2.7. Лекция 7. Основы построения корпоративных сетей

2.7.1. Основы построения корпоративных сетей

Слово "корпорация" означает объединение предприятий, работающих под централизованным управлением и решающих общие задачи. Корпорация является сложной, многопрофильной структурой и вследствие этого имеет распределенную иерархическую систему управления. Кроме того, предприятия, отделения и административные офисы, входящие в корпорацию, как правило, расположены на достаточном удалении друг от друга. Для централизованного управления таким объединением предприятий используется корпоративная сеть.

Сети часть делят на три большие категории: глобальные сети (WAN, Wide Area Network), городские сети (MAN, Metropolitan Area Network) и локальные сети (LAN, Local Area Network). В нашей стране локальные сети (ЛВС) распространены гораздо больше, чем городские или глобальные. Глобальные сети позволяют организовать взаимодействие между абонентами на больших расстояниях. Эти сети работают на относительно низких скоростях и могут вносить значительные задержки в передачу информации. Протяженность глобальных сетей может составлять тысячи километров. Поэтому они так или иначе интегрированы с сетями масштаба страны.

Городские сети позволяют взаимодействовать на территориальных образованиях меньших размеров и работают на скоростях от средних до высоких. Они меньше замедляют передачу данных, чем глобальные, но не могут обеспечить взаимодействие на больших расстояниях. Протяженность городских сетей находится в пределах от десятков до сотен километров.

Локальные вычислительные сети обеспечивают наивысшую скорость обмена информацией между компьютерами. Типичная локальная сеть занимает пространство в одно здание. Протяженность локальных сетей составляет около одного километра. Их основное назначение состоит в объединении пользователей ля совместной работы. Такие сети организуются внутри здания, этажа или комнаты.

Основная задача корпоративной сети заключается в обеспечении передачи информации между различными приложениями, используемыми в организации. Под приложением понимается программное обеспечение, которое непосредственно и нужно пользователю, например, базы данных, электронная почта и т.д. Корпоративная сеть позволяет взаимодействовать приложениям, зачастую расположенным в географически различных областях, и обеспечивает доступ к ним удаленных пользователей[22,24].

В таблице 2.1. перечислены технологии, используемые в тех или иных сетях, которые будут рассмотрены ниже.

Таблица 2.1.

Технологии и сети

Технология	Масштаб сети
Ethernet	ЛВС
Frame Relay	MAN
FDDI	MAN
SMDS	MAN
ATM	WAN
B-ISDN	WAN

2.7.2. Технологии B-ISDN и ATM

Создание технологии B-ISDN (Broadband ISDN) — это попытка предоставить одну, универсальную, широко распространенную и высокоскоростную сеть вмес­то множества сложных неоднородных существующих сетей. Эта новая сеть долж­на, с одной стороны, выполнять все функции, возлагаемые на нынешние сети по передаче голоса, данных и телевизионных сигналов, а с другой стороны, об­ладать возможностью поддерживать будущие коммуникационные технологии. Первая работа над стандартом такой универсальной сети была начата в 1990 году, а проект стандарта получил название B-ISDN.

B-ISDN — это высокоскоростная технология, использующая ATM в качестве транспортного механизма. Она служит для объединения нескольких локальных сетей. В настоящее время технология B-ISDN привлекает к себе все большее внимание, так как она обеспечивает максимальную техникоэкономическую эффективность. Это достигается за счет интеграции услуг, предоставляемых раз­личными службами, например обычной узкополосной технологией ISDN, пере­ходом к единому обслуживанию множества видов информации, которая может быть как низкоскоростной (факсы, терминалы и т. д.), так и высокоскоростной в реальном масштабе времени (телевидение, видеотелефоны и т. д.). Необходимым условием развертывания широкополосных сетей с интеграцией услуг явля­ется наличие высокоскоростных и эффективных технических средств, какими сегодня являются средства ATM. Выбор в качестве транспортного средства ATM продиктован несколькими причинами:

1. Технология ATM обеспечивает более гибкий доступ к среде передачи;

2. Поддерживается динамическое выделение полосы пропускания по за­просу;

3. Независимость от физической среды передачи.

B-ISDN и ATM — это два термина, которые иногда взаимозаменяемы. Одна­ко нельзя сказать, что B-ISDN и ATM — это одно и то же. Говоря техническим языком, B-ISDN — это набор стандартов комитета ITU, которые определяют такие вещи, как широкополосная сигнализация, передача и управление интег­рированными услугами в глобальных сетях. Стандарт B-ISDN определяет для ATM следующие интерфейсы: User-to-Network Interface (интерфейс пользователь-сеть, UNI) и Network-to-Network Interface (интерфейс сеть-сеть, NNI). Затем форум ATM и консорциум производителей оборудования для сетей ATM адаптировали и расширили стандарты B-ISDN для того, чтобы оборудование ATM могло взаимодействовать с устройствами традиционных локальных сетей.

Технология ATM была изначально разработана для глобальных сетей, но быстро адаптировалась для использования и в локальных сетях. При этом те­перь как в глобальных, так и в локальных сетях передача данных происходит с помощью установления соединений, которые производятся через высокоскорос­тные коммутирующие системы или, попросту говоря, через коммутаторы ATM. Эти коммутаторы выполняют маршрутизацию ячеек от входящих портов к вы­ходящим в реальном масштабе времени и параллельно на всех портах. Ячейки обрабатываются коммутаторами значительно быстрее и более эффективно, чем пакеты данных переменной длины. Структура ячеек такова, что коммутаторы ATM могут обрабатывать их параллельно. Так как все ячейки имеют одинако­вую длину, все блоки данных, которые ожидают передачи на входных портах коммутатора, могут быть обработаны одновременно и переданы к их выходным портам. В результате ATM может обрабатывать все имеющиеся типы трафика (голос, данные, видео) очень эффективно.

