутри классов) ЭВМ, а также различное абонентское оборудование, и однородные, содержащие одинаковые модели ЭВМ и однотипный состав абонентских средств.

    По организации управления однородные ЛКС разделяются на сети с централизованным и децентрализованным управлением.

    В сетях с централизованным управлением выделяются одна или несколько машин (центральных систем или органов), управляющих работой сети. Диски выделенных машин, называемых файл-серверами или серверами баз данных, доступны всем другим компьютерам (рабочим станциям) сети. На серверах работает сетевая ОС. Каждая РС имеет доступ к дискам серверов и совместно используемым принтерам, но, как правило, не может работать непосредственно с дисками других РС. Серверы могут быть выделенными, и тогда они выполняют только задачи управления сетью и не используются как РС, или невыделенными, когда параллельно с задачей управления сетью выполняют пользовательские программы (при этом снижается производительность сервера и надежность работы всей сети из-за возможной ошибки в пользовательской программе, которая может привести к остановке работы сети). Такие сети отличаются простотой обеспечения функций взаимодействия между АС. В сетях с централизованным управлением большая часть информационно-вычислительных ресурсов сосредоточена в центральной системе.

    Если информационно-вычислительные ресурсы ЛКС равномерно распределены по большому числу АС, централизованное управление мало эффективно из-за резкого увеличения служебной (управляющей) информации. В этом случае эффективными оказываются сети с децентрализованным (распределенным) управлением, или одноранговые. В таких сетях нет выделенных серверов, функции управления сетью передаются по очереди от одной РС к другой. Рабочие станции имеют доступ к дискам и принтерам других РС. Это облегчает совместную работу групп пользователей, но производительность сети несколько понижается. По скорости передачи данных в общем канале различают:

  • ЛКС с малой пропускной способностью (единицы и десятки мегабит в секунду), в которых в качестве физической передающей среды используются обычно витая пара или коаксиальный кабель;
  • ЛКС со средней пропускной способностью (десятки мегабит в секунду), в которых используется также коаксиальный кабель или витая пара;
  • ЛКС с большой пропускной способностью (сотни мегабит в секунду), где применяются оптоволоконные кабели (световоды).
    •

    По топологии, т.е. конфигурации элементов в сети, ЛКС бывают с шинной топологией, кольцевой, звездообразной, смешанной (звездно-кольцевой, сегментированной).

    Отметим основные особенности ЛКС и их отличия от глобальных сетей. Они заключаются в следующем [84], [85].

  • Качество линий связи, способ их прокладки и протяженность. Поскольку ЛКС по определению отличаются небольшой протяженностью линий связи, в таких сетях стало возможным применение высококачественных линий (коаксиального кабеля, витой пары, оптоволоконного кабеля), не всегда доступным в ГКС из-за экономических ограничений. В ГКС часто применяются уже существующие телефонные линии связи, а в ЛКС линии прокладываются заново.
  • Разделение каналов. Каналы связи в ЛКС используются, как правило, совместно несколькими узлами сети, а в ГКС - индивидуально.
  • Использование метода коммутации пакетов. Для ЛКС характерно неравномерное распределение нагрузки, т.е. наличие пульсирующего трафика. В связи с этим очень эффективной оказывается коммутация пакетов, обеспечивающая большую пропускную способность сети. В ГКС наряду с коммутацией используются и другие методы коммутации, а также некоммутируемые каналы.
  • Масштабируемость. ЛКС отличаются плохой масштабируемостью из-за жесткости базовых топологий, определяющих способ подключения РС и длину линий связи. ГКС рассчитаны на работу с произвольными топологиями, поэтому для них характерна хорошая масштабируемость.
  • Сложность оборудования и методов передачи данных. В ЛКС наличие качественных линий связи позволило упростить процедуры передачи данных (применяются немодулированные информационные сигналы, отсутствуют обязательные подтверждения получения пакета) и соответствующее оборудование. В ГКС из-за низкой надежности физических каналов эти процедуры значительно сложнее: широко применяются модуляция, асинхронные методы передачи данных, сложные методы контроля достоверности передачи данных и обеспечения их безопасности и т.д.
  • Скорость обмена данными. В ЛКС, где используются высокоскоростные каналы (10, 16, 100 и более Мбит/с), она неизмеримо больше, чем в ГКС, где скорости передачи данных 2400, 9600, 28800, 33600 бит/с, 56 и 64 Кбит/с и только на магистральных каналах - до 2 Мбит/с.
  • Оперативность удовлетворения запросов пользователей. Для ЛКС обычным является режим on-line, поэтому время доставки пакета (кадра) адресату составляет несколько миллисекунд. В ГКС, где скорость передачи данных сравнительно низкая, это время исчисляется несколькими секундами, реализация служб для режима on-line затруднена, зато широко используется режим off-line (дейтаграммный режим доставки пакетов).
  • Перечень услуг пользователям. В ЛКС этот перечень существенно шире, чем в ГКС, где в основном предоставляются почтовые услуги и передача файлов.
    •

    Заметим, что указанные особенности ЛКС и их отличия от глобальных сетей характерны для сетей конца 80-х и начала 90-х годов ХХ века. В последние годы наметилась устойчивая тенденция сближения ЛКС и ГКС, приведшая к значительному взаимопроникновению их технологий. Одним из проявлений этой тенденции является появление корпоратив-ных и городских сетей, занимающих промежуточное положение между локальными и глобальными сетями. В таких сетях даже при больших расстояниях между узлами прокладываются качественные линии связи, обеспечивающие высокие скорости передачи данных. Используются оптоволоконные линии связи, упрощаются процедуры обеспечения корректности передачи информации, как это имеет место в сети Frame Relay. Режим работы on-line стал обычным и в ГКС, например, в гипертекстовой информационной службе WWW (World Wide Web), интерактивные возможности которой перенесены в ЛКС.

