Локальная сеть Ethernet

Днем рождения Ethernet можно считать 22 мая 1973 г., когда Роберт Меткалф (Robert Metcalfe) и Дэвид Боггс (David Boggs) опубликовали докладную записку, в которой описывалась экспериментальная сеть, построенная ими в Исследовательском центре фирмы Xerox в Пало-Альто. При рождении сеть получила имя Ethernet, базировалась на толстом коаксиальном кабеле и обеспечивала скорость передачи данных 2,94 Мбит/с. В декабре того же года Меткалф опубликовал докторскую работу "Packet Communication" ("Пакетная связь"), а в июле 1976 г. Меткалф и Боггс выпустили совместный труд "Ethernet: Distributed Packet Switching for Local Computer Networks" ("Ethernet: распределенная пакетная коммутация для локальных компьютерных сетей"). Таким образом, была создана теоретическая база для дальнейшего развития технологии. Ключевой фигурой в судьбе Ethernet становится Роберт Меткалф, который в 1979 г. для воплощения своих идей в жизнь создает собственную компанию 3Com, одновременно начиная работать консультантом в Digital Equipment Corporation (DEC). В DEC Меткалф получает задание на разработку сети, спецификации на которую не затрагивали бы патентов Xerox. Создается совместный проект Digital, Intel и Xerox, известный под названием DIX. Задачей консорциума DIX был перевод Ethernet из лабораторно-экспериментального состояния в технологию для построения новых систем, работающих с немалой на то время скоростью передачи данных 10 Мбит/с. Таким образом, Ethernet превращался из разработки Xerox в открытую и доступную всем технологию, что оказалось решающим в становлении его как мирового сетевого стандарта. В феврале 1980 г. результаты деятельности DIX были представлены в IEEE, где вскоре была сформирована группа 802 для работы над проектом. Ethernet закреплял свои позиции в качестве стандарта. Для успешного внедрения технологии важное значение сыграли дальнейшие шаги "родителей" Ethernet по взаимодействию с другими производителями чипов и аппаратного обеспечения - так, например, группа разработчиков Digital представила чип Ethernet и исходные тексты его программного обеспечения компаниям Advanced Micro Devices (AMD) и Mostek. В результате возможность производить совместимые чипсеты Ethernet получили и другие компании, что сказалось на качестве железа и снижении его стоимости. В марте 1981 г. 3Com представила 10 Мбит/с Ethernet-трансивер, а в сентябре 1982 г. - первый Ethernet-адаптер для ПК. После выхода первых изделий, в июне 1983 г. IEEE утвердил стандарты Ethernet 802.3 и Ethernet 10Base5. В качестве среды передачи предусматривался "толстый" коаксиальный кабель, а каждый узел сети подключался с помощью отдельного трансивера. Такая реализация оказалась дорогостоящей. Дешевой альтернативой с применением менее дорогого и более тонкого коаксиального кабеля, стал 10Base2 или ThinNet. Станции уже не требовали отдельных трансиверов для подключения к кабелю. В такой конфигурации Ehternet начал победное шествие по просторам экс-СССР. Главными его преимуществами была простота развертывания и минимальное количество активного сетевого оборудования. Сразу же определились и недостатки. На время подключения новых станций приходилось останавливать работу всей сети. Для выхода сети из строя достаточно было обрыва кабеля в одном месте, поэтому эксплуатация кабельной системы требовала от технического персонала проявлений прикладного героизма. Следующим шагом развития Ethernet стала разработка стандарта 10Base-T, предусматривавшего в качестве среды передачи неэкранированную витую пару (Unshielded Twisted Pair - UTP). В основу этого стандарта легли разработки SynOptics Communications под общим названием LattisNet, которые относятся к 1985 г. В 10Base-T использовалась топологии "звезда", в которой каждая станция соединялась с центральным концентратором (hub). Такой вариант реализации устранял необходимость прерывания работы сети на время подключения новых станций и позволял локализовать поиск обрывов проводки до одной линии концентратор-станция. Производители получили возможность встраивать в концентраторы средства мониторинга и управления сетью. В сентябре 1990 г. IEEE утверждает стандарт 10Base-T.

Здесь вам не Англия - копать надо глубже!
Военная мудрость

Ethernet 10Base5

Спецификация Ethernet 10Base5 предусматривает выполнение следующих условий:

• Среда передачи - "толстый" около 12 мм в диаметре коаксиальный кабель (RG-8 или RG-11) с волновым сопротивлением 50 Ом.
• Длина кабеля между соседними станциями не менее 2,5 м.
• Максимальная длина сегмента сети не более 500 метров.
• Общая длина всех кабелей в сегментах не более 2,500 метров.
• Общее число узлов на один сегмент сети не более 100.
• Сегмент оканчивается терминаторами, один из которых должен быть заземлен.
• Ответвительные кабели могут быть сколь угодно короткими, но расстояние от трансивера до адаптера не более 50 метров.
• В идеальном случае расстояние между соседними станциями должно быть кратно 2,5 м. Некоторые кабели имеют соответствующую маркировку через каждые 2,5 м для облегчения соблюдения этого условия.

Наибольшее распространение получило подключение трансивера к кабелю при помощи разъемов, имеющих веселенькое название "вампиры" (это из-за того, что при подключении разъем прокалывает кабель до центральной жилы). Подключение производится без остановки работы сети, в отличие от подключения через N-коннектор. Кабели в сегменте должны браться с одной катушки кабеля, что обеспечивает одинаковые электрические параметры всех подключаемых отрезков.

В трансивере находится активный приемо-передатчик с детектором коллизий и высоковольтным (1-5 кВ) разделительным трансформатором, питание обеспечивается от AUI-порта адаптера.

Основные преимущества 10Base5: большая длина сегмента, хорошая помехозащищенность кабеля и высокое напряжение изоляции трансивера. Благодаря этим качествам "толстый" Ethernet чаще всего применялся для прокладки базовых сегментов (Backbone). Сейчас этот стандарт практически полностью вытеснен более дешевыми и производительными реализациями Ethernet.

10Base2

Ограничения по спецификации Ethernet 10Base2:

• Среда передачи - "тонкий" (около 6 мм в диаметре) коаксиальный кабель (RG-58 различных модификаций) с волновым сопротивлением 50 Ом.
• Длина кабеля между соседними станциями не менее 0,5 м.
• Максимальная длина сегмента сети не более 185 метров.
• Общая длина всех кабелей в сегментах (соединенных через повторители) не более 925 метров.
• Общее число узлов на один сегмент сети не более 30 (включая повторители).
• Сегмент оканчивается терминаторами, один из которых заземляется.
• Ответвления от сегмента недопустимы.

Сеть Ethernet 10Base2 часто называют "тонкой Ethernet" или Thinnet из-за применяемого кабеля. Это одна из самых простых в установке и дешевых типов сетей. Топология сети - общая шина. Кабель прокладывается вдоль маршрута, где размещены рабочие станции, которые подключаются к сегменту при помощи Т-коннекторов. Отрезки сети, соединяющие соседние станции, подключаются к T-коннекторам при помощи BNC-разъемов. Для соединения двух отрезков кабеля применяются I-коннекторы. В сети не более 1024 станций. Сейчас 10base2 применяется в "домашних" сетях.

Правила построения сетей, использующих физическую топологию "общая шина".

В этом случае действует правило 5-4-3, т.е.:

• не более чем 5 сегментов сети
• могут быть объединены не более чем 4-мя повторителями
• при этом станции могут быть подключены не более чем к 3-м сегментам, остальные 2 могут быть использованы для увеличения общей длины сети.

10Base-T

Соответствует стандарту IEEE 802.3i, принятому в 1991 г.
Ограничения спецификации Ethernet 10Base-T:

• Среда передачи - неэкранированный кабель на основе витой пары (UTP - Unshielded Twisted Pair) категории 3 и выше. При этом задействуются 2 пары - одна на прием, вторая на передачу.
• Физическая топология "звезда".
• Длина кабеля между станцией и концентратором не более 100 м.
• Максимальный диаметр сети не более 500 метров.
• Количество станций в сети не более 1024.

В сети 10Base-Т термин "сегмент" применяют к соединению станция-концентратор. Дополнительные расходы в 10Base2, связанные с необходимостью наличия концентратора и большим количеством кабеля, компенсируются большей надежностью и удобством эксплуатации. Индикаторы, присутствующие даже на самых простых концентраторах, позволяют быстро найти неисправный кабель. Управляемые модели концентраторов способны осуществлять мониторинг и управление сетью. Совместимость кабельной системы со стандартами Fast Ethernet увеличивает пропускную способность без изменения кабельных систем. Для оконцовки кабеля применяются восьмиконтактные разъемы и розетки RJ-45.

10Base-F

Среда передачи данных стандарта 10Base-F - оптоволокно. В стандарте повторяется топология и функциональные элементы 10Base-T: концентратор, к портам которого с помощью кабеля подключаются сетевые адаптеры станций. Для соединения адаптера с повторителем используется два оптоволокна - одно на прием, второе на передачу.

Существует несколько разновидностей 10Base-F. Первым стандартом для использования оптоволокна в сетях Ethernet был FOIRL (Fiber Optic Inter-Repeater Link). Ограничение длины оптоволоконных линий между повторителями 1 км при общей длине сети не более 2,5 км. Максимальное число повторителей - 4.

В стандарте 10Base-FL , предназначенном для соединения станций с концентратором, длина сегмента оптоволокна до 2 км при общей длине сети не более 2,5 км. Максимальное число повторителей также 4. Ограничения длин кабелей даны для многомодового кабеля. Применение одномодового кабеля позволяет прокладывать сегменты длиной до 20 км (!).

Существует также стандарт 10Base-FB , предназначенный для магистрального соединения повторителей. Ограничение на длину сегмента - 2 км при общей длине сети 2,74 км. Количество повторителей - до 5. Характерной особенностью 10Base-FB является способность повторителей обнаруживать отказы основных портов и переходить на резервные за счет обмена специальными сигналами, которые отличаются от сигналов передачи данных.

Стандарты 10Base-FL и 10Base-FB не совместимы между собой. Дешевизна оборудования 10Base-FL позволила ему обогнать по распространенности волоконно-оптические сети других стандартов.

Оконцовка оптоволоконных кабелей представляет собой существенно более сложную задачу, чем оконцовка медных кабелей. Необходимо точное совмещение осей светопроводящего материала - волокон и коннекторов. Типы коннекторов в основном отличаются друг от друга размером и формой направляющего ободка. Если в самых первых биконических коннекторах использовались конические ободки, то в настоящее время используются коннекторы типа SC (square cross-section), имеющие ободок квадратного сечения. Для надежного закрепления коннектора в гнезде в ранних типах коннекторов использовалась байонетная (ST) или резьбовая (SMA) фиксация. Сейчас в коннекторах SC используется технология "push-pull", предусматривающая закрепление коннектора в гнезде защелкиванием. Коннекторы типа SC применяются не только в локальных сетях, но также и в телекоммуникационных системах и в сетях кабельного телевидения.

Отдельная проблема - соединение оптических волокон. Надежное и долговечное соединение достигается сваркой волокон, что требует специального оборудования и навыков.

Область применения оптоволокна в сетях Ethernet - это магистральные каналы, соединения между зданиями, а также те случаи, когда применение медных кабелей невозможно из-за больших расстояний или сильных электромагнитных помех на участке прокладки кабеля. На сегодняшний день стандарт 10Base-F вытесняется более скоростными стандартами Ethernet на оптоволоконном кабеле.

Правила построения сетей, использующих физическую топологию "звезда"

Правило 5-4-3 можно интерпретировать в этом случае следующим образом:

• каскадно могут объединяться не более чем 4 концентратора;
• "дерево" каскадируемых концентраторов должно быть построено таким образом, чтобы между двумя любыми станциями в сети было не более чем 4 концентратора;

В смешанных сетях могут быть исключения из этого правила - например, если один из хабов поддерживает не только витую пару, но и оптоволоконный кабель, то допустимое число каскадируемых концентраторов увеличивается до 5.

Экзотика

10Broad36
Необычная технология в семействе Ethernet. Отличается способом передачи - широкополосная ("broadband") вместо узкополосной ("baseband"). В этом случае полоса пропускания кабеля разделяется на отдельные частотные диапазоны, которые назначаются каждой службе. В качестве среды передачи используется коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 75 Ом (обычный телевизионный кабель). Причем 10Broad36 "уживается" в одном кабеле с кабельным телевидением.

Длина сегмента сети не более 1800 метров, а максимальное расстояние между любыми двумя станциями в сети - 3600 м. Скорость передачи 10 Mбит/с. Подключение станций производится с помощью трансиверов, подсоединяемых к кабелю. Длина AUI кабеля, соединяющего трансивер со станцией, не более 50 м. Сегменты сети 10Broad36 должны терминироваться т.н. "оконечным головным" устройством, которое располагается на конце единичного или в корне множественных сегментов. Соединение станций в сети осуществляется одним или двумя кабелями. В первом случае для приема и передачи сигналов выделяются различные каналы частот. Передача станции поступает только на "оконечное головное" устройство, которое преобразует частоту, после чего передача принимается другими станциями, подключенными к сети. Во втором случае один из кабелей используется для приема, второй - для передачи. Сигнал достигает "оконечного головного" устройства, после чего проходит на другой кабель без изменения частоты и принимается любой станцией в сети. Полнодуплексный режим не поддерживается. Технология 10Broad36 не получила широкого распространения, вероятно, из-за сложности реализации и высокой стоимости.

1Base5
Эта технология соответствует стандарту IEEE 802.3e, утвержденному в 1987 году. Также известна под именем StarLAN. Топология - "звезда", ограничение на длину сегмента - 400 м. Работает с витой парой категории 2 и выше. Скорость передачи - 1 Мбит/с. Упоминается, в основном, как часть не менее экзотической UltraNet или в порядке перечисления - "и такое, мол, бывает:-)". В настоящее время шансов на применение не имеет из-за малой пропускной способности.

Быстрее... еще быстрее...
После того, как стандарт 10Base-T стал преобладающим, определив среду передачи строящихся сетей - медную витую пару, развитие технологии пошло в направлении увеличения скорости передачи данных. Первой из технологий 100 Мбит/с для локальных сетей, была FDDI . При всех достоинствах эта технология была дорогостоящей. Для удешевления путем применения кабелей на медной витой паре фирмой Crescendo была разработана и запатентована схема кодирования и скремблирования, допускающая полнодуплексную передачу "точка-точка" по UTP для стандарта CDDI. Позднее именно эти спецификации легли в основу стандарта 100Base-T , преобладающего сегодня во вновь создаваемых сетях. 100Base-T соответствует стандарту IEEE 802.3u , утвержденному в 1995 году.

100Base-T имеет 2 разновидности реализации - 100Base-TX и 100Base-T4 . Различаются они количеством используемых пар и категорией применяемого кабеля. 100Base-TX использует 2 пары кабеля UTP категории 5, 100Base-T4 использует 4 пары кабеля категории 3 или выше. Наибольшее распространение получил стандарт 100Base-TX, 100Base-T4 применяется в основном в старых сетях, построенных на UTP класса 3. Максимально допустимое расстояние от станции до концентратора 100 м, как и в 10Base-T , но в связи с изменением скорости распространения сигналов диаметр сети стандарта 100Base-T ограничен 200 м.

100 Base-FX - реализация Fast Ethernet с использованием в качестве среды передачи многомодового оптоволоконного кабеля. Ограничение длины сегмента - 412 метров при использовании полудуплексного режима и 2 км - при использовании полнодуплексного.