Следует отметить, что сети ATM могут быть реализованы на базе нескольких физических сред передачи. Существуют рекомендации, описывающие передачу ячеек ATM через сети SDH на скоростях 155 и 622 Мбит/с и через сети PDH (DS1, DS3 и т. д.). Не существует единой, строгой спецификации, которая опре­деляла бы, через какую физическую среду следует передавать ячейки и какие скорости при этом использовать. Кроме того, сети на базе технологии ATM могут быть приспособлены для обслуживания новых пользователей без ограни­чения пропускной способности, выделенной уже работающим пользователям. Это достигается, например, добавлением дополнительных модулей в комму­татор.

Ввиду гибкости структуры мультиплексирования и возможности интеграции функций управления и мониторинга сеть SDH позволяет создавать глобальные сети, предоставляющие высокую производительность и имеющие низкую стои­мость (по сравнению с традиционными технологиями передачи). Это означает, что SDH, скорее всего, будут лидирующей технологией для ATM в Европе и России.

Для локальных сетей форум ATM определил интерфейсы со скоростями 25, 52 и 155 Мбит/с по неэкранированной и экранированной витой паре. Кроме того, существующие сети FDDI могут быть обновлены до использования с тех­нологией ATM. В настоящее время разработана и документирована технология эмуляции локальных сетей (LANE — LAN Emulation), которая позволяет интег­рировать существующие локальные сети с технологией ATM. Эмуляция локальной сети позволяет коммутаторам ATM эмулировать сеть Ethernet до МАС-уровня. Это означает, что существующие сетевые устройства могут подключаться напря­мую к магистрали ATM без изменений в программном обеспечении.

Есть один важный вопрос, касающийся технологии ATM и не дающий покоя менеджерам по информационным технологиям: «Как это будет работать в моей существующей сети?». Последние стандарты позволяют технологии ATM внед­ряться в локальные сети постепенно, выступая в качестве магистрали, обеспечивающей высокоскоростные каналы связи между пользователями различных рабочих групп сети.

Несмотря на то, что ATM все более ассоциируется с магистральной техноло­гией в локальных сетях, ее внедрение и использование происходит не совсем гладко из-за сложностей, возникающих при интеграции ATM с существующими сетевыми технологиями, такими как Ethernet, Token Ring и FDDI. Растянув­шийся по времени процесс принятия и внедрения стандартов на технологии эмуляции локальной сети и Classical IP внес смятение в ряды пользователей, которые вроде бы уже были готовы к использованию ATM в магистралях своих сетей. Однако для пользователей решающими факторами являются скорость ATM и возможность гарантирования качества обслуживания, а также другие, не менее привлекательные, возможности.

Магистраль ATM обеспечивает большие скорости передачи данных. В качест­ве магистрали технология ATM чаще всего используется для организации связи центральных коммутаторов рабочих групп, которые способны поддерживать сотни подключений. Предоставляя достаточно большую пропускную способ­ность, ATM выступает в роли некой общей высокоскоростной коммутирующей матрицы в цепочке коммутаторов ATM. Такая магистраль способна реализовать и поддерживать большое количество виртуальных соединений между устройст­вами по алгоритму, диктуемому особенностями физического канала связи.

Если рассматривать ATM в качестве магистрали в глобальной сети, то она может использоваться для связи между отдельными городами или даже страна­ми. В глобальных сетях некоторыми крупными телекоммуникационными ком­паниями технология ATM реализована уже сегодня. Однако считается, что в ближайшем будущем эта технология получит массовое применение и в локаль­ных сетях.

Хотя технология ATM сегодня заслуженно считается перспективной в гло­бальных и локальных сетях, ее продвижение на своем пути встречает некоторые трудности. Внедрение происходит постепенно, медленными темпами, так как ее стоимость может превышать все инвестиции, сделанные организациями в сущест­вующие сети. Поэтому менеджеры по информационным технологиям начинают с использования магистральных коммутаторов ATM в существующих сетях — что, по их мнению, быстро окупается. На принятие решения об использовании ATM также влияют характер и объем передаваемого трафика. На сегодняшний день не существует более практичной и эффективной технологии, способной поддерживать напряженный мультимедийный трафик.

Вряд ли сегодня ведущие менеджеры по сетевым технологиям захотят давать твердые гарантии на бесспорную и полную интеграцию ATM во все сети с существующими технологиями и приложениями. Появление ATM на рабочем месте пользователя произойдет только тогда, когда приложения будут требовать более скоростной транспортной службы.

2.7.3. Технология Frame Relay

Как и многие другие средства связи, Frame Relay появилась в исследователь­ском подразделении Bell Labs компании AT&T. В 1988 году протокол Frame Relay был включен в стандарт ISDN в качестве рекомендации 1.122 и утвержден подкомитетом по стандартам Международного консультативного комитета по телеграфии и телефонии (CCITT). К моменту появления окончательного вари­анта стандарта на технологию ISDN рекомендация 1.122 превратилась в незави­симый протокол со своей областью применения.