    Процесс переноса служб и технологий из глобальных сетей в локальные и корпоративные сети приобрел практически массовый характер. В связи с этим появился даже специальный термин - Intranet-технологии (Intra - внутренний), обозначающий применение служб внешних (глобальных) сетей во внутренних (локальных, корпоративных). В ЛКС стали обращать такое же большое внимание на обеспечение безопасности ин-формации, как и в глобальных, т. е. используются те же методы защиты информации от несанкционированного доступа. Появляются новые технологии, предназначенные для использования в ГКС и ЛКС. Это прежде всего технология АТМ, объединяющая все существующие виды трафика в одной транспортной сети.

    Протоколы и технологии локальных сетей

    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. Такие простые решения, характерные для разработчиков первых ЛКС во второй половине 70-х годов ХХ 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 - моноканал, производительность сети ограничивается пропускной способностью этого пути, а надежность сети - надежностью пути. Поэтому по мере развития и расширения сфер применения локальных сетей с помощью специ-альных 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 отмеченных, 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 канальный уровень разделен на два подуровня:

  • логической передачи данных (LLC - Logical Link Control);
  • управления доступом к среде (МАС - Media Access Control).
    •

    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 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.

    Технология Ethernet (стандарт 802.3). Это самый распространенный стандарт локальных сетей. По этому протоколу в настоящее время работают большинство ЛКС. Имеется несколько вариантов и модификаций технологии Ethernet, составляющих целое семейство технологий. Из них наиболее известными являются 10-мегабитный вариант стандарта IEEE 802.3, а также новые высокоскоростные технологии Fast Ethernet и Gigabit Ethernet. Все эти варианты и модификации отличаются типом физической среды передачи данных.

    Все виды стандартов Ethernet используют один и тот же метод доступа к передающей среде - метод случайного доступа CSMA/CD. Он применяется исключительно в сетях с общей логической шиной, которая работает в режиме коллективного доступа и служит для передачи данных между любыми двумя узлами сети. Такой метод доступа носит вероятностный характер: вероятность получения среды передачи в свое распоряжение зависит от загруженности сети. При значительной загрузке сети интенсивность коллизий возрастает и ее полезная пропускная способ-ность резко падает.

    Полезная пропускная способность сети - это скорость передачи пользовательских данных, переносимых полем данных кадров. Она всегда меньше номинальной битовой скорости протокола Ethernet за счет служебной информации кадра, межкадровых интервалов и ожидания доступа к среде. Коэффициент использования сети в случае отсутствия коллизий и ожидания доступа имеет максимальное значение 0,96.

    Технологией Ethernet поддерживаются 4 разных типа кадров, имеющих общий формат адресов. Распознавание типа кадров осуществляется автоматически.

    Для всех стандартов Ethernet имеют место следующие характеристики и ограничения:

  • номинальная пропускная способность - 10 Мбит/с;
  • максимальное число РС в сети - 1024;
  • максимальное расстояние между узлами в сети - 2500 м;
  • максимальное число коаксиальных сегментов сети - 5;
  • максимальная длина сегмента - от 100 м (для 10Base-T) до 2000 м (для 10Base-F);
  • максимальное число повторителей между любыми станциями сети - 4.
    •

    Технология Token Ring (стандарт 802.5). Здесь используется разделяемая среда передачи данных, которая состоит из отрезков кабеля, соединяющих все РС сети в кольцо. К кольцу (общему разделяемому ресурсу) применяется детерминированный доступ, основанный на передаче станциям права на использование кольца в определенном порядке. Это право предается с помощью маркера. Маркерный метод доступа гарантирует каждой РС получение доступа к кольцу в течение времени оборота маркера. Используется приоритетная система владения маркером - от 0 (низший приоритет) до 7 (высший). Приоритет для текущего кадра определяется самой станцией, которая может захватить кольцо, если в нем нет более приоритетных кадров.

    В сетях Token Ring в качестве физической среды передачи данных применяется экранированная и неэкранированная витая пара и волоконно-оптический кабель. Сети работают с двумя битовыми скоростями - 4 и 16 Мбит/с, причем в одном кольце все РС должны работать с одной скоростью. Максимальная длина кольца - 4 км, а максимальное количество РС в кольце - 260. Ограничения на максимальную длину кольца связаны со временем оборота маркера по кольцу. Если в кольце 260 станций и время удержания маркера каждой станцией равно 10 мс, то маркер после совершения полного оборота вернется в активный монитор через 2,6 с. При передаче длинного сообщения, разбиваемого, например, на 50 кадров, это сообщение будет принято получателем в лучшем случае (когда активной является только РС-отправитель) через 260 с, что для пользователей не всегда приемлемо.