...быстро, как только возможно
Прогресс - штука безостановочная. 100 Мбит/с - немалая скорость передачи данных, но для магистральных каналов ее может не хватить. В 1996 г. начались работы по стандартизации сетей Ethernet со скоростью передачи данных 1000 Мбит/с, которые называют Gigabit Ethernet . Был образован Gigabit Ethernet Alliance, в который вошли 11 компаний: 3Com, Bay Networks, Cisco, Compaq, Granite Systems, Intel, LSI Logic, Packet Engines, Sun, UB Networks и VLSI Technology. К началу 1998 года в Альянс входило уже более 100 компаний. В июне 1998 г. принимается стандарт IEEE 802.3z , использующий одномодовые и многомодовые оптоволоконные кабели, а также STP категории 5 на короткие расстояния (до 25 м). Столь малое допустимое расстояние в случае применения UTP обуславливало сомнительную возможность практического применения такого варианта. Положение изменилось с принятием в июне 1999 г. стандарта IEEE 802.3ab для передачи 1000 Мбит/с по неэкранированной витой паре на расстояния до 100 м.

Спецификации Gigabit Ethernet:

1000Base-LX: трансиверы на длинноволновом лазере, одномодовый и многомодовый оптоволоконный кабель, ограничения длины сегмента 550 м для многомодового и 3 км для одномодового кабеля. Некоторые фирмы предлагают оборудование, позволяющее строить сегменты с применением одномодового кабеля гораздо большей длины - десятки километров.

1000Base-SX: трансиверы на коротковолновом лазере и многомодовый оптический кабель. Ограничения длины сегмента 300 м для кабеля с диаметром оптического проводника 62.5 мкм и 550 м для кабеля с диаметром проводника 50 мкм.

1000Base-CX: экранированная витая пару. Ограничение длины сегмента - 25 м.

1000Base-T: неэкранированная витая пару. Ограничение длины сегмента - 100 м.

Поскольку стандарт на оптоволоконный Gigabit Ethernet вышел на год раньше, на рынке преобладает оборудование, рассчитанное на работу с оптическим физическим интерфейсом. Применять или не применять Gigabit Ethernet - вопрос, активно обсуждаемый в настоящее время. Сейчас немногие отечественные сети нуждаются в столь высокой пропускной способности. С учетом снижения цен, имеет смысл переходить на Gigabit Ethernet, когда все другие возможности действительно исчерпаны, во всяком случае, в существующих сетях. Но "держать в уме" возможность перехода на Gigabit Ethernet нужно, поэтому приобретение коммутаторов, позволяющих установку модулей с поддержкой этого стандарта представляется разумным.

Есть ли предел скорости у технологии Ethernet? В начале 2000 г. 3Com, Cisco Systems, Extreme Networks, Intel, Nortel Networks, Sun Microsystems и Worldwide Packets основали 10 Gigabit Alliance. Задача Альянса - способствовать работе комитета IEEE в разработке стандарта 802.3ae (10 Gigabit Ethernet), который планируется принять весной 2002 г. Рабочая группа IEEE уже опубликовала предварительную информацию об ограничениях на длину сегмента сети с пропускной способностью 10 Гбит/с: до 100 метров для используемого в настоящее время многомодового оптоволоконного кабеля и до 300 метров для нового усовершенствованного многомодового оптоволоконного кабеля. Существует несколько вариантов одномодового оптоволоконного кабеля: до 2 км для сети группы зданий и 10 или 40 км для региональной сети.

Модель OSI
При подробном рассмотрении функционирования сетей часто упоминается понятие уровней взаимодействия компонентов сети. В качестве "линейки" для определения уровней используется модель OSI (Open System Interconnect - взаимодействие открытых систем), разработанная как описание структуры идеальной сетевой архитектуры. В модели OSI семь уровней взаимодействия для рассмотрения процесса обмена информацией между устройствами в сети. Каждый из уровней сети относительно автономен и рассматривается отдельно. Модель OSI используется для определения функций каждого уровня.

1) Физический уровень определяет электротехнические, механические, процедурные и функциональные характеристики активации, поддержания и дезактивации физического канала между конечными системами. Спецификации физического уровня определяют уровни напряжений, синхронизацию изменения напряжений, скорость передачи физической информации, максимальные расстояния передачи информации, требования к среде передачи, физические соединители и другие аналогичные характеристики.

2) Канальный уровень (Data Link) обеспечивает надежный транзит данных через физический канал. Выполняя эту задачу, канальный уровень решает вопросы физической адресации, топологии сети, линейной дисциплины (каким образом конечной системе использовать сетевой канал), уведомления о неисправностях, упорядоченной доставки блоков данных и управления потоком информации. Обычно этот уровень разбивается на два подуровня: LLC (Logical Link Control) в верхней половине, осуществляющего проверку на ошибки, и MAC (Media Access Control) в нижней половине, отвечающего за физическую адресацию и прием/передачу пакетов на физическом уровне.

3) Сетевой уровень обеспечивает соединение и выбор маршрута между двумя конечными системами, подключенными к разным "подсетям", которые могут находиться в разных географических пунктах. Сетевой уровень отвечает за выбор оптимального маршрута между станциями, которые в могут быть разделены множеством соединенных между собой подсетей.

4) Транспортный - самый высокий из уровней, отвечающих за транспортировку данных. На этом уровне обеспечивается надежная транспортировка данных через объединенную сеть. Транспортный уровень обеспечивает механизмы для установки, поддержания и упорядоченного завершения действия виртуальных каналов, систем обнаружения и устранения неисправностей транспортировки и управления информационным потоком.

5) Сеансовый уровень устанавливает, управляет и завершает сеансы взаимодействия между прикладными задачами. Сеансы состоят из диалога между двумя или более объектами представления. Сеансовый уровень синхронизирует диалог между объектами представительного уровня и управляет обменом информации между ними. В дополнение к управлением сеансами этот уровень предоставляет средства для отправки информации, класса услуг и уведомления в исключительных ситуациях о проблемах сеансового и более высоких уровней.

6) Уровень представления отвечает за то, чтобы информация, посылаемая из прикладного уровня одной системы, была читаемой для прикладного уровня другой системы. При необходимости представительный уровень осуществляет трансляцию между множеством форматов представления информации путем использования общего формата представления информации. При необходимости трансформации подвергаются не только фактические данные, но и структуры данных, используемые программами. Типичным примером является преобразование окончаний строк UNIX (CR) в MS-DOS формат (CRLF).

7) Прикладной уровень отвечает за выполнение пользовательских задач. Он идентифицирует и устанавливает наличие предполагаемых партнеров для связи, синхронизирует совместно работающие прикладные программы, устанавливает соглашение по процедурам устранения ошибок и управления целостностью информации, а также определяет, достаточно ли ресурсов для предполагаемой связи.

Детские болезни Ethernet и борьба с ними

Ethernet использует "случайный" метод доступа к сети (CSMA/CD - carrier-sense multiple access/collision detection) - множественный доступ с обнаружением несущей. В нем отсутствует последовательность, в соответствии с которой станции могут получать доступ к среде для осуществления передачи. В этом смысле доступ к среде осуществляется случайным образом. Преимущество метода: алгоритмы случайного доступа реализуются значительно проще по сравнению с алгоритмами детерминированного доступа. Следовательно, аппаратные средства могут быть дешевле. Поэтому Ethernet более распространен по сравнению с другими технологиями для локальных сетей. При загрузке сети уже на уровне 30% становятся ощутимыми задержки при работе станций с сетевыми ресурсами, а дальнейшее увеличение нагрузки вызывает сообщения о недоступности сетевых ресурсов. Причиной этого являются коллизии, возникающие между станциями, начавшими передачу одновременно или почти одновременно. При возникновении коллизии, передаваемые данные не доходят до получателей, а передающим станциям приходится возобновлять передачу. В классическом Ethernet все станции в сети образовывали домен коллизий (collision domain). При этом одновременная передача любой пары станций приводила к возникновению коллизии.

Сегментация сети
Основной способ борьбы с перегрузкой сегментов во времена преобладания сетей стандарта 10Base2. Весь сегмент разбивался на части. При этом вопрос передачи информации между сегментами при необходимости решался с помощью маршрутизации. Аппаратные средства особой популярностью не пользовались. Обычно сервер с несколькими сетевыми адаптерами устанавливался приблизительно в центре сети и на нем настраивался программный маршрутизатор. Таким образом, кроме изоляции коллизий в отдельных сегментах, можно было увеличить общий размер сети до 185 + 185 = 370 м.

Коммутация пакетов
Используя топологию "звезда", стандарт 10Base-T на физическом уровне реализует "свернутую" или "коллапсированную" общую шину, поэтому проблема коллизий актуальна и для него. Впервые технология коммутации сегментов Ethernet была предложена фирмой Kalpana в 1990 году. Коммутирующие концентраторы, или просто коммутаторы (switch), позволили каждой станции использовать среду передачи без конкуренции с другими за счет буферизации входящих данных и передаче их станции-получателю только тогда, когда его порт открыт. Коммутация фактически преобразует Ethernet из широковещательной системы с конкурентной борьбой за полосу пропускания в систему адресной передачи данных. При этом пары портов отправитель-адресат динамически образуют независимые виртуальные каналы. Это увеличивает пропускную способность сети по сравнению с применением концентраторов. Довольно популярными являются решения, когда серверы подключаются к более скоростным портам коммутатора, станции - к менее скоростным. В этом случае в идеале каждая станция имеет доступ к серверу с максимальной скоростью, поддерживаемой адаптером.

Поскольку ограничения диаметра сети в классической технологии Ethernet связаны с необходимостью своевременного обнаружения коллизий, применение коммутаторов позволяет преодолеть эти ограничения, разбивая сеть на несколько доменов коллизий.

Передача пакетов от порта-источника в порт-получатель в коммутаторе происходит либо "на лету" (cut-though), либо с полной буферизацией пакетов (store-and-forward). При использовании передачи "на лету" передача порту-получателю начинается еще до окончания приема пакета с порта-источника, используя адрес получателя из заголовка пакета. Такой способ сокращает задержки передачи при небольшой загрузке сети, однако ему присущи и недостатки - в этом случае невозможна предварительная обработка пакетов, позволяющая отбрасывать плохие пакеты без передачи их получателю. При увеличении загрузки сети задержка при передаче "на лету" практически равняется задержке при передаче с буферизацией, это объясняется тем, что в этом случае выходной порт часто бывает занят приемом другого пакета, поэтому вновь поступивший пакет для данного порта все равно приходится буферизовать.

Во многих коммутаторах применяется адаптивная технология: режимы буферизации и передачи "на лету" применяются в зависимости от величины нагрузки сети.

Технология коммутации позволяет строить сети с большим количеством станций, при этом доля широковещательного (broadcast) трафика достигает существенных значений. При необходимости ограничить доступ станций к сетевым ресурсам, применяется технология виртуальных локальных сетей (VLAN). Виртуальную локальную сеть (ВЛС) образует группа узлов сети, трафик которой, в том числе и широковещательный, на канальном уровне полностью изолирован от узлов, входящих в другие ВЛС. Передача кадров между разными ВЛС на основании адреса канального уровня невозможна, независимо от типа адреса - уникального, группового или широковещательного.

Долгое время стандарт на ВЛС отсутствовал, вместе с тем существовало множество несовместимых друг с другом фирменных реализаций. Сейчас принят стандарт на ВЛС IEEE 802.1Q.

Для построения ВЛС до принятия стандарта IEEE 802.1Q обычно применялась группировка портов, либо группировка MAC-адресов. Решения на основе группировки портов проще в применении, но в случае соединения нескольких коммутаторов каждая ВЛС требует отдельного соединения между ними, что приводит к расточительному использованию портов и кабелей. Группировка на основе MAC адресов рациональнее использует порты и соединения, но трудоемка при эксплуатации. В качестве достоинства этих способов можно отметить использования стандартных кадров Ethernet. Стандарт IEEE 802.1Q предусматривает изменение структуры кадра Ethernet с введением в него дополнительных полей, в которые помещаются сведения о принадлежности узла к определенной ВЛС. Кроме того, добавляются поля, где храниться информация о приоритете кадра, используемая в стандарте IEEE 802.1p.

Для передачи информации между разными ВЛС необходимо привлечение сетевого уровня. Соответствующие средства могут представлять собой либо отдельный маршрутизатор, либо входить в состав аппаратно-программного обеспечения коммутатора. Коммутаторы, имеющие средства для работы на уровне сетевых протоколов, называются "маршрутизирующими коммутаторами", "коммутаторами третьего уровня". Для управления потоками информации в них применяется либо последовательная, либо потоковая маршрутизация пакетов. В первом случае реализуются классические функции маршрутизатора, и каждый пакет обрабатывается отдельно. Во втором случае используется нестандартный метод, применяемый для сокращения числа операций для определения маршрута пакетов. Первый пакет обрабатывается на третьем уровне и определяет порт назначения для остальных пакетов для того же адресата. Дальнейшая пересылка пакетов происходит на втором уровне, что ускоряет процесс передачи по сравнению с классической маршрутизацией. Для упрощения реализации в коммутаторах третьего уровня применяется маршрутизация только протоколов IP и IPX, как наиболее распространенных в локальных сетях.

Приоритезация трафика

Еще одно свойство Ethernet, рассматриваемое как недостаток при необходимости передачи по сети информации, чувствительной к задержкам, такой как голос и видео. Протоколы канального уровня Ethernet не поддерживают поле приоритета кадра, поэтому для решения этой проблемы производители сетевого оборудования начали встраивать в коммутаторы дополнительные технологические решения. Например, технология фирмы 3Com PACE (Priority Access Control Enabled - управление приоритетами доступа), позволяющая в одном канале выделить два логических подканала - с высоким и низким приоритетами. В этом случае приоритеты приписываются портам коммутатора и кадр помещается в очередь кадров соответствующего приоритета в зависимости от того, на какой порт он поступил. PACE использует стандартный формат кадров для использования в одной сети оборудования как с поддержкой PACE, так и без нее.

Положение изменилось с принятием стандарта IEEE 802.1p: появилась возможность определения восьми уровней приоритета кадра на основе использовании новых полей, определенных в стандарте IEEE 802.1Q. Таким образом, управление приоритетами организуется более гибко, без привязки к определенным портам.

Кроме приоритезации трафика, чувствительного к задержкам времени, существует необходимость повышения приоритета портов коммутатора по отношению к портам конечных станций для предотвращения потери пакетов. Для этого производители используют нестандартные параметры доступа к среде для портов коммутатора. "Агрессивное поведение" порта при захвате среды проявляется после окончания передачи очередного пакета или после обнаружения коллизии. В первом случае после окончания передачи коммутатор выдерживает паузу меньше положенной по стандарту и начинает передачу нового пакета. Станция, выдержав положенную паузу, при попытке передачи обнаруживает, что среда уже занята. Во втором случае после обнаружения коллизии порт коммутатора также делает паузу меньшую стандартной, захватывает среду и станции также не удается начать передачу. Коммутатор адаптивно изменяет степень агрессивности по мере необходимости.

Еще один прием, применяемый в коммутаторах, основан на передаче станции фиктивных пакетов станции в то время, когда в буфере коммутатора нет пакетов для передачи на порт станции. При этом среда передачи равновероятно захватывается попеременно портом коммутатора и станцией, и интенсивность передачи пакетов в коммутатор снижается в среднем вдвое. Такой метод называется методом обратного давления (backpressure). Он комбинируется с методом агрессивного захвата среды для большего подавления активности конечных станций.

