«А.П. Пятибратов, Л.П. Гудыно, А.А. Кириченко Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы Учебно-методический комплекс под редакцией профессора Пятибратова А.П. Москва, 2009 УДК 004 ББК 32.973.202 П 994 ...»

По мнению специалистов [30], развитию сетей и технологий ISDN способствуют такие факторы: либерализация и приватизация в области телекоммуникаций (это приводит в появлению новых конкурентов и новых сетевых продуктов); сближение технологий информатизации, телекоммуникаций и отрасли развлечений (это положительно воздействует на развитие кабельного телевидения, спутниковой связи и радиодоступа, при этом на первое место выходит задача обеспечения комплексности предоставления услуг связи); развитие сети Интернет; непрекращающийся рост сетей подвижной связи (эти сети растут значительно быстрее фиксированных сетей, причем наблюдается перераспределение трафика – с фиксированных сетей на сети подвижной связи). Разное состояние этих факторов, выступающих в роли движущих сил развития ISDN-сетей, приводит к различию стратегических и тактических подходов в деле их внедрения в разных странах.

Резкое возрастание роли ISDN-сетей объясняется тем, что они обеспечивают интегрированный доступ к речевым и неречевым услугам, имеют сложившуюся инфраструктуру, являются цифровыми сетями, основанными на использовании цифровых каналов 64 Кбит/с, обладают достаточной гибкостью. Популяризация ISDN-сети возрастает, поскольку по определению она является мультисервисной (обеспечивает услуги по предоставлению связи, доставке информации, а также дополнительные услуги), ориентированной на приложения. Термин «приложение» означает определенную сферу применения ISDN (например, дистанционное обучение), а термин «решение» используется для объяснения, каким образом данное приложение реализуется средствами ISDN (дистанционное обучение осуществляется с помощью услуги видеоконференцсвязи).

Технология ISDN стабильно развивается, а сеть на ее основе имеет необходимые интерфейсы с не ISDN-сетями. Кроме того, имеется большой набор терминального оборудования для ISDN-сетей.

Терминальное оборудование ISDN разбивается на такие группы: цифровые телефонные аппараты, терминальные адаптеры для ПК, оборудование видеосвязи.

Основные средства доступа к сети ISDN: маршрутизаторы или мосты локальных сетей, оконечные сетевые устройства базового и первичного доступа для ВОЛС и медных линий связи, мультиплексоры (для сбора и передачи информации от удаленных абонентов), системы для проведения видеоконференций, мини-УАТС (управленческие автоматические телефонные станции).

Цифровые УАТС с функциями ISDN позволяют: более полно использовать каналы связи для передачи данных и речи, выйти абоненту в сеть ISDN с различных устройств (телефона, факса, компьютера), одновременно передавать речь и данные (если в составе УАТС имеются двухпроводные цифровые телефонные аппараты с расширенными функциями и портом для подключения ПК), подключать мосты или маршрутизаторы для взаимодействия удаленных ЛКС.

Сети и технологии ISDN предоставляют пользователям следующие основные услуги: передача данных со скоростью 64 Кбит/с, передача речи в цифровом виде, телетекст, факс, видеосвязь. При использовании каждой из них абонент может воспользоваться такими дополнительными услугами: организация замкнутых групп пользователей, организация конференцсвязи, предоставление сети своего номера или отказ на предоставление и др.

Таким образом, сети ISDN, основной целью разработки которых было объединение в одной сети трафиков цифровых телефонных сетей и компьютерных данных, в настоящее время широко используются для решения задач по передаче информации в следующих областях: телефония, передача данных, объединение ЛКС, доступ к глобальным компьютерным сетям, интеграция различных видов трафика, передача трафика, чувствительного к задержкам (звук, видео).

Сети и технологии SDH. В сетях стандарта SDH (Synchronous Digital Hierarchy – синхронная цифровая иерархия) реализуется технология синхронных волоконнооптических сетей. Это высокоскоростные сети цифровой связи, которые строятся на базе оптоволоконных кабельных линий или цифровых радиорелейных линий. Основу инфраструктуры современных высокоскоростных телекоммуникационных сетей (магистральных, региональных или городских) составляют цифровые линии и узлы сети стандарта SDH.

Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы При построении сетей SDH используются следующие модули [39]:

•мультиплексоры SDH – это основные функциональные модули сетей SDH, предназначенные для сборки высокоскоростного потока информации из низкоскоростных потоков и разборки высокоскоростного потока на низкоскоростные;

• коммутаторы – обеспечивают связь каналов, закрепленных за пользователями, путем полупостоянного перекрестного соединения между ними;

• концентраторы – служат для объединения однотипных потоков нескольких удаленных узлов сети в одном распределенном узле;

• регенераторы – это устройства мультиплексирования с одним оптическим каналом доступа и одним-двумя выходами, используемыми для увеличения расстояния между узлами сети SDH.

Сети и технологии SDH отличаются высоким уровнем стандартизации (что позволяет в одной сети использовать оборудование разных фирм-производителей), высокой надежностью (централизованное управление сетью обеспечивает полный мониторинг состояния узлов), наличием полного программного контроля (отслеживание и регистрация аварийных ситуаций, управление конфигурацией сети осуществляется программными средствами с единой консоли управления), возможностью оперативного предоставления услуг по требованию, сравнительно простой схемой развития сети. Благодаря этим преимуществам технология SDH стала основной при построении цифровых транспортных сетей самого различного масштаба.

Топология всей SDH-сети формируется из отдельных базовых топологий типа «кольцо», «линейная цепь», «звезда», «точка-точка», которые используются в качестве сегментов сети. Чаще применяется радиально-кольцевая архитектура SDH-сети, построенная на базе кольцевой и линейной топологий.

В России наибольшую активность в использовании SDH-технологии проявляет АО «Ростелеком». Это АО ежегодно строит 5-6 тыс. км магистральных цифровых линий на основе волоконно-оптических кабелей (ВОЛС) и цифровых радиорелейных линий [30].

Компанией RASCOM построена в 1994 г. и эксплуатируется высокоскоростная цифровая оптоволоконная магистральная линия стандарта SDH между Москвой и СанктПетербургом протяженностью 690 км.

4.14. Сети и технологии АТМ Технология АТМ (Asynchronous Transfer Mode – режим асинхронной передачи) является одной из самых перспективных технологий построения высокоскоростных сетей. Она обеспечивает максимально эффективное использование полосы пропускания каналов связи при передаче различного рода информации: голоса, видеоинформации, данных от самых разных типов Определение устройств – асинхронных терминалов, узлов сетей передачи данных, локальных сетей и т. д. (к таким сетям относятся практически все ведомственные сети). Сети, в которых используется АТМ-технология, называются АТМ-сетями.

Эффективность АТМ-технологии заключается в возможности применения различных интерфейсов для подключения пользователей к сетям АТМ.

Основные особенности АТМ-технологии [66].

1. АТМ – асинхронная технология, т. к. пакеты небольшого размера, называемые ячейками (cells), передаются по сети, не занимая конкретных временных интервалов, как это имеет место в В-каналах сетей ISDN.

2. Технология АТМ ориентирована на предварительное (перед передачей информации) установление соединения между двумя взаимодействующими пунктами. После установления соединения АТМ-ячейки маршрутизируют сами себя, поскольку каждая ячейка имеет поля, идентифицирующие соединение, к которому она относится.

3. По технологии АТМ допускается совместная передача различных видов сигналов, включая речь, данные, видеосигналы. Достигаемая при этом скорость передачи (от 155 Мбит/с до 2,2 Гбит/с) может быть обеспечена одному пользователю, рабочей группе или всей сети. В АТМ-ячейке не предусматриваются позиции для определенных видов передаваемой информации, поэтому пропускная способность канала регулируется путем выделения полосы пропускания потребителю.

4. Поскольку передаваемая информация разбивается на ячейки фиксированного размера (53 байта), алгоритмы их коммутации реализованы аппаратно, что позволяет устранить задержки, неизбежные при программной реализации коммутации ячеек.

5. АТМ-технология обладает способностью к наращиваемости, т. е. к увеличению размера сети путем каскадного соединения нескольких АТМ-коммутаторов.