    Максимальный размер кадра в стандарте 802.5 не определен. Обычно он принимается равным 4 Кбайтам для сетей 4 Мбит/с и 16 Кбайтам для сетей 16 Мбит/с.

    В сетях 16 Мбит/с используется также и более эффективный алгоритм доступа к кольцу. Это алгоритм раннего освобождения маркера (ETR): станция передает маркер доступа следующей станции сразу же после окончания передачи последнего бита своего кадра, не дожидаясь возвращения по кольцу этого кадра и занятого маркера. В этом случае по кольцу будут передаваться одновременно кадры нескольких станций, что существенно повышает эффективность использования пропускной способности кольца. Конечно, и в этом случае в каждый данный момент ге-нерировать кадр в кольцо может только та РС, которая в этот момент владеет маркером доступа, а остальные станции будут лишь ретранслировать чужие кадры.

    Технология Token Ring (технология этих сетей была разработана еще в 1984 г. фирмой IBM) существенно сложнее технологии Ethernet. В ней заложены возможности отказоустойчивости: за счет обратной связи кольца одна из станций (активный монитор) непрерывно контролирует наличие маркера, время оборота маркера и кадров данных, обнаруженные ошибки в сети устраняются автоматически, например, потерянный маркер может быть восстановлен. В случае выхода из строя активного монитора выбирается новый активный монитор и процедура инициализации кольца повторяется.

    Стандарт Token Ring изначально предусматривал построение связей в сети с помощью концентраторов, называемых MAU, т.е. устройствами многостанционного доступа. Концентратор может быть пассивным (соединяет порты внутренними связями так, чтобы РС, подключенные к этим портам, образовали кольцо, а также обеспечивает обход какого-либо порта, если подключенный к этому порту компьютер выключается) или активным (выполняет функции регенерации сигналов и поэтому иногда называется повторителем).

    Для сетей Token Ring характерна звездно-кольцевая топология: РС подключаются к концентраторам по топологии звезды, а сами концентраторы через специальные порты Ring In (RI) и Ring Out (RO) объединяются для образования магистрального физического кольца. Сеть Token Ring может строиться на основе нескольких колец, разделенных мостами, маршрутизирующие кадры адресату (каждый кадр снабжается полем с маршрутом прохождения колец).

    Недавно технология Token Ring стараниями компании IBM получила новое развитие: предложен новый вариант этой технологии (HSTR), поддерживающий битовые скорости в 100 и 155 Мбит/с. При этом сохранены основные особенности технологии Token Ring 16 Мбит/с.

    Технология FDDI. Это первая технология ЛКС, в которой для передачи данных используется волоконно-оптический кабель. Она появилась в 1988 г. и ее официальное название - оптоволоконный интерфейс распределенных данных (Fiber Distributed Data Interface, FDDI). В настоящее время в качестве физической среды, кроме волоконно-оптического кабеля, применяется неэкранированная витая пара.

    Технология FDDI предназначена для использования на магистральных соединениях между сетями, для подключения к сети высокопроизводительных серверов, в корпоративных и городских сетях. Поэтому в ней обеспечена высокая скорость передачи данных (100 Мбит/с), отказоустойчивость на уровне протокола и большие расстояния между узлами сети. Все это сказалось на стоимости подключения к сети: для подключения клиентских компьютеров эта технология оказалась слишком дорогой.

    Существует значительная преемственность между технологиями Token Ring и FDDI. Основные идеи технологии Token Ring восприняты и получили совершенствование и развитие в технологии FDDI, в частности, кольцевая топология и маркерный метод доступа.

    В сети FDDI для передачи данных используются два оптоволоконных кольца, образующих основной и резервный пути передачи между РС. Станции сети подключаются к обоим кольцам. В нормальном режиме задействовано только основное кольцо. В случае отказа какой-либо части основного кольца оно объединяется с резервным кольцом, вновь образуя единое кольцо (это режим "свертывания" колец) с помощью концентраторов и сетевых адаптеров. Наличие процедуры "свертывания" при отказах - основной способ повышения отказоустойчивости сети. Существуют и другие процедуры для определения отказов в сети и восстановления ее работоспособности.

    Основное отличие маркерного метода доступа к передающей среде, используемого в сети FDDI, от этого метода в сети Token Ring заключается в том, что в сети FDDI время удержания маркера является постоянной величиной только для синхронного трафика, который критичен к задержкам передачи кадров. Для асинхронного трафика, не критичного к небольшим задержкам передачи кадров, это время зависит от загрузки кольца: при небольшой загрузке оно увеличивается, а при большой - может уменьшаться до нуля. Таким образом, для асинхронного трафика метод доступа является адаптивным, хорошо регулирующим временные перегрузки сети. Механизм приоритетов кадров отсутствует. Считается, что достаточно разделить трафик на два класса - синхронный, который обслуживается всегда (даже при перегрузках кольца), и асинхронный, обслуживаемый при малой загрузке кольца. Станции FDDI применяют алгоритм раннего освобождения маркера, как это сделано в сети Token Ring со скоростью 16 Мбит/с.

    В сети FDDI выделенный активный монитор отсутствует, все станции и концентраторы равноправны, при обнаружении отклонений от нормы они осуществляют повторную инициализацию сети и, если это не-обходимо, ее реконфигурацию.

    Результаты сравнения технологии FDDI с технологиями Ethernet и Token Ring приведены в табл.5.1.