Рассмотрение принципов работы любой технологии, стоит начинать с истории ее создания. Технология Ethernet появилась как один многих из проектов корпорации Xerox PARC. В 1973 году сотрудником исследовательского центра компании Xerox Робертом Меткалфом была составлена докладная записка, описывающая принципы работы технологии Ethernet. Технология Ethernet основывалась на принципе «множественного доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий» (CSMA/CD). В этом же году совместно Дэвидом Боггсом он создал первую сеть, объединявшую два компьютера на скорости 2,944 Мбит/с.

По прошествии лет благодаря стараниям Роберта Меткалфа ведущие компании Intel, Xerox, DEC начинают стандартизировать протокол Ethernet. Вскоре технология Ethernet начинает конкурировать с ведущими в то время технологиями Token Ring и Arcnet.

В 1985 году публикуется документ IEEE 802.3, который описывает стандарт передачи данных на скорости 10 Мбит/с. В первых стандартах Ethernet в качестве среды передачи использовался коаксиальный кабель. То есть не было еще тогда привычных для нас коммутаторов. Для соединения с сетевой картой компьютера использовались специальные трансиверы, либо коннекторы. Коаксиальный кабель выступал в роли общей шины. На обеих концах шины устанавливались терминаторы — сетевые окончания. Существовали две разновидности первого Ethernet: 10Base5 (толстый коаксиальный кабель) и 10Base2 (тонкий коаксиальный кабель).

В 1991 году был принят стандарт 10Base-T, который использует в качестве среды передачи двойную неэкранированную витую пару. Используется кабель 3 категории (Cat 3). Соединения конечных станций осуществлялись по топологии «точка-точка» со специальным устройством — многопортовым повторителем (концентратором). Принцип работы концентратора достаточно прост. Он принимает сигнал на одном из портов, после чего повторяет его на все остальные. Таким образом, реализуется свойственная для Ethernet топология «общая шина» с разделением пропускной способности между всеми хостами сети.

26 октября 1995 года в институте IEEE был официально принят стандарт 802.3u, описывающий технологию Fast Ethrenet. Fast Ethernet отличался высокой скоростью передачи данных — 100 Мбит/с. От традиционного Ethernet сохранили метод случайного доступа CSMA/CD, формат кадра, звездообразную топологию. Все отличия от Ethernet сосредоточены на физическом уровне. В организации Fast Ethernet используется три типа кабелей: оптический многоволоконный кабель (100Base-FX), витая пара 5-ой категории (100Base-TX), витая пара 3-ей категории (100Base-T4).

Со временем требования к скорости передачи данных возрастают. Следующим шагом в развитие было стандартизация стандарта Gigabit Ethernet, имеющего официальное название IEEE 802.3z. Данный стандарт был опубликован в июле 1998 года. IEEE 802.3z включал в себя три вида кабелей: 1000BASE-SX - для передачи сигнала по многомодовому оптоволокну, 1000BASE-LX - по одномодовому оптоволокну, и почти вышедший из употребления 1000BASE-CX - по экранированному сбалансированному медному кабелю.

После краткого исторического очерка перейдем непосредственно к принципам работы технологии Ethernet. В начале статьи было упомянуто, что Ethernet использует метод «множественного доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий» (CSMA/CD). Именно этот принцип является «фундаментом» всей технологии. Что же он из себя представляет?

Все станции подключены к общей шине. Каждая из них прослушивает среду на наличие несущей. Наличие несущей означает, что какая-то из станций в данный момент передает кадр. Для получения доступа к среде передачи станция должна обнаружить отсутствия несущей, выждать технологическую паузу и, если несущей нет, то может начать передавать свой кадр. Кадр передается по общей шине и доходит до всех станций. Если адрес назначения совпадает, то станция принимает кадр, в противном случае она его отбрасывает.

Если станции будут передавать кадры одновременно, то возникнет коллизия .

Коллизия — наложение двух и более кадров

После обнаружения коллизии все станции обязаны прекратить передачу кадров и ожидать в течении короткого случайного промежутка времени для того, чтобы снова получить доступ к среде передачи.

Из описания метода видно, что он носит вероятностный характер. Предполагается, что любая станция в любой момент времени может начать передачу кадров. С увеличением станций вероятность возникновения коллизий увеличивается, вследствие чего стандарт Ethrenet устанавливает ограничение не более 1024 узлов в одной сети. При этом максимальное расстояние между любыми двумя узлами должно составлять не более 2500 м.

Стандарт 802.3 определяет формат кадра Ethrenet.

Рассмотрим формат кадра:

• Преамбула — представляет из себя последовательность битов 10101010… , состоящую из 7 байтов. Преамбула предназначена для синхронизации приемопередатчиков.
• SA (Start Delititer) — начальный ограничитель. Состоит из одного байта и представляет из себя последовательность 10101011. Эта комбинация указывает на начало кадра.
• Destination address — адрес назначения. Состоит из 6 байт и обозначает MAC-адрес получателя.
• Source address — адрес источника. Обозначает MAC-адрес отправителя.
• L (Length) — длина. Указывает на длину фрейма для того, что получатель мог правильно предсказать окончание кадра.
• DSAP - Destination Service Access Point. 1 байтовое поле. Это точка доступа к сервису системы получателя, которая указывает на то, в каком месте системы получателя буферов памяти следует разместить данные фрейма.
• SSAP - Source Service Access Point - так же 1 байтовое поле. Это точка доступа к сервису системы отправителя, которая указывает на то, в каком месте системы отправителя буферов памяти следует разместить данные фрейма.
• Control - Управление. Размер поля 1-2 байта. Это поле указывает на тип сервиса, который необходим для данных. В зависимости от того, какой сервис нужно предоставить, поле может быть как 1 так и 2 байта.
• Data — данные. Непосредственно сами передаваемые данные. Могут занимать длину от 46 до 1500 байт.
• FCS — проверка на наличие ошибок. Представляет из себя контрольную сумму.

сеть малоперспективной для решения технологических задач реального времени. Определенные проблемы иногда создает ограничение на максимальное поле данных, равное ~1500 байт .

Выбор длины поля данных диктовался уровнем ошибок (BER) для технологий, существовавших на момент разработки стандарта Ethernet .

Первоначально в качестве среды передачи данных использовался толстый коаксиальный кабель (Z = 50 Ом ), а подключение к нему выполнялось через специальные устройства (трансиверы). Позднее сети начали строиться на основе тонкого коаксиального кабеля. Но и такое решение было достаточно дорогим. Разработка дешевых широкополосных скрученных пар и соответствующих разъемов открыла перед Ethernet широкие перспективы. Те, кому приходилось работать с коаксиальными кабелями Ethernet , знают, что при подсоединении или отсоединении разъема можно получить болезненные удары тока. Для скрученных пар это исключено. Но и эта технология не вечна: скрученные пары мало-помалу уступают свои позиции оптоволоконным кабелям.

Для разного быстродействия Ethernet используются разные схемы кодирования, но алгоритм доступа и формат кадра остается неизменным, что гарантирует программную совместимость .

Однако наличие сотен миллионов интерфейсов Ethernet является серьезным препятствие замены стандарта на более совершенный.

16.1. Архитектура сетей Ethernet

Многие современные физические сетевые среды используют последовательный формат передачи информации. К этой разновидности относится и Ethernet . Фирма "Ксерокс" осуществила разработку протокола Ethernet в 1973 году, а в 1979 году объединение компаний Xerox, Intel и DEC (DIX) предоставило документ для стандартизации протокола в IEEE . Предложение с небольшими изменениями было принято комитетом 802.3 в 1983 году. Кадр Ethernet в современном стандарте имеет формат, показанный на рис. 16.1 .

Рис. 16.1.

Поле преамбула содержит 7 байт 0хАА и служит для стабилизации и синхронизации среды (чередующиеся сигналы CD1 и CD0 при завершающем CD0), далее следует поле SFD (Start Frame Delimiter = 0xAB), которое предназначено для выявления начала кадра. Поле EFD ( End Frame Delimiter) задает конец кадра. Поле контрольной суммы (CRC - Cyclic Redundancy Check ), так же как и преамбула, SFD и EFD, формируются и контролируются на аппаратном уровне. В некоторых модификациях протокола поле EFD не применяется. Пользователю доступны поля, начиная с адреса получателя и кончая полем информация , включительно. После CRC и EFD следует межпакетная пауза (IPG - InterPacket Gap – межпакетный интервал ) длиной 96 бит -тактов (9,6 мкс для 10-мегабитного Ethernet ) или более. Максимальный размер кадра равен 1518 байт (сюда не включены поля преамбулы, SFD и EFD). Интерфейс просматривает все пакеты, следующие по кабельному сегменту, к которому он подключен: ведь определить, корректен ли принятый пакет и кому он адресован, можно лишь приняв его целиком. Корректность пакета по CRC , по длине и кратности целому числу байт определяется после проверки адреса места назначения. Вероятность ошибки передачи при наличии CRC -контроля составляет ~2 -32 . При вычислении CRC используется образующий полином R(x) :

R(x) = x 32 + x 26 + x 23 + x 22 + x 16 + x 12 + x 11 + x 10 + x 8 + x 7 + x 5 + x 4 + x 2 + x + 1 .

Алгоритм вычисления CRC сводится к вычислению остатка от деления кода M(x) , характеризующего кадр , на образующий полином R(x) (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection Access Method and Physical Layer Specification. Published by IEEE 802.3-1985. Wiley-Interscience, John & Sons, Inc .). CRC представляет собой дополнение полученного остатка R(x) . CRC вычисляется сетевым интерфейсом и пересылается, начиная со старших разрядов.

Для пересылки данных в сети (быстродействием <1 Гбит/с) используется манчестерский код , который служит как для передачи данных, так и для синхронизации. Каждый бит -символ делится на две части, причем вторая часть всегда является инверсной по отношению к первой. В первой половине кодируемый сигнал представлен в логически дополнительном виде, а во второй – в обычном. Таким образом, сигнал логического 0 – CD0 характеризуется в первой половине уровнем HI (+0,85 В) , а во второй - LO (-0,85 В) . Соответственно сигнал CD1 характеризуется в первой половине бит -символа уровнем LO , а во второй – HI . Примеры форм сигналов при манчестерском кодировании представлены на рис. 16.2 . Верхний уровень сигнала соответствует +0,85 В , нижний - -0,85 В .

Рис. 16.2.

Минимальная длительность пакета в Ethernet определяется тем, что отправитель должен узнать о столкновении пакетов, если оно произошло, раньше, чем закончит передачу кадра. При этом длительность передаваемого пакета должна быть больше удвоенного максимального времени распространения кадра до самой удаленной точки сетевого сегмента.

Здесь подразумевается сегмент, образуемый кабелями и повторителями. Минимальная длительность кадра, равная 64 байтам, была определена для конфигураций 10 Мбит/c сети с четырьмя повторителями и 500-метровыми кабельными сегментами. Наибольший вклад в задержку вносят повторители (если они используются).

Если размер пакета меньше 64 байт , добавляются байты-заполнители, чтобы кадр в любом случае имел соответствующий размер. При приеме контролируется длина пакета, и если она превышает 1518 байт , пакет считается избыточным и обрабатываться не будет. Аналогичная судьба ждет кадры короче 64 байт . Любой пакет должен иметь длину, кратную 8 бит ( целое число байт ). Если в поле адресата содержатся все единицы, адрес считается широковещательным, то есть обращенным ко всем рабочим станциям локального сегмента сети.

При подключении ЭВМ к сети непосредственно с помощью переключателя ограничение на минимальную длину кадра теоретически снимается. Но работа с более короткими кадрами в этом случае станет возможной лишь при замене сетевого интерфейса на нестандартный (причем как у отправителя, так и получателя) !

Пакет Ethernet может нести от 46 до 1500 байт данных. Формат MAC -адреса получателя или отправителя показан на рис. 16.3 .

Рис. 16.3.

В верхней части рисунка указана длина полей адреса, в нижней – нумерация разрядов. Субполе I/G представляет собой флаг индивидуального или группового адреса. I/G=0 – указывает на то, что адрес является индивидуальным адресом сетевого объекта. I/G=1 характеризует адрес как мультикастинговый, в этом случае дальнейшее разбиение адреса на субполя теряет смысл. Мультикастинговые адреса позволяют обращаться сразу к нескольким станциям в пределах субсети. Субполе U/L является флагом универсального или местного управления (определяет механизм присвоения адреса сетевому интерфейсу). U/L=1 указывает на локальную адресацию ( адрес задан не производителем и ответственность за уникальность лежит на администраторе LAN или на пользователе). U/L=I/G=0 характерно для стандартных уникальных адресов, присваиваемых интерфейсу его изготовителем. Субполе OUI (Organizationally Unique Identifier ) позволяет определить производителя сетевого интерфейса. Каждому производителю присваивается один или несколько OUI . Размер субполя позволяет идентифицировать около 4 миллионов различных производителей. За корректность присвоения уникального адреса интерфейса (OUA – Organizationally Unique Address) несет ответственность производитель. Двух интерфейсов одного и того же производителя с идентичными номерами не должно существовать. Размер поля позволяет произвести примерно 16 миллионов интерфейсов. Комбинация OUI и OUA составляют UAA (Universally Administrated Address = IEEE - адрес ).

Если в поле кадра протокол/тип записан код менее 1500, то это поле характеризует длину кадра. В противном случае – это код протокола, пакет которого инкапсулирован в поле данных кадра.

Доступ к каналу Ethernet базируется на алгоритме CSMA/CD ( Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection ). В Ethernet любая станция, подключенная к сети, может попытаться начать передачу пакета (кадра), если кабельный сегмент, к которому она подключена, свободен. Свободен ли сегмент, интерфейс определяет по отсутствию "несущей" в течение 96 бит -тактов. Так как первый бит пакета достигает остальных станций сети не одновременно, может случиться, что попытку передачи совершат две или более станций, тем более что задержки в повторителях и кабелях могут достигать достаточно больших величин. Такие совпадения попыток называются столкновениями . Столкновение ( коллизия ) распознается по наличию в канале сигнала, уровень которого соответствует работе двух или более трансиверов одновременно. При обнаружении столкновения станция прерывает передачу. Возобновление попытки может быть произведено после выдержки (кратной 51,2 мксек, но не превосходящей 52 мс), значение которой является псевдослучайной величиной и вычисляется каждой станцией независимо (T= RAND(0,2 min(N,10) ), где N – содержимое счетчика попыток, а число 10 - backoffLimit).

Обычно после столкновения время разбивается на ряд дискретных доменов с длиной, равной удвоенному времени распространения пакета в сегменте ( RTT ). Для максимально возможного RTT это время равно 512 бит -тактам. После первого столкновения каждая станция ждет 0 или 2 временного домена, прежде чем совершить еще одну попытку. После второго столкновения каждая из станций может выждать 0, 1, 2 или 3 временного домена и т.д. После n-го столкновения случайное число лежит в пределах 0 – (2 n – 1) . После 10 столкновений максимальное значение случайной выдержки перестает расти и остается на уровне 1023 .

Теперь рассмотрим поведение сети при наличии k станций, готовых к передаче. Если некоторая станция осуществляет передачу во время домена доступа с вероятностью p , вероятность того, что станция захватит канал, равна:

Достигает максимума при . при . Среднее число доменов на один доступ равно 1/А . Так как каждый домен имеет протяженность RTT , то средняя длительность времени доступа составит RTT/A . Если среднее время передачи кадра составляет P секунд, то при большом числе станций, готовых к передаче, эффективность канала составит P/(P+RTT/A) .