6. Построение АТМ-сетей и реализация соответствующих технологий возможны на основе оптоволоконных линий связи, коаксиальных кабелей, неэкранированной витой пары. Однако в качестве стандарта на физические каналы для АТМ выбран стандарт на оптоволоконные каналы связи синхронной цифровой иерархии SDH. Технология мультиплексирования и коммутации, разработанная для SDH, стала АТМ-технологией.

7. АТМ-технологии могут быть реализованы в АТМ-сетях практически любой топологии, но оконечное оборудование пользователей подключается к коммутаторам АТМ индивидуальными линиями по схеме «звезда».

Главное отличие АТМ-технологии от других телекоммуникационных технологий заключается в высокой скорости передачи информации (в перспективе – до 10 Гбит/с), причем привязка к какой-либо одной скорости отсутствует. Важным является и то обстоятельство, что АТМ-сети совмещают функции глобальных и локальных сетей, обеспечивая идеальные условия для «прозрачной» транспортировки различных видов трафика и доступа к услугам и службам взаимодействующих с сетью АТМ-сетей.

АТМ-технология допускает использование как постоянных (PVC), так и коммутируемых виртуальных каналов (SVC).

PVC представляет собой соединение (после предварительной настройки) между взаимодействующими пользователями сети, которое существует постоянно. Устройства, связываемые постоянным виртуальным каналом, должны вести довольно громоздкие таблицы маршрутизации, отслеживающие все Определение соединения в сети. Следовательно, рабочие станции, соединенные PVC, должны иметь таблицы маршрутизации всех остальных станций сети, что нерационально и может вызывать задержки в передаче.

Коммутируемые виртуальные каналы (SVC) позволяют устранить необходимость ведения сложных таблиц маршрутизации и таким образом повысить эффективность функционирования сети. Здесь соединение устанавливается динамически, при этом используются АТМ-маршрутизаторы. В отличие от традиционных маршрутизаторов, которые требуют физического подключения сетевого сегмента к каждому из своих портов, в АТМ-маршрутизаторах используется не физическая архитектура с ориентацией на соединения, а виртуальная сетевая архитектура, ориентированная на протоколы. Такие маршрутизаторы необходимы и удобны для создания виртуальной сети, для которой характерной является возможность переключения пользователей, находящихся в любой точке Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы сети, с одного сегмента на другой с сохранением виртуального адреса рабочей группы, что упрощает администратору сети задачу учета изменений списка пользователей.

АТМ-технология способна обрабатывать трафики различных классов.

В существующих спецификациях предусмотрены четыре класса трафика, которые могут быть в режиме АТМ [66]:

Класс А – синхронный трафик с постоянной скоростью передачи и с предварительным установлением соединения. Протокол, обслуживающий трафик этого класса, предназначен для обеспечения потребностей в сетевых услугах при передаче информации с постоянной скоростью (передача и прием АТМ-ячеек по АТМ-пути осуществляются с одной и той же скоростью). Примеры такого трафика – несжатая речь, видеоинформация.

Класс В – синхронный трафик с переменной скоростью передачи и с предварительным установлением соединения (например, сжатая речь, видеоинформация). Здесь, как и в случае трафика класса А, необходимы синхронизация аппаратуры отправителя и получателя и предварительное установление связи между ними, но допускается переменная скорость передачи. Информация передается через фиксированные промежутки времени, но ее объем в течение сеанса передачи может изменяться. Если объем передаваемой информации превышает фиксированный размер одной ячейки, эта информация разбивается на несколько ячеек, сборка которых осуществляется в пункте назначения.

Класс С – асинхронный трафик с переменной скоростью передачи с предварительным установлением соединения. Здесь синхронизации аппаратуры отправителя и получателя не требуется. Такой способ передачи необходим в сетях с коммутацией пакетов (сети Х.25, Internet, сети с ретрансляцией кадров). Трафик класса С, видимо, станет основным для передачи информации в глобальных сетях.

Класс D – асинхронный трафик с переменной скоростью передачи и без установления соединения. Протокол, управляющий доставкой трафика класса D, разработан для обеспечения многобитовой коммутации данных без установления соединения. В этом протоколе предусматривается использование кадров переменной длины: с помощью передатчика каждый кадр делится на сегменты фиксированного размера, которые помещаются в АТМ-ячейки; приемник собирает сегменты в исходный кадр, завершая таким образом процесс, который называется сегментацией и сборкой.

Режим асинхронной передачи основан на концепции двух оконечных пунктов сети (абонентских систем, терминалов), осуществляющих связь друг с другом через совокупность промежуточных коммутаторов. При этом используются интерфейсы двух типов: интерфейс пользователя с сетью (UNI – User-to-Network Interface) и интерфейс между сетями (NNI – Network-to-Network Interface). UNI соединяет устройство оконечного пользователя с общедоступным или частным АТМ-коммутатором, а NNI представляет собой канал связи между двумя АТМ-коммутаторами сети (рис. 34).

Соединение между двумя оконечными пунктами сети (напомним, что АТМтехнология ориентирована на предварительное установление соединения) возникает с того момента, когда один из них передает через UNI запрос в сеть. Этот запрос через цепочку АТМ-коммутаторов отправляется в пункт назначения для интерпретации. Если узел-адресат принимает запрос на соединение, то в АТМ-сети между двумя пунктами организуется виртуальный канал. UNI-устройства этих пунктов и промежуточные узлы сети (т. е. АТМ-коммутаторы) обеспечивают правильную маршрутизацию ячеек за счет того, что каждая АТМ-ячейка содержит два поля – идентификатор виртуального пути (VPI – Virtual Path Identifier) и идентификатор виртуального канала (VCI – Virtual Circuit Identifier). Информация, содержащаяся в полях VPI и VCI АТМ-ячейки, используется для однозначного решения задачи маршрутизации даже в случае, если у оконечной системы организовано несколько виртуальных связей.

Движущей силой развития технологии АТМ является ее эффективность в обслуживании низкоскоростных приложений и возможность работы на сравнительно низких скоростях (от 2 Мбит/с). Говорить о «конкуренции» сетей FR и АТМ неправомочно, т. к. в настоящее время FR является основным интерфейсом доступа к сетям АТМ, позволяющим обеспечивать передачу по сети АТМ разнородного трафика, динамически распределяя полосу пропускания.

Рис. 34. Сеть на базе АТМ

АТМ NNI

Совмещение разнородных телекоммуникационных сетей, построенных на базе различных технологий (Х.25, FR, IP и др.), для предоставления пользователям всего спектра услуг в настоящее время возможно только при использовании технологии АТМ. Возможности этой технологии по совмещению различных ТСС возрастают, несмотря на их существенные различия, главные из которых состоят: в приспособленности к передаче разнородной информации (данных, голоса, видеоинформации), возможности полного использования имеющейся полосы пропускания и адаптации к качеству каналов связи, в наличии и качестве интерфейсного оборудования связи с другими сетями, в степени рассредоточенности элементов сети, а также в степени распространенности в том или ином регионе.

4.15. Спутниковые сети связи Появление спутниковых сетей связи вызвало такую же революцию в передаче информации, как революция, вызванная изобретением телефона.

Первый спутник связи был запущен в 1958 г., а в 1965 г. запущен первый коммерческий спутник связи (оба – в США). Эти спутники были пассивными, позже на спутниках стали устанавливать усилители и приемопередающую аппаратуру.

В настоящее время спутники связи запускаются обычно на высоту 22300 миль и находятся на геосинхронной (геостационарной) орбите, плоскость которой параллельна плоскости экватора. Линейная скорость вращения спутника вокруг Земли равна миль/час, что обеспечивает уравновешивание гравитационного притяжения Земли и Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы стационарность вращения спутника по отношению к вращению Земли. Спутник как бы «зависает» над неподвижной точкой поверхности Земли. При таком положении спутника антенна наземной станции слежения может находиться в относительно неподвижном состоянии. Геосинхронные спутники часто запускаются группами по три спутника. Разнесенные друг от друга на 120°, они обеспечивают охват почти всей поверхности Земли.

В спутниковых системах связи используются антенны СВЧ – диапазона частот для приема радиосигналов от передающих наземных станций и для ретрансляции этих сигналов обратно на наземные станции. Большинство спутников используют гигагерцовый диапазон 6/4 ГГц, некоторые работают в диапазоне 14/12 ГГц (первая цифра – частота работы по звену Земля – спутник, а вторая – частота работы по звену спутник – Земля). Способность спутника принимать и передавать сигналы обеспечивается специальным устройством – транспондером. Взаимодействие между абонентами осуществляется по цепи:

абонентская станция (отправитель информации) – передающая наземная радиотелеметрическая станция (РТС) – спутник – приемная наземная радиотелеметрическая станция – абонентская станция (получатель информации). Одна наземная РТС обслуживает группу близлежащих АС.