    Технологии Fast Ethernet и 100VG-AnyLAN. Обе эти технологии не являются самостоятельными стандартами и рассматриваются как развитие и дополнение технологии Ethernet, реализованное соответственно в 1995 и 1998 годах. Новые технологии Fast Ethernet (стандарт 802.3и) и 100VG-AnyLAN (стандарт 802.3z) имеют производительность 100 Мбит/с и отличаются степенью преемственности с классическим Ethernet.

    В стандарте 802.3и сохранен метод случайного доступа CSMA/CD и тем самым обеспечена преемственность и согласованность сетей 10 Мбит/с и 100 Мбит/с.

    В технологии 100VG-AnyLAH используется совершенно новый метод доступа - Demand Priority (DP), приоритетный доступ по требованию. Эта технология существенно отличается от технологии Ethernet. Она поддерживает различные типы трафика в довольно узкой области и не нашла широкого распространения.

    Отметим особенности технологии Fast Ethernet и ее отличия от технологии Ethernet:

  • структура физического уровня технологии Fast Ethernet - более сложная, что объясняется использованием трех вариантов кабельных систем: волоконно-оптический кабель, витая пара категории 5 (используются две пары), витая пара категории 3 (используются четыре пары). Отказ от коаксиального кабеля привел к тому, что сети этой технологии всегда имеют иерархическую древовидную структуру;
  • диаметр сети сокращен до 200 м, время передачи кадра минимальной длины уменьшено в 10 раз за счет увеличения скорости передачи в 10 раз;

  • технология Fast Ethernet может использоваться при создании магистралей локальных сетей большой протяженности совместно с коммутаторами (полудуплексный вариант работы для этой технологии является основным);

    Сравнение сетей различных топологий
    Характеристики Тип технологии
    FDDI Ethernet Token Ring
    Пропускная способность Мбит/с 100 10 16
    Топология Двойное кольцо Шина, звезда Звезда, кольцо
    Метод доступа Маркерный, доля от времени оборота маркера CSMA/CD Маркерный, приоритетная система резервирования
    Среда передачи данных Оптоволокно, неэкранированная витая пара Толстый коаксиал, тонкий коаксиал, витая пара, оптоволокно Экранированная и неэкранированная витая пара, оптоволокно
    Максимальная длина сети (без мостов) 200 км (100 км на кольцо) 2500 м 4000 м
    Максимальное расстояние между узлами 2 км 2500 м 100 м
    Максимальное количество узлов 500 1024 260
  • для всех трех спецификаций физического уровня, отличающихся типом применяемого кабеля, форматы кадров отличаются от форматов кадров технологий 10-мегабитного Ethernet;
  • признаком свободного состояния передающей среды является не отсутствие сигналов, а передача по ней специального символа в кодированном виде;
  • применяется метод кодирования 4В/5В, хорошо себя зарекомендовавший в технологии FDDI. В соответствии с этим методом каждые 4 бита передаваемых данных представляются 5 битами, т.е. из 32 комбинаций 5-битных символов для кодирования исходных 4-битных символов используются только 16 комбинаций, а из ос-тавшихся 16 комбинаций выбираются несколько кодов, которые используются как служебные. Один из служебных кодов постоянно передается в течение пауз между передачей кадров. Если он в линии связи отсутствует, то это свидетельствует об отказе физической связи;
  • кодирование и синхронизация сигналов осуществляются с помощью биполярного кода NRZ;
  • технология Fast Ethernet рассчитана на применение концентраторов-повторителей для образования связей в сети (то же самое имеет место для всех некоаксиальных вариантов Ethernet).
    •

    Технология Gigabit Ethernet. Появление этой технологии представляет собой новую ступень в иерархии сетей семейства Ethernet, обеспечивающую скорость передачи в 1000 Мбит/с. Стандарт по этой технологии принят в 1998г., в нем максимально сохранены идеи классической технологии Ethernet.

    По поводу технологии Gigabit Ethernet следует отметить следующее:

  • на уровне протокола не поддерживаются (так же, как и у его предшественников): качество обслуживания, избыточные связи, тестирование работоспособности узлов и оборудования. Что касается качества обслуживания, то считается, что высокая скорость передачи данных по магистрали и возможность назначения пакетам приоритетов в коммутаторах вполне достаточны для обеспечения качества транспортного обслуживания пользователей сети. Поддержка избыточных связей и тестирование оборудования осуществляются протоколами более высоких уровней;
  • сохраняются все форматы кадров Ethernet;
  • имеется возможность работы в полудуплексном и полнодуплексном режимах. Первый из них поддерживает метод доступа CSMA/CD, а второй - работу с коммутаторами;
  • поддерживаются все основные виды кабелей, как и в предшествующих технологиях этого семейства: волоконно-оптический, коаксиальный, витая пара;
  • минимальный размер кадра увеличен с 64 до 512 байт, максимальный диаметр сети тот же - 200 м. Можно передавать несколько кадров подряд, не освобождая среду.
    •

    Технология Gigabit Ethernet позволяет строить крупные локальные сети, в которых серверы и магистрали нижних уровней сети работают на скорости 100 Мбит/с, а магистраль 1000 Мбит/с объединяет их, обеспечивая запас пропускной способности.

