УП ВСС

отличие от физической топологии определяет не физическое подключение узлов, а движение потоков данных в сети.

Втопологии логическая «шина» данные одновременно доступны для всех узлов, подключенных к одному сегменту. Реальное считывание производит только тот узел, которому адресован данный пакет. Такая топология реализуется на базе физической топологии «шина» или «звезда».

Втопологии логическое «кольцо» данные передаются последовательно от узла к узлу. Каждый узел принимает пакеты только от предыдущего и посылает только последующему узлу по кольцу, при этом узел транслирует все пакеты и обрабатывает толькоте, которыеадресованыему.

Топология логическое «кольцо» реализуется на физи-

ческих топологиях «кольцо» или «звезда» с внутренним коль-

цом в концентраторе, как показано на рис. 1.6.

Концентратор

(HUB)

Рис. 1.6. Топология логическое «кольцо» на базе физической топологии «звезда»

В целом выбор топологии вычислительной сети существенно сказывается на ее стоимости и рабочих характеристиках. Поэтому выбор топологии является одним из первых и главных этапов проектирования вычислительной сети, учитывающим характер решаемых задач, количество узлов проектируемой сети, их территориальное расположение, финансовые затраты, возможность расширения сети и др.

21

В табл. 1.1 приведена краткая характеристика базовых топологий вычислительных сетей.

Таблица 1.1

Характеристика базовых топологий вычислительных сетей

Топология	Преимущества						Недостатки
«Шина»	Простота монтажа и на-				Низкая		пропускная		спо-
	дежность.		Возможность		собность при большом ко-
	расширения		без	наруше-	личестве узлов и увеличе-
	ния работы сети. Эконом-				нии сетевого трафика. На-
	ный расход сетевого кабе-				рушение работы при де-
	ля и общая низкая стои-				фектах		центрального		ка-
	мость				нала
«Кольцо»	Возможность создания се-				Нарушение работы одного
	тей на больших расстоя-				узла блокирует работу се-
	ниях. Все узлы имеют рав-				ти. Высокая стоимость, не-
	ный доступ к среде пере-				обходимость установки на
	дачи данных				одном		узле	двух сетевых
					интерфейсов. Расширение
					сети	сопровождается			ее
					временной остановкой
«Звезда»	Неисправность			узла не	Выход из строя централь-
	влияет	на работоспособ-			ного	узла		выводит	из
	ность сети. Высокая на-				строя всю сеть. Увеличе-
	дежность. Легкость моди-				ние затрат, связанных с
	фикации	и	расширения.		расходом сетевого кабеля
	Возможность		централизо-		и установкой концентрато-
	ванного контроля и управ-				ра
	ления

1.4. Методы доступа к физической среде передачи данных

Базовые топологии, используемые для построения вычислительных сетей, предполагают совместное использование узлами сети среды передачи данных. Типичная среда передачи данных в вычислительных сетях – сетевой кабель. Поскольку среда передачи данных общая, а запросы на сетевые обмены у узлов появляются асинхронно, то возникает проблема разделения общей среды между многими узлами или, другими словами, проблема обеспечения доступа к среде передачи данных1. На-

1 Под доступом к среде передачи данных понимается взаимодействие узла сети со средой передачи данных для обмена данными с другими станциями. Управление доступом к

22

пример, при топологии «шина» все узлы используют один центральный канал передачи данных. В этой связи возникает задача о задании метода доступа к среде передачи данных, т.е. должно быть определено какой узел в какой момент времени будет передавать данные.

В современных вычислительных сетях наиболее распространенными являются два метода доступа к среде передачи данных [1]:

–Недетерминированный – метод множественного доступа с контролем несущей и обнаружением конфликтов

(CSMA/CD – carrier sensitive multiple access with collision detection);

–Детерминированный – метод маркерного доступа.

Метод множественного доступа с контролем несу-

щей и обнаружением конфликтов и его модификации исполь-

зуют большинство современных вычислительных сетей. Метод CSMA/CD основан на контроле несущей в линии передачи данных и устранении конфликтов, возникающих из-за попыток одновременного начала передачи двумя или более узлами, путем повтора передачи данных через случайный отрезок времени. При таком методе доступа все узлы имеют равные возможности доступа к сетевой среде, а при одновременной попытке фиксируется столкновение (коллизия) и сеанс передачи повторяется позднее. Для исключения повторного конфликта каждый сетевой интерфейс программируется на различную временную задержку перед повторной передачей данных.

Метод CSMA/CD является широковещательным, поскольку при обмене данными каждый узел анализирует адресную часть передаваемых по сети кадров с целью обнаружения и приема кадров, адресованных этому узлу.