Эта технология разрабатывалась с учетом высокоскоростной передачи дан­ных и низкого уровня ошибок современных сетевых средств. Первые сети с ком­мутацией пакетов были рассчитаны на скорость передачи 64 Кбит/с, в то время как сети Frame Relay предназначались для работы с гораздо большими скорос­тями. Достичь повышения скоростей передачи помогло исключение накладных расходов, которые неизбежны при контроле ошибок.

Накладные расходы при пакетной коммутации вызываются контролем вызо­вов, поиском ошибок и контролем за потоками. В технологии Х.25 пакеты управления вызовами, используемые для установления и разрыва виртуальных соединений, передаются по тому же самому соединению, что и пакеты данных. Фактически, вся передача сигналов осуществляется по основному каналу (так называемая in-band передача).

Во Frame Relay передача сигналов контроля вызова осуществляется по вир­туальному соединению, отличному от используемого для передачи пользова­тельских данных. В пользовательском интерфейсе один канал управления соединением служит для контроля за всеми коммутируемыми соединениями пе­редачи данных. Так как в настоящее время провайдеры услуг Frame Relay пред­лагают, в большинстве своем, только постоянные виртуальные соединения, то промежуточным коммутирующим узлам нет необходимости поддерживать таб­лицы состояний или обрабатывать управляющие вызовы для каждого соедине­ния в отдельности.

Наиболее очевидно преимущество Frame Relay над Х.25 в управлении по­токами и контролем за ошибками. Технология Х.25 использует физический, канальный и сетевой уровни, что соответствует трем нижним уровням эталон­ной модели OSI. На канальном уровне осуществляется контроль за ошибками в транзитных узлах сети с коммутацией пакетов. При этом каждому узлу присва­ивается порядковый номер. После проведения контроля, одновременно с пе­редачей данных на следующий узел, предыдущему передается подтверждение приема. На сетевом уровне происходит мультиплексирование нескольких пото­ков данных разных виртуальных соединений в. единый поток к пользователю. Для этого каждый передаваемый кадр имеет свой номер виртуального соеди­нения, который используется для маршрутизации и коммутации трафика. Управление потоком и контроль ошибок на всем пути следования пакетов от отправителя до получателя осуществляется при помощи схемы нумерации сете­вого уровня.

Основное отличие между технологиями Frame Relay и Х.25 состоит имен­но в механизме коррекции ошибок. Так как технология Х.25 разрабатыва­лась более 20 лет назад для передачи данных через аналоговые каналы связи, которые характеризовались плохим качеством, то требовались различные ме­ханизмы коррекции ошибок и алгоритмы повторной передачи потерянных дан­ных.

2.7.4. Технология SONET

Технология SONET (Synchronous Optical Network, синхронная оптическая сеть) определяет оптический интерфейс передачи данных. Она предложена компа­нией Bellcore и стандартизована ANSI. С технологией SONET совместима син­хронная цифровая иерархия SDH, которая была утверждена комитетом CCITT. Основное достоинство SONET — оптоволоконные каналы, предназначенные для высокоскоростной передачи данных.

SONET используется для передачи трафика современных сетей на базе Frame Relay, ATM, SMDS, ISDN и т. д. Опыт использования показывает, что эта технология в чистом виде применяется редко. Техническая реализация SONET основана, как правило, на применении мультиплексора с несколькими портами ATM, соединенными с абонентской стороной и одним портом SONET со стороны сети общего пользования.

При разработке технологии SONET во внимание принимались несколько основных требований.

1. Необходимость стандартизации процесса мультиплексирования со ско­ростью передачи выше DS3 (44.736 Мбит/с).

2. Обеспечение эффективного доступа к среде передачи при небольшом объеме трафика. Технология SONET предлагает новый подход к временному мультиплексированию.

3. Необходимость заложить достаточный резерв для предоставления в будущем высокосложных услуг связи.

Спецификация на технологию SONET определяет иерархию стандартных скоростей передачи цифровых данных. Базовый уровень STS-1 (Synchronous Transport Signal, синхронный транспортный сигнал первого уровня), или иначе ОС-1 (Optical Carrier, оптическая несущая), имеет фиксированную скорость в 51.84 Мбит/с. Этот базовый уровень может использоваться для передачи одного сигнала DS3 или группы менее быстрых сигналов, например DS1. Кадр базового уровня содержит 810 байт, которые передаются каждые 125 мс. Служебную ин­формацию несут 27 байт кадра, а остальное занимает полезная нагрузка. Однако в поле полезной нагрузки расположены 9 служебных байтов, предназначенных для задания пути, причем эти 9 байт могут располагаться в произвольном месте. Служебная информация кадра содержит указатель на начало байтов, служащих для определения пути.

Несколько базовых кадров STS-1 могут быть объединены при помощи про­цедуры мультиплексирования в сигналы следующих уровней. При этом спе­цификация SONET определяет наивысшую скорость передачи STS-48 в 2.5 Гбайт/с.

2.7.5. Технология SMDS

SMDS (Switched Multi-megabit Data Service) — высокоскоростная коммутаци­онная служба передачи данных. Она была разработана компанией Bellcore по поручению нескольких других компаний, каждая из которых занята разработкой продуктов на базе этой технологии. Европейская версия SMDS получила назва­ние CBDS. Основным понятием в SMDS является «служба» или «сервис», так как SMDS не является непосредственно технологией или протоколом передачи данных.

В настоящее время сервис SMDS применяется в сетях с технологией DQDB, отвечающей стандартам IEEE 802.6 и ATM. Технология DQDB получила мень­шую известность, чем ATM. Существует ряд причин, определяющих такое по­ложение вещей: относительно невысокая скорость передачи (140 Мбит/с) и довольно сложное дорогостоящее оборудование.

