Локальные компьютерные сети

• 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);

  Таблица 17.1. 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.