Еще одной существенной особенностью метода CSMA/CD являет отсутствие возможности приоритетного доступа. Это затрудняет использование вычислительных сетей, функционирующих по методу CSMA/CD для задач управления в реальном масштабе времени.

Метод маркерного доступа относится к классу детер-

минированных методов доступа и основан на передаче полно-

среде – это установление последовательности, в которой узлы получают доступ к среде передачи данных.

23

мочий передающего узла с помощью специального информационного объекта, называемого маркером1.

В наиболее общем случае суть метода маркерного доступа заключается в следующем. Маркер последовательно, от одного узла к другому, передается до тех пор, пока он не будет получен узлом, готовым к передаче данных. Передающий узел «захватывает» маркер, изменяет его, тем самым, сообщая всем остальным узлам сети, что сеть занята, и передает данные по линии связи. Пакет с данными передается от узла к узлу (топология «кольцо») пока не достигнет назначенного узла. В случае успешного приема сообщения узел, получивший сообщение, выдает передающему узлу подтверждение. После получения подтверждения передавший сообщение узел «освобождает2» маркер. Метод маркерного доступа не находит столь широкого применения как метод CSMA/CD из-за сложности и, соответственно, большей стоимости реализации.

Известны и другие методы доступа. Так, существует целое семейство методов доступа, исключающих столкновение, основанных на мультиплексировании3 по времени (TDM) или по частоте (FDM). В этом случае каждому узлу предоставляется временной интервал для передачи данных или отдельная полоса частот. Очевидно, что эти методы исключают конфликты в сети при передаче данных, свойственные методу CSMA/CD.

Еще один класс методов доступа к среде передачи данных с приоритетом основан на анализе всех запросов на передачу данных и поочередном предоставлении полномочий на передачу в соответствии с приоритетом узла.

1.5. Классификация физической среды передачи данных

Физическая среда передачи данных в современных вычислительных сетях делится на проводную и беспроводную

[5].

Проводные каналы связи для обмена данными в вычислительных сетях исторически использовались первыми. Основную долю этих каналов, насчитывающих многие сотни тысяч километров, составляют телефонные медные кабели, которые

1Маркер – уникальная комбинация битов (нулей и единиц), которую распознают узлы сети.

2Создает новый маркер.

3Мультиплексирование – уплотнение.

24

содержат десятки или даже сотни скрученных пар проводов. С увеличением требований к широкополосности каналов связи вычислительных сетей кабель из витой пары проводов стал заменяться коаксиальным кабелем, однако, впоследствии, когда широкополосность пары проводов сравнялась с широкополосностью коаксиального кабеля, а стоимость стала меньше, начался обратный процесс – замены коаксиального кабеля витой парой проводов.

Невитая пара проводов – наиболее простая среда передачи данных, представляющая собой пару параллельных проводников, разделенных диэлектрической оболочкой (телефонный кабель).

Витая пара проводов – состоит из двух медных изолированных проводов, один из которых обвит вокруг другого. Вьющийся провод предназначен для устранения взаимного влияния между соседними витыми парами.

Кабель с витой парой бывает экранированный (shielded twisted pair, STP) и неэкранированный (unshielded twisted pair, UTP, на рис. 1.7). Первый, помимо проводников, включает дополнительные экраны для каждой пары проводников (медная оплетка и фольга), ослабляющие их взаимное влияние и влияние внешних электрических помех. Кабель STP, по сравнению с UTP, меньше подвержен воздействию электрических помех и может передавать сигналы с более высокой скоростью и на большие расстояния.

	Внешняя	Экран
		Пара
	защитная
		проводников
	оболочка

Рис. 1.7. Кабель – экранированная витая пара

25

Неэкранированная витая пара состоит из двух изолиро-

ванных медных проводов. Категории кабеля с неэкранированной витой парой определены в стандарте – Electronic Industries Association and the Telecommunications Industries Association (EIA/TIA) 568 Commercial Building Wiring Standart. EIA/TIA 568.

В соответствии с этим стандартом определены пять категорий UTP кабеля1. Для подключения витой пары к узлу вычислительной сети используются телефонные коннекторы

RJ-45.

Оптоволоконные каналы передачи данных предназначены для перемещения больших объемов данных на очень высоких скоростях, так как сигнал в них слабо затухает и не искажается (зависит от качества кабеля). Достоинством оптоволоконных каналов является их высокая помехоустойчивость.