Подобно Frame Relay и ATM, SMDS определяет служебный интерфейс поль­зователя с сетью. Однако в отличие от двух первых технологий, ориентирован­ных на установление соединения, SMDS является службой без установления соединения: она использует дейтаграммный метод доставки информации. Мак­симальный размер дейтаграммы может составлять 9188 байт. Такой размер поз­воляет полностью размещать большинство пакетов различных технологий. При поступлении дейтаграммы на нижний уровень каждая единица данных разбива­ется на фиксированные ячейки длиной в 53 байта.

Для взаимодействия сетей с сервисом SMDS используется межсетевой про­токол ICIP. Очень часто связь между двумя местными сетями поддерживают операторы региональных или национальных сетей. Абонент SMDS может опера­тивно выбрать любого из них, внеся соответствующие значения в заголовок L3PDU и воспользовавшись протоколом ICIP.

SMDS обладает несколькими достоинствами. Одним из них является воз­можность создания логической частной сети в сети SMDS общего пользования. Кроме того, SMDS предоставляет информацию о сети и статистику ее исполь­зования.

2.7.6. FDDI, CDDI, FDDI-2

Технология Fiber Distributed Data Interface — первая технология локальных сетей, которая использовала в качестве среды передачи данных оптоволоконный кабель. Работы по использованию света для передачи информации начали активно вестись в 1960-е годы в связи с изобретением лазера. Лазерный луч заме­чателен тем, что состоит из волн одной и той же частоты, и отклонение от этой частоты совсем незначительно (в отличие от обычного света, который является суперпозицией волн разной частоты). Поэтому приемник лазерного луча может уловить даже малейшую модуляцию частоты носителя, что позволяет использо­вать для передачи метод частотной модуляции. Другим достоинством оптиче­ских методов передачи информации является очень высокая скорость — ведь луч распространяется со скоростью света. Примерно в то же время появились оптические волокна, которые были способны передавать свет. Однако потери света в первых волокнах были слишком велики и они не могли тогда составить конкуренцию медным проводам. Недорогие оптические волокна с низкими по­терями и широкой полосой пропускания (до нескольких гигагерц) появились только в 1970-е годы. В начале 1980-х годов началась промышленная установка и эксплуатация оптоволоконных каналов связи в территориальных телекомму­никационных системах.

В 1980-е годы начались также работы по использованию оптоволоконных каналов в локальных сетях. Разработка первого оптоволоконного стандарта для локальных сетей была возложена на комитет ХЗТ9.5. Этим комитетом (в настоя­щее время ХЗТ12) Американского национального института стандартизации (ANSI) и был разработан стандарт FDDI. Сети FDDI поддерживаются всеми ведущими производителями сетевого оборудования.

Разработка FDDI проводилась специально с целью объединения наиболее важных участков сети. В то время скорость передачи данных в 10 Мбит/с для рабочей станции была вполне приемлемой. Но для магистрали такая скорость была уже явно недостаточной. В течение ряда лет стандарт FDDI был единст­венным стандартом передачи данных в сети со скоростью 100 Мбит/с. Обладая хорошей управляемостью и высокой надежностью, FDDI быстро завоевал попу­лярность. Более половины фирм из списка Fortune 5000 стали использовать FDDI. При этом с его помощью можно было объединить все: от ПК до супер­компьютеров Cray. Исходя из потребностей в быстром взаимодействии абонентов через магистраль, технология FDDI была спроектирована для связи централь­ных серверов и других важных участников обмена информацией в сети. Эта технология предусматривает возможность управления процессом передачи с вы­сокой надежностью, благодаря чему она до сих пор предлагается производителями.

В отличие от Ethernet, технология FDDI использует кольцевую структуру, в которой все устройства объединены в большое кольцо. Данные передаются по кольцу последовательно, от станции к станции. Пакет может обойти очень много устройств, прежде чем дойдет до адресата. Поскольку другие станции не долж­ны ждать, пока освободится среда передачи, размер пакета может достигать 20 000 байт, хотя в большинстве случаев используются пакеты размером 4500 байт, то есть всего лишь в три раза больше пакета Ethernet. Тем не менее, если пакет предназначен для рабочей станции, подключенной к кольцу с по­мощью Ethernet, его размер не будет превышать 1516 байт.

Большинство из своих базовых свойств FDDI переняла от сетей Token Ring (стандарт IEEE 802.5). Это — кольцевая топология и маркерный метод доступа к среде. Маркер — это служебный сигнал, постоянно проходящий по кольцу. Станция, на которую в данный момент поступил маркер, может передавать свои данные.

Однако FDDI имеет ряд принципиальных отличий от Token Ring. Как раз эти отличия позволяют получить значительно более высокие скорости обмена. К ним, например, относится изменение алгоритма модуляции данных на физи­ческом уровне. Сеть Token Ring использует схему манчестерского кодирования, требующую удвоения полосы передаваемого сигнала. В FDDI реализован алгоритм кодирования «пять из четырех» — 4В/5В, обеспечивающий передачу четырех информационных бит в пяти пересылаемых битах. При скорости 100 Мбит/с физически в сеть транслируется 125 Мбит/с, вместо 200 Мбит/с, что потребо­валось бы при использовании манчестерского кодирования. Оптимизировано и управление доступом к среде. В сетях Token Ring оно базируется на битовой основе, а в технологии FDDI — на параллельной обработке группы из четырех или восьми передаваемых битов. Такая схема доступа снижает требования к быстродействию сетевого оборудования.