Для управления передачей данных между спутником и наземными РТС используются следующие способы:

1. Обычное мультиплексирование – с частотным разделением и временным разделением. В первом случае весь частотный спектр радиоканала разделяется на подканалы, которые распределяются между пользователями для передачи любого трафика. Издержки такого способа: при нерегулярном ведении передач подканалы используются нерационально; значительная часть исходной полосы пропускания канала используется в качестве разделительной полосы для предотвращения нежелательного влияния подканалов друг на друга. Во втором случае весь временной спектр делится между пользователями, которые по своему усмотрению распоряжаются предоставленными временными квантами (слотами).

Здесь также возможно простаивание канала из-за нерегулярного его использования.

2. Обычная дисциплина «первичный/вторичные» с использованием методов и средств опроса/выбора. В качестве первичного органа, реализующего такую дисциплину управления спутниковой связью, чаще выступает одна из наземных РТС, а реже – спутник. Цикл опроса и выбора занимает значительное время, особенно при наличии в сети большого количества АС. Поэтому время реакции на запрос пользователя может оказаться для него неприемлемым.

3. Дисциплина управления типа «первичный/вторичные» без опроса с реализацией метода множественного доступа с квантованием времени. Здесь слоты назначаются первичной РТС, называемой эталонной. Принимая запросы от других РТС, эталонная станция в зависимости от характера трафика и занятости канала удовлетворяет эти запросы путем назначения станциям конкретных слотов для передачи кадров. Такой метод широко используется в коммерческих спутниковых сетях.

4. Равноранговые дисциплины управления. Для них характерным является то, что все пользователи имеют равное право доступа к каналу и между ними происходит соперничество за канал. В начале 1970-х годов Н. Абрамсон из Гавайского университета предложил метод эффективного соперничества за канал между некоординируемыми пользователями, названный системой ALOHA. Существует несколько вариантов этой системы:

система, реализующая метод случайного доступа (случайная ALOHA); равноранговая приоритетная слотовая система (слотовая ALOHA ) и др.

К основным преимуществам спутниковых сетей связи относятся следующие:

• большая пропускная способность, обусловленная работой спутников в широком диапазоне гигагерцовых частот. Спутник может поддерживать несколько тысяч речевых каналов связи;

• обеспечение связи между станциями, расположенными на очень больших расстояниях, и возможность обслуживания абонентов в самых труднодоступных точках;

• независимость стоимости передачи информации от расстояния между взаимодействующими абонентами (стоимость зависит от продолжительности передачи или объема передаваемого трафика);

• возможность построения сети без физически реализованных коммутационных устройств, обусловленная широковещательностью работы спутниковой связи. Эта возможность связана со значительным экономическим эффектом, который может быть получен по сравнению с использованием обычной неспутниковой сети, основанной на многочисленных физических линиях связи и коммуникационных устройствах.

Недостатки спутниковых сетей связи:

• необходимость затрат средств и времени на обеспечение конфиденциальности передачи данных, на предотвращение возможности перехвата данных «чужими»

станциями;

• наличие задержки приема радиосигнала наземной станцией из-за больших расстояний между спутником и РТС. Это может вызвать проблемы, связанные с реализацией канальных протоколов, а также временем ответа;

• возможность взаимного искажения радиосигналов от наземных станций, работающих на соседних частотах;

• подверженность сигналов на участках Земля-спутник и спутник-Земля влиянию различных атмосферных явлений.

Для разрешения проблем с распределением частот в диапазонах 6/4 и 14/12 ГГц и размещением спутников на орбите необходимо активное сотрудничество многих стран, использующих технику спутниковой связи.

1. Какие функции распределенной операционной системы сети следует считать самыми главными:

a) управление обменом пакетами между АС сети;

b) обеспечение доступа пользователей к ресурсам сети;

c) реализация функций служб информационной безопасности сети.

2. Что представляют собой уровневые протоколы семиуровневой эталонной модели a) это совокупность функций и процедур, выполняемых в рамках одного функционального уровня модели ВОС;

b) это протоколы взаимодействия АС сети;

c) это протоколы управления пакетами данных в сети.

Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы 3. В чем состоят преимущества использования протоколов типа «маркерная шина»:

a) в возможности применения любой очередности удовлетворения запросов АС, подключенных к общей шине;

b) в возможности применения в загруженных сетях;

c) в возможности передачи кадров произвольной длины.

4. Как формируются базовые принципы информационной безопасности сети:

a) обеспечение конфиденциальности информации;

b) обеспечение целостности данных сети;

c) обеспечение доступности информации в любое время для всех авторизованных 5. Что представляют собой:

a) амплитудно-частотная характеристика линии связи;

b) пропускная способность линии связи;

c) полоса пропускания линии связи;

d) помехоустойчивость линии связи.

6. Какие существуют способы преобразования цифровых данных в аналоговую форму:

a) амплитудная модуляция;

b) частотная модуляция;

c) фазовая модуляция.

7. Какие самосинхронизирующие коды получили наибольшее распространение:

a) манчестерский код;

b) биполярный импульсивный код (RZ-код);

c) потенциальный код без возвращения к нулю (NRZ-код).

8. Какие этапы имеют место при использовании импульсно-кодовой модуляции:

a) отображение;

b) квантование;

c) кодирование 9. Чем принципиально различаются между собой применяемые методы (алгоритмы) маршрутизации пакетов в КС:

a) задержкой пакетов в сети;

b) степенью учета изменения топологии сети и ее загрузки;

c) сложностью оборудования, реализующего эти методы.

10. При оценке способов коммутации пакетов в сетях, какие показатели являются главными:

a) время доставки пакета адресату;

b) пропускная способность сети;

d) отсутствие потерь запросов на доставку пакетов.

Тренировочные задания к разделу 1. Найдите максимально допустимое расстояние Smax между наиболее удаленными станциями локальной сети Ethernet, если известны величины:

– Eп,min = 512 бит – минимальная длина пакета (кадра);

– VK = 10 Мбит/с – скорость передачи данных по коаксиальному кабелю (передающей среде в сети);

– Vc – 50000 км/с – скорость распространения сигнала в передающей среде;

– Тп 2 Тс,mах, т. е. время передачи пакета (Тп) должно быть более чем вдвое больше, чем время распространения сигнала (Тс,mах) между наиболее удаленными станциями сети.

2. Определите максимальное время реакции на запрос пользователя (Тр,mах) в локальной сети с кольцевой топологией, где реализуется ППД типа «маркерное кольцо» без приоритетов, если заданы величины:

– Npc = 25 – число рабочих станций в сети;

– Vc = 50000 км/с – скорость распространения сигнала по коаксиальному кабелю (передающей среде);

– Т3 = 1500 мкс – время задержки маркера с кадром в одном узле (рабочей станции) сети;

– SK = 12,5 км — длина кольцевого моноканала;

– ЕК = 512 байтов – общая длина маркера и кадра;

– VK = 4 Мбит/с – скорость передачи данных по моноканалу;

– все абоненты сети активные, т. е. каждый из них готов к передаче своего кадра и выполняет эту операцию, когда подходит его очередь.

3. Определите максимальное время на передачу кадра от одной станции к другой в сети с звездообразной топологией и эстафетной передачей маркера по логическому кольцу (маркер переходит от одной PC к другой в порядке возрастания их сетевых номеров), если заданы величины:

– Spc = 0,5 км – расстояние между двумя PC сети (для всех PC оно принимается одинаковым);

– Vc = 50000 км/с – скорость распространения сигнала в передающей среде (в коаксиальном кабеле);

– Ек – 512 байтов — длина кадра вместе с маркером;

– VK = 4 Мбит/с – скорость передачи данных в сети;

– Тз = 1500 мкс – время задержки кадра в одном узле сети;

– Npc = 32 – число рабочих станций в сети.

Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы ТЕМА 5.