Оптоволоконный кабель – состоит из сердечника (рис. 1.8), выполненного из прозрачного оптоволокна (1), который окружен стекловолокном (2) с низким коэффициентом рефракции2, сокращающим потери света. Стекловолокно с сердечником покрыто защитным пластиком. Кроме этого в центре кабеля размещается стальной трос (3), который используется при прокладке линий связи. Сердечник оптоволоконного одноканального кабеля имеет толщину от 8 до 100 микрон3, а в многоканальном кабеле около 50 микрон.

1В последнее время введены обозначения кабеля витая пара категорий 6 и 7, которые выпускаются сравнительно недавно и имеют полосу пропускания 200 и 600 МГц соответственно. Кабели категории UTP-7 обязательно экранируются, а UTP-6 могут быть как экранированными, так и нет. Они используются в высокоскоростных сетях на отрезках большей длины, чем UTP-5. Эти кабели значительно дороже 5-ой категории и по стоимости приближаются к волоконно-оптическим кабелям. Кроме того, они пока не стандартизированы и их характеристики определяются только фирменными стандартами, из-за чего возникают проблемы при тестировании кабельной системы (спецификация по тестированию TSB-67 стандарта EIA/TIA-568A не включает кабели 6-ой и 7-ой категорий).

2Рефракция – переотражение сигнала.

31 микрон = 10−6 м.

26

Рис. 1.8. Сечение восьмижильного оптоволоконного кабеля

Соединение оптоволоконного кабеля выполняется электрически с помощью специальных коннекторов или механически, «свариванием» концов кабеля. Каждый оптоволоконный проводник передает сигналы только в одном направлении, поэтому для передачи данных в противоположных направлениях необходимо использовать два независимо подключенных волокна с отдельными коннекторами.

Для обмена данными по оптоволоконным линиям связи нужен источник света (светодиод или полупроводниковый лазер), светопроводящая среда (оптоволоконный кабель), фотодетектор, преобразующий световой поток в электрический. На одном передающем конце находится источник света, световой импульс проходит по тонкому светопроводящему волокну и попадает на фотодетектор, который вырабатывает электрический импульс.

С помощью оптоволокна можно строить как локальные вычислительные сети, так и сети большего масштаба. На практике, из-за высокой стоимости и сложности монтажа оптоволоконные каналы используются только в территориально-распределенных сетях.

Современные беспроводные вычислительные сети используют следующие каналы передачи данных: радиоканалы; лазерные (световые) каналы; инфракрасные каналы.

Типичная беспроводная сеть выглядит и функционирует практически так же, как и обычная, за исключением среды передачи. Для создания вычислительной сети каждый ее узел оснащается специальным сетевым интерфейсом, выполняющим функции как передатчика, так и приемника сигнала.

27

Радиоканалы для передачи данных используют частотные диапазоны 902–928 МГц (расстояния до 10 км, пропускная способность до 64кбит/с), 2,4 ГГц и 12 ГГц (до 50 км, до 8 Мбит/с). Они используются там, где не существует кабельных или оптоволоконных каналов или их создание по каким-то причинам невозможно или слишком дорого. Более низкие частоты (например, 300 МГц) малопривлекательны из-за ограничений пропускной способности, а большие частоты (>30 ГГц) работоспособны для расстояний не более или порядка 5км из-за поглощения радиоволн в атмосфере.

Антенна служит как для приема, так и для передачи сигналов. Трансивер (приемопередатчик) может соединяться с антенной через специальные усилители. Модемы подключаются к локальной сети через последовательные интерфейсы типа RS232 или v.35 (RS-249). Длина кабеля от модема до трансивера лежит в пределах 30–70 м, а соединительный кабель между модемом и ЭВМ может иметь длину 100–150 м. Трансивер располагается обычно рядом с антенной.

На сегодняшний день для организации беспроводных радиосетей наиболее привлекательным и распространенным является стандарт IEEE 802.11, который призван стать главным стандартом подобно тому, как в свое время стандарт IEEE 802.3 стал стандартом для сетей класса Ethernet, а IEEE 802.5 – для сетей класса Token Ring.

В основе стандарта 802.11 используется тот же алгоритм доступа к физической среде, что и в 802.3 CSMA/CD, но здесь вместо сетевого кабеля используются радиоволны.

Стандарт 802.11 предполагает работу на частоте 2.4– 2.4835 ГГц при мощности передатчика 10м Вт–1 Вт.