Метод передачи маркеров в сетях FDDI отличается от Token Ring. Когда станции в кольце Token Ring требуется передать пакет данных, она дожидается маркер, захватывает его и передает кадр по кольцу в место назначения. Когда маркер и кадр возвращаются к станции-отправителю, она удаляет старый кадр и пересылает новый. В сетях FDDI обладание маркером ограничено по времени в соответствии с определенными заранее параметрами; однако пока станция вла­деет маркером, она может переслать несколько кадров. По завершении передачи станция сразу же отдает маркер другим станциям, не удаляя кадры. Благодаря эффективности этого протокола передачи действительная пропускная способ­ность сетей FDDI близка к 100 Мбит/с.

Физически кольцо FDDI образовано оптоволоконным кабелем с двумя светопроводящими волокнами. При этом первое оптоволокно образует первичное кольцо (primary ring). Оно является основным и используется для маркеров. Второе оптоволокно образует вторичное кольцо (secondary ring). Оно является резервным и в штатном режиме не используется.

Рабочие станции в сети FDDI подразделяются на две категории. Станции первой категории имеют физические подключения к первичному и вторичному кольцам (Dual Attached Station — двукратно подключенная станция). Станции второй категории имеют подключение только к первичному кольцу (Single Attached Station — однократно подключенная станция). Такие станции подклю­чаются к сети через специальные устройства, которые называются концентрато­рами.

Порты сетевых устройств, подключаемых к сети FDDI, условно делят на четыре категории: А-порты, В-порты, М-порты и S-порты. Порт А принимает данные из первичного кольца и передает их во вторичное кольцо. Порт В при­нимает данные из вторичного кольца и передает их в первичное кольцо. Порты М и S способны передавать и принимать данные с одного и того же кольца. М-порт используется на концентраторе для подключения рабочих станций вто­рой категории через ее S-порт.

Одно из самых больших достоинств технологии FDDI — это ее высокая на­дежность. Каждое устройство сети может получать и посылать данные двум своим соседям по кольцу. Такое построение сети позволяет ей функционировать даже при обрыве кабеля. При этом устройства на обоих концах разрыва начина­ют работать в качестве концевой заглушки. Сама же система продолжает рабо­тать по одному кольцу, которое проходит через каждое устройство дважды. Стандарт регламентирует четыре основных свойства сетей FDDI, значительно повышающих их отказоустойчивость:

1. Кольцевая кабельная система со станциями первой категории устойчива к однократному обрыву кабеля в любом месте кольца. Станции, находящи­еся по обе стороны обрыва, переконфигурируют путь прохождения марке­ра и данных, применяя для этого вторичное волоконно-оптическое кольцо;

2. Аварийное или штатное отключение питания, отказ одной из рабочих станций класса В или обрыв кабеля, соединяющего концентратор и рабо­чую станцию, приведет к отключению этой рабочей станции от кольца;

3. Возможность подключения двух рабочих станций класса В сразу к двум концентраторам. Этот специальный вид подключения называется Dual Homing и может быть использован для отказоустойчивого подключения станций класса В к основному кольцу. Такое подключение позволяет реа­гировать на неисправности в концентраторах или в кабельной системе. В нормальном режиме обмен данными происходит только через один кон­центратор. Если по какой-либо причине связь теряется, то обмен будет осуществляться через второй концентратор;

4. Возможность оперативно реагировать на отключение питания или отказ одной из станций первой категории за счет введения в схему кольца оп­тических переключателей (Optical Bypass Switch). При этом отказ одной из станций не приведет к отказу остальных станций, подключенных к кольцу. Произойдет переключение, и световой сигнал будет пассивно передаваться к следующей станции через оптический переключатель. Стандарт допускает функционирование сети с отключением до трех по­следовательно расположенных рабочих станций[24-25].

Стандарт FDDI имеет ряд ограничений. Общая длина двойного волоконно-оптического кольца не должна превышать 100 км. К кольцу можно подключить до 500 рабочих станций первой категории. Расстояние между узлами при исполь­зовании многомодового волоконно-оптического кабеля не должно превышать 2 км. При использовании одномодового оптоволоконного кабеля расстояние оп­ределяется, в основном, параметрами самого волокна и приемо-передающего оборудования и может достигать 60 км.

Подстандарт FDDI PMD (Physical medium-dependent layer) в качестве базо­вой кабельной системы указывает многомодовый волоконно-оптический кабель с диаметром световодов 62.5/125 мкм. Допускается применение кабелей с дру­гим диаметром волокон, например 50/125 мкм. Длина волны — 1300 нм. Сред­ний уровень мощности оптического сигнала на входе рабочей станции должен быть не менее 31 дБм. Напомним, что при расчетах параметров оптических линий связи из-за экспоненциальной зависимости мощности сигнала от рассто­яния пользуются логарифмическими единицами. В качестве нулевого уровня в технике оптической связи принято значение 1 мВт. Под уровнем мощности понимается величина р = 10 lg(P/l мВт) [дБм], где Р — мощность оптического сигнала. При такой входной мощности вероятность ошибки при ретрансля­ции данных станцией не должна превышать 2.5-10"¹⁰. При увеличении мощности входного сигнала на 2 дБм эта вероятность должна снизиться до 10"^. Максимально допустимый уровень потерь сигнала в кабеле согласно стандарту 11 дБм.