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

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

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

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

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

К основным характеристикам ЛКС относятся следующие:

длина общего канала связи;

вид физической среды передачи данных (волоконно-оптический кабель, витая пара, коаксиальный кабель);

топология сети;

максимальное число АС в сети;

максимально возможное расстояние между РС в сети;

максимальное число каналов передачи данных;

максимальная скорость передачи данных;

тип передачи сигналов (синхронный или асинхронный);

способ синхронизации сигналов;

метод доступа абонентов в сеть;

структура программного обеспечения сети;

возможность передачи голоса, изображений, видеосигналов;

возможность связи ЛКС между собой и сетью более высокого уровня;

возможность использования процедуры установления приоритетов при одновременном подключении абонентов к общему каналу;

условия надежной работы сети.

К числу наиболее типичных областей применения ЛКС относятся следующие [33]:

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

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

Обмен информацией между АС сети важное средство сокращения до минимума бумажного документооборота. Передача данных и связь занимают особое место среди приложений сети, так как это главное условие нормального функционирования современных организаций.

Обеспечение распределенной обработки данных, связанное с объединением АРМ всех специалистов данной организации в сеть. Несмотря на существенные различия в характере и объеме расчетов, проводимых на АРМ специалистами различного профиля, используемая при этом информация в рамках одной организации, как правило, находится в единой (интегрированной) базе данных. Поэтому объединение таких АРМ в сеть является целесообразным и весьма эффективным решением.

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

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

Коллективное использование дорогостоящих ресурсов необходимое условие снижения стоимости работ, выполняемых в порядке реализации вышеуказанных применений ЛКС. Речь идет о таких ресурсах, как высокоскоростные печатающие устройства, запоминающие устройства большой емкости, мощные средства обраВычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы ботки информации, прикладные программные системы, базы данных, базы знаний. Очевидно, что такие средства нецелесообразно (вследствие невысокого коэффициента использования и дороговизны) иметь в каждой абонентской системе сети. Достаточно, если в сети эти средства имеются в одном или нескольких экземплярах, но доступ к ним обеспечивается для всех АС.

В зависимости от характера деятельности организации, в которой развернута одна или несколько локальных сетей, указанные функции реализуются в определенной комбинации. Кроме того, могут выполняться и другие функции, специфические для данной организации.

Типы ЛКС. Для деления ЛКС на группы используются определенные классификационные признаки [33]:

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

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

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

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

Если информационно-вычислительные ресурсы ЛКС равномерно распределены по большому числу АС, централизованное управление мало эффективно из-за резкого увеличения служебной (управляющей) информации. В этом случае эффективными оказываются сети с децентрализованным (распределенным) управлением, или одноранговые.

В таких сетях нет выделенных серверов, функции управления сетью передаются по очереди от одной РС к другой. Рабочие станции имеют доступ к дискам и принтерам других РС. Это облегчает совместную работу групп пользователей, но производительность сети несколько понижается.

По скорости передачи данных в общем канале различают:

ЛКС с малой пропускной способностью (единицы и десятки мегабит в секунду), в которых в качестве физической передающей среды используются обычно витая пара или коаксиальный кабель;

ЛКС со средней пропускной способностью (десятки мегабит в секунду), в которых используется также коаксиальный кабель или витая пара;

ЛКС с большой пропускной способностью (сотни мегабит в секунду), где применяются оптоволоконные кабели (световоды).

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

Отметим основные особенности ЛКС и их отличия от глобальных сетей. Они заключаются в следующем [39]:

1. Качество линий связи, способ их прокладки и протяженность. Поскольку ЛКС по определению отличаются небольшой протяженностью линий связи, в таких сетях стало возможным применение высококачественных линий (коаксиального кабеля, витой пары, оптоволоконного кабеля), не всегда доступным в ГКС из-за экономических ограничений.

В ГКС часто применяются уже существующие телефонные линии связи, а в ЛКС они прокладываются заново.

2. Разделение каналов. Каналы связи в ЛКС используются, как правило, совместно несколькими узлами сети, а в ГКС – индивидуально.

3. Использование метода коммутации пакетов. Для ЛКС характерно неравномерное распределение нагрузки, т. е. наличие пульсирующего трафика. В связи с этим очень эффективной оказывается коммутация пакетов, обеспечивающая большую пропускную способность сети. В ГКС наряду с коммутацией пакетов используются и другие методы коммутации, а также некоммутируемые каналы.

4. Масштабируемость. ЛКС отличаются плохой масштабируемостью из-за жесткости базовых топологий, определяющих способ подключения РС и длину линий связи.

ГКС рассчитаны на работу с произвольными топологиями, поэтому для них характерна хорошая масштабируемость.

5. Сложность оборудования и методов передачи данных. В ЛКС наличие качественных линий связи позволило упростить процедуры передачи данных (применяются немодулированные информационные сигналы, отсутствует обязательное подтверждение получения пакета) и соответствующее оборудование. В ГКС из-за низкой надежности физических каналов эти процедуры значительно сложнее: широко применяются модуляция, асинхронные методы передачи данных, сложные методы контроля достоверности передачи данных и обеспечения их безопасности и т. д.

6. Скорость обмена данными. В ЛКС, где используются высокоскоростные каналы (10, 16, 100 и более Мбит/с), она неизмеримо больше, чем в ГКС, где скорости передачи данных 2400, 9600, 28800, 33600 бит/с, 56 и 64 Кбит/с и только на магистральных каналах – до 2 Мбит/с.

7. Оперативность удовлетворения запросов пользователей. Для ЛКС обычным является режим on-line, поэтому время доставки пакета (кадра) адресату составляет несколько миллисекунд. В ГКС, где скорость передачи данных сравнительно низкая, это время исчисляется несколькими секундами, реализация служб для режима on-line затруднена, зато широко используется режим off-line (дейтаграммный режим доставки пакетов).

8. Перечень услуг пользователям. В ЛКС этот перечень существенно шире, чем в ГКС, где в основном предоставляются почтовые услуги и передача файлов.

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

Процесс переноса служб и технологий из глобальных сетей в локальные и корпоративные сети приобрел практически массовый характер. В связи с этим появился даже специальный термин – Intranet-технологии (Intra – внутренний), обозначающий применение служб внешних (глобальных) сетей во внутренних (локальных, корпоративных).

В ЛКС стали обращать такое же большое внимание на обеспечение безопасности информации, как и в глобальных, т. е. используются те же методы защиты информации от несанкционированного доступа.

Появляются новые технологии, предназначенные для использования в ГКС и ЛКС.

Это прежде всего технология АТМ, объединяющая все существующие виды трафика в одной транспортной сети.

5.2. Протоколы и технологии локальных сетей В локальных сетях основная роль в организации взаимодействия узлов принадлежит протоколу канального уровня, который ориентирован на вполне определенную топологию ЛКС. Так, самый популярный протокол этого уровня – Ethernet – рассчитан на топологию «общая шина», когда все узлы сети параллельно подключаются к общей для них шине, а протокол Token Ring – на топологию «звезда». При этом применяются простые структуры кабельных соединений между РС сети, а для упрощения и удешевления аппаратных и программных решений реализовано совместное использование кабелей всеми РС в режиме разделения времени (в режиме TDH). Такие простые решения, характерные для разработчиков первых ЛКС во второй половине 70-х годов ХХ-го века, наряду с положительными имели и отрицательные последствия, главные из которых – ограничения по производительности и надежности.

Поскольку в ЛКС с простейшей топологией («общая шина», «кольцо», «звезда») имеется только один путь передачи информации, производительность сети ограничивается пропускной способностью этого пути, а надежность сети – надежностью пути. Поэтому по мере развития и расширения сфер применения локальных сетей с помощью специальных коммуникационных устройств (мостов, коммутаторов, маршрутизаторов) эти ограничения постепенно снимались. Базовые конфигурации ЛКС («шина», «кольцо») превратились в элементарные звенья, из которых формируются более сложные структуры локальных сетей, имеющие параллельные и резервные пути между узлами.

Однако внутри базовых структур локальных сетей продолжают работать все те же протоколы Ethernet и Token Ring. Объединение этих структур (сегментов) в общую, более сложную локальную сеть осуществляется с помощью дополнительного оборудования, а взаимодействие РС такой сети – с помощью других протоколов.

