4.5. Типы локальных компьютерных сетей

Существует большое количество разновидностей ЛВС, таких как Ethernet, Token Ring, Fast Ethernet, FDDI, 100VG-AnyLAN, SNA и др., они существенно отличаются друг от друга по скорости передачи информации (от 10 до 100 Мбит/с), имеют различные правила работы и топологию.

В настоящее время наиболее широкое распространение получила сеть Ethernet фирмы Xerox, появившаяся в 1972 г. Данная сеть предназначена для объединения различных учрежденческих абонентских систем в локальную компьютерную сеть. В 1982 г. эта сеть была принята в качестве основного стандарта сначала комитетом 802 IEEE, а затем ассоциацией ЕСМА (European Computer Manufactures Association). Управление логическим каналом в сети Ethernet осуществляется в соответствии со стандартом IEEE 802.2, а управление доступом к передающей среде - по IEEE 802.3. Стандартами определена максимальная (1518 бит) и минимальная (512 бит) длина кадра.

В качестве физической среды стандартом IEEE 802.3 определены два типа коаксиального кабеля: витая пара проводников и оптоволоконный кабель. Соответственно различают четыре типа спецификации передающей среды: 10Base5, 10Base2, 10Base-T и 10Base-F. Одной из первых появилась спецификация 10Base5, определяющая использование толстого коаксиального кабеля с диаметром центрального медного провода 2,17 мм, спецификация 10Base2 - с диаметром центрального провода 0,89 мм (табл. 4.1).

Таблица 4.1.

Основные характеристики кабелей сети Ethernet

Типовые схемы соединения сетей Ethernet 10Base5, 10Base2 представлены на рис. 4.7 - 4.10.

Рис. 4.7. Сегмент сети Ethernet 10Base5

Рис. 4.8. Подключение абонентской системы к моноканалу

сети Ethernet 10Base5

Рис. 4.9. Сегмент сети Ethernet 10Base2

Рис. 4.10. Подключение абонентской системы к моноканалу

сети Ethernet 10Base2

Сети данного типа имеют топологию типа «шина». Метод доступа - недетерминированный, CSMA/CD. Используя специальные повторители (репитеры), можно объединять между собой до пяти сегментов сети, образуя сети различной конфигурации (линейная или разветвленная). Это ограничение связано с особенностями метода доступа. Узлы сети являются равноправными и подключаются к общему кабелю, благодаря чему все узлы практически одновременно “слышат” передаваемую по нему информацию, однако, получает ее только тот узел, которому она адресована.

Совершенствование сетевых средств предоставило возможность использовать в сети Ethernet витые пары проводников в качестве передающей среды. Спецификация 10Base-T определяет использование витой пары проводников категории 3 и длиной кабеля до 100 м. Для связи между устройствами сети используются две витые пары проводников, одна для передачи, а другая для приема информации. Основным структурным элементом сети является концентратор (Hub), к которому радиальным образом подключаются станции с помощью стандартных сетевых разъемов RJ 45 (рис. 4.11). С целью унификации сетевых адаптеров для коаксиального кабеля и витой пары 10Base5/2/-T на них устанавливают разъемы DB 15, BNS и RJ 45. Адаптер обычно устанавливается внутри компьютера на материнской плате.

Рис. 4.11. Структура сети Ethernet 10BASE-T

К преимуществам подобной сети относятся ее более высокая живучесть, так как выход из строя или отключение одного из сегментов не сказывается на работе остальных сетевых сегментов, сеть более проста в эксплуатации, ее структура позволяет достаточно быстро обнаружить неисправный участок.

Дальнейшее повышение эффективности сетей Ethernet связано с использованием коммутирующих концентраторов (switching hub), которые позволят рассматривать сегменты сети в качестве отдельных сетей, связанных вместе через интерфейс коммутации пакетов. Это позволит увеличить производительность сети и избежать столкновения пакетов. Такие сети получили название Switch Ethernet.

Также новым технологическим направлением развития сетей Ethernet является оптоволоконная сеть Ethernet 10Base-F со скоростью передачи 10 Мбит/с. В качестве передающей среды используется 50- или 100-микронный оптоволоконный кабель. Сеть характеризуется звездообразной топологией, которая поддерживается с помощью оптоволоконных концентраторов или многопортовых повторителей (например, IBM8224, IBM8271). Максимальная длина одного луча (сегмента) составляет 2100 м.