Таким образом, чем длиннее кабельный сегмент, тем больше среднее время доступа .

После выдержки при столкновении станция увеличивает на единицу счетчик попыток и начинает очередную передачу. Предельное число попыток по умолчанию равно 16; если число попыток исчерпано, связь прерывается и выдается соответствующее сообщение (о недоступности). При этом передаваемый кадр будет безвозвратно потерян.

Длинный кадр способствует "синхронизации" начала передачи пакетов несколькими станциями. Ведь за время передачи с заметной вероятностью может возникнуть необходимость передачи у двух и более станций. В момент, когда они обнаружат завершение пакета, будут включены таймеры IPG . К счастью, информация о завершении передачи пакета доходит до станций сегмента не одновременно. Но задержки, с которыми это связано, являются также причиной того, что факт начала передачи нового пакета одной из станций не становится известным немедленно. При вовлечении в столкновение нескольких станций они могут уведомить остальные станции об этом, послав сигнал "затора" ( JAM - не менее 32 бит ). Содержимое этих 32 бит не регламентируется. Такая схема делает менее вероятным повторное столкновение . Источником большого числа столкновений (помимо информационной перегрузки) может служить запредельная суммарная длина логического кабельного сегмента, слишком большое число повторителей, обрыв кабеля или неисправность одного из интерфейсов. Но сами

Наибольшее распространение среди стандартных сетей получила сеть Ethernet. Она появилась в 1972 году, а в 1985 году стала международным стандартом. Ее приняли крупнейшие международные организации по стандартам: комитет 802 IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) и ECMA (European Computer Manufacturers Association).

Стандарт получил название IEEE 802.3 (по-английски читается как "eight oh two dot three"). Он определяет множественный доступ к моноканалу типа шина с обнаружением конфликтов и контролем передачи, то есть с уже упоминавшимся методом доступа CSMA/CD.

Основные характеристики первоначального стандарта IEEE 802.3:

· топология – шина;

· среда передачи – коаксиальный кабель;

· скорость передачи – 10 Мбит/с;

· максимальная длина сети – 5 км;

· максимальное количество абонентов – до 1024;

· длина сегмента сети – до 500 м;

· количество абонентов на одном сегменте – до 100;

· метод доступа – CSMA/CD;

· передача узкополосная, то есть без модуляции (моноканал).

Строго говоря, между стандартами IEEE 802.3 и Ethernet существуют незначительные отличия, но о них обычно предпочитают не вспоминать.

Сеть Ethernet сейчас наиболее популярна в мире (более 90% рынка), предположительно таковой она и останется в ближайшие годы. Этому в немалой степени способствовало то, что с самого начала характеристики, параметры, протоколы сети были открыты, в результате чего огромное число производителей во всем мире стали выпускать аппаратуру Ethernet, полностью совместимую между собой.

В классической сети Ethernet применялся 50-омный коаксиальный кабель двух видов (толстый и тонкий). Однако в последнее время (с начала 90-х годов) наибольшее распространение получила версия Ethernet, использующая в качестве среды передачи витые пары. Определен также стандарт для применения в сети оптоволоконного кабеля. Для учета этих изменений в изначальный стандарт IEEE 802.3 были сделаны соответствующие добавления. В 1995 году появился дополнительный стандарт на более быструю версию Ethernet, работающую на скорости 100 Мбит/с (так называемый Fast Ethernet, стандарт IEEE 802.3u), использующую в качестве среды передачи витую пару или оптоволоконный кабель. В 1997 году появилась и версия на скорость 1000 Мбит/с (Gigabit Ethernet, стандарт IEEE 802.3z).

Помимо стандартной топологии шина все шире применяются топологии типа пассивная звезда и пассивное дерево. При этом предполагается использование репитеров и репитерных концентраторов, соединяющих между собой различные части (сегменты) сети. В результате может сформироваться древовидная структура на сегментах разных типов (рис.7.1).

В качестве сегмента (части сети) может выступать классическая шина или единичный абонент. Для шинных сегментов используется коаксиальный кабель, а для лучей пассивной звезды (для присоединения к концентратору одиночных компьютеров) – витая пара и оптоволоконный кабель. Главное требование к полученной в результате топологии – чтобы в ней не было замкнутых путей (петель). Фактически получается, что все абоненты соединены в физическую шину, так как сигнал от каждого из них распространяется сразу во все стороны и не возвращается назад (как в кольце).

Максимальная длина кабеля сети в целом (максимальный путь сигнала) теоретически может достигать 6,5 километров, но практически не превышает 3,5 километров.

Рис. 7.1. Классическая топология сети Ethernet.

В сети Fast Ethernet не предусмотрена физическая топология шина, используется только пассивная звезда или пассивное дерево. К тому же в Fast Ethernet гораздо более жесткие требования к предельной длине сети. Ведь при увеличении в 10 раз скорости передачи и сохранении формата пакета его минимальная длина становится в десять раз короче. Таким образом в 10 раз уменьшается допустимая величина двойного времени прохождения сигнала по сети (5,12 мкс против 51,2 мкс в Ethernet).

Для передачи информации в сети Ethernet применяется стандартный манчестерский код.

Доступ к сети Ethernet осуществляется по случайному методу CSMA/CD, обеспечивающему равноправие абонентов. В сети используются пакеты переменной длины.

Для сети Ethernet, работающей на скорости 10 Мбит/с, стандарт определяет четыре основных типа сегментов сети, ориентированных на различные среды передачи информации:

· 10BASE5 (толстый коаксиальный кабель);

· 10BASE2 (тонкий коаксиальный кабель);

· 10BASE-T (витая пара);

· 10BASE-FL (оптоволоконный кабель).

Наименование сегмента включает в себя три элемента: цифра "10" означает скорость передачи 10 Мбит/с, слово BASE – передачу в основной полосе частот (то есть без модуляции высокочастотного сигнала), а последний элемент – допустимую длину сегмента: "5" – 500 метров, "2" – 200 метров (точнее, 185 метров) или тип линии связи: "Т" – витая пара (от английского "twisted-pair"), "F" – оптоволоконный кабель (от английского "fiber optic").

Точно так же для сети Ethernet, работающей на скорости 100 Мбит/с (Fast Ethernet) стандарт определяет три типа сегментов, отличающихся типами среды передачи:

· 100BASE-T4 (счетверенная витая пара);

· 100BASE-TX (сдвоенная витая пара);

· 100BASE-FX (оптоволоконный кабель).

Здесь цифра "100" означает скорость передачи 100 Мбит/с, буква "Т" – витую пару, буква "F" – оптоволоконный кабель. Типы 100BASE-TX и 100BASE-FX иногда объединяют под именем 100BASE-X, а 100BASE-T4 и 100BASE-TX – под именем 100BASE-T.

Сеть Token-Ring

Сеть Token-Ring (маркерное кольцо) была предложена компанией IBM в 1985 году (первый вариант появился в 1980 году). Она предназначалась для объединения в сеть всех типов компьютеров, выпускаемых IBM. Уже тот факт, что ее поддерживает компания IBM, крупнейший производитель компьютерной техники, говорит о том, что ей необходимо уделить особое внимание. Но не менее важно и то, что Token-Ring является в настоящее время международным стандартом IEEE 802.5 (хотя между Token-Ring и IEEE 802.5 есть незначительные отличия). Это ставит данную сеть на один уровень по статусу с Ethernet.

Разрабатывалась Token-Ring как надежная альтернатива Ethernet. И хотя сейчас Ethernet вытесняет все остальные сети, Token-Ring нельзя считать безнадежно устаревшей. Более 10 миллионов компьютеров по всему миру объединены этой сетью.

Сеть Token-Ring имеет топологию кольцо, хотя внешне она больше напоминает звезду. Это связано с тем, что отдельные абоненты (компьютеры) присоединяются к сети не напрямую, а через специальные концентраторы или многостанционные устройства доступа (MSAU или MAU – Multistation Access Unit). Физически сеть образует звездно-кольцевую топологию (рис.7.3). В действительности же абоненты объединяются все-таки в кольцо, то есть каждый из них передает информацию одному соседнему абоненту, а принимает информацию от другого.

Рис. 7.3. Звездно-кольцевая топология сети Token-Ring.

В качестве среды передачи в сети IBM Token-Ring сначала применялась витая пара, как неэкранированная (UTP), так и экранированная (STP), но затем появились варианты аппаратуры для коаксиального кабеля, а также для оптоволоконного кабеля в стандарте FDDI.

Основные технические характеристики классического варианта сети Token-Ring:

· максимальное количество концентраторов типа IBM 8228 MAU – 12;

· максимальное количество абонентов в сети – 96;

· максимальная длина кабеля между абонентом и концентратором – 45 метров;

· максимальная длина кабеля между концентраторами – 45 метров;

· максимальная длина кабеля, соединяющего все концентраторы – 120 метров;

· скорость передачи данных – 4 Мбит/с и 16 Мбит/с.

Все приведенные характеристики относятся к случаю использования неэкранированной витой пары. Если применяется другая среда передачи, характеристики сети могут отличаться. Например, при использовании экранированной витой пары (STP) количество абонентов может быть увеличено до 260 (вместо 96), длина кабеля – до 100 метров (вместо 45), количество концентраторов – до 33, а полная длина кольца, соединяющего концентраторы – до 200 метров. Оптоволоконный кабель позволяет увеличивать длину кабеля до двух километров.

Для передачи информации в Token-Ring применяется бифазный код (точнее, его вариант с обязательным переходом в центре битового интервала). Как и в любой звездообразной топологии, никаких дополнительных мер по электрическому согласованию и внешнему заземлению не требуется. Согласование выполняется аппаратурой сетевых адаптеров и концентраторов.

Для присоединения кабелей в Token-Ring используются разъемы RJ-45 (для неэкранированной витой пары), а также MIC и DB9P. Провода в кабеле соединяют одноименные контакты разъемов (то есть используются так называемые "прямые" кабели).

Сеть Token-Ring в классическом варианте уступает сети Ethernet как по допустимому размеру, так и по максимальному количеству абонентов. Что касается скорости передачи, то в настоящее время имеются версии Token-Ring на скорость 100 Мбит/с (High Speed Token-Ring, HSTR) и на 1000 Мбит/с (Gigabit Token-Ring). Компании, поддерживающие Token-Ring (среди которых IBM, Olicom, Madge), не намерены отказываться от своей сети, рассматривая ее как достойного конкурента Ethernet.

По сравнению с аппаратурой Ethernet аппаратура Token-Ring заметно дороже, так как используется более сложный метод управления обменом, поэтому сеть Token-Ring не получила столь широкого распространения.

Однако в отличие от Ethernet сеть Token-Ring значительно лучше держит высокий уровень нагрузки (более 30-40%) и обеспечивает гарантированное время доступа. Это необходимо, например, в сетях производственного назначения, в которых задержка реакции на внешнее событие может привести к серьезным авариям.

В сети Token-Ring используется классический маркерный метод доступа, то есть по кольцу постоянно циркулирует маркер, к которому абоненты могут присоединять свои пакеты данных (см. рис. 4.15). Отсюда следует такое важное достоинство данной сети, как отсутствие конфликтов, но есть и недостатки, в частности необходимость контроля целостности маркера и зависимость функционирования сети от каждого абонента (в случае неисправности абонент обязательно должен быть исключен из кольца).

Предельное время передачи пакета в Token-Ring 10 мс. При максимальном количестве абонентов 260 полный цикл работы кольца составит 260 x 10 мс = 2,6 с. За это время все 260 абонентов смогут передать свои пакеты (если, конечно, им есть чего передавать). За это же время свободный маркер обязательно дойдет до каждого абонента. Этот же интервал является верхним пределом времени доступа Token-Ring.

Сеть Arcnet

Сеть Arcnet (или ARCnet от английского Attached Resource Computer Net, компьютерная сеть соединенных ресурсов) – это одна из старейших сетей. Она была разработана компанией Datapoint Corporation еще в 1977 году. Международные стандарты на эту сеть отсутствуют, хотя именно она считается родоначальницей метода маркерного доступа. Несмотря на отсутствие стандартов, сеть Arcnet до недавнего времени (в 1980 – 1990 г.г.) пользовалась популярностью, даже серьезно конкурировала с Ethernet. Большое количество компаний производили аппаратуру для сети этого типа. Но сейчас производство аппаратуры Arcnet практически прекращено.

Среди основных достоинств сети Arcnet по сравнению с Ethernet можно назвать ограниченную величину времени доступа, высокую надежность связи, простоту диагностики, а также сравнительно низкую стоимость адаптеров. К наиболее существенным недостаткам сети относятся низкая скорость передачи информации (2,5 Мбит/с), система адресации и формат пакета.

Для передачи информации в сети Arcnet используется довольно редкий код, в котором логической единице соответствует два импульса в течение битового интервала, а логическому нулю – один импульс. Очевидно, что это самосинхронизирующийся код, который требует еще большей пропускной способности кабеля, чем даже манчестерский.

В качестве среды передачи в сети используется коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 93 Ом, к примеру, марки RG-62A/U. Варианты с витой парой (экранированной и неэкранированной) не получили широкого распространения. Были предложены и варианты на оптоволоконном кабеле, но и они также не спасли Arcnet.

В качестве топологии сеть Arcnet использует классическую шину (Arcnet-BUS), а также пассивную звезду (Arcnet-STAR). В звезде применяются концентраторы (хабы). Возможно объединение с помощью концентраторов шинных и звездных сегментов в древовидную топологию (как и в Ethernet). Главное ограничение – в топологии не должно быть замкнутых путей (петель). Еще одно ограничение: количество сегментов, соединенных последовательной цепочкой с помощью концентраторов, не должно превышать трех.

Таким образом, топология сети Arcnet имеет следующий вид (рис.7.15).

Рис. 7.15. Топология сети Arcnet типа шина (B – адаптеры для работы в шине, S – адаптеры для работы в звезде).

Основные технические характеристики сети Arcnet следующие.

· Среда передачи – коаксиальный кабель, витая пара.

· Максимальная длина сети – 6 километров.

· Максимальная длина кабеля от абонента до пассивного концентратора – 30 метров.

· Максимальная длина кабеля от абонента до активного концентратора – 600 метров.

· Максимальная длина кабеля между активным и пассивным концентраторами – 30 метров.

· Максимальная длина кабеля между активными концентраторами – 600 метров.

· Максимальное количество абонентов в сети – 255.

· Максимальное количество абонентов на шинном сегменте – 8.

· Минимальное расстояние между абонентами в шине – 1 метр.

· Максимальная длина шинного сегмента – 300 метров.

· Скорость передачи данных – 2,5 Мбит/с.

При создании сложных топологий необходимо следить за тем, чтобы задержка распространения сигналов в сети между абонентами не превышала 30 мкс. Максимальное затухание сигнала в кабеле на частоте 5 МГц не должно превышать 11 дБ.

В сети Arcnet используется маркерный метод доступа (метод передачи права), но он несколько отличается от аналогичного в сети Token-Ring. Ближе всего этот метод к тому, который предусмотрен в стандарте IEEE 802.4.

Так же, как и в случае Token-Ring, конфликты в Arcnet полностью исключены. Как и любая маркерная сеть, Arcnet хорошо держит нагрузку и гарантирует величину времени доступа к сети (в отличие от Ethernet). Полное время обхода маркером всех абонентов составляет 840 мс. Соответственно, этот же интервал определяет верхний предел времени доступа к сети.