В развитии локальных сетей, кроме отмеченного, наметились и другие тенденции:

• отказ от разделяемых сред передачи данных и переход к использованию активных коммутаторов, к которым РС сети присоединяются индивидуальными линиями связи;

• появление нового режима работы в ЛКС при использовании коммутаторов – полнодуплексного (хотя в базовых структурах локальных сетей РС работают в полудуплексном режиме, т. к. сетевой адаптер станции в каждый момент времени либо передает свои данные, либо принимает другие, но не делает это одновременно).

Сегодня каждая технология ЛКС приспособлена для работы как в полудуплексном, так и в полнодуплексном режимах.

Стандартизация протоколов ЛКС осуществлена комитетом 802, организованном в 1980 в институте IEEE. Стандарты семейства IEEE 802.Х охватывают только два нижних уровня модели ВОС – физический и канальный. Именно эти уровни отражают специфику локальных сетей, старшие уровни, начиная с сетевого, имеют общие черты для сетей любого класса.

В локальных сетях, как уже отмечалось, канальный уровень разделен на два подуровня:

• логической передачи данных (LLC);

• управления доступом к среде (МАС).

Протоколы подуровней МАС и LLC взаимно независимы, т. е. каждый протокол подуровня МАС может работать с любым протоколом подуровня LLC, и наоборот.

Подуровень МАС обеспечивает совместное использование общей передающей среды, а подуровень LLC – организует передачу кадров с различным уровнем качества транспортных услуг. В современных ЛКС используются несколько протоколов подуровня МАС, реализующих различные алгоритмы доступа к разделяемой среде и определяющих специфику технологий Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, Token Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN.

Протокол LLC. Для технологий ЛКС этот протокол обеспечивает необходимое качество транспортной службы. Он занимает положение между сетевыми протоколами и протоколами подуровня МАС. По протоколу LLC кадры передаются либо дейтаграммным способом, либо с помощью процедур с установлением соединения между взаимодействующими станциями сети и восстановлением кадров путем их повторной передачи при наличии в них искажений.

Различают три режима работы протокола LLC:

• LLC1 – процедура без установления соединения и без подтверждения. Это дейтаграммный режим работы. Он используется обычно тогда, когда восстановление данных после ошибок и упорядочение данных осуществляется протоколами вышележащих уровней;

• LLC2 – процедура с установлением соединения и подтверждением. По этому протоколу перед началом передачи между взаимодействующими РС устанавливается логическое соединение и, если это необходимо, выполняются процедуры восстановления кадров после ошибок и упорядочения потока кадров в рамках установленного соединения (протокол работает в режиме скользящего окна, используемом в сетях ARQ). Логический канал протокола LLC2 является дуплексным, т. е.

данные могут передаваться одновременно в обоих направлениях;

• LLC3 – процедура без установления соединения, но с подтверждением. Это дополнительный протокол, который применяется, когда временные задержки (например, связанные с установлением соединения) перед отправкой данных не допускаются, но подтверждение о корректности приема данных необходимо. Протокол LLC3 используется в сетях, работающих в режиме реального времени по управлению промышленными объектами.

Указанные три протокола являются общими для всех методов доступа к передающей среде, определенных стандартами IEEE 802.Х.

Кадры подуровня LLC по своему назначению делятся на три типа – информационные (для передачи данных), управляющие (для передачи команд и ответов в процедурах LLC2) и ненумерованные (для передачи ненумерованных команд и ответов LLC1 и LLC2).

Все кадры имеют один и тот же формат: адрес отправителя, адрес получателя, контрольное поле (где размещается информация, необходимая для контроля правильности передачи данных), поле данных и два обрамляющих однобайтовых поля «Флаг» для Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы определения границ кадра LLC. Поле данных может отсутствовать в управляющих и ненумерованных кадрах. В информационных кадрах, кроме того, имеется поле для указания номера отправленного кадра, а также поле для указания номера кадра, который отправляется следующим.

Технология Ethernet (стандарт 802.3). Это самый распространенный стандарт локальных сетей. По этому протоколу в настоящее время работают более 5 миллионов ЛКС.

Имеется несколько вариантов и модификаций технологии Ethernet, составляющих целое семейство технологий. Из них наиболее известными являются 10-мегабитный вариант стандарта IEEE 802.3, а также новые высокоскоростные технологии Fast Ethernet и Gigabit Ethernet. Все эти варианты и модификации отличаются типом физической среды передачи данных.

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

Полезная пропускная способность сети – это скорость передачи пользовательских данных, переносимых полем данных кадров. Она всегда меньше номинальной битовой скорости протокола Ethernet за счет служебной информации кадра, межкадровых интервалов и ожидания доступа к среде. При передаче кадров минимальной длины (72 байта вместе с преамбулой) максимально возможная пропускная способность сегмента Ethernet составляет 14880 кадр/с, а полезная пропускная способность – всего 5,48 Мбит/с, что немного превышает половину номинальной пропускной способности – 10 Мбит/с. При передаче кадров максимальной длины (1518 байт) полезная пропускная способность равна 9,76 Мбит/с, что близко к номинальной скорости протокола. Наконец, при использовании кадров средней длины с полем данных в 512 байт, полезная пропускная способность равна 9,29 Мбит/с, т. е. также мало отличается от предельной пропускной способности в 10 Мбит/с. Следует учесть, что такие скорости достигаются только при отсутствии коллизий, когда двум взаимодействующим узлам другие узлы не мешают. Коэффициент использования сети в случае отсутствия коллизий и ожидания доступа имеет максимальное значение 0,96.

Технологией Ethernet поддерживаются 4 разных типа кадров, имеющих общий формат адресов. Распознавание типа кадров осуществляется автоматически. В качестве примера приведем структуру кадра 802.3/LLC.

Такой кадр имеет следующие поля:

• поле преамбулы – состоит из семи синхронизирующих байт 10101010, которые используются для реализации манчестерского кодирования;

• начальный ограничитель кадра – состоит из одного байта 10101011 и указывает на то, что следующий байт – это первый байт заголовка кадра;

• адрес назначения – длина его 6 байт, он включает признаки, по которым устанавливает тип адреса – индивидуальный (кадр отправляется одной РС), групповой (кадр отправляется группе РС), широковещательный (для всех РС сети);

• адрес источника (отправителя) – длина его 2 или 6 байт;

• длина поля данных – 2-байтовое поле, определяющее длину поля данных в кадре;

• поле данных – длина его от 0 до 1500 байт. Если длина этого поля меньше 46 байт, то используется так называемое поле заполнения, чтобы дополнить кадр до минимального допустимого значения в 46 байт;

поле заполнения – длина его такая, чтобы обеспечить минимальную длину поля данных в 46 байт (это необходимо для корректной работы механизма обнаружения ошибок). Поле заполнения в кадре отсутствует, если длина поля данных • поле контрольной суммы – состоит из 4 байт и содержит контрольную сумму, которая используется на приемной стороне для выявления ошибок в принятом кадре.

В зависимости от типа физической среды по стандарту IEEE 802.3 различают следующие спецификации:

• 10Base-5 – толстый коаксиальный кабель (диаметр 0,5 дюйма), максимальная длина сегмента сети 500 метров;

• 10Base-2 – тонкий коаксиальный кабель (диаметр 0,25 дюйма), максимальная длина сегмента без повторителей 185 метров;

• 10 Base-T – неэкранированная витая пара, образующая звездообразную топологию на основе концентратора. Расстояние между концентратором и РС – не более • 10Base-F – волоконно-оптический кабель, образующий звездообразную топологию. Расстояние между концентратором и РС – до 1000 м и 2000 м для различных вариантов этой спецификации.

В этих спецификациях число 10 обозначает битовую скорость передачи данных (10 Мбит/с), слово Base – метод передачи на одной базовой частоте 10 МГц, последний символ (5, 2, Т, F) – тип кабеля.

Для всех стандартов Ethernet имеют место следующие характеристики и ограничения:

• номинальная пропускная способность – 10 Мбит/с;

• максимальное число РС в сети – 1024;

• максимальное расстояние между узлами в сети – 2500 м;

• максимальное число коаксиальных сегментов сети – 5;

• максимальная длина сегмента – от 100 м (для 10Base-T) до 2000 м (для 10Base-F);

• максимальное число повторителей между любыми станциями сети – 4.

Технология Token Ring (стандарт 802.5). Здесь используется разделяемая среда передачи данных, состоящая из отрезков кабеля, соединяющих все РС сети в кольцо. К кольцу (общему разделяемому ресурсу) применяется детерминированный доступ, основанный на передаче станциям права на использование кольца в определенном порядке.