    Технология Wi-Fi. Технология Wi-Fi (произносится "вай-фай", сокр. от англ. Wireless Fidelity - беспроводная надежность) - это стандарт на оборудование Wireless LAN, которое устанавливается там, где развертывание кабельной системы невозможно или экономически нецелесообразно. Мобильные устройства этого оборудования (смартфоны и ноутбуки), оснащенные клиентскими Wi-Fi приемо-передающими устройствами, могут подключаться к локальной сети и получать доступ в Internet через так называемые точки доступа (хост-порты).

    Обычно схема Wi-Fi сети содержит не менее одной точки доступа и не менее одного клиента, но возможно подключение двух клиентов в режиме "точка-точка", и тогда точка доступа не используется, а клиенты со-единяются посредством сетевых адаптеров напрямую. Наименьшая скорость передачи данных для Wi-Fi - 1 Мбит/с. Стандарт Wi-Fi дает клиенту полную свободу при выборе критериев для соединения с другими клиентами. Последние версии операционных систем этого стандарта содержат функцию, которая показывает пользователю все доступные сети и позволяет переключаться между ними.

    Технология Wi-Fi применяется в основном для управления движущимися объектами, а также в тех случаях, когда невозможно прокладывать проводные сети Ethernet.

    Преимущества Wi-Fi:

  • возможность развертывания сети без прокладки кабеля, что уменьшает стоимость ее создания и расширения;
  • Wi-Fi-устройства достаточно широко представлены на рынке, а устройства разных производителей могут взаимодействовать на базовом уровне сервисов;
  • для клиентских станций возможно перемещение в пространстве;
  • Wi-Fi - это набор глобальных стандартов, поэтому Wi-Fi-оборудование может работать в разных странах по всему миру.
    •

    В качестве недостатков Wi-Fi можно отметить следующие:

  • наличие ограничений в частотном диапазоне в различных странах;
  • довольно высокое по сравнению с другими стандартами потребление энергии;
  • ограниченный радиус действия (до 100 м);
  • возможность наложения сигналов от различных точек доступа, что затрудняет связь клиентов друг с другом;
  • недостаточно высокая информационная безопасность. Отметим, что Microsoft Windows полностью поддерживает Wi-Fi посредством драйверов.
    •

    До сих пор рассматривались протоколы, работающие на первых трех уровнях семиуровневой эталонной модели ВОС и реализующие соответствующие методы логической передачи данных и доступа к передающей среде. В соответствии с этими протоколами передаются пакеты между рабочими станциями, но не решаются вопросы, связанные с сетевыми фай-ловыми системами и переадресацией файлов. Эти протоколы не включают никаких средств обеспечения правильной последовательности приема переданных данных и средств идентификации прикладных программ, нуждающихся в обмене данными.

    В отличие от протоколов нижнего уровня, протоколы верхнего уровня (называемые также протоколами среднего уровня, так как они реализуются на 4-м и 5-м уровнях модели ВОС) служат для обмена данными. Они предоставляют программам интерфейс для передачи данных методом дейтаграмм, когда пакеты адресуются и передаются без подтвержде-ния получения, и методом сеансов связи, когда устанавливается логическая связь между взаимодействующими станциями (источником и адресатом) и доставка сообщений подтверждается.

    Здесь лишь коротко отметим протокол IPX/SPX, получивший некоторое применение в локальных сетях, особенно в связи с усложнением их топологии (вопросы маршрутизации перестали быть тривиальными) и расширением предоставляемых услуг. IPX/SPX - сетевой протокол NetWare, причем IPX (Internetwork Packet Exchange) - протокол межсетевого обмена пакетами, а SPX (Sequenced Packet Exchange) - протокол последовательного обмена пакетами.

    Протокол IPX/SPX. Этот протокол является набором протоколов IPX и SPX. Фирма Nowell в сетевой операционной системе NetWare применяет протокол IPX для обмена дейтаграммами и протокол SPX для обмена в сеансах связи.

    Протокол IPX/SPX относится к программно-реализованным протоколам. Он не работает с аппаратными прерываниями, используя функции драйверов операционных систем. Пара протоколов IPX/SPX имеет фиксированную длину заголовка, что приводит к полной совместимости разных реализаций этих протоколов.

    Протокол IPX применяется маршрутизаторами в сетевой операционной системе (СОС) NetWare. Он соответствует сетевому уровню модели ВОС и выполняет функции адресации, маршрутизации и переадресации в процессе передачи пакетов данных. Несмотря на отсутствие гарантий доставки сообщений (адресат не передает отправителю подтверждения о получении сообщения), в 95% случаев не требуется повторной передачи. На уровне IPX выполняются служебные запросы к файловым серверам, и каждый такой запрос требует ответа со стороны сервера. Этим и определяется надежность работы методом дейтаграмм, так как маршрутизаторы воспринимают реакцию сервера на запрос как ответ на правильно переданный пакет.

    Протокол SPX работает на транспортном уровне модели ВОС, но имеет и функции, свойственные протоколам сеансового уровня. Он осуществляет управление процессами установки логической связи, обмена и окончания связи между любыми двумя узлами (рабочими станциями) ЛКС. После установления логической связи пакеты могут циркулировать в обоих направлениях с гарантией того, что они передаются без ошибок. Протокол SPX гарантирует очередность приема пакетов согласно очередности отправления.

    Сетевые устройства ЛКС

    Укажем назначение и наиболее важные особенности сетевых устройств, используемых в локальных сетях.

