7.1.Стандартизация технологий локальных сетей

Этот раздел посвящён современным технологиям построения локальных сетей. Выше мы познакомились со стандартами, регламентирующими различные методы доступа к передающей среде, относящимися к группе IEEE 802.3. Как уже было отмечено, аббревиатура IEEE взята от названия организации, занимающейся технологией локальных сетей – Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (Institute of Electrical and Electronics Engineers). В начале 60-х годов прошлого века эта организация занялась развитием стандартов локальных сетей. Группа стандартов сетей 802 получила нумерацию по номеру рабочей группы, которая трудилась над вопросами построения локальных сетей. Работы по стандартизации продолжаются и сейчас, сейчас в состав группы входят множество подгрупп, каждая из которых занимается определёнными стандартами. Список организации, занимающихся стандартизацией объединенных сетей, приведён в приложении 1.

В современных локальных сетях широко используются следующие стандарты:

802.1 - стандарты объединения всех ЛВС, определяющие логику работы некоторых сетевых устройств вроде мостов, способы создания виртуальных сетей и т.д.

802.2 – стандарты, определяющие методы управления логической передачей данных, разрабатываются группой Logical Link Control (LLC).

802.3 –стандарты сети Ethernet, использующей метод доступа CSMA/CD. Это стандарты передачи данных между узлами сети, причём передача данных может осуществляться с различной степенью надёжности. Эти функции реализует протокол LLC, на использование которого ориентируются даже другие организации, занимающиеся стандартизацией технологий локальных сетей.

802.10 – стандарты сетевой безопасности;

802.11 –стандарты технологий беспроводных сетей (Wi-Fi), разрабатываются подгруппой Wireless Networks.

Кроме перечисленных стандартов существуют и некоторые другие. Но они либо устарели, либо их применение для создания ЛВС является скорее исключением, чем правилом.

7.2.IEEE 802.3 - ETHERNET

Ethernet создал Роберт Меткалф в 1972 г. с коллегами из лаборатории Xerox. Метод доступа CSMA/CD используется в сетях с общей средой передачи данных. В такой системе одновременно канал передачи данных могут занимать только два компьютера, а остальные ждут, когда канал освободится. В то же время данные, переданные одним из компьютеров, могут приниматься всеми остальными машинами. При таком подходе сеть как бы делится между всеми ПК.

Остановимся на разных реализациях стандарта 802.3. Различают следующие варианты этого стандарта.

10Base-5 – это сеть Ethernet, использующая толстый коаксиальный кабель диаметром 0,5 дюйма, скорость передачи 10 Мбит/с. Этот стандарт устарел.

10Base-2 - это сеть Ethernet, использующая тонкий коаксиальный кабель диаметром 0,25 дюйма; скорость передачи 10 Мбит/с. Этот стандарт также устарел.

10Base-T – сеть Ethernet с использованием кабеля на основе неэкранированной витой пары (UTP) 3-ей категории, скорость передачи 10 Мбит/с. Образует звездообразную топологию на основе концентратора (коммутатора).

10Base-FL- сеть Ethernet с использованием волоконно-оптического кабеля.

Число 10 в указанных выше названиях обозначает номинальную скорость передачи 10 Мбит/с. В целом, указанные выше варианты называют технологией Ethernet.

100Base-TX – современная сеть Ethernet, строящаяся на основе витой пары 5-й категории (или выше), скорость передачи 100 Мбит/с.

100Base-4 – сеть Ethernet, строящаяся на основе витой пары 3-й категории, скорость передачи 100 Мбит/с. Устаревший вариант.

100Base- FX – то же самое, только на оптоволокне.

Эти три последние реализации объединены общим названием Fast Ethernet. Есть ещё Gigabit Ethernet – это Ethernet на 1000 Мбит/с (1000Base-X, 1000Base-LX, 1000Base-SX, 1000Base-CX, 1000Base-T). В качестве среды передачи данных может использоваться витая пара или оптоволокно.