Это право предается с помощью маркера. Маркерный метод доступа гарантирует каждой РС получение доступа к кольцу в течение времени оборота маркера. Используется приоритетная система владения маркером – от 0 (низший приоритет) до 7 (высший). Приоритет для текущего кадра определяется самой станцией, которая может захватить кольцо, если в нем нет более приоритетных кадров.

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

Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы Максимальный размер кадра в стандарте 802.5 не определен. Обычно он принимается равным 4 Кбайт для сетей 4 Мбит/с и 16 Кбайт для сетей 16 Мбит/с.

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

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

Стандарт Token Ring (технология этих сетей была разработана еще в 1984 г. фирмой IBM, которая является законодателем мод в этой технологии) изначально предусматривал построение связей в сети с помощью концентраторов, называемых MAU, т. е. устройствами многостанционного доступа. Концентратор может быть пассивным (соединяет порты внутренними связями так, чтобы РС, подключенные к этим портам, образовали кольцо, а также обеспечивает обход какого-либо порта, если подключенный к этому порту компьютер выключается) или активным (выполняет функции регенерации сигналов и поэтому иногда называется повторителем).

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

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

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

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

Существует значительная преемственность между технологиями Token Ring и FDDI.

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

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

Основное отличие маркерного метода доступа к передающей среде, используемого в сети FDDI, от этого метода в сети Token Ring, заключается в том, что в сети FDDI время удержания маркера является постоянной величиной только для синхронного трафика, который критичен к задержкам передачи кадров. Для асинхронного трафика, не критичного к небольшим задержкам передачи кадров, это время зависит от загрузки кольца:

при небольшой загрузке оно увеличивается, а при большой – может уменьшаться до нуля. Таким образом, для асинхронного трафика метод доступа является адаптивным, хорошо регулирующим временные перегрузки сети. Механизм приоритетов кадров отсутствует. Считается, что достаточно разделить трафик на два класса – синхронный, который обслуживается всегда (даже при перегрузках кольца), и асинхронный, обслуживаемый при малой загрузке кольца. Станции FDDI применяют алгоритм раннего освобождения маркера, как это сделано в сети Token Ring со скоростью 16 Мбит/с. Синхронизация сигналов обеспечивается применением биполярного кода NRZI.

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

Результаты сравнения технологии FDDI с технологиями Ethernet и Token Ring [39] приведены в табл. 8.

Характеристики Среда передачи данных неэкранированная Максимальная длина сети 200 км (100 км на Максимальное расстояние Максимальное количество Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы Технологии Fast Ethernet и 100VG-AnyLAN. Обе эти технологии не являются самостоятельными стандартами и рассматриваются как развитие и дополнение технологии Ethernet, реализованное соответственно в 1995 и 1998 годах. Новые технологии Fast Ethernet (стандарт 802.3и) и 100VG-AnyLAN (стандарт 802.3z) имеют производительность 100 Мбит/с и отличаются степенью преемственности с классическим Ethernet.

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

В технологии 100VG-AnyLAN используется совершенно новый метод доступа – Demand Priority (DP), приоритетный доступ по требованию. Эта технология существенно отличается от технологии Ethernet.

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

• структура физического уровня технологии Fast Ethernet более сложная, что объясняется использованием трех вариантов кабельных систем: волоконно-оптический кабель, витая пара категории 5 (используются две пары), витая пара категории (используются четыре пары). Отказ от коаксиального кабеля привел к тому, что сети этой технологии всегда имеют иерархическую древовидную структуру;

• диаметр сети сокращен до 200 м, время передачи кадра минимальной длины уменьшено в 10 раз за счет увеличения скорости передачи в 10 раз;

• технология Fast Ethernet может использоваться при создании магистралей локальных сетей большой протяженности, но только в полудуплексном варианте и совместно с коммутаторами (полудуплексный вариант работы для этой технологии является основным);

• для всех трех спецификаций физического уровня, отличающихся типом используемого кабеля, форматы кадров отличаются от форматов кадров технологий 10мегабитного Ethernet;

• признаком свободного состояния передающей среды является не отсутствие сигналов, а передача по ней специального символа в кодированном виде;

• для представления данных при передаче по кабелю и обеспечения синхронизации сигналов манчестерский код не используется. Применяется метод кодирования 4В/5В, хорошо себя зарекомендовавший в технологии FDDI. В соответствии с этим методом каждые 4 бита передаваемых данных представляются 5 битами, т. е. из комбинаций 5-битных символов для кодирования исходных 4-битных символов используются только 16 комбинаций, а из оставшихся 16 комбинаций выбираются несколько кодов, которые используются как служебные. Один из служебных кодов постоянно передается в течение пауз между передачей кадров. Если он в линии связи отсутствует, то это свидетельствует об отказе физической связи;

• кодирование и синхронизация сигналов осуществляются с помощью биполярного • технология Fast Ethernet рассчитана на использование концентраторовповторителей для образования связей в сети (то же самое имеет место для всех некоаксиальных вариантов Ethernet).

Особенности технологии 100VG-AnyLAN заключается в следующем:

• используется другой метод доступа к передающей среде – Demand Priority, обеспечивающий более эффективное распределение пропускной способности сети между запросами пользователей и поддерживающий приоритетный доступ для синхронного режима работы. В качестве арбитра доступа используется концентратор, который циклически выполняет опрос рабочих станций. Станция, желая передать свой кадр, посылает специальный сигнал концентратору, запрашивает передачу кадра и указывает его приоритет. Имеются два уровня приоритетов – низкий (для обычных данных) и высокий (для данных, чувствительных к временным задержкам, например мультимедиа). Приоритеты запросов имеют две составляющие – статическую и динамическую, поэтому станция с низким уровнем приоритета, долго не имеющая доступа к сети, получает высокий приоритет;

• передача кадров осуществляется только станции назначения, а не всем станциям сети;

• сохранены форматы кадров Ethernet и Token Ring, что облегчает межсетевое взаимодействие через мосты и маршрутизаторы;

• поддерживаются несколько спецификаций физического уровня, предусматривающих использование четырех и двух неэкранированных витых пар, двух экранированных витых пар и двух оптоволоконных кабелей. Если используются 4 пары неэкранированного кабеля, по каждой паре одновременно передаются данные со скоростью 25 Мбит/с, что в сумме дает 100 Мбит/с. Коллизии при передаче информации отсутствуют. Для кодирования данных применяется код 5В/6В, идея использования которого аналогична коду 4В/5В.

Технология 100VG-AnyLAN не нашла такого широкого распространения, как Fast Ethernet. Это объясняется узостью технических возможностей поддержки разных типов трафика, а также появлением высокоскоростной технологии Gigabit Ethernet.

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

По поводу технологии Gigabit Ethernet следует отметить следующее:

• на уровне протокола не поддерживаются (так же, как и у его предшественников):

качество обслуживания, избыточные связи, тестирование работоспособности узлов и оборудования. Что касается качества обслуживания, то считается, что высокая скорость передачи данных по магистрали и возможность назначения пакетам приоритетов в коммутаторах вполне достаточны для обеспечения качества транспортного обслуживания пользователей сети. Поддержка избыточных связей и тестирование оборудования осуществляются протоколами более высоких уровней;

• сохраняются все форматы кадров Ethernet;

• имеется возможность работы в полудуплексном и полнодуплексном режимах.

Первый из них поддерживает метод доступа CSMA/CD, а второй – работу с коммутаторами;

• поддерживаются все основные виды кабелей, как и в предшествующих технологиях этого семейства: волоконно-оптический, витая пара, коаксиал;

• минимальный размер кадра увеличен с 64 до 512 байт, максимальный диаметр сети тот же – 200 м. Можно передавать несколько кадров подряд, не освобождая среду.

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

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

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

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

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

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

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

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

5.3. Сетевое коммуникационное оборудование локальных сетей Ниже рассматриваются наиболее массовые типы сетевого коммуникационного оборудования ЛКС – кабельные системы, сетевые адаптеры, концентраторы, мосты и коммутаторы. Кроме кабельной системы, которая является протокольно независимой, все остальные типы по своему устройству и функциям существенно зависят от того, какой конкретно протокол из числа рассмотренных выше в них реализован.

