Вопрос 16. Локальные сети Ethernet

1. Локальная вычислительная сеть — программно-аппаратный комплекс, включающий в себя несколько активно взаимодействующих компьютеров (обычно от нескольких штук до нескольких сотен), соединенных между собой каналами связи. В локальную сеть включается также коммуникационное оборудование. К нему относятся:

• концентраторы;

• коммутаторы;

• маршрутизаторы.

Основное отличие локальной сети от территориально распределенных сетей заключается в использовании коммуникационного оборудования, не требующего специальных мер коррекции ошибок передачи и сжатия информации.

Сетевая работа пользователя начинается на его рабочем месте, которое чаще всего представляет собой компьютер, включенный в местную (или локальную) сеть.¹ Компьютер, подключенный к удаленной сети через модем, логически по адресации также включен в локальную сеть. В этом случае говорят об использовании протокола ТСРДР поверх последовательной линии. В России преобладают локальные сети Ethernet.

Локальные вычислительные сети (ЛВС) традиционно выделяют из всего многообразия возможных компьютерных сетей.

В настоящее время концепция локальных вычислительных сетей достаточно хорошо проработана. В основе этой концепции лежит принцип организации ЛВС в виде так называемой сети Intra-

net, то есть внутренней сети, построенной на основе тех же протоколов, программного обеспечения, средств доступа и защиты информации, что и глобальная сеть Internet.

2. Локальные вычислительные сети позволяют объединять в систему большое количество рабочих мест, построенных на основе ЭВМ.¹ При этом персонал таких рабочих мест может совместно использовать оборудование сети, программные средства и информацию. Локальная вычислительная сеть может рассматриваться каждым ее участником как единый программно-аппаратный комплекс. В этом комплексе можно выделить следующие технологические преимущества:

• разделение аппаратных средств (например, доступ к лазерному принтеру обеспечивается со всех рабочих станций сети);

• разделение данных (со всех рабочих станций сети обеспечивается доступ к системе управления базой данных — СУБД);

• разделение программных средств (необходимые программы могут быть запущены с любой рабочей станции);

• разделение ресурсов процессора файлового сервера (процессор используется в режиме разделения времени. Его особенность заключается в том, что доступ к имеющимся ресурсам осуществляется через специальный диспетчер);

• мультипрограммный режим (предоставляет возможность даже одному пользователю организовать работу одновременно с несколькими заданиями);

• электронная почта (с помощью которой происходит интерактивный обмен информацией между пользователями на рабочих станциях сети).

Описанные возможности не являются специфическими для локальный сетей. В той или иной мере они присущи всем сетям. В локальной сети их действенность усиливается, если локальная сеть используется как единый комплекс, например, при коллективной разработке некоторого продукта.

Схема обмена данными в сетях Ethernet называется множественным доступом с контролем несущей и обнаружением конфликтов — CSMA/CD (Carrier Sense Multiply Access with Collision Detection). Множественный доступ означает, что любое подключенное устройство может передавать информацию. Контроль не-

i \iiii и iMiu'i.K'i, 'по можно определить, занят канал или нет. < xuupvAt'iiiie конфликтов означает возможность узнать, переищите вы кого-нибудь или нет.

Фактическая задержка при обнаружении конфликтов — величина случайная. Это позволяет избежать такого развития событий, когда две машины одновременно передают сообщение по сети, обнаруживают конфликт, ждут некоторое время, а потом возобновляют передачу, переполняя сеть конфликтами. Вычисление задержки происходит с использованием генератора случайных чисел на некотором диапазоне. Количество попыток передачи не бесконечно. После определенного числа попыток сообщение снимается.

3. В качестве рабочих мест в ЛВС применяют автономные компьютерные системы, называемые рабочими станциями, автоматизированными рабочими местами (АРМ), или сетевыми станциями¹. Обычно включаемые в сеть станции располагают собственным внешним накопителем, но допускается конфигурация без такового со специальными постоянными запоминающими устройствами (ПЗУ) для загрузки сетевого программного обеспечения.

Управление различными службами в ЛВС осуществляется с использованием одного или нескольких серверов. В терминологии сетевых технических средств сервер — это один из включенных в сеть компьютеров, располагающих соответствующими программными и достаточными аппаратными мощностями для выполнения какого-либо обслуживания. Принципиальной разницы между сервером и рабочей станцией, снабженной специальным программным обеспечением, нет.

К серверу могут предъявляться некоторые дополнительные требования, связанные с необходимостью обслуживания им большого числа запросов от многих станций и других серверов. Например, типичным требованием к серверам является требование круглосуточной бесперебойной работы.