Маркер формируется специальным абонентом – контроллером сети. Им является абонент с минимальным (нулевым) адресом.

Сеть FDDI

Сеть FDDI (от английского Fiber Distributed Data Interface, оптоволоконный распределенный интерфейс данных) – это одна из новейших разработок стандартов локальных сетей. Стандарт FDDI был предложен Американским национальным институтом стандартов ANSI (спецификация ANSI X3T9.5). Затем был принят стандарт ISO 9314, соответствующий спецификациям ANSI. Уровень стандартизации сети достаточно высок.

В отличие от других стандартных локальных сетей, стандарт FDDI изначально ориентировался на высокую скорость передачи (100 Мбит/с) и на применение наиболее перспективного оптоволоконного кабеля. Поэтому в данном случае разработчики не были стеснены рамками старых стандартов, ориентировавшихся на низкие скорости и электрический кабель.

Выбор оптоволокна в качестве среды передачи определил такие преимущества новой сети, как высокая помехозащищенность, максимальная секретность передачи информации и прекрасная гальваническая развязка абонентов. Высокая скорость передачи, которая в случае оптоволоконного кабеля достигается гораздо проще, позволяет решать многие задачи, недоступные менее скоростным сетям, например, передачу изображений в реальном масштабе времени. Кроме того, оптоволоконный кабель легко решает проблему передачи данных на расстояние нескольких километров без ретрансляции, что позволяет строить большие по размерам сети, охватывающие даже целые города и имеющие при этом все преимущества локальных сетей (в частности, низкий уровень ошибок). Все это определило популярность сети FDDI, хотя она распространена еще не так широко, как Ethernet и Token-Ring.

За основу стандарта FDDI был взят метод маркерного доступа, предусмотренный международным стандартом IEEE 802.5 (Token-Ring). Несущественные отличия от этого стандарта определяются необходимостью обеспечить высокую скорость передачи информации на большие расстояния. Топология сети FDDI – это кольцо, наиболее подходящая топология для оптоволоконного кабеля. В сети применяется два разнонаправленных оптоволоконных кабеля, один из которых обычно находится в резерве, однако такое решение позволяет использовать и полнодуплексную передачу информации (одновременно в двух направлениях) с удвоенной эффективной скоростью в 200 Мбит/с (при этом каждый из двух каналов работает на скорости 100 Мбит/с). Применяется и звездно-кольцевая топология с концентраторами, включенными в кольцо (как в Token-Ring).

Основные технические характеристики сети FDDI.

· Максимальное количество абонентов сети – 1000.

· Максимальная протяженность кольца сети – 20 километров.

· Максимальное расстояние между абонентами сети – 2 километра.

· Среда передачи – многомодовый оптоволоконный кабель (возможно применение электрической витой пары).

· Метод доступа – маркерный.

· Скорость передачи информации – 100 Мбит/с (200 Мбит/с для дуплексного режима передачи).

Стандарт FDDI имеет значительные преимущества по сравнению со всеми рассмотренными ранее сетями. Например, сеть Fast Ethernet, имеющая такую же пропускную способность 100 Мбит/с, не может сравниться с FDDI по допустимым размерам сети. К тому же маркерный метод доступа FDDI обеспечивает в отличие от CSMA/CD гарантированное время доступа и отсутствие конфликтов при любом уровне нагрузки.

Ограничение на общую длину сети в 20 км связано не с затуханием сигналов в кабеле, а с необходимостью ограничения времени полного прохождения сигнала по кольцу для обеспечения предельно допустимого времени доступа. А вот максимальное расстояние между абонентами (2 км при многомодовом кабеле) определяется как раз затуханием сигналов в кабеле (оно не должно превышать 11 дБ). Предусмотрена также возможность применения одномодового кабеля, и в этом случае расстояние между абонентами может достигать 45 километров, а полная длина кольца – 200 километров.

Имеется также реализация FDDI на электрическом кабеле (CDDI – Copper Distributed Data Interface или TPDDI – Twisted Pair Distributed Data Interface). При этом используется кабель категории 5 с разъемами RJ-45. Максимальное расстояние между абонентами в этом случае должно быть не более 100 метров. Стоимость оборудования сети на электрическом кабеле в несколько раз меньше. Но эта версия сети уже не имеет столь очевидных преимуществ перед конкурентами, как изначальная оптоволоконная FDDI. Электрические версии FDDI стандартизованы гораздо хуже оптоволоконных, поэтому совместимость оборудования разных производителей не гарантируется.

Для передачи данных в FDDI применяется код 4В/5В, специально разработанный для этого стандарта.

Стандарт FDDI для достижения высокой гибкости сети предусматривает включение в кольцо абонентов двух типов:

· Абоненты (станции) класса А (абоненты двойного подключения, DAS – Dual-Attachment Stations) подключаются к обоим (внутреннему и внешнему) кольцам сети. При этом реализуется возможность обмена со скоростью до 200 Мбит/с или резервирования кабеля сети (при повреждении основного кабеля используется резервный). Аппаратура этого класса применяется в самых критичных с точки зрения быстродействия частях сети.

· Абоненты (станции) класса В (абоненты одинарного подключения, SAS – Single-Attachment Stations) подключаются только к одному (внешнему) кольцу сети. Они более простые и дешевые, по сравнению с адаптерами класса А, но не имеют их возможностей. В сеть они могут включаться только через концентратор или обходной коммутатор, отключающий их в случае аварии.

Кроме собственно абонентов (компьютеров, терминалов и т.д.) в сети используются связные концентраторы (Wiring Concentrators), включение которых позволяет собрать в одно место все точки подключения с целью контроля работы сети, диагностики неисправностей и упрощения реконфигурации. При применении кабелей разных типов (например, оптоволоконного кабеля и витой пары) концентратор выполняет также функцию преобразования электрических сигналов в оптические и наоборот. Концентраторы также бывают двойного подключения (DAC – Dual-Attachment Concentrator) и одинарного подключения (SAC – Single-Attachment Concentrator).

Пример конфигурации сети FDDI представлен на рис. 8.1. Принцип объединения устройств сети иллюстрируется на рис.8.2.

Рис. 8.1. Пример конфигурации сети FDDI.

В отличие от метода доступа, предлагаемого стандартом IEEE 802.5, в FDDI применяется так называемая множественная передача маркера. Если в случае сети Token-Ring новый (свободный) маркер передается абонентом только после возвращения к нему его пакета, то в FDDI новый маркер передается абонентом сразу же после окончания передачи им пакета (подобно тому, как это делается при методе ETR в сети Token-Ring).

В заключение следует отметить, что несмотря на очевидные преимущества FDDI данная сеть не получила широкого распространения, что связано главным образом с высокой стоимостью ее аппаратуры (порядка нескольких сот и даже тысяч долларов). Основная область применения FDDI сейчас – это базовые, опорные (Backbone) сети, объединяющие несколько сетей. Применяется FDDI также для соединения мощных рабочих станций или серверов, требующих высокоскоростного обмена. Предполагается, что сеть Fast Ethernet может потеснить FDDI, однако преимущества оптоволоконного кабеля, маркерного метода управления и рекордный допустимый размер сети ставят в настоящее время FDDI вне конкуренции. А в тех случаях, когда стоимость аппаратуры имеет решающее значение, можно на некритичных участках применять версию FDDI на основе витой пары (TPDDI). К тому же стоимость аппаратуры FDDI может сильно уменьшиться с ростом объема ее выпуска.

Сеть 100VG-AnyLAN

Сеть 100VG-AnyLAN – это одна из последних разработок высокоскоростных локальных сетей, недавно появившаяся на рынке. Она соответствует международному стандарту IEEE 802.12, так что уровень ее стандартизации достаточно высокий.

Главными достоинствами ее являются большая скорость обмена, сравнительно невысокая стоимость аппаратуры (примерно вдвое дороже оборудования наиболее популярной сети Ethernet 10BASE-T), централизованный метод управления обменом без конфликтов, а также совместимость на уровне форматов пакетов с сетями Ethernet и Token-Ring.

В названии сети 100VG-AnyLAN цифра 100 соответствует скорости 100 Мбит/с, буквы VG обозначают дешевую неэкранированную витую пару категории 3 (Voice Grade), а AnyLAN (любая сеть) обозначает то, что сеть совместима с двумя самыми распространенными сетями.

Основные технические характеристики сети 100VG-AnyLAN:

· Скорость передачи – 100 Мбит/с.

· Топология – звезда с возможностью наращивания (дерево). Количество уровней каскадирования концентраторов (хабов) – до 5.

· Метод доступа – централизованный, бесконфликтный (Demand Priority – с запросом приоритета).

· Среда передачи – счетверенная неэкранированная витая пара (кабели UTP категории 3, 4 или 5), сдвоенная витая пара (кабель UTP категории 5), сдвоенная экранированная витая пара (STP), а также оптоволоконный кабель. Сейчас в основном распространена счетверенная витая пара.

· Максимальная длина кабеля между концентратором и абонентом и между концентраторами – 100 метров (для UTP кабеля категории 3), 200 метров (для UTP кабеля категории 5 и экранированного кабеля), 2 километра (для оптоволоконного кабеля). Максимально возможный размер сети – 2 километра (определяется допустимыми задержками).

· Максимальное количество абонентов – 1024, рекомендуемое – до 250.

Таким образом, параметры сети 100VG-AnyLAN довольно близки к параметрам сети Fast Ethernet. Однако главное преимущество Fast Ethernet – это полная совместимость с наиболее распространенной сетью Ethernet (в случае 100VG-AnyLAN для этого требуется мост). В то же время, централизованное управление 100VG-AnyLAN, исключающее конфликты и гарантирующее предельную величину времени доступа (чего не предусмотрено в сети Ethernet), также нельзя сбрасывать со счетов.

Пример структуры сети 100VG-AnyLAN показан на рис. 8.8.

Сеть 100VG-AnyLAN состоит из центрального (основного, корневого) концентратора уровня 1, к которому могут подключаться как отдельные абоненты, так и концентраторы уровня 2, к которым в свою очередь подключаются абоненты и концентраторы уровня 3 и т.д. При этом сеть может иметь не более пяти таких уровней (в первоначальном варианте было не более трех). Максимальный размер сети может составлять 1000 метров для неэкранированной витой пары.

Рис. 8.8. Структура сети 100VG-AnyLAN.

В отличие от неинтеллектуальных концентраторов других сетей (например, Ethernet, Token-Ring, FDDI), концентраторы сети 100VG-AnyLAN – это интеллектуальные контроллеры, которые управляют доступом к сети. Для этого они непрерывно контролируют запросы, поступающие на все порты. Концентраторы принимают приходящие пакеты и отправляют их только тем абонентам, которым они адресованы. Однако никакой обработки информации они не производят, то есть в данном случае получается все-таки не активная, но и не пассивная звезда. Полноценными абонентами концентраторы назвать нельзя.

Каждый из концентраторов может быть настроен на работу с форматами пакетов Ethernet или Token-Ring. При этом концентраторы всей сети должны работать с пакетами только какого-нибудь одного формата. Для связи с сетями Ethernet и Token-Ring необходимы мосты, но мосты довольно простые.

Концентраторы имеют один порт верхнего уровня (для присоединения его к концентратору более высокого уровня) и несколько портов нижнего уровня (для присоединения абонентов). В качестве абонента может выступать компьютер (рабочая станция), сервер, мост, маршрутизатор, коммутатор. К порту нижнего уровня может также присоединяться другой концентратор.

Каждый порт концентратора может быть установлен в один из двух возможных режимов работы:

· Нормальный режим предполагает пересылку абоненту, присоединенному к порту, только пакетов, адресованных лично ему.

· Мониторный режим предполагает пересылку абоненту, присоединенному к порту, всех пакетов, приходящих на концентратор. Этот режим позволяет одному из абонентов контролировать работу всей сети в целом (выполнять функцию мониторинга).

Метод доступа к сети 100VG-AnyLAN типичен для сетей с топологией звезда.

При использовании счетверенной витой пары передача по каждой из четырех витых пар производится со скоростью 30 Мбит/с. Суммарная скорость передачи составляет 120 Мбит/с. Однако полезная информация вследствие использования кода 5В/6В передается всего лишь со скоростью 100 Мбит/с. Таким образом, пропускная способность кабеля должна быть не менее 15 МГц. Этому требованию удовлетворяет кабель с витыми парами категории 3 (полоса пропускания – 16 МГц).

Таким образом, сеть 100VG-AnyLAN представляет собой доступное решение для увеличения скорости передачи до 100 Мбит/с. Однако не обладает полной совместимостью ни с одной из стандартных сетей, поэтому ее дальнейшая судьба проблематична. К тому же, в отличие от сети FDDI, она не имеет никаких рекордных параметров. Скорее всего, 100VG-AnyLAN несмотря на поддержку солидных фирм и высокий уровень стандартизации останется всего лишь примером интересных технических решений.

Если говорить о наиболее распространенной 100-мегабитной сети Fast Ethernet, то 100VG-AnyLAN обеспечивает вдвое большую длину кабеля UTP категории 5 (до 200 метров), а также бесконфликтный метод управления обменом.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОУ ВПО «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ

РАДИОТЕХНИКИ, ЭЛЕКТРОНИКИ И АВТОМАТИКИ

(технический университет)»

Дагестанский филиал

Кафедра Вычислительной техники

Курсовая работа

по дисциплине «Сети ЭВМ»

на тему:

"Локальная сеть Ethernet "

Выполнила: студентка 4го курса

специальности ВМКСиС

Исаева П. М.

Проверил: Фейламазова С. А.

Махачкала 2011г.

1. Введение…………………………………………….……………2

2. История Ethernet…………………………………………………3

3. Сети Ethernet…………………………………………………..…6

4. Серверы……………………………………………………….....11

5. Оборудование для локальных сетей…………………………..15

6. Топология сети……………………………………………….....16

7. Общие характеристики локальных вычислительных сетей....22

8. Ethernеt безопасность локальной сети………………………...26

9. Мосты и коммутации……………………………………...........29

10. Многообразия Ethernet…………………………………...32

11. Стандартизации…………………………………………...33

12. Заключение………………………………………………..34

13. Список используемой литературы………………………35

ВВЕДЕНИЕ

Компьютерные сети, называемые также вычислительными сетями, или сетями передачи данных, являются логическим результатом эволюции двух важнейших научно-технических отраслей современной цивилизации - компьютерных и телекоммуникационных технологий. С одной стороны, сети представляют собой частный случай распределенных вычислительных систем, в которых группа компьютеров согласованно выполняет набор взаимосвязанных задач, обмениваясь данными в автоматическом режиме. С другой стороны, компьютерные сети мо­гут рассматриваться как средство передачи информации на большие расстояния, для чего в них применяются методы кодирования и мультиплексирования данных, получившие развитие в различных телекоммуникационных системах.

Конец 90-х гг. прошлого века выявил явного лидера среди технологий локальных сетей - семейство Ethernet, в которое вошли классическая технология Ethernet 10 Мбит/с, а также Fast Ethernet 100 Мбит/с и Gigabit Ethernet 1000 Мбит/с. Простые алго­ритмы работы предопределили низкую стоимость оборудования Ethernet. Широкий диапазон иерархии скоростей позволяет рационально строить локальную сеть, применяя ту технологию семейства, которая в наибольшей степени отвеча­ет задачам предприятия и потребностям пользователей. Важно также, что все технологии Ethernet очень близки друг к другу по принципам работы, что упрощает обслуживание и интеграцию этих сетей.