Кабельная система. Она составляет фундамент любой компьютерной сети и представляет собой набор коммуникационных элементов (кабелей, разъемов, кроссовых панелей и шкафов, коннекторов), которые удовлетворяют стандартам локальных сетей и позволяют создавать регулярные, легко расширяемые структуры сетей путем добавления сегментов, коммутаторов или изъяОпределение Структурированная кабельная система (СКС), отвечающая высоким требованиям к качеству кабельной системы, строится избыточной, что облегчает реконфигурацию и расширение сетей (стоимость последующего расширения СКС превосходит стоимость установки избыточных элементов).

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

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

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

Сетевой адаптер вместе со своим драйвером реализует функции канального уровня в компьютере конечного узла сети. Распределение функций между СА и его драйвером стандартами не определяется. Адаптеры ориентированы на определенную архитектуру ЛКС и ее характеристики. В зависимости от того, какой протокол реализует адаптер, адаптеры бывают Ethernet-адаптеры, Token Ring-адаптеры, FDDI-адаптеры и т. д. Дифференциация адаптеров по выполняемым функциям и ориентация их на определенную архитектуру ЛКС привели к большому многообразию типов адаптеров и разбросу их характеристик.

По перечню выполняемых функций и объему работы различают адаптеры для клиентских компьютеров (адаптеры рабочих станций) и адаптеры для серверов. Первые из них проще и дешевле за счет того, что значительная часть работы перекладывается на драйвер, следствием чего является высокая загрузка центрального процессора компьютера рутинной работой по передаче кадров из оперативной памяти в сеть. Адаптеры для серверов значительно сложнее, они обычно снабжаются собственными процессорами, выполняющими больший перечень функций, в том числе и всю работу по передаче кадров из оперативной памяти в сеть и в обратном направлении.

Главные операции, которые выполняет сетевой адаптер совместно с драйвером – передача и прием кадров.

Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы Передача кадра из компьютера в сеть включает следующие этапы:

прием кадра данных LLC вместе с адресной информацией МАС-уровня. В выполнении этого этапа участвует операционная система компьютера;

• оформление кадра данных МАС-уровня, в который инкапсулируется кадр LLCуровня, заполнение адресов отправителя и получателя, вычисление контрольной • формирование символов кодов при использовании избыточных кодов типа 4В/5В;

• реализация цифрового кодирования в соответствии с принятым линейным кодом – манчестерским, NRZI и т. п. и выдача сигналов в кабель.

Прием кадра из сети в компьютер включает такие действия:

• прием из кабеля сигналов, кодирующих битовый поток;

• выделение информационных сигналов на фоне шума (выполняется специализированными микросхемами);

• проверка контрольной суммы кадра. Если она верна, то из МАС-кадра извлекается LLC-кадр и передается протоколу LLC и далее помещается в буфер оперативной памяти. Если контрольная сумма неверна, то кадр отбрасывается, а протоколу LLC передается соответствующий код ошибки.

В своем развитии наиболее распространенные адаптеры прошли четыре поколения.

Адаптеры первого поколения выполнялись на дискретных логических микросхемах и поэтому имели низкую надежность. Их структура была наиболее простой, в частности, буферная память рассчитана только на один кадр, что приводило к низкой производительности адаптеров (все кадры передавались последовательно в сеть и из сети).

В адаптерах второго поколения применялся метод многокадровой буферизации, что повысило их производительность: стало возможным одновременно взаимодействовать с оперативной памятью по передаче или приему кадра и с сетью.

Адаптеры третьего поколения строятся на специализированных интегральных схемах, обеспечивающих повышение их производительности и надежность. Производительность повышена и за счет конвейерной схемы обработки кадров: процессы приема кадра из оперативной памяти компьютера и передачи его в сеть совмещаются во времени (после приема нескольких байт в параллельном коде сразу же начинается их передача в последовательном коде). Это повышение производительности адаптера важно для повышения производительности сети в целом.

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

Концентраторы. Концентратор (или: хаб, повторитель) используется во всех технологиях ЛКС. В зависимости от области применения значительно изменяется состав его функций и конструктивное исполнение, но основная функция остается неизменной – это побитное повторение кадра на всех портах, либо только на некоторых портах. Концентратор имеет несколько портов, к которым подключаются рабочие станции сети. Он объединяет физические сегменты сети в единую разделяемую среду, логика доступа к которой зависит от используемой технологии. Для каждого типа технологии выпускаются свои концентраторы.

К числу дополнительных функций концентраторов относятся следующие:

• отключение некорректно работающих портов и переход на резервное кольцо (для технологии Token Ring). Функция отключения портов называется автосегментацией. Причины отключения портов могут быть такими: ошибки на уровне кадра (неверная контрольная сумма, неверная длина кадра – больше 1518 байт или меньше 64 байт, неоформленный заголовок кадра), множественные коллизии (если источником коллизии является один и тот же порт 60 раз подряд, то он отключается и через некоторое время снова подключается), затянувшаяся передача кадра (если время передачи превышает время передачи кадра максимальной длины в 3 раза, то порт отключается);

• выполнение функций, облегчающих контроль и эксплуатацию сети;

• реализация некоторых способов защиты данных в разделяемых средах от несанкционированного доступа. Наиболее простой из них – назначение портам концентратора разрешенных МАС-адресов. Компьютер с таким МАС-адресом нормально работает с сетью через данный порт. Если злоумышленник отсоединяет этот компьютер и присоединяет вместо него свой, концентратор это замечает, отключает порт и факт нарушения прав доступа фиксируется. Другой способ защиты данных – их шифрование.

Существуют несколько типов концентраторов, отличающихся конструктивным исполнением и выполняемыми функциями – концентратор с фиксированным количеством портов, модульный концентратор, стековый концентратор, модульно-стековый концентратор. Некоторые из этих типов являются многосегментными концентраторами, способными делить сеть на сегменты программным способом, без физической перекоммутации устройств. Многосегментные концентраторы являются программируемой основой больших сетей.

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

Эффективность одной разделяемой среды для небольших ЛКС очевидна:

• возможность использования стандартного набора протоколов, а следовательно, сравнительно дешевого коммуникационного оборудования – сетевых адаптеров, повторителей, концентраторов;

• возможность наращивания (в определенных пределах) числа узлов сети;

• довольно простое управление сетью, чему способствует сама логика разделения среды, не допускающая потерь кадров из-за переполнения буферов коммуникационных устройств.

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

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

• имеются жесткие ограничения максимальной длины сети: они лежат в пределах нескольких километров и только для технологии FDDI это несколько десятков километров.

Все эти недостатки и ограничения, возникающие из-за использования общей разделяемой среды, преодолеваются путем разделения сети на несколько разделяемых сред, или отдельных сегментов, которые соединяются мостами, коммутаторами или маршрутизаторами. Следовательно, единая разделяемая среда, созданная концентраторами, делится на несколько частей (сегментов), подсоединяемых к портам моста, коммутатора или маршрутизатора. Такое деление сети называется логической структуризацией, а ее отдельные части – логическими сегментами, каждый из которых представляет собой единую разделяемую среду.

Мосты и коммутаторы осуществляют передачу кадров на основе адресов канального уровня (МАС-адресов), а маршрутизаторы – на основе номера сети. Таким образом, логические сегменты, построенные на основе мостов и коммутаторов, являются строительными элементами более крупных сетей, объединяемых маршрутизаторами. Коммутаторы относятся к категории наиболее быстродействующих коммуникационных устройств. Они соединяют высокоскоростные логические сегменты без блокировки (уменьшения пропускной способности) межсегментного трафика.

Мосты и коммутаторы, появившиеся позже (в начале 90-х годов), выполняют практически одни и те же функции: это устройства логической структуризации сетей на канальном уровне, осуществляющие продвижение кадров на основании одних и тех же алгоритмов. Основное отличие между ними в том, что мост обрабатывает кадры последовательно (один кадр за другим), а коммутатор – параллельно (одновременно между всеми парами своих портов). Мост, работающий на базе одного процессора, соединяет два логических сегмента (отсюда и название – мост). Его производительность сравнительно небольшая – 3-5 тысяч кадров в секунду. Коммутатор – это многопортовый и многопроцессорный мост, обрабатывающий кадры со скоростью до нескольких миллионов кадров в секунду. Поэтому с начала 90-х годов начался быстрый процесс вытеснения мостов коммутаторами. В настоящее время локальные мосты сетевой индустрией практически не производятся. Они используются лишь на достаточно медленных глобальных связях между двумя удаленными локальными сетями.