Помимо Gigabit Ethernet существует 10 Gigabit Ethernet (например, 10000Base-LX4). Скорость такой технологии 10 Гбит/с. В целом 10 Gigabit Ethernet очень похож на "прежние" сети Ethernet. Самое существенное отличие заключается в том, что в 10 GIgabit Ethernet используется другой способ доступа к среде, все варианты 10 GIgabit Ethernet строятся с использованием оптоволоконных кабелей.

Наиболее распространённым сейчас является стандарт 100Base-TX. Рассмотрим его особенности. В сети Ethernet очень важным является понятие домен коллизий, т.е. сегмент сети, все узлы которого способны распознавать коллизию независимо от того, где произошла эта коллизия (напоминаем, что коллизия – это одновременная попытка нескольких узлов захватить канал передачи данных). Для того, чтобы все узлы, входящие в домен коллизий, могли вовремя распознавать коллизию и корректно обрабатывать другие процедуры сетевого взаимодействия, вводится ограничение на максимальную длину кабеля. Максимальный размер сегмента для витой пары 100 м. Кабели и сетевое оборудование вносят определённую задержку в распространение сигнала по сети, отсюда и следует ограничение. Применение маршрутизатора снимает ограничение на общую длину сети: маршрутизатор делит сеть на несколько доменов коллизий, узлам которых нет необходимости распознавать коллизии, произошедшие в соседних доменах. Структура сети 100Base-TX на основе коммутатора приведена на рис. 16.

Преимущества сетевых решений 10/100; 10/100/1000 Мбит/с. В последние годы появилось новое решение, обеспечивающее одновременно широкую совместимость решений 10Мбит/с Ethernet и 100Мбит/с Fast Ethernet, 1000Мбит/с Gigabit Ethernet. "Двухскоростная" или "трёхскоростная" технология позволяет таким устройствам, как сетевые платы, концентраторы и коммутаторы, работать с любой из этих скоростей (в зависимости от того, к какому устройству они подключены).

Рис.16.Структура сети 100Base-TX

При подсоединении ПК с сетевой платой 10/100-Мбит/с Ethernet/Fast Ethernet к порту концентратора 10 Мбит/с он будет работать со скоростью 10 Мбит/с. Если же подключить его к 100-Мбит/с порту концентратора (коммутатора), то он автоматически опознает новую скорость и поддержит 100 Мбит/с. Также осуществится переход на 1000 Мбит/с. Это дает возможность постепенно, в нужном темпе переходить на более высокую производительность. Кроме того, такой вариант позволяет упростить оборудование сетевых клиентов и серверов для поддержки нового поколения приложений, интенсивно использующих полосу пропускания и сетевые службы. Пример совместного использования технологий Ethernet и Fast Ethernet для офисной сети приведён на рис.17.

Рис.17. Cовместное использование технологий Ethernet и Fast Ethernet

Для разного быстродействия Ethernet используются разные схемы кодирования, но алгоритм доступа и формат кадра остается неизменным, что гарантирует программную совместимость. Кадр Ethernet имеет формат, показанный на рис.18.

7 1 6 6 2 4 1

Рис. 18. Формат кадра сетей Ethernet (цифры в верхней части рисунка показывают размер поля в байтах)

Стандарт 802.3 определяет восемь полей заголовка:

поле преамбулы состоит из семи байтов синхронизирующих данных. Каждый байт содержит одну и ту же последовательность битов - 10101010. Преамбула используется для того, чтобы дать время и возможность схемам приемопередатчиков (transceiver) прийти в устойчивый синхронизм с принимаемыми тактовыми сигналами;

поле SFD (start frame delimiter) предназначено для выявления начала кадра. Начальный ограничитель кадра состоит из одного байта с набором битов 10101011. Появление этой комбинации является указанием на предстоящий прием кадра;