Подстандарт FDDI SMF-PMD (Single-mode fiber Physical medium-dependent layer) определяет требования к физическому уровню при использовании одномодового волоконно-оптического кабеля. В этом случае в качестве передающего элемента обычно используется лазерный светодиод, а расстояние между станци­ями может достигать 60 и даже 100 км.

Сегменты одномодового и многомодового кабеля в кольце FDDI могут чере­доваться.

Поскольку каждый конкретный путь однонаправлен и устройства передают данные в указанное время, такая схема полностью исключает коллизии. Это позволяет технологии FDDI достичь теоретически возможной скорости передачи.

Подключенные к сети FDDI станции могут передавать данные в кольцо в двух режимах — синхронном и асинхронном. Синхронный режим функционирует следующим образом. В процессе инициализации сети определяется ожидаемое время обхода кольца маркером — TTRT (Target Token Rotation Time). При этом каждой рабочей станции, получившей маркер, выделяется гарантированное время для передачи ее данных в кольцо. По истечении этого времени станция должна закончить передачу и послать маркер в кольцо. Асинхронная передача основана на следующем алгоритме. Каждая рабочая станция в момент посылки нового маркера включает таймер, который измеряет время от момента посылки до момента поступления к ней маркера — TRT (Token Rotation Timer). Если маркер возвратится к станции раньше ожидаемого времени обхода TTRT, то станция может продлить время передачи своих данных в кольцо и по окончании времени, выделенного для синхронной передачи. Дополнительное время для пе­редачи равно разности между ожидаемым и реальным временем обхода кольца маркером. Из описанного алгоритма видно, что если станции передают мало данных, то неиспользованная ими полоса пропускания сразу становится доступ­ной другим станциям. Кроме того, существует новая версия этой технологии — FDDI-II, которая имеет новый режим передачи данных — Hybrid Mode. Этот режим реализует 125-микросекундный цикл для передачи данных с постоянной скоростью в дополнение к синхронной и асинхронной передачам.

Существует два основных способа подключения рабочих станций к сети FDDI: непосредственное подключение и подключение через мосты или маршру­тизаторы к сетям с другими сетевыми протоколами.

Непосредственное подключение используется, как правило, для подключения к сети FDDI серверов различного назначения, высокопроизводительных вычис­лительных машин и других устройств, предоставляющих сервис для многих пользователей и требующих высоких скоростей обмена данными. Однако ввиду того, что сетевые адаптеры для непосредственного подключения к сети FDDI довольно дороги, этот способ применяется только в тех случаях, когда высокая скорость обмена по сети является обязательным условием работы приложения.

С помощью мостов и маршрутизаторов можно подключить к FDDI сети с другими протоколами, например Token Ring и Ethernet. Такое подключение экономно, так как позволяет подключить к FDDI рабочие станции и другое существующее сетевое оборудование, работающее в локальных сетях. В этом случае сеть FDDI образует магистраль общей сети. Простота управления протоколами и возможность установки защитного экрана на границе между рабочими группами с различными сетевыми протоколами - вот основные достоинства этой архитектуры. Хорошая масштабируемость позволяет подключать к FDDI-магистрали много различных групп и маршрутизаторов.

Для реализации всех достоинств FDDI на базе существующих кабельных систем разработан стандарт СDDI (Copper Distributed Data Interface). СDDI базируется на хорошо отработанной технологии FDDI. Это стандарт физического уровня - распределенный интерфейс передачи данных по медным кабелям; он определяет требования к физическому уровню при использовании экранированной и неэкранированной витых пар. Данная технология значительно упрощает процесс инсталляции кабельной системы и удешевляет ее. Расстояние между станциями при использовании витых пар не должно превышать 100 м.

2.7.7. Технология Ethernet

Технология Ethernet была разработана в исследовательском центре компании Xerox в 70-х годах и достигла своего нынешнего лидирующего положения в 80-х. Впервые термин Ethernet был использован Робертом Меткалфом в замет­ке, написанной им в этом исследовательском центре в мае 1973 года.

Технология Ethernet стала базой спецификации IEEE 802.3, которая бы­ла опубликована в 1980 году. Вскоре после этого компании Digital Equipment (DEC), Intel и Xerox совместно разработали и приняли вторую версию специ­фикации Ethernet, совместимую с IEEE 802.3. В настоящее время термин Ether­net чаще всего используют для описания всех локальных сетей, работающих в соответствии с принципами CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) — множественного доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий, что соответствует спецификации Ethernet IEEE 802.3. В модели OSI протокол CSMA/CD относится к доступу к среде. На этом уровне определяется формат, в котором информация передается по сети, и способ, с помощью кото­рого сетевое устройство получает доступ к сети (или управление сетью) для передачи данных.

В технологии Ethernet данные могут передаваться по коаксиальному или оптическому кабелю, а также через витую пару. Чаще всего при построении ло­кальных сетей на основе этой технологии оптический кабель используется для формирования магистрали сети, в то время как витая пара применяется для подключения станций и серверов. Спецификации Ethernet были созданы в то время, когда для быстрой передачи данных требовались коаксиальные кабели Необходимость перехода на менее дорогие телефонные кабели и попытка смяг­чить последствия разрыва коаксиального кабеля стали причинами появления спецификации 10Base-T IEEE 802.3. Эта спецификация определяет технологию Ethernet для сетей, построенных на базе неэкранированных витых пар и теле­фонных кабелей. При этом допускается звездообразная топология. Приведем основные спецификации Ethernet.