Основной характеристикой коммутатора является его производительность, которая определяется такими показателями: скоростью фильтрации кадров, скоростью продвижения кадров, пропускной способностью, задержкой передачи кадра.

Скорость фильтрации – это скорость выполнения следующих операций:

прием кадра в буфер коммутатора; просмотр адресной таблицы с целью нахождения порта, куда следует направить кадр; уничтожение кадра, если порт назначения и порт отправителя находятся в пределах одного и того же логического сегмента (в этом случае передача кадров осуществляется без участия Определение У всех коммутаторов эта скорость является неблокирующей, т. е. кадры отфильтровываются в темпе их поступления.

Скорость продвижения кадров – это скорость выполнения следующих этапов обработки кадров: прием кадра в буфер коммутатора, просмотр адресной таблицы с целью нахождения порта-получателя кадра, передача кадра в сеть через Определение Единицей измерения для указанных скоростей является число кадров в секунду.

Пропускная способность коммутатора – это количество пользовательских данных (в мегабитах в секунду), переданных в единицу времени через его порты. Поэтому естественно, что максимальное значение пропускной способности коммутатора достигается при передаче кадров максимальной длины, для которых доля служебной информации гораздо меньше, чем для кадОпределение Задержка передачи кадров – это время с момента прихода первого байта кадра на входной порт коммутатора до момента появления этого байта на его выходном порту. При полной буферизации кадров (для кадров минимальной длины) эта задержка колеблется от 50 до 200 мкс [39].

Кроме устранения недостатков и ограничений, имеющих место при использовании общей разделяемой среды для всех узлов сети, логическая структуризация сети обладает рядом преимуществ. К их числу относятся следующие:

1. Повышение производительности сети при том же количестве узлов, составе и характеристиках сетевого оборудования. Это объяснятся разгрузкой сегментов: в пределах данного сегмента циркулируют информационные потоки, создаваемые только «своими»

рабочими станциями.

2. Увеличение гибкости сети. Каждая подсеть, т. е. логический сегмент сети, может быть адаптирована к специфическим особенностям рабочей группы пользователей, которую она обслуживает. Этому способствует и то, что каждая подсеть имеет свои средства управления, повышающие степень ее самостоятельности.

3. Повышение безопасности данных, циркулирующих в сети. Это обеспечивается путем запрета доступа определенных пользователей к ресурсам «чужих» сегментов, установления различных логических фильтров на мостах, коммутаторах и маршрутизаторах с целью контроля доступа к ресурсам, чего не позволяют сделать повторители. При работе в широковещательном режиме в сети с общей разделяемой средой информация распространяется по всей кабельной системе, поэтому лица, заинтересованные в расстройстве схемы адресации и приеме не адресованных им передач, имеют для этого большие возможности. В сети с логической структуризацией защищенность информации выше, так как работа в широковещательном режиме возможна только в пределах логического сегмента.

4. Упрощение управления сетью. Это можно рассматривать как побочный эффект уменьшения трафика и повышения безопасности данных. Подсети образуют логические домены управления сетью, поэтому проблемы одной подсети не оказывают влияния на другие подсети.

5. Повышение надежности работы сети: выход из строя одной подсети не отражается на работе других взаимосвязанных подсетей сети, так как коммуникационное оборудование, осуществляющее множественное взаимодействие, изолирует отказавшие подсети.

6. Увеличивается диапазон действия сети, так как коммуникационное оборудование устраняет ограничение по допустимой протяженности кабеля.

Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы 7. Возможность использования приоритезации трафика. Эта возможность обусловлена тем, что коммутаторы буферизируют кадры перед их отправкой на другой порт. Для каждого входного и выходного порта коммутатор формирует не одну, а несколько очередей, отличающихся по приоритету обработки. Приоритезация трафика коммутаторами – это один из механизмов обеспечения качества транспортного обслуживания в ЛКС.

Она особенно желательна для приложений, предъявляющих различные требования к допустимым задержкам кадров и к пропускной способности сети.

8. Возможность использования полнодуплексного режима работы протоколов локальных сетей. Такая возможность предоставляется коммутаторами ЛКС. В этом режиме отсутствует этап доступа к разделяемой среде, а общая скорость передачи данных увеличивается в два раза (по сравнению с полудуплексным режимом).

9. Отсутствие необходимости в замене уже установленного оборудования – кабельной системы, сетевых адаптеров, концентраторов. К портам коммутаторов можно подключать как конечный узел сети, так и концентратор, организующий логический сегмент.

5.4. Программное обеспечение и функционирование ЛКС Программное обеспечение (ПО) ЛКС имеет иерархическую структуру, соответствующую семиуровневой модели ВОС. Это существенно облегчает задачу стандартизации ПО в соответствии с общепринятыми протоколами. Известно, что основная задача ЛКС обеспечение прикладных процессов, реализуемых АС сети. Выполнение прикладных процессов обеспечивается средствами прикладных программ сети (ППС), которые реализуют протоколы верхнего (прикладного) уровня модели ВОС и соответственно образуют верхний уровень программной структуры ЛКС. Выполнение процессов взаимодействия, с помощью которых осуществляется передача данных между прикладными процессами различных АС, производится средствами сетевых операционных систем, а также аппаратными средствами сети. Обычно программы СОС локальных сетей реализуют протоколы трех верхних уровней модели ВОС: прикладного уровня (вместе с ППС), представительного и сеансового. Протоколы нижних четырех уровней (транспортного, сетевого, канального и физического) реализуются преимущественно аппаратными средствами, но в принципе процедуры этих уровней (кроме физического) могут быть реализованы программно средствами СОС.

Сетевые операционные системы. СОС это система программных средств, управляющих процессами в сети и объединенных общей архитектурой, определенными коммуникационными протоколами и механизмами взаимодействия вычислительных процессов [34]. Они обеспечивают пользователям стандартный и удобный доступ к разнообразным сетевым ресурсам и облаОпределение дают высоким уровнем прозрачности, т. е. изолируют от пользователя все различия, особенности и физические параметры привязки процессов к обрабатываемым ресурсам. Операционная система, управляющая работой ЛКС, является распределенной. Она распределяет все ресурсы сети между АС и организует обмен между ними.

Возможны следующие варианты структур СОС ЛКС:

а) каждая РС сети реализует все функции СОС, т. е. хранит в своей ОП резидентную часть СОС и имеет доступ к любой нерезидентной части, хранящейся на внешних носителях;

б) каждая РС сети имеет копии программ только часто реализуемых функций СОС, копии программ редко реализуемых функций имеются в памяти только одной (или нескольких) РС;

в) каждая РС сети выполняет определенный набор функций СОС, причем этот набор является либо индивидуальным, либо некоторые функции будут общими для нескольких РС. Основные функции СОС выполняются сервером сети.

Различия в структурах СОС обусловлены принятыми способами управления ЛКС (децентрализованное или централизованное управление). Отличительной особенностью СОС ЛКС является наличие слоя операционных систем, обеспечивающего обмен информацией между РС сети.

В сетях с централизованным управлением, например, типа «клиент-сервер», сетевая операционная система, называемая также ОС сервера, обеспечивает выполнение базовых функций, таких как поддержка файловой системы, планирование задач, управление памятью. Сетевая операционная система и ОС рабочей станции абонентской системы могут быть не совместимы, и тогда для обеспечения взаимодействия сервера и РС в рабочую станцию вводится специальная программа, называемая сетевой оболочкой.

Оболочка загружается в оперативную память РС как резидентная программа. Она воспринимает прикладные запросы пользователей сети и определяет место их обработки в локальной ОС станции или в СОС на сервере. Если запрос должен обрабатываться в сети, оболочка преобразует его в соответствии с принятым протоколом, обеспечивая тем самым передачу запроса по нужному адресу.

В персональных компьютерах, используемых в качестве РС, применяются ОС с разной архитектурой и возможностями. Ядро ОС обычно дополняется набором сервисных программ, с помощью которых осуществляется начальная разметка дисков, установка параметров внешних устройств, тестирование оперативной памяти, выдача информации на печать, стыковка с другими РС и т. д. Получило широкое распространение и фактически стандартизировано несколько «семейств» операционных систем СР/М, MSX, MS DOS, Windows, Unix, OS/2, ориентированных на определенные классы компьютеров.