    Сетевой адаптер (СА) - электронная плата для сопряжения компьютера со средой передачи информации в сети.

    Сетевые адаптеры, концентраторы и кабельная система - это минимум оборудования для создания ЛКС с общей разделяемой средой, но с небольшим количеством РС, иначе общая среда становится узким местом по пропускной способности. Поэтому сетевые адаптеры и концентраторы используются для построения базовых фрагментов сетей, которые объединяются в более крупные структуры с помощью мостов, коммутаторов и маршрутизаторов.

    Выпускаемые в настоящее время адаптеры можно отнести к адаптерам четвертого поколения. Они выполняют ряд высокоуровневых функций, таких как приоритизация кадров, адаптация к временным параметрам шины и оперативной памяти компьютера с целью повышения производительности обмена "сеть-компьютер".

    Повторители - относятся к физическому уровню эталонной модели ВОС. Они позволяют увеличивать протяженность сети, гарантируя при этом, что сигналы (последовательность электрических или световых им-пульсов, несущих информацию и перемещающихся в среде передачи данных) будут распознаны принимающим устройством. Повторители принимают ослабленный (вследствие затухания) сигнал, очищают его от помех, усиливают и отправляют дальше в сеть, тем самым увеличивая расстояния, на которых сеть может функционировать. Выполняя те же функции, повторители дают возможность увеличить число узлов в сети, поскольку каждый узел является причиной небольшого ослабления сигнала.

    Концентратор (хаб, многопортовый повторитель) - это сетевое устройство, которое выполняет основную функцию - повторение кадра либо на всех портах (как определено в стандарте Ethernet), либо только на некоторых портах согласно алгоритму, определенному соответствующим стандартом.

    Важными особенностями концентраторов является то, что они:

  • усиливают сигналы в сети;
  • распространяют сигналы в сети;
  • используются как точки концентрации в сети;
  • не занимаются маршрутизацией и коммутацией;
  • не выполняют фильтрацию.
    •

    Фильтрацией называется процесс, в ходе которого в сетевом трафике контролируются определенные характеристики, например, адрес источника, адрес получателя или протокол, и на основании установленных критериев принимается решение - пропускать трафик дальше или игнорировать его.

    Мосты. Это устройство, служащее для объединения в единую сеть нескольких сетей различных типов, а также для снижения нагрузки в сети. Однако чаще мосты используются для соединения сегментов сети. Мосты работают на канальном уровне модели OSI и не занимаются исследованием информации от верхних уровней. Назначение мостов состоит в том, чтобы устранить ненужный трафик и уменьшить вероятность возникновения коллизий. Это достигается путем разделения сети на сегменты и за счет фильтрации трафика по пункту назначения или МАС-адресу.

    Мосты фильтруют трафик только по МАС-адресу, поэтому они могут быстро пропускать трафик, представляющий любой протокол сетевого уровня. Мосты отвечают только за то, чтобы пропускать или не пропускать пакеты дальше, основываясь при этом на содержащихся в них МАС-адресах.

    Наиболее важные особенности мостов:

  • более высокая интеллектуальность, чем у концентратора, - они могут анализировать приходящие пакеты и пропускать (или не пропускать) их дальше на основании адресной информации;
  • возможность принимать и пропускать пакеты данных между двумя сетевыми сегментами;
  • возможность управления широковещательными пакетами в сети;
  • наличие и ведение внутренних таблиц адресов.
    •

    Коммутатор - это сложное многопортовое вычислительное устройство, имеющее несколько процессорных модулей и реализующее технологию коммутации сегментов сети. В коммутаторе осуществляется параллельная обработка нескольких кадров, что обеспечивает существенное повышение производительности сети.

    Главное достоинство коммутатора - это его высокая производительность. Разработчики коммутаторов стараются выпускать неблокирующие модели коммутаторов. Неблокирующий коммутатор - это такой коммутатор, который может передавать кадры через свои порты с той же скоростью, с которой они на них поступают.

    Пропускная способность коммутатора - это количество пользовательских данных (в мегабитах в секунду), переданных в единицу времени через его порты. Максимальное значение пропускной способности коммутатора достигается при передаче кадров максимальной длины, для которых доля служебной информации гораздо меньше, чем для кадров минимальной длины.

    Задержка передачи кадров - время с момента прихода первого байта кадра на входной порт коммутатора до момента появления этого байта в его выходном порту. При полной буферизации кадров (для кадров минимальной длины) эта задержка колеблется от 50 до 200 мкс.

    Маршрутизатор - устройство межсетевого взаимодействия, используемое для объединения отдельных сетей и доступа к Internet. Маршрутизаторы обеспечивают сквозную маршрутизацию трафика между различными сетями на основании информации сетевого протокола и способны принимать решение о выборе оптимального маршрута движения данных в сети. С помощью маршрутизаторов решается также проблема чрезмерного широковещательного трафика, так как они не переадресовывают дальше широковещательные кадры, если им это не предписано. Маршрутизаторы и мосты отличаются тем, что:

  • мостовые соединения осуществляются на канальном уровне, а маршрутизация - на сетевом уровне модели ВОС;
  • мосты используют физические или МАС-адреса для принятия решения о передаче данных, а маршрутизаторы - различные схемы адресации, существующие на сетевом уровне. Адреса сетевого уровня называются логическими, или IP-адресами. Они реализованы в программном обеспечении и соотносятся с сетью, в кото-рой находится маршрутизатор, поэтому их называют еще сетевыми адресами или протокольными. МАС-адреса устанавливаются производителем сетевого адаптера и зашиваются в адаптере на аппаратном уровне. IP-адреса обычно назначаются сетевым администратором.
    •

    Для успешной маршрутизации необходимо, чтобы каждая сеть имела уникальный номер, который включается в IP-адрес каждого устройства, подключенного к сети.