адрес получателя - поле адреса приемника имеет длину 6 байт. Оно содержит MAC-адрес, используемый при маршрутизации кадров между сетевыми устройствами. Некоторые MAC-адреса выполняют специальные функции. Например, FF:FF:FF:FF:FF:FF — это широковещательный адрес, и кадры с таким адресом будут поступать на все станции без исключения;

адрес отправителя - длина поля адреса источника тоже равняется 6 байт и содержит MAC-адрес станции, отправляющей данные. Первые 3 байта этого адреса идентифицируют производителя, а три последних являются уникальными для конкретного оборудования;

поле "длина/тип" содержит информацию о длине кадра или о типе передаваемых данных. Если значение поля "длина/тип" меньше шестнадцатеричного числа 05DC, то оно содержит длину поля данных. Если же это значение больше 0600, оно указывает тип протокола, данные которого содержатся в поле данных;

поле данных может содержать от 0 до 1500 байт. Но если длина поля меньше 46 байт, то используется следующее поле - поле заполнения, чтобы дополнить кадр до минимально допустимой длины. Поле заполнения состоит из такого количества байтов заполнителей, которое обеспечивает определенную минимальную длину поля данных (46 байт). Это обеспечивает корректную работу механизма обнаружения коллизий. Если длина поля данных достаточна, то поле заполнения в кадре не появляется;

поле контрольной суммы (CRC - cyclic redundancy check) имеет 4 байта, содержащие значение, которое вычисляется по определенному алгоритму (полиному CRC-32). После получения кадра рабочая станция выполняет собственное вычисление контрольной суммы для этого кадра, сравнивает полученное значение со значением поля контрольной суммы и, таким образом, определяет, не искажен ли полученный кадр;

поле EFD (end frame delimiter) задает конец кадра.

Поле контрольной суммы также как и преамбула, SFD и EFD, формируются и контролируются на аппаратном уровне. В некоторых модификациях протокола поле EFD не используется. В кадре также может присутствовать поле тега VLAN. Оно имеет длину 4 байта и является необязательным. Наличие такого поля в кадре позволяет разделять данные по различным виртуальным ЛВС независимо от MAC-адреса устройства. Также это поле содержит биты приоритета для реализации функции гарантированного качества обслуживания.

Длина поля данных может составлять от 46 до 1500 байт. Это поле обычно содержит подлежащие передаче данные протоколов более высокого уровня: IP или AppleTalk.

Минимальный размер нормального кадра, включая FCS, но без учета преамбулы, составляет 64 байт. Кадры меньшей длины называются "коротышками" и сбрасываются большинством устройств Ethernet. Максимальный стандартный размер кадра – 1522 байт при использовании маркировки VLAN или 1518 байт, если она отсутствует (сюда не включены поля преамбулы, SFD и EFD). Большинство устройств Ethernet поддерживают функцию автосогласования. При первом соединении они обмениваются информацией о своих возможностях передачи данных, к которым относятся: скорость передачи данных, режим работы, использование алгоритмов управления потоками. А после этого автоматически настраиваются на максимальные общие значения параметров передачи.

7.3.IEEE 802.11 – WI-FI

Многие специалисты считают, что будущее за беспроводными сетями. В основе беспроводных сетей лежит передача данных по радиоканалу. Сегодня распространены три стандарта беспроводных сетей IEEE 802.11b, 802.11g, 802.11a. Беспроводные сети группы стандартов IEEE 802.11x имеют несколько названий. Чаще всего встречается WLAN (Wireless Local Area Network): по-русски это "беспроводная локальная сеть". Так как принципы работы беспроводных локальных сетей и проводных Ethernet – сетей похожи (например, по используемым методам доступа к среде), их называли раньше RadioEthernet – сети. Локальные беспроводные сети сейчас называют WI-FI от английских слов Wireless fidelity. Организации беспроводных сетей посвящён отдельный раздел "Беспроводные сети" данного пособия.