Актуальность данной работы обусловлена важностью изучения локальных компьютерных систем для студентов технических специальностей как одного из краеугольных понятий предмета «Сети ЭВМ».

Целью работы является изучение характеристик и особенностей локальной сети Ethernet.

В соответствии с целью работы, были поставлены следующие задачи: определение понятия «локальная вычислительная сеть», характеристика основных способов построения сетей (топология сетей), краткая характеристика основных протоколов сети, которые обеспечивают согласованное взаимодействие пользователей в сети, изучение таких технологий локальных сетей как Ethernet, Token Ring, FDDI, Fast и Gigabit Ethernet.

История ETHERNET

Технология Ethernet была разработана вместе со многими первыми проектами корпорации Xerox PARC. Общепринято считать, что Ethernet был изобретён 22 мая 1973 года, когда Роберт Меткалф (Robert Metcalfe ) составил докладную записку для главы PARC о потенциале технологии Ethernet. Но законное право на технологию Меткалф получил через несколько лет. В 1976 году он и его ассистент Дэвид Боггс (David Boggs) издали брошюру под названием «Ethernet: Distributed Packet-Switching For Local Computer Networks».

Меткалф ушёл из Xerox в 1979 году и основал компанию 3Com для продвижения компьютеров. Ему удалось убедить DEC, Intel и Xerox работать совместно и разработать стандарт Ethernet (DIX). Впервые этот стандарт был опубликован 30 сентября 1980 года. Он начал соперничество с двумя крупными запатентованными технологиями: token ring и ARCNET, - которые вскоре были похоронены под накатывающимися волнами продукции Ethernet. В процессе борьбы 3Com стала основной компанией в этой отрасли.

В стандарте первых версий (Ethernet v1.0 и Ethernet v2.0) указано, что в качестве передающей среды используется коаксиальный кабель, в дальнейшем появилась возможность использовать витую пару и оптический кабель.

Причинами перехода на витую пару были:

Возможность работы в дуплексном режиме;

Низкая стоимость кабеля «витой пары»;

Более высокая надёжность сетей при неисправности в кабеле;

Большая помехозащищенность при использовании дифференциального сигнала;

Возможность питания по кабелю маломощных узлов, например IP-телефонов (стандарт Power over Ethernet, POE);

Отсутствие гальванической связи (прохождения тока) между узлами сети. При использовании коаксиального кабеля в российских условиях, где, как правило, отсутствует заземление компьютеров, применение коаксиального кабеля часто сопровождалось пробоем сетевых карт, и иногда даже полным «выгоранием» системного блока.

Причиной перехода на оптический кабель была необходимость увеличить длину сегмента без повторителей.

Метод управления доступом (для сети на коаксиальном кабеле) - множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD, Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), скорость передачи данных 10 Мбит/с, размер пакета от 72 до 1526 байт, описаны методы кодирования данных. Режим работы полудуплексный, то есть узел не может одновременно передавать и принимать информацию. Количество узлов в одном разделяемом сегменте сети ограничено предельным значением в 1024 рабочих станции (спецификации физического уровня могут устанавливать более жёсткие ограничения, например, к сегменту тонкого коаксиала может подключаться не более 30 рабочих станций, а к сегменту толстого коаксиала - не более 100). Однако сеть, построенная на одном разделяемом сегменте, становится неэффективной задолго до достижения предельного значения количества узлов, в основном по причине полудуплексного режима работы.

В 1995 году принят стандарт IEEE 802.3u Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с и появилась возможность работы в режиме полный дуплекс. В 1997 году был принят стандарт IEEE 802.3z Gigabit Ethernet со скоростью 1000 Мбит/с для передачи по оптическому волокну и ещё через два года для передачи по витой паре.

Ethernet является развивающейся технологии. Эволюция включили более высокой пропускной способности, улучшения доступа к среде методов, и изменения в физической среде. Ethernet превратилась в комплекс сетевых технологий, что сегодня лежит в основе большинства локальных сетей. Коаксиальный кабель был заменен с "точка-точка" связаны Ethernet ретрансляторов или переключателей, чтобы уменьшить затраты на установку, повысить надежность, и позволить "точка-точка управления и устранения неполадок. Есть много вариантов Ethernet в общем пользовании.

Ethernet станций общаются, посылая друг другу пакеты данных, блоки данных, которые индивидуально отправлено и доставлено. Как и в других IEEE 802 LAN, Ethernet каждой станции дается 48-битный MAC-адрес. MAC-адреса используются для определения и назначения и источника каждого пакета данных. Карты сетевого интерфейса (NIC) или фишки обычно не принимают пакеты, адресованные в другие места Ethernet. Адаптеры приходят запрограммированы глобально уникальный адрес. Несмотря на значительные изменения в Ethernet от толщины коаксиальный кабель шины работает в 10 Мбит / с для точка-точка " работает на 1 Гбит / с и за ее пределами, всех поколений Ethernet (за исключением ранней экспериментальной версии) использовать тот же формат кадра (и, следовательно, тот же интерфейс для высших слоев), и могут быть легко между собой через мост.

В связи с повсеместность Ethernet, постоянно сокращается стоимость оборудования, необходимого для ее поддержки, и ограниченном пространстве панели необходимой витая пара Ethernet , большинство производителей теперь строить функциональные Ethernet карту непосредственно в компьютер плат, исключая необходимость установка отдельной сетевой плате.

Сети Ethernet

При создании локальных сетей чаще всего используется аппаратная архитектура, называемая Ethernet В простейшем виде сеть Ethernet состоит из одного кабеля, к которому при помощи разъемов, коннекторов и трансиверов подключаются все сетевые узлы. Простая сеть Ethernet обходится относительно недорого, что в сочетании со скоростью передачи в 10, 100 и даже 1000 Мбит/с в значительной степени способствует ее популярности.

Существует три разновидности Ethernet, условно называемые толстый, тонкий и витая пара. При использовании тонкого и толстого Ethernet данные передаются через коаксиальные кабели, отличающиеся по диаметру и способу подключения к компьютеру. Для подключения компьютера к тонкому кабелю Ethernet используется специальный коннектор Т-образной формы (Т-коннектор), который вставляется в разрыв кабеля и подключается к разъему на задней стенке компьютера. Чтобы подключить компьютер к толстому кабелю Ethernet, необходимо просверлить в кабеле небольшое отверстие и при помощи специального прокалывающего приспособления (vampire tap) подсоединить к нему вспомогательный трансиверный кабель. К трансиверному кабелю можно подсоединить один или несколько сетевых узлов. Тонкий кабель Ethernet может достигать 200 метров в длину, а толстый - 500 метров. Эти разновидности Ethernet называют 10base-2 и 10base-5 соответственно. Связка base происходит от термина «baseband modulations», означающего, что данные передаются непосредственно в кабель, минуя модем. Число в начале определяет скорость в Мбит/с, а число на конце - максимальную длину кабеля в сотнях метров. При использовании витой пары используется кабель, состоящий из двух пар медных проводов. Обычно при этом требуется установить дополнительное устройство, называемое активным концентратором (active hub). Витую пару обозначают термином 10base-T (Т - twisted pair, то есть «витая пара»). Для витых пар со скоростью передачи 100 Мбит/с используется обозначение 100base-T.

Чтобы подключить новый сетевой узел к тонкому кабелю Ethernet, требуется прервать передачу всех данных, по крайней мере, на несколько минут, поскольку при этом необходимо разорвать кабель и вставить в разрыв новый Т-коннектор. Подсоединить новый узел к сети, использующей толстый кабель Ethernet, несколько сложнее, однако при этом не требуется останавливать работу сети. С витой парой дело обстоит еще проще. В этой технологии используется устройство, называемое концентратором (hub) и выполняющее функции точки соединения. Подключение и отключение узлов от концентратора абсолютно не мешает работе других пользователей.

Чаще всего для создания малых сетей используется тонкий кабель Ethernet, поскольку этот вариант обходится очень дешево. Карты Ethernet стоят около 30 долларов (многие компании отдают их почти задаром), а кабель обходится в несколько центов за метр. Тем не менее, для крупномасштабных сетей больше подходит толстый кабель или витая пара. Например, на математическом факультете университета GMU компьютерная сеть первоначально была построена на базе толстого Ethernet, так как в этом случае при подсоединении к общему кабелю нового сетевого узла не требовалось нарушать работу всей сети. Сети на базе витой пары также получили очень широкое распространение. Стоимость концентраторов падает, а небольшие устройства сейчас продаются по цене, вполне подходящей даже для малых домашних сетей. Прокладка витой пары обходится существенно дешевле для больших сетей, а сам кабель обладает существенно большей гибкостью, чем коаксиальные кабели, используемые в других системах Ethernet. Администратор сети математического факультета GMU в ближайшем финансовом году планирует перейти на витую пару, поскольку это выведет сетевую технологию на современный уровень и сэкономит немало времени при установке новых и перемещении существующих узловых компьютеров.

Одним из недостатков технологии Ethernet является ограничение на длину кабеля, что позволяет использовать Ethernet только при создании локальных сетей. Однако несколько сетевых сегментов Ethernet можно соединить друг с другом при помощи повторителей (repeaters), мостов (bridges) или маршрутизаторов (routers). Повторитель просто передает сигнал из сегмента в сегмент, при этом усиливая его. Благодаря этому все сегменты сети работают так, будто они являются единым сегментом Ethernet. Из-за ограничений, связанных с временными задержками, между любыми двумя сетевыми узлами может быть установлено не более четырех повторителей. Мосты и маршрутизаторы устроены более сложно. Они анализируют поступающие данные и передают их в другой сегмент только в случае, если принимающий сетевой узел расположен в другом сегменте сети.

Сеть Ethernet работает подобно единой шине, через которую любой узел может пересылать пакеты (или фреймы) размером до 1500 байт на другой узел, подключенный к тому же сегменту Ethernet. Узел адресуется шестибайтовым адресом, хранящимся в постоянном запоминающем устройстве сетевой карты Ethernet (Network Interface Card, NIC). Адрес Ethernet обычно записывают как последовательность из шести Двухзначных шестнадцатеричных чисел, разделенных двоеточиями - например, aa:bb:cc:dd:ee:ff.

Фрейм, посланный одним из узлов, принимается всеми подключенными станциями, но только узел назначения обращает на него внимание и начинает его обработку. Если два узла пытаются переслать фрейм одновременно, происходит коллизия (collision), или столкновение. Коллизии в Ethernet очень быстро обнаруживаются электронными схемами сетевых карт. Чтобы разрешить конфликт, оба узла прекращают передачу и осуществляют новую попытку спустя случайно выбранный интервал времени. Вам предстоит услышать немало историй о проблеме коллизий в Ethernet и о том, что из-за них Ethernet используется только на 30 процентов своей потенциальной пропускной способности. Коллизии в Ethernet считаются нормальным явлением, и в очень занятой сети Ethernet частота коллизий вполне может доходить до 30 процентов. При использовании сетей Ethernet причина для беспокойства обычно появляется лишь тогда, когда частота коллизий доходит до 60 процентов.

Если в одном помещении, здании или комплексе близлежащих зданий имеется несколько компьютеров, пользователи которых должны совместно решать какие-то задачи, обмениваться данными или использовать общие данные, то эти компьютеры целесообразно объединить в локальную сеть.

Локальная сеть (иногда используется термин «локальная вычислительная сеть», сокращенно ЛВС) – это группа из нескольких компьютеров, соединенных между собой посредством кабелей (иногда также телефонных линий или радиоканалов), используемых для передачи информации между компьютерами.

Для соединения компьютеров в локальную сеть необходимо сетевое оборудование и программное обеспечение.

Локальные сети позволяют обеспечить :

Коллективную обработку данных пользователями подключенных в сеть

Компьютеров и обмен данными между этими пользователями;

Совместное использование программ;

Совместное использование принтеров, модемов и других устройств.

Поэтому практически все фирмы, имеющие более одного компьютера объединяют их в локальные сети. Многие пользователя портативных компьютеров подключаются к локальной сети фирмы либо приходя в офис, либо соединяясь с компьютером фирмы по телефонным каналам по средствам модема.

Для объединения компьютеров в локальную сеть требуется :

Вставить в каждый подключаемый к сети компьютер сетевой контроллер(иногда используются термины сетевой адаптер или сетевая плата), который позволяет компьютеру получать информацию из локальной сети и передавать данные в сеть;

Соединить компьютеры кабелями, по которым происходит передача данных между компьютерами, а также другими подключенными к сети устройствами(принтерами, сканерами и т.д.). В некоторых типах сетей кабели соединяют компьютеры непосредственно (как электролампочки на елочной гирлянде), в других соединение кабелей осуществляется через специальные устройства – концентраторы (или хаб), коммутаторы и др.

Замечание В некоторых сетях вместо кабелей данные передаются по радиочастотам (как в радиотелефонах или сотовых телефонах). Однако такие сети стоят дороже и они сложнее в эксплуатации.

Серверы

Для обеспечения функционирования локальной сети часто выделяется специальный компьютер – сервер, или несколько таких компьютеров. На дисках сервера располагаются совместно используемые программы, база данных и т. д.

Остальные компьютеры локальной сети часто называются рабочими станциями. На тех рабочих станциях, где требуется обрабатывать только данные на сервере (например, вводить сведения в совместно используемую базу данных о заказах и продажах), часто для экономии (или по соображениям безопасности) не устанавливают жестких дисков. В сетях, состоящих более чем из 20-25 компьютеров, наличие сервера обязательно – иначе, как правило, производительность сети будет неудовлетворительной. Сервер необходим и при совместной интенсивной работе с какой-либо базой данных.

Иногда серверам назначается определенная специализация (хранение данных, программ, обеспечение модемной и факсимильной связи, вывод на печать и т. д.). Серверы, как правило не используются в качестве рабочих мест пользователей. Серверы, обеспечивающие работу с ценными данными, часто размещаются в изолированном помещении, доступ в которое имеют только специально уполномоченные люди (как в банковское хранилище).

Замечание Многие серверы стоят значительно дороже (в 10-20 и более раз) обычных компьютеров. Неудивительно – ведь они не только являются весьма мощными компьютерами с большим количеством оперативной и дисковой памяти, но в них в добавок обеспечиваются исключительная надежность, высокая производительность ввода-вывода, дублирование устройств и хранимых данных, средства контроля над состоянием сервера, средства обеспечения бесперебойной работы при отказа некоторых устройств и т.д.

Одноранговые сети

Операционные системы Windows for Workgroups, Windows 95, Windows NT Workstation имеют встроенные возможности по организации локальных сетей без выделенного сервера. Обычно такие сети называются одноранговые, поскольку в них все компьютеры равноправны, каждый из них выполняет как роль рабочего места пользователя, так и роль сервера по обеспечению доступа к своим данным и ресурсам. Правда, при использовании Windows for Workgroups или Windows 95 защиту данных обеспечить не удастся, поэтому такие сети можно использовать только в коллективах, где ни у кого нет секретов друг от друга. Можно использовать и другие средства для организации одноранговых локальных сетей. Например, OC LANtastic фирмы Artisoft позволяет создать однорановую сеть, в которой можно работать в среде DOS, Windows и Windows 95.