    Таким образом, суммируя сведения о сетевых устройствах, можно отметить следующие:

  • сетевые устройства - это аппаратные средства, используемые для объединения сетей;
  • повторители принимают ослабленный сигнал, очищают его от помех, усиливают и отправляют дальше в сеть;
  • термин "концентратор" применяется вместо термина "повторитель", когда речь идет об устройстве, которое служит центром сети;
  • область сети, в пределах которой пакет данных порождается и вступает в конфликт, называется доменом коллизий;
  • мосты устраняют лишний трафик и уменьшают вероятность возникновения конфликтов, что достигается за счет разделения сети на сегменты и фильтрации трафика по адресу станции или МАС-адресу;
  • маршрутизаторы способны принимать интеллектуальные решения о выборе оптимального маршрута доставки данных в сети.
    •

    Структурированная кабельная система и логическая структуризация ЛКС

    Структурированная кабельная система (СКС) составляет фундамент любой компьютерной сети и представляет собой набор коммуникационных элементов (кабелей, разъемов, кроссовых панелей и шкафов, коннекторов), которые удовлетворяют стандартам локальных сетей и позволяют создавать регулярные, легко расширяемые структуры сетей путем добавления сегментов, коммутаторов или изъятия ненужного оборудования.

    Структурированная кабельная система, отвечающая высоким требованиям к качеству кабельной системы, строится избыточной, что облегчает реконфигурацию и расширение сетей (стоимость последующего расширения СКС превосходит стоимость установки избыточных элементов).

    СКС состоит из трех иерархически построенных подсистем: горизонтальной (в пределах этажа), соединяющей кроссовый шкаф этажа с розетками пользователей; вертикальной, соединяющей кроссовые шкафы каждого этажа с центральной аппаратной здания; подсистемы кампуса, соединяющей несколько зданий с главной аппаратной всего кампуса. Горизонтальная подсистема отличается многообразием ответвлений и перекрестных связей, наиболее подходящий тип кабеля для нее - неэкранированная витая пара. Вертикальная подсистема (иначе называемая магистральной) должна передавать данные на большие расстояния и с большей скоростью. Для нее выбор кабеля ограничивается двумя вариантами: волоконно-оптический кабель (это предпочтительный вариант) и толстый коаксиальный кабель - широкополосный кабель, используемый в кабельном телевидении. Для подсистемы кампуса предпочтительным кабелем является оптоволокно.

    Структурированная кабельная система по сравнению с хаотически проложенными кабелями обладает рядом преимуществ: более высокой надежностью (производитель СКС гарантирует качество не только ее отдельных элементов, но и их совместимость), универсальностью (СКС может стать единой передающей средой в ЛКС для передачи компьютерных данных, организации локальной телефонной сети, передачи видеоинформации), большим сроком службы (до 10-15 лет), меньшими затратами при расширении сети с целью добавления новых РС (что объясняется избыточностью СКС), обеспечением более эффективного обслуживания (в СКС отказ одного сегмента не приводит к отказу всей сети, так как сег-менты объединяются концентраторами, которые диагностируют и локализуют неисправный участок).

    В настоящее время эксплуатируется громадное количество сравнительно небольших локальных сетей (на 10-30 РС), в том числе и тех, в которых передаются большие объемы мультимедийной информации и применяются высокоскоростные технологии (скорость обмена до 1000 Мбит/с). Для них характерно использование одной разделяемой среды, что позволяет реализовать стандартные технологии и приводит к экономичным и эффективным решениям.

    Эффективность одной разделяемой среды для небольших ЛКС очевидна:

  • возможность использования стандартного набора протоколов, а следовательно, сравнительно дешевого коммуникационного оборудования - сетевых адаптеров, повторителей, концентраторов;
  • возможность наращивания (в определенных пределах) числа узлов сети;
  • довольно простое управление сетью, чему способствует сама логика разделения среды, не допускающая потерь кадров из-за переполнения буферов коммуникационных устройств.
    •

    Однако по мере развития локальных сетей, появления новых технологий и протоколов все в большей степени стали проявляться недостатки ЛКС на одной разделяемой среде. Главные из них следующие:

  • невозможность построения крупных сетей (на сотни и тысячи узлов) на основе одной разделяемой среды. Причина не только в том, что все технологии ограничивают количество узлов в разделяемой среде (Token Ring - 260 узлами, FDDI - 500 узлами, все виды семейства Ethernet - 1024 узлами), но и в плохой работе сети на одной разделяемой среде, если количество РС приближается к разрешенному пределу;
  • резкое возрастание величины задержки доступа к передающей среде при достижении коэффициента использования сети некоторого порогового значения (коэффициент использования сети, иначе называемый коэффициентом нагрузки сети, - это отношение трафика, который должна передать сеть, к ее максимальной пропускной способности). Для всего семейства технологий Ethernet пороговое значение этого коэффициента равно 40-50 %, для технологии Token Ring - 60 %, и для технологии FDDI - 70 %;
  • имеются жесткие ограничения максимальной длины сети: они лежат в пределах нескольких километров, и только для технологии FDDI это несколько десятков километров.
    •