1. 10Base5. Как и первая версия Ethernet, эта спецификация в качестве среды передачи предусматривает толстый коаксиальный кабель на 50 Ом с двумя оболочками. Из-за этого спецификацию называют «толстым Ethernet». Каждый коаксиальный кабель в сети образует отдельный сег­мент. Протяженность сегмента не может превышать 500 м, а число узлов не должно превосходить 100. Отрезок кабеля между соседними узлами должен быть не менее 2.5 м. Это позволяет уменьшить вероятность отра­жения и появления стоячих волн. Как правило, производители размечают кабель с целью упростить нахождение мест, где станция может быть под­ключена к сегменту. Сетевой адаптер подключается к кабелю с помощью трансиверного кабеля и трансивера. Длина трансиверного кабеля не должна превышать 50 м.

2. 10Base2. Эта спецификация предусматривает использование тонкого коаксиального кабеля, а также соединителей типа BNC-T, которые непосредственно связывают сетевой адаптер и кабель Ethernet. Такая схема исключает необходимость применения дорогостоящих трансиверов и трансиверных кабелей. Кроме того, значительно упрощается выполнение самой операции по подключению сетевого адаптера к кабелю. Этот стандарт известен как «тонкий Ethernet». Протяженность сегмента ограничена 185 м, а число узлов — 30.

3. 10BaseТ. Эта разновидность Ethernet получила наибольшее распространение. Буква Т в названии означает, что средой передачи является неэкранированная витая пара (Unshielded Twisted Pair, UTP). Спецификация предусматривает использование концентратора для подключения пользователей по топологии «звезда». Применение дешевых кабелей UTP является одним из основных преимуществ 10ВаsеТ по сравнению со спе­цификациями 10Base2 и 10Base5. Подключение узлов к сети осуществ­ляется с помощью телефонных гнезд RJ-45 и RJ-11 и четырехпарного телефонного кабеля UTP. Вилка RJ-45 вставляется напрямую в сетевую плату. Протяженность отрезка кабеля от концентратора до станции не до­лжна превышать 100 м (в случае UTP категории 3) или 150 м (в случае UTP категории 5).

3. 10BaseF. Эта спецификация использует в качестве среды передачи опто­волоконный кабель. Применение оптоволоконной технологии приводит к высокой стоимости комплектующих. Однако нечувствительность к электро­магнитным помехам позволяет использовать спецификацию в особо от­ветственных случаях и для связи далеко расположенных друг от друга объектов.

Каждая из разновидностей Ethernet предусматривает те или иные ограниче­ния на протяженность сегмента кабеля. Для создания более протяженной сети несколько кабелей могут соединяться с помощью повторителей. Повторитель представляет собой устройство физического уровня. Он принимает, усиливает и передает сигнал дальше. С точки зрения программного обеспечения последова­тельность кабельных сегментов, связанных повторителями, ничем не отличается от единого кабеля. Сеть может содержать несколько сегментов кабеля и несколь­ко повторителей.

Теоретическая производительность сети Ethernet составляет 10 Мбит/сек. Однако нужно учитывать, что из-за коллизий технология Ethernet никогда не сможет достичь своей максимальной производительности. При увеличении числа станций в сети временные задержки между посылками отдельных пакетов по сети возрастают, так как количество коллизий увеличивается. Поэтому реаль­ная производительность Ethernet не превышает 70 % от теоретической.

Данные, передаваемые в сети Ethernet, разбиты на кадры. Напомним, что практически каждой сетевой технологии (независимо от ее уровня) соответству­ет единица передачи данных: Ethernet-кадр, ATM-ячейка, IP-дейтаграмма и т. д. Данные по сети в чистом виде не передаются. Как правило, к единице данных «пристраивается» заголовок. В некоторых сетевых технологиях добавляется также окончание. Заголовок и окончание несут служебную информацию и со­стоят из определенных полей.

Для того чтобы рабочие станции имели возможность взаимодействовать с сервером в одном сегменте сети, они должны поддерживать единый формат кадра. Существуют четыре основных разновидности кадров Ethernet:

1. Ethernet Type II

2. Ethernet 802.3

3. Ethernet 802.2

4. Ethernet SNAP (SubNetwork Access Protocol).

Рассмотрим поля, общие для четырех типов кадров (рисунок 2.11).

Преамбула (56 бит)

Признак начала кадра (8 бит)

Адрес получателя (48 бит)

Адрес отправителя (48 бит)

Длина/тип (16 бит)

Данные (переменная длина)

Контрольная сумма (32 бит)

Рис.2.11 Общий формат кадров Ethernet

Поля в кадре имеют следующие значения:

1. Поля «Преамбула» и «Признак начала кадра» предназначены для синх­ронизации отправителя и получателя. Преамбула представляет собой 7-байтовую последовательность единиц и нулей. Поле признака начала кадра имеет размер 1 байт. Эти поля не принимаются в расчет при вычис­лении длины кадра.

2. Поле «Адрес получателя» состоит из 6 байт и содержит физический адрес устройства в сети, которому адресован данный кадр. Значения этого и следующего поля являются уникальными. Каждому производителю адаптеров Ethernet назначаются первые три байта адреса, а оставшиеся три байта определяются непосредственно самим производителем. Напри­мер, для адаптеров фирмы 3Com физические адреса будут начинаться с 0020AF. Первый бит адреса получателя имеет специальное значение. Если он равен 0, то это адрес конкретного устройства (только в этом случае первые три байта служат для идентификации производителя сетевой платы), а если 1 — широковещательный. Обычно в широковещатель­ном адресе все оставшиеся биты тоже устанавливаются равными единице (FF FF FF FF FF FF).