Недостатки одноранговых сетей. Часто одноранговая сеть - это не лучший выход. Ведь пользовательская ОС мало приспособлена для выполнения функций сервера сети, которую ей приходится выполнять. И если на каком-то компьютере пользователь играет в DOOM или рисует картинку в Adobe Photoshop, а другие пользователи работают с файлами на этом же компьютере, то они будут сильно мешать друг другу – скорость их работы резко снизится.

Да и многие другие особенности однораногвых сетей весьма неудобны - и отсутствие защиты информации, и децентрализованное хранение данных, усложняющее их резервирование, и недостаточная надежность, и многое другое.

Поэтому обычно в локальных сетях применяются выделенные компьютеры, занимающиеся только обслуживанием локальной сети и совместно используемых данных – серверы.

Локальная сеть с несколькими файловыми серверами

В том случае, если локальная сеть имеет большую протяженность или большое количество абонентов (пользователей), целесообразно такую сеть разбить на более мелкие сети, каждая из которых должна содержать свой файловый сервер. Это приводит к тому, что повышается производительность сети, улучшается ее надежность и, если происходят повреждения в одной из сетей, остальная сеть не теряет свою работоспособность. В компьютер, выполняющий роль моста или маршрутизатора, устанавливается по одному сетевому адаптеру. Как правило, мост используется для объединения нескольких сетей с одинаковыми коммуникационными системами. Пакеты, поступающие на мост переадресовываются и посылаются в другую сеть по указанному адресу. Маршрутизаторы в случае надобности, преобразуют пакеты из одного формата в другой.

Сети с выделенными серверами

В локальных сетях с выделенным сервером на сервере используются специальные операционные системы, обеспечивающие надежную и эффективную обработку многих запросов от рабочих мест пользователей. На рабочих станциях такой локальной сети может использоваться любая операционная система и должен быть запущен драйвер, обеспечивающий доступ к локальной сети.

Прочее сетевое программное обеспечение

Кроме сетевой ОС, для эффективной работы пользователей в локальной сети требуется и иное программное обеспечение, которое иногда поставляется вместе с сетевой ОС, а иногда его надо покупать отдельно:

Электронная почта обеспечивает доставку писем (а часто и произвольных файлов, а также голосовых и факсимильных сообщений) от одних пользователей локальной сети другим, а иногда позволяет общаться и с удаленными пользователями по модему или через InterNet;

Средства удаленного доступа позволяют подключаться к локальной сети с помощью модема и работать на компьютере, как будто он непосредственно подключен в сеть (разумеется, при этом многие операции будут выполняться дольше, так как модем работает значительно медленнее сетевого контроллера);

Средства групповой работы (наиболее популярно из них Lotus Notes) позволяют совместно работать над документами, обеспечивают согласованность версий документов у разных пользователей, предоставляютсредства для организации документооборота предприятия, позволяют организовывать телеконференции – письменный обмен мнениями по различным темам и т. д.;

Программы резервирования позволяют создавать резервные копии данных, хранящихся на серверах локальной сети и на компьютерах пользователей, а при необходимости – восстанавливать данные по их резервной копии;

Средства управления локальной сетью позволяют управлять ресурсами локальной сети с одного рабочего места, получать информацию о состоянии и загрузки сети, настраивать производительность сети, управлять системами пользователей сети (например, устанавливать на них программное обеспечение) и т. д.

Другие типы сетей

Кроме сетей Ethernet 10Base-2, 10Base-Т и 100Base-Т, основанных на электрических кабелях, применяются и другие сети, отличающиеся как по протоколу (Token Ring, FDDI и др.), так и по среде передачи данных. Например, для обеспечения передачи данных на значительные расстояния (до нескольких километров) и для более быстрой передачи данных применяются линии связи на волоконно-оптическом кабеле.

Оборудование для локальных сетей

Сетевой контроллер

Для подключения компьютера к локальной сети требуется, чтобы в компьютере был установлен сетевой контроллер (синонимы – сетевой адаптер или сетевая плата). Сетевой контроллер позволяет компьютеру получать информацию из локальной сети и передавать данные в сеть. Сетевые контроллеры отличаются друг от друга типом кабелей, к которым они могут подключаться, реализуемым сетевым протоколом (протокол – это соглашения по обмену информацией в локальной сети), типом шины, к которой они подключаются (ISA, PCI, VESA и др.) быстродействием и другими качествами.

Принт-сервер

Для принтера аналогом сетевого контроллера является прин-сервер – устройство, позволяющее подключать принтер к локальной сети. Обычно принт-сервер подключается в локальную сеть, а к нему подсоединяется обычным способом (шнуром или шнурами типа Centronics) один или несколько принтеров. Высокопроизводительные принтеры, предназначенные для работы в сети, уже имеют встроенную плату эквивалентную принт-серверу.

Замечание Конечно, принтер можно подключать и к серверу локальной сети (к его параллельному порту), однако это по многим причинам не так удобно. Во-первых, кабель для подключения принтеров может иметь ограниченную длину – не более 3-х, максимум 5-ти метров. Во-вторых, в сети может быть много принтеров. В третьих, не все сетевые ОС поддерживают подключение принтеров к параллельному порту.

Топология сети

Топология сети – это логическая схема соединения каналами связи компьютеров или узлов сети. Чаще всего используются основные топологические структуры, носящие следующий характер:

1. общая шина;

2. кольцеобразная (кольцевая);

3. звездообразная.

Для того, чтобы каждая из этих сетей работала, она должна иметь свой метод доступа.

Метод доступа – это набор правил, определяющий использование канала передачи данных, соединяющего узлы сетей на физическом уровне.

Самым распространенным методом доступа в локальных сетях, перечисленных топологией, являются:

Каждый из этих методов реализуется соответствующими сетевыми платами, получившими название адаптера. Сетевая плата является физическим устройством, которое устанавливается в каждом компьютере, включенным в сеть, и обеспечивает передачу и прием информации по каналам связи.

Заметим, что конфигурация физических связей определяется электрическими соединениями компьютеров между собой и может отличаться от конфигурации логических связей между узлами сети. Логические связи представляют собой маршруты передачи данных между узлами сети и образуются путем соответствующей настройки коммуникационного оборудования.

Выбор топологии электрических связей существенно влияет на многие характеристики сети. Например, наличие резервных связей повышает надежность сети и делает возможным балансирование загрузки отдельных каналов. Простота присоединения новых узлов, свойственная некоторым топологиям, делает сеть легко расширяемой. Экономические соображения часто приводят к выбору топологий, для которых характерна минимальная суммарная длина линий связи.

Топология «общая шина»

Рис.1 топология шина

Сеть с топологией шина использует один канал связи, объединяющий все компьютеры сети.

Самым распространенным методом доступа в сетях этой топологии является метод доступа с прослушиванием несущей частоты и обнаружением конфликта. При этом методе доступа, узел прежде чем послать данные по коммуникационному каналу, прослушивает его и только убедившись, что канал свободен, посылает пакет. Если канал занят, узел повторяет попытку передать пакет через случайный промежуток времени. Данные, переданные одним узлом сети, поступают во все узлы, но только узел, ля которого предназначены эти данные, распознает и принимает их. Несмотря на предварительное прослушивание канала, в сети могут возникать конфликты, заключающиеся в одновременной передачи пакетов двумя узлами. Конфликты связана с тем, что имеется временная задержка сигнала при прохождении его по каналу: сигнал послан, но не дошел до узла, прослушивающего канал, в следствие чего узел счел канал свободным и начал передачу.

Характерным примером сети с этим методом доступа является сеть Ethernet. В сети Ethernet обеспечивается скорость передачи данных для локальных сетей, равная 10 Мбит/сек.

Топология шина обеспечивает эффективное использование пропускной способности канала, устойчивость к неисправности отдельных узлов, простоту реконфигурации и наращивания сети.

Общая шина является очень распространенной (а до недавнего времени самой распространенной) топологией для локальных сетей. Передаваемая информация может распространяться в обе стороны. Применение общей шины снижает стоимость проводки, унифицирует подключение различных модулей, обеспечивает возможность почти мгновенного широковещательного обращения ко всем станциям сети. Таким образом, основными преимуществами такой схемы являются дешевизна и простота разводки кабеля по помещениям. Самый серьезный недостаток общей шины заключается в ее низкой надежности: любой дефект кабеля или какого-нибудь из многочисленных разъемов полностью парализует всю сеть. К сожалению, дефект коаксиального разъема редкостью не является. Другим недостатком общей шины является ее невысокая производительность, так как при таком способе подключения в каждый момент времени только один компьютер может передавать данные в сеть. Поэтому пропускная способность канала связи всегда делится здесь между всеми узлами сети.

Топология «звезда»

Рис.2 Топология звезда

Сеть звездообразной топологии имеет активный центр (АЦ) – компьютер (или иное сетевое устройство), объединяющий все компьютеры в сети. Активный центр полностью управляет компьютерами, подключенными к нему через концентратор, которой выполняет функции распределения и усиления сигналов.

В функции концентратора входит направление передаваемой компьютером информации одному или всем остальным компьютерам сети. От надежности активного центра полностью зависит работоспособность сети. В качестве примера метода доступа с АЦ можно привести Arcnet. Этот метод доступа также использует маркер для передачи данных. Маркер предается от узла к узлу (как бы по кольцу), обходя узлы в порядке возрастания их адресов. Как и в кольцевой топологии, каждый узел регенерирует маркер. Этот метод доступа обеспечивает скорость передачи данных 2 Мбит/сек. Главное преимущество этой топологии перед общей шиной - существенно большая надежность. Любые неприятности с кабелем касаются лишь того компьютера, к которому этот кабель присоединен, и только неисправность концентратора может вывести из строя всю сеть. Кроме того, концентратор может играть роль интеллектуального фильтра информации, поступающей от узлов в сеть, и при необходимости блокировать запрещенные администратором передачи.

К недостаткам топологии типа звезда относится более высокая стоимость сетевого оборудования из-за необходимости приобретения концентратора. Кроме того, возможности по наращивания количества узлов сети ограничиваются количеством портов концентратора. Иногда имеет смысл строить сеть с использованием нескольких концентраторов, иерархически соединенных между собой связями типа звезда.

Топология «кольцо»

Рис.3 Топология кольцо

Сеть кольцевой топологии использует в качестве каналов связи замкнутое кольцо из приема-передатчиков, соединенных коаксиальным или оптическим кабелем.

В сетях с кольцевой конфигурацией данные передаются от одного компьютера к другому, как правило, в одном направлении. Если компьютер распознает данные как «свои», то он копирует их себе во внутренний буфер. В сети с кольцевой топологией необходимо принимать специальные меры, чтобы в случае выхода из строя или отключения какой-либо станции не прервался канал связи между остальными станциями. Кольцо представляет собой очень удобную конфигурацию для организации обратной связи – данные, сделав полный оборот, возвращаются к узлу-источнику. Поэтому этот узел может контролировать процесс доставки данных адресату. Часто это свойство кольца используется для тестирования связности сети и поиска узла, работающего некорректно. Для этого в сеть посылаются специальные тестовые сообщения. Самым распространенным методом доступа в сетях этой топологии является Token-Ring – метод доступа с передачей маркера.

Маркер – это пакет снабженный специальной последовательностью бит. Он последовательно передается по кольцу от узла к узлу в одном направлении. Каждый узел ретранслирует передаваемый маркер. Узел может передать свои данные, если он получил пустой маркер. Маркер с пакетом передается пока не обнаружится узел, которому предназначен пакет. В этом узле данные принимаются, но маркер не освобождается, а передается по кольцу дальше. Только вернувшись к отправителю, который может убедиться, что переданные им данные благополучно получены, маркер освобождается. Пустой маркер передается следующему узлу, который при наличии у него данных, готовых к передаче заполняет его и передает по кольцу. В сетях Token-Ring обеспечивается скорость передачи данных, равная 4-м Мбит/сек.

Ретрансляция данных узлами приводит к снижению надежности сети, так как неисправность в одном из узлов сети разрывает всю сеть.

Смешанные типы топологии

В то время как небольшие сети, как правило, имеют типовую топологию звезда, кольцо, или общая шина, для крупных сетей характерно наличие произвольных связей между компьютерами. В таких сетях можно выделить отдельные произвольно связанные фрагменты (подсети), имеющие типовую топологию, поэтому их называют сетями со смешанной топологией.

По мере все белее широкого распространения локальных сетей, возникают проблемы, связанные с обменом информацией между сетями. Так, в рамках университета в нескольких учебных классах могут использоваться локальные сети, причем это могут быть сети разных типов. Для обеспечения связи между этими сетями используются средства межсетевого взаимодействия, называемые мостами и маршрутизаторами. В качестве моста и маршрутизатора могут использоваться компьютеры, в которых установлено по 2 или более сетевых адаптера. Каждый из адаптеров обеспечивает связь с одной из связываемых сетей. Мост или маршрутизатор получает пакеты, посылаемые компьютером одной сети компьютеру другой сети, переадресует их и отправляет по указанному адресу. Мосты, как правило используются для связи сетей с одинаковыми коммуникационными системами, например, для связи 2-х сетей Ethernet или 2-х сетей Arcnet. Маршрутизаторы связывают сети с разными коммуникационными системами, так как имеют средства преобразования пакетов одного формата в другой. Существуют мосты-маршрутизаторы, объединяющие функции обоих средств. Для обеспечения связи тетей с различными компьютерными системами предназначены шлюзы. Например, через шлюз локальная сеть может быть связана с большой ЭВМ.

Общие характеристики локальных вычислительных сетей

Основное назначение любой компьютерной сети – предоставление информационных и вычислительных ресурсов подключенным к ней пользователям.

С этой точки зрения локальную вычислительную сеть можно рассматривать как совокупность серверов и рабочих станций.

Сервер – компьютер, подключенный к сети и обеспечивающий ее пользователей определенными услугами. Серверы могут осуществлять хранение данных, управление базами данных, удаленную обработку заданий, печать заданий и ряд других функций, потребность в которых может возникнуть у пользователей сети. Сервер – источник ресурсов сети.

Рабочая станция – персональный компьютер, подключенный к сети, через который пользователь получает доступ к ее ресурсам. Рабочая станция сети функционирует как в сетевом, так и в локальном режиме. Она оснащена собственной операционной системой (MS DOS, Windows ит.д.), обеспечивает пользователя всеми необходимыми инструментами для решения прикладных задач.

Компьютерные системы, реализуют распределенную обработку данных. Обработка данных в этом случае распределена между двумя объектами: клиентом и сервером.

Клиент – задача, рабочая станция или пользователь компьютерной сети. В процессе обработки данных клиент может сформировать запрос на сервер для выполнения сложных процедур, чтения файлов, поиск информации в базе данных и т.д.

Сервер, определенный ранее, выполняет запрос, поступивший от клиента. Результаты выполнения запроса передаются клиенту. Сервер обеспечивает хранение данных общего пользования, организует доступ к этим данным и передает данные клиенту.

Клиент обрабатывает полученные данные и представляет результаты обработки в виде, удобном для пользователя. Для подобных систем приняты термины – системы или архитектура клиент-сервер.

Архитектура клиент-сервер может использоваться как в одноранговых сетях, так и в сети с выделенным сервером.

Одноранговая сеть, в которой нет единого центра управления взаимодействием рабочих станций и нет единого центра для хранения данных. Сетевая операционная система распределена по рабочим станциям. Каждая станция сети может выполнять функции как клиента, так и сервера. Она может обслуживать запросы от других рабочих станций и направлять свои запросы на обслуживание в сеть. Пользователю сети доступны все устройства, подключенные к другим станциям.