Для организации беспроводных локальных сетей из персональных ЭВМ используются радио-интерфейсы класса IEEE 802.11b,g,n, которые позволяют создавать небольшие офисные сети. Эти радио-интерфейсы могут быть использованы и для подключения к каналам Internet, через соответствующие точки доступа, но в этом случае используется дополнительная антенна. Такие интерфейсы работают на несущей частоте 2,4– 5,0 ГГц и обеспечивают пропускную способность 11–54 Мбит/с при расстояниях 700–5000 м.

Инфракрасные и лазерные каналы используются для организации связи между узлами, расположенными друг от дру-

28

га в пределах прямой видимости (одно помещение, два здания, стоящие напротив друг друга и т.д.).

Схема организации лазерных и инфракрасных каналов связи аналогична рассмотренным ранее, за исключением особенностей, связанных с используемым оконечным оборудованием.

1.6. Понятие архитектуры вычислительной сети. Виды архитектур

Под архитектурой вычислительной сети принято понимать совокупность стандартов, топологий и протоколов, необходимых для ее функционирования [1].

Ранее уже отмечалось, что разработка стандартов локальных вычислительных сетей возложена на комитет 802 международного института IEEE, который разработал и утвердил наиболее распространенную на сегодняшний день архитектуру локальных вычислительных сетей – IEEE 802.3.

Архитектура Ethernet – IEEE 802.3. Разработанная

Xerox архитектура Ethernet стала основой для стандарта IEEE 802.3, который был принят по предложению Xerox в 1983 году. IEEE внес некоторые изменения в первоначальную архитектуру

Ethernet, поэтому сети стандарта Ethernet и IEEE 802.3 – это се-

ти с разной архитектурой, хотя и очень близкой1. Ethernet и IEEE 802.3 являются наиболее распространенными архитектурами локальных вычислительных сетей.

Общая характеристика архитектуры сетей стандарта IEEE 802.3:

–информационный блок – кадр;

–размер кадра – до 1518 байт (без учета преамбулы (8 байт) и завершителя кадра (1 байта);

–обмен кадрами – широковещательный с проверкой ад-

ресата;

–среда передачи – коаксиальный кабель («тонкий», «толстый»), витая пара (3, 4, 5 категорий), оптоволоконный кабель;

–доступ к среде передачи – множественный доступ с обнаружением несущей (CSMA/CD);

–скорость передачи данных – 10–1000 Мбит/с.;

–физическая топология – «шина», «звезда»;

1 Сегодня термин Ethernet чаще всего используется для описания сетей работающих по принципу множественный доступ с обнаружением несущей, который используется как

Ethernet, так и IEEE 802.3.

29

–логическая топология – «шина»;

–размеры сетей – от нескольких метров до нескольких километров (при использовании повторителей).

Формат кадра сетей стандарта IEEE 802.3 показан на рис.

1.9[9].

Максимально 1518 байт

Преамбула (8 байт)

Адрес источника 6 байт

Адрес получателя 6 байт

Тип кадра (длина) 2 байта

Данные от 64 до 1500 байт

Контрольная сумма 4 байта

Фиксированная последовательность единиц и ну - лей, используемая для синхронизации схем приема сигналов на узлеадресат.

6-байтовые поля, содержащие Ethernet-адреса принимающего и передающего кадр узлов сети Каждый Ethernet-контроллер имеет уникальный 6-байтовый адрес, напрмер, 2F.14.22.AD.F0.7C

2-байтовое поле, содержащее идентификатор протокола вышележащего уровня, использующего дан -ный кадр, например, 0x0800 - протокол IP. По стандарту IEEE 802.3 поле длины (байт) данных.

Данные вышележащего протокола, передаваемые по сети.

4-байтовое поле, содержащее контрольную сумму, подсчитанную для всего кадра.

Рис. 1.9. Формат кадра стандарта IEEE 802.3.

В зависимости от среды передачи данных IEEE 802.3 определяет несколько различных стандартов1 физических подключений локальных сетей, каждый из которых имеет наименование, отражающее его важнейшие характеристики:

–1Base5 – неэкранированная витая пара категории 2;

–10Base5 – «толстый» коаксиальный кабель;

–10Base2 – «тонкий» коаксиальный кабель;

–10Base-Т – неэкранированная витая пара категории 3.

–10Base-F –волоконно-оптический кабель. Высокоскоростные сети класса Ethernet (Fast Ethernet и

Gigabit Ethernet) определены стандартами IEEE 802.3u и IEEE

1 Ethernet определяет только один физический стандарт (частный случай стандарта IEEE 802.3) локальной сети – 10Base5, т.е. сеть с шинной топологией на «толстом» коаксиальном кабеле со скоростью передачи данных 10 Мбит/c и максимальным размером сегмента до 500 метров.

30