Повышенные требования предъявляются к программно-аппаратному обеспечению файловых серверов. Это связано с тем, что от таких серверов зависят временные характеристики по загрузке, передаче и хранению данных в сети.

4. Для подключения ЭВМ к сети требуются устройства сопряжения, называемые сетевыми адаптерами, или сетевыми интерфейсными картами, вставляемыми в гнездо материнской платы компьютера.¹ В настоящее время широкое распространение приобрели адаптеры, которые могут настраиваться на различную скорость передачи данных: 10 Мбит/с (Ethernet) и 100 Мбит/с (Fast Ethernet).

В настоящее время в основном выпускаются адаптеры с автоматической настройкой Plug-and-Play (PNP), которые в случае конфликтов с другими аппаратными средствами допускают и программную перенастройку.

При выпуске каждый сетевой адаптер снабжается микросхемой с уникальным 48-битовым адресом Ethernet. Каждая фирма, имеющая лицензию на выпуск адаптеров, располагает собственным диапазоном аппаратных адресов Ethernet, так что в мире не должно быть двух интерфейсных карт с одинаковыми адресами.

Для взаимного преобразования интернетовских адресов в аппаратные и обратно служат протоколы ARP (Address Resolution Protocol) и RARP (Reverse ARP).

5. Топология локальных сетей Ethernet представляет собой шину с ответвлениями, но без контуров.² В каждой логической (в смысле адресации TCP/IP) сети между двумя любыми точками имеется только один путь. Данные, пересылаемые по кабельной системе, передаются всем машинам в широковещательном режиме.

Стандартная спецификация Ethernet предусматривает скорость передачи данных 10 Мбит/с. Аппаратура быстрой Ethernet (Fast Ethernet) рассчитана на скорость 100 Мбит/с.

В топологии Ethernet наиболее распространены три среды передачи данных.

• коаксиальные кабели с волновым сопротивлением 50 Ом;

• медный провод "витая пара";

• оптоволоконный кабель.

При выборе типа кабеля учитываются следующие показатели:

• стоимость монтажа и обслуживания;

• ограничение на длину коммуникаций без дополнительных усилителей-повторителей (репитеров);

• безопасность передачи данных.

6. Пропускная способность локальных сетей сильно зависит от количества включенных в них активно действующих объектов — серверов, рабочих станций, интеллектуальных устройств.¹ В сетях Ethernet при увеличении информационных потоков может резко возрасти время доставки сообщений, а затем наступить полная блокировка: ни одно сообщение не сможет пробиться к адресату.

Для борьбы с этим явлением прежде всего должны использоваться специализированные программные средства и совершенствоваться собственно программное обеспечение серверов и станций. Это требует специального анализа и измерения информационных потоков.

В качестве аппаратных мер по предотвращению заторов можно с помощью специального коммуникационного оборудования разделить сеть на части, в которые входят наиболее активно взаимодействующие между собой объекты. Такое деление часто называют сегментацией. Обычно сегментация возникает естественным образом исходя из расположения сетевых объектов и состава групп специалистов, решающих общие задачи. Но возможно проведение сегментации с целью недопущения блокировок, когда замечено, что время реакции сети существенно возрастает.

В компьютерных сетях наиболее распространенным коммуникационным оборудованием являются:

• концентраторы;

• коммутаторы;

• маршрутизаторы.

Для сегментации с целью избежания перегрузок могут служить только коммутаторы и маршрутизаторы.

Концентратор {Hub) позволяет присоединить к нему несколько рабочих станций, логически (по адресам) входящих в одну и ту же сеть. Концентратор обеспечивает возможность использования в ЛВС кабеля "витая пара".

Коммутатор (Switch) позволяет увеличить полосу пропускания и уменьшить время задержки обработки информации. С его помощью можно сегментировать локальную сеть на канальном уровне иерархической модели протокола TCP/IP, то есть без использования IP-адресации.

Маршрутизатор (router) разбивает логически единую по адресации сеть на подсети. Маршрутизатор служит либо для соединения сетей с различными протоколами, либо для соединения сетей TCP/IP с различным прострйнством адресов. В последнем случае его часто называют шлюзом (Gateway). Аппаратные маршрутизаторы обычно бывают многопротокольными и очень дороги. В локальных сетях в качестве маршрутизатора можно использовать не очень мощный компьютер с двумя или более сетевыми картами, что является самым дешевым решением для расширения сети.

Маршрутизаторы предоставляют дополнительные средства защиты данных и контроля трафика. Они играют большую роль в управлении сетью и выявлении нештатных ситуаций.