Достоинства одноранговых сетей:

Низкая стоимость;

Высокая надежность.

Недостатки одноранговых сетей:

Зависимость эффективности работы сети от количества станций;

Сложность управления сетью;

Сложность обеспечения защиты информации;

Трудности обновления и изменения программного обеспечения станций.

Наибольшей популярностью пользуются одноранговые сети на базе сетевых операционных систем LANtastic, NetWare Lite.

В сети с выделенным сервером один из компьютеров выполняет функции хранения данных, предназначенных для использования всеми рабочими станциями, управления взаимодействием между рабочими станциями и ряд сервисных функций. Такой компьютер обычно называют сервером сети. На нем устанавливается сетевая операционная система, к нему подключаются все разделяемые внешние устройства – жесткие диски, принтеры и модемы.

Взаимодействие между рабочими станциями в сети, как правило, осуществляются через сервер.

Достоинства сети с выделенным сервером:

Надежна система защиты информации;

Высокое быстродействие;

Отсутствие ограничений на число рабочих станций;

Простота управления по сравнению с одноранговыми сетями.

Недостатки сети:

Высокая стоимость из-за выделения одного компьютера на сервер;

Зависимость быстродействия и надежности от сервера;

Меньшая гибкость по сравнению с одноранговыми сетями.

Сети выделенным сервером являются наиболее распространенными у пользователей компьютерных сетей. Сетевые операционные системы для таких сетей – LANServer (IBM), Windows NT Server версий 3.51 и 4.0 и NetWare (Novell).

Топология сети определяется размещением узлов в сети и связей между ними. Из множества возможных построений выделяют следующие структуры.

Топология «звезда». Каждый компьютер через сетевой адаптер подключается отдельным кабелем объединяющему устройству. Все сообщения проходят через центральное устройство, которое обрабатывает поступающие сообщения и направляет их к нужным или всем компьютерам.

Звездообразная структура чаще всего предполагает нахождение в центральном узле специализированной ЭВМ или концентратора.

Достоинства «звезды»:

Простота периферийного оборудования;

Каждый пользователь может работать независимо от остальных пользователей;

Высокий уровень защиты данных;

Легкое обнаружение неисправности в кабельной сети.

Недостатки «звезды»:

Выход из строя центрального устройства ведет к остановке всей сети;

Высокая стоимость центрального устройства;

Уменьшение производительности сети с увеличением числа компьютеров, подключенных к сети.

Топология «кольцо». Все компьютеры соединяются друг с другом в кольцо. Здесь пользователи сети равноправны. Информация по сети всегда передается в одном направлении. Кольцевая сеть требует специальных повторителей, которые, приняв информацию, передают ее дальше как бы по эстафете; копируют в свою память (буфер), если информация предназначается им; изменяют некоторые служебные разряды, если это им разрешено. Информацию из кольца удаляет тот узел, который ее послал.

Достоинства «кольца»:

Отсутствие дорогого центрального устройства;

Легкий поиск неисправных узлов;

Отсутствует проблема маршрутизации;

Пропускная способность сети разделяется между всеми пользователями, поэтому все пользователи гарантированно последовательно получают доступ к сети.

Ethernеt безопасность локальной сети

В компьютерной сети есть много технологий, которые используются в целях коммуникации некоторые проводных и беспроводных некоторые из них, но в настоящее время еще у нас есть много проводных технологий, таких как Ethernet. Тип местных сетевых технологий области, которая основана на специальный тип кабеля, который используется для передачи данных из одного места в другое в виде аналоговых и цифровых сигналов, эти кабели называются коаксиальных кабелей. Они также проводят сигналы радио различных частот, которые также уделяет важную роль в передаче данных между двумя операционными системами или компьютеров. Этот тип технологии, называется, как Ethernet.

Максимальная скорость передачи данных этой технологии составляет 10 МБ в секунду. кабели, которые используются для настройки Ethernet специальные, потому что они ведут себя как аналоговые и, а также цифровой и его скорость достаточно равной витой пары. Ethernet работает или работает в узком диапазоне, и это немного трудно настроить по сравнению с беспроводными сетевыми технологиями. Ethernet является очень дорогостоящим, чтобы установить, поскольку для установки коаксиальные кабели нам нужно много денег и времени. Так, в настоящее время ее альтернативной т.е. технологии одноранговой используется, чтобы уменьшить расходы, а также повышение надежности и сетей. Так точки к точке управление установить вместо тех дорогостоящих кабелей во всем мире.

Ethernet LAN безопасности:

Как мы знаем, что каждая технология, которая служит народу с такой большой сети, но в то же время она имеет много недостатков. Ethernet LAN также столкнулись с некоторыми серьезными проблемами безопасности, которые его влияние сетей плохо. Он должен сталкиваются и преодолеть многие проблемы безопасности, чтобы стать популярным источником взаимодействия между технологиями современной эпохи. Безопасность слабые стороны Ethernet также уничтожить Ethernet сетей внешне, а также внутри страны. Есть очень много проблем безопасности, которые Ethernet должен сталкиваются и уменьшить их, используя некоторые меры предосторожности, некоторые основные проблемы, как следует

Основная проблема безопасности Ethernet связано с его особенностью, что это система вещания. Любая информация, направляемая форме одного компьютера на другой через Ethernet LAN, как мы знаем, что Ethernet LAN имеет различные сегменты так, когда данные передаются она движется почти со всех концов кабеля, а затем движется в сторону получения компьютера. Во время движения из принимающих к приемнику некоторые нюхает программы, используемые хакерами можете смотреть ваши данные, а также использовать свой пароль сетей.

Решения:

Другие, то эти две проблемы Ethernet LAN безопасности имеет слишком много проблем, но ученые также разработать какие-то решения или меры предосторожности, чтобы преодолеть проблемы безопасности, Ethernet LAN. Существуют два основных типа решений, которые используются для предотвращения таких проблем безопасности аппаратных решений и программных решений.

Аппаратные решения:

Там аппаратных решений, которые используются, чтобы остановить или преодолеть Ethernet проблемы безопасности в локальных сетях в основном из трех типов, которые

При использовании коммутируемой сети, поскольку с помощью переключателя сеть разделена на различные сегменты и через это мы можем предотвратить Snooping или нюхают.

При использовании различных видов фильтров, которые являются электронными характер, такие как мосты или маршрутизаторы.

Ethernet LAN могут также быть защищены с помощью LAN архитектуры безопасности (LSA), он предотвращает входящих сообщений.

Software Solutions:

Ethernet LAN безопасности осуществляется также с помощью некоторых программных решений. Это программное обеспечение может защитить ваши данные от хакеров

Шифрование данных (это программное обеспечение шифрует данные и обеспечивает конфиденциальность к нему).

Процесс аутентификации: используя имя пользователя или пароль для аутентификации. Некоторые технологии также использоваться в которых сочетание двух вышеупомянутых технологий.

Мосты и коммутации

Переключатель Ethernet и моста (сетей)

Хотя повторителей удалось выделить некоторые аспекты Ethernet сегментов, таких, как кабельное поломки, они по-прежнему направляется весь трафик для всех устройств Ethernet. Это создало практические ограничения на многих машинах могли общаться на Ethernet сети. Всей сети было одно столкновение домен, и все хосты должны были быть в состоянии обнаружить столкновения в любом месте сети. Это ограниченное число повторителей между узлами дальний. Сегменты присоединились ретрансляторов были все работают с той же скоростью, что делает поэтапного обновления невозможно.

Чтобы смягчить эти проблемы, преодоление был создан, чтобы общаться на канальном уровне, изолируя физическом уровне. С моста, только хорошо сформированные пакеты Ethernet передаются от одного Ethernet сегмента в другой; столкновений и пакет ошибки изолированы. До обнаружение сетевых устройств на различных сегментах, Ethernet мостов (и коммутаторы) работают несколько ретрансляторов, как Ethernet, передавая весь трафик между сегментами. Однако, как мост узнает адреса, связанные с каждого порта, он перенаправляет сетевой трафик только на необходимые сегменты, повышения общего уровня производительности. трансляции трафика по-прежнему направлены во все сегменты сети. Мосты также преодолел ограничения на общую сегментов между двумя хостами и позволил смешивания скоростях, оба из которых стал очень важным с введением Fast Ethernet .

Раннее мостов рассмотрев каждый пакет по одному с помощью программного обеспечения на процессоре, и некоторые из них были значительно медленнее, чем ретрансляторов, расположенных на переадресацию трафика, особенно при обработке многих портах в то же время. Это было отчасти потому, что весь пакет Ethernet будет читать в буфер, адрес назначения по сравнению с внутренней таблице известных адресов MAC, и решение, принятое в том, чтобы отбросить этот пакет или пересылать на другой или всех сегментах.

В 1989 году сеть компании Калпана представили свои EtherSwitch, первый переключатель Ethernet. Это работает несколько иначе, чем Ethernet-моста, в том, что только заголовка входящий пакет будет рассмотрен до его ни упало или направляется в другую сегмента. Это значительно сократило время ожидания и переадресации обработки нагрузка на сетевое устройство. Один из недостатков этой сквозной способ переключения в том, что пакеты, которые были повреждены-прежнему будет распространяться через сеть, так болтовни станция может продолжать нарушать всей сети. Возможные средства для этого был возврат к первоначальному хранить и пересылать подход моста, где пакет будет прочитать в буфере на переключатель в полном объеме, проверено против его контрольную сумму и затем направляются, но с использованием более мощной специализированной интегральной схемы. Таким образом, преодоление в этом случае производится на аппаратном уровне, позволяет пакетов, который будет направлен на полной скорости.

Когда витой паре или ссылку сегменте волокно используется, и ни конца подключен к ретранслятора, полнодуплексный Ethernet становится возможным за этот сегмент. В режиме полного дуплекса, оба устройства могут передавать и принимать к и друг от друга в то же время, и нет никаких столкновений области. Это удваивает общую пропускную способность соединения и иногда рекламируются как двойной скорости соединения (например, 200 Мбит / с). Ликвидации столкновений области для этих соединений также означает, что ссылки пропускной все может быть использована два устройства в этом сегменте и сегменте длина не ограничена необходимостью для правильного обнаружения столкновений.

Поскольку пакеты, как правило, поставляется только в порт они предназначены для, движение на включении Ethernet меньше публики, чем на общих среды Ethernet. Несмотря на это, включен Ethernet должен еще можно рассматривать как небезопасные технологии сети, потому что легко подорвать включен Ethernet системы с помощью таких как ARP спуфинга и MAC наводнения.

Величина преимущества, немного лучше изоляция устройств друг от друга, способность легко смешивать различные скорости устройств и устранение цепочки пределы присущей Номера с коммутацией Ethernet сделали включен Ethernet доминирующей технологией сети.

Многообразия Ethernet

Ethernet физического уровня

Ethernet физического уровня развивались в течение значительного промежутка времени и включает в себя немало физических интерфейсов СМИ и нескольких величин скорости. Наиболее распространенные формы используются 10BASE-T, 100Base-TX и 1000BASE-T . Все три использовать кабели категории 5 и 8P8C модульные разъемы. Они работают в 10 Мбит / с, 100 Мбит / с и 1 Гбит / с, соответственно. Волоконно-оптические варианты Ethernet обеспечивают высокую производительность, электрической изоляции и расстояния (до десятков километров в некоторых версиях). В целом, сеть стек протоколов программное обеспечение будет работать одинаково на всех сортов.

Ethernet кадра

Пакетной передачи данных по проводам называется кадра. Кадр начинается с преамбулы и начало рамка разделитель, после чего каждый фрейм особенности Ethernet заголовок Показывая источника и назначения MAC-адресов. Средняя часть рамы состоит из полезных данных, включая любые заголовки для других протоколов (например, Интернет-протокол) осуществляется в кадре. Фрейм заканчивается с 32-бит циклического избыточного кода, который используется для обнаружения любого повреждения данных при передаче.

Autonegotiation

Autonegotiation - это процедура, посредством которой два подключенных устройств выбрать общие параметры передачи, такие как скорость и дуплексный режим. Autonegotiation впервые было введено как дополнительная функция для Fast Ethernet, но и обратную совместимость с 10BASE-T. Autonegotiation является обязательным для Gigabit Ethernet.

Стандартизации

Ethernet является семейство рамки основе компьютерных сетей технологии для локальных сетей (LAN). Название произошло от физической концепции эфира. Он определяет число проводки и сигнализации стандарты для физического уровня от OSI модели сетей, а также общие решения формат и управления доступом к среде на канальный уровень.

Ethernet является стандартным, как IEEE 802.3 . Сочетание витая пара версий Ethernet для подключения к серверным системам сети, а также волоконно-оптических версии для сайта магистралей, является наиболее распространенной технологии проводной локальной сети. Он был использован около 1980 в настоящее время в значительной степени заменить конкурирующих стандартов LAN,

Стандартный 8P8C (их часто называют RJ45) разъем используется наиболее часто на кабель CAT5 , тип кабеля используется в основном в сетях Ethernet

Заключение

В результате изучения представленной темы раздела студент знает основные сведения по компьютерным сетям: понятие, иерархию, классификацию локальной сети Ethernet, базовые сетевые топологии, характеристики локальных вычислительных сетей.

В настоящее время глобальные сети обеспечивают обмен информацией между всеми компьютерами, подключенными к ним. Грамотное использование возможностей сети позволяет повысить производительность вашего труда.

В заключение необходимо отметить, что современные компьютерные технологии тесно связаны с сетевыми технологиями. Время автономной работы компьютеров и пользователей прошло. Вместе с тем, данный факт выдвигает новые качественные требования к подготовке пользователей, так как надежная и безопасная работа всей сети зачастую зависит от уровня квалификации каждого. Данный реферат является попыткой комплексного изложения материала, необходимого при подготовке к работе в сети. Именно здесь затронуты программно-технические аспекты работы в сети, приведен материал, классифицирующий современные информационные ресурсы, даны практические рекомендации по их применению.

Список использованной литературы:

1. В. Г. Олифер, Н. А. Олифер «Компьютерные сети».- СПб: Издательство «Питер», 2000.

2. В. Э. Фигурнов «IBM PC для пользователя».- М.: ИНФРА-М, 1997.

3. А. В. Гаврилов «Локальные сети ЭВМ».-М.: Издательство «Мир», 1990.

4. Кульгин М. В. Компьютерные сети. Практика построения.–СПб., 2003.

5. Курносов А.П. Практикум по информатике/Под ред. Курносова А.П. Воронеж: ВГАУ, 2001.- 173 с.

6. Макарова Н.В. Информатика /под ред. Проф. Н.В. Макаровой. - М.: Финансы и статистика, 2006. - 768 с.: ил.

7. Малышев Р.А. Локальные вычислительные сети: Учебное пособие/ РГАТА. – Рыбинск, 2005. – 83 с.

8. Олифер В.Г, Олифер Н.А. Сетевые операционные системы/ В.Г. Олифер, Н.А. Олифер. – СПб.: Питер, 2002. – 544 с.

9. Олифер В.Г., Олифер Н.А.Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы /В.Г. Олифер, Н.А. Олифер. - СПб.: Питер, 2002.- 672 с.

10. Персональные компьютеры в сетях TCP/IP. Крейг Хант; перев. с англ. - BHV-Киев, 2002.

11. Практическая передача данных: Модемы, сети и протоколы. Ф. Дженнингс; перев. с англ. - М.: Мир, 2004.

12. Протоколы Internet. С. Золотов. - СПб.: BHV - Санкт-Петербург, 2002.