    Все эти недостатки и ограничения, возникающие из-за использования общей разделяемой среды, преодолеваются путем разделения сети на несколько разделяемых сред, или отдельных сегментов, которые соединяются мостами, коммутаторами или маршрутизаторами. Следовательно, единая разделяемая среда, созданная концентраторами, делится на несколько частей (сегментов), подсоединяемых к портам моста, коммутатора или маршрутизатора. Такое деление сети, называемое структуризацией сети, обладает рядом преимуществ. К их числу относятся следующие.

  • Повышение производительности сети при том же количестве узлов, составе и характеристиках сетевого оборудования. Это объяснятся разгрузкой сегментов: в пределах данного сегмента циркулируют информационные потоки, создаваемые только "своими" рабочими станциями.
  • Увеличение гибкости сети. Каждая подсеть, т.е. логический сегмент сети, может быть адаптирована к специфическим особенностям рабочей группы пользователей, которую она обслуживает. Этому способствует и то, что каждая подсеть имеет свои средства управления, повышающие степень ее самостоятельности.
  • Повышение безопасности данных, циркулирующих в сети. Это обеспечивается путем запрета доступа определенных пользователей к ресурсам "чужих" сегментов, установления различных логических фильтров на мостах, коммутаторах и маршрутизаторах с целью контроля доступа к ресурсам, чего не позволяют сделать повторители. При работе в широковещательном режиме в сети с общей разделяемой средой информация распространяется по всей кабельной системе, поэтому лица, заинтересованные в расстройстве схемы адресации и приеме не адресованных им передач, имеют для этого большие возможности. В сети с логической структуризацией защищенность информации выше, так как работа в широковещательном режиме возможна только в пределах логического сегмента.
  • Упрощение управления сетью. Это можно рассматривать как побочный эффект уменьшения трафика и повышения безопасности данных. Подсети образуют логические домены управления сетью, поэтому проблемы одной подсети не оказывают влияния на другие подсети.
  • Повышение надежности работы сети: выход из строя одной подсети не отражается на работе других взаимосвязанных подсетей сети, так как коммуникационное оборудование, осуществляющее множественное взаимодействие, изолирует отказавшие подсети.
  • Увеличивается диапазон действия сети, так как коммуникационное оборудование устраняет ограничение по допустимой протяженности кабеля.
  • Возможность использования приоритизации трафика. Эта возможность обусловлена тем, что коммутаторы буферизируют кадры перед их отправкой на другой порт. Для каждого входного и выходного порта коммутатор формирует не одну, а несколько очередей, отличающихся по приоритету обработки. Приоритизация трафика коммутаторами - это один из механизмов обеспечения качества транспортного обслуживания в ЛКС. Она особенно желательна для приложений, предъявляющих различные требования к допустимым задержкам кадров и к пропускной способности сети.
  • Возможность использования полнодуплексного режима работы протоколов локальных сетей. Такая возможность предоставляется коммутаторами ЛКС. В этом режиме отсутствует этап доступа к разделяемой среде, а общая скорость передачи данных увеличивается в два раза (по сравнению с полудуплексным режимом).
  • Отсутствие необходимости в замене уже установленного оборудования - кабельной системы, сетевых адаптеров, концентраторов. К портам коммутаторов можно подключать как конечный узел сети, так и концентратор, организующий логический сегмент.
    •

    Контрольные вопросы:

  • Какие характеристики ЛКС в наибольшей степени определяют ее возможности?
  • Как классифицируются ЛКС?
  • В чем состоят основные особенности ЛКС?
  • Каковы тенденции развития ЛКС?
  • Характеристика режимов работы протокола LLC.
  • Технология Ethernet - сущность, оценка, области применения.
  • Технология Token Ring - сущность, оценка, области применения.
  • Особенности технологий Fast Ethernet, 10VG-AnyLAП и Gigabit Ethernet.
  • Характеристика протокола IPX/SPX.
  • Состав и назначение сетевого коммуникационного оборудования ЛКС.
  • Всегда ли глобальная вычислительная сеть (ГВС) имеет в своей основе базовую сеть передачи данных?
  • Для чего необходимы точки соединения сетей (Interconnect Points) и точки доступа к сети (Network Access Points)?
  • Охарактеризуйте высокоскоростную магистраль Abilene.
  • В связи с чем 1 января 1983 года принято считать официальной датой рождения Интернет?
  • Каким образом в странах СНГ создаваемые сети соединяются между собой для обмена информацией?
  • Каким образом осуществляются доступ региональных научных сетей России к международному каналу связи и обмен трафиком иностранных сетей с основными российскими сетями?
  • Какие виды сервиса Интернет относятся к традиционным?
  • Дайте характеристику разным видам провайдеров Интернета.
  • Чем можно объяснить, что Интернет построен на основе архитектуры "клиент-сервер"?
  • Чем обеспечивается безопасность работы в Интернете?
    •
    Предыдущее занятие Следующее занятие
    Вернуться к учебному плану
    ^