3. Поле «Адрес отправителя» состоит из 6 байт и содержит физический адрес устройства в сети, которое отправило данный кадр. Первый бит ад­реса отправителя всегда равен нулю.

4. Поле «Длина/тип» может содержать длину или тип кадра в зависимости от используемого кадра Ethernet. Если поле задает длину, она указывается в двух байтах. Если тип — то содержимое поля указывает на тип протоко­ла верхнего уровня, которому принадлежит данный кадр. Например, при использовании протокола IPX поле имеет значение 8137, а для протокола IP - 0800.

5. Поле «Данные» содержит данные кадра. Чаще всего — это информация, нужная протоколам верхнего уровня. Данное поле не имеет фиксирован­ной длины.

6. Поле «Контрольная сумма» содержит результат вычисления контрольной суммы всех полей за исключением преамбулы, признака начала кадра и самой контрольной суммы. Вычисление выполняется отправителем и добавляется кадр. Аналогичная процедура вычисления выполняется и на устройстве получателя. В случае, если результат вычисления не совпадает со значением данного поля, предполагается, что произошла ошибка при передаче. В этом случае кадр считается испорченным и игнорируется.

2.7.8. Дальнейшее развитие технологии Ethernet

В настоящее время самой распространенной сетевой технологией является имен­но Ethernet. По данным IDC, в 1997 году более 80 % всех сетей были построены на базе Ethernet. Все популярные операционные системы и стеки протоколов (TCP/IP, IPX, DECNet и т. д.) поддерживают Ethernet. Причинами такого гос­подства Ethernet в сетевом мире являются высокая надежность, доступность инструментов управления, масштабируемость, гибкость, низкая стоимость и лег­кость внедрения.

Технология Ethernet достаточно бурно эволюционировала с момента своего зарождения.

Изначально технология Ethernet была ограничена тем, что множество поль­зователей конкурировали за одну полосу пропускания в 10 Мбит/с. Однако со временем были найдены интересные решения, частично снимающие эту пробле­му. В их основе лежит использование коммутаторов, которые в отличие от тра­диционных мостов имеют большое количество портов и обеспечивают передачу кадров между несколькими портами одновременно. Это позволяет эффективно применять коммутаторы и для таких сетей, в которых трафик между сегментами практически не отличался от трафика, циркулирующего в самих сегментах. Тех­нология Ethernet после появления коммутаторов перестала казаться совершенно бесперспективной, так как появилась возможность соединить низкую стоимость устройств Ethernet с высокой производительностью сетей, построенных на осно­ве коммутаторов. Используя технологию коммутируемого Ethernet, каждое устройство получает выделенный канал между собой и портом коммутатора. Технология коммутации прижилась в сетях очень быстро. Обеспечивая переда­чу данных со скоростью канала связи между различными сегментами локальной сети (иными словами, между портами коммутатора), коммутация позволяет создавать крупные сети с эффективной системой управления. Кроме того, эта технология стала толчком к созданию концепции виртуальных локальных вычис­лительных сетей (ВЛВС).

Однако необходимость организации магистрали сети, к которой подключают­ся отдельные коммутаторы, не отпала. Если множество сегментов сети работают на скорости 10 Мбит/с, то магистраль должна иметь скорость значительно большую. В начале 90-х годов начала ощущаться недостаточная пропускная способ­ность Ethernet. Для компьютеров на процессорах Intel 80286 или 80386 с шина­ми ISA (8 Мбайт/с) или EISA (32 Мбайт/с) пропускная способность сегмента Ethernet составляла 1/8 или 1/32 часть канала «память-диск» и хорошо согла­совывалась с соотношением между объемом локальных и внешних данных, цир­кулирующих в компьютере. Теперь же у мощных клиентских станций с процессорами Pentium или Pentium Pro и шиной PCI (133 Мбайт/с) эта доля упала до 1/133, что явно недостаточно. Поэтому многие сегменты Ethernet на 10 Мбит/с стали перегруженными, время реакции серверов и частота возникно­вения коллизий в таких сегментах значительно возросли, еще более снижая ре­альную пропускную способность. В ответ на эти требования была разработана технология Fast Ethernet, являющаяся 100-мегабитной версией Ethernet[26].

Следует отметить, что увеличение скорости в 10 раз приводит к уменьшению максимального расстояния между узлами. Сначала было предложено простое решение задачи построения магистрали — несколько коммутаторов Ethernet связывались вместе по витой паре или волоконно-оптическому кабелю — так называемая коллапсированная магистраль. Но возникла проблема, когда потре­бовалось связать коммутаторы, находящиеся на больших расстояниях. Она была решена с помощью организации выделенного, свободного от коллизий оптово­локонного канала связи. В этом случае коммутаторы могли связываться напря­мую на расстояния до 2 км. Как видно, технология Fast Ethernet обеспечила достаточно всеобъемлющее решение для построения сетей масштаба одного или нескольких зданий. Одобрение стандарта на технологию Fast Ethernet в 1995 го­ду стало важным событием для сообщества производителей сетевого оборудова­ния, так как появилась гибкая, быстрая и масштабируемая технология передачи данных.

До разработки технологий коммутации и Fast Ethernet среди специалистов по сетевым технологиям господствовало мнение, что технологии ATM и FDDI будут оптимальным решением для организации магистрали сети. Однако в на­стоящее время технология Fast Ethernet часто конкурирует с упомянутыми тех­нологиями в этой области. Кроме того, активно разрабатывается и внедряется технология Gigabit Ethernet.