Наиболее распространенной среди кольцевых локальных сетей с маркерным методом доступа является сеть Token Ring. Международным стандартом ISO/DIS 8802/5 для этих сетей определена скорость передачи 4 Мбит/с. В настоящее время используются сети со скоростью 16 Мбит/с и кадром длиной 18 Кбайт, что в четыре раза больше стандартной длины. Основными особенностями сети Token Ring являются метод и протоколы управления доступом к передающей среде (кадр передается только в одном направлении с полным циклом его вращения). Получатель дополняет кадр информацией о результате его приема, после чего канал освобождается. Стандартом определено три типа кадров: кадр данных, кадр маркера, кадр прерывания.

Функционирование сети обеспечивается с помощью управляющих кадров централизованным способом посредством так называемого активного монитора, являющегося главным менеджером связи в кольце. Активным монитором может быть любая станция в каждый момент времени, и он отвечает за передачу управляющей информации.

Подключение станции к передающей среде осуществляется с помощью кабеля сопряжения со средой и специального блока подключения к среде (рис. 4.12). Кабель сопряжения со средой представляет собой две витых пары проводников, одна из которых служит для передачи, а вторая – для приема данных. В простейшем случае блок подключения представляет собой пассивное устройство, позволяющее подключать одну станцию к магистральному кабелю. Чаще используются устройства многостанционного доступа (MAU - Multistation Access Unit), обеспечивающие подключение нескольких станций радиальным способом (табл. 4.2).

Таблица 4.2

Характеристики блоков подключения в сети Token Ring

Рис. 4.12. Сеть Token Ring

Другой способ организации кольцевой сети основан на стандарте ISO/DIS 8802/7, отличающийся протоколом доступа Cambridge Ring c методом тактируемого доступа. Физическая среда данной сети представляет собой коаксиальный кабель с набором активных повторителей, обеспечивающих скорость передачи до 10 Мбит/с. Абонентские системы к передающей среде подключаются с помощью блока подключения (вилки связности), кабеля сопряжения, повторителя и станции. Вилка связности замыкает кольцо при механическом отключении станции, повторитель осуществляет кодирование, декодирование, регенерацию, прием и передачу сигналов из кольца или станции.

Станция выполняет функции сетевого адаптера (управление передачей информации, обнаружение ошибок, параллельно-последовательные и обратные преобразования). Станция с повторителем образует узел. Для обеспечения нормальной работы сети в ее состав должны входить: монитор, регистрирующая станция, ретрансляторы и вторичные источники питания. Монитор представляет собой специализированную станцию, выполняющую функции инициализации и управления кольцом; регистрирующая станция осуществляет учет состояния сети. Автономный повторитель, выполняющий только функции регенерации сигналов, называется ретранслятором и служит для увеличения протяженности сети. Питание повторителей осуществляется с помощью специального вторичного источника с напряжением 28 В. Для одновременного подключения нескольких компьютеров используются различные узлы – мультиплексоры. Такая сеть может быть представлена в следующей конфигурации (рис. 4.13).

Рис. 4.13. Конфигурация сети с тактируемым методом доступа

Информация в сети передается по кольцу до тех пор, пока не будет принята абонентом, каждый раз повторяясь с задержкой по времени. Основным преимуществом сети с тактируемым методом доступа является малое время ответа, которое достигается, однако, за счет очень низкой эффективности использования канала передачи данных. В большинстве случаев до 60 % общей пропускной способности канала затрачивается на передачу служебных и управляющих бит. Поэтому наиболее характерной областью применения подобных сетей следует считать системы оперативного контроля и управления технологическими процессами.

Высокоскоростные локальные сети. Сеть FDDI (Fiber distributed data interface) разрабатывалась на базе использования высокоскоростных (100 Мбит/с) оптоволоконных каналов передачи данных и усовершенствованных протоколов доступа к передающей среде (детерминированный метод доступа, исключающий конфликты). Высокая надежность сети FDDI обеспечивается способностью сети к динамической реконфигурации своей структуры за счет использования двойного кольца передачи данных (рис. 4.14) и специальных процедур управления конфигурацией. Изменение конфигурации осуществляется путем обхода или изоляции неисправного участка сети.

Рис. 4.14. Пример топологии сети FDDI

Для реализации этих возможностей определяется два типа станций (адаптеров):

одинарная станция (Single station) – станция с одним портом ввода-вывода для подключения двухволоконного оптического кабеля, с помощью которого может быть образовано только одно кольцо;

двойная станция (Dual station) – станция с двумя портами ввода-вывода оптоволоконных каналов передачи данных, с помощью которых образуется два кольцевых тракта передачи сигналов.

Двойные концентраторы используются на магистральном участке сети, а одинарные поддерживают древовидную структуру сети. Подключение абонентских систем к концентраторам может осуществляться как с помощью оптоволоконных каналов, так и с помощью витых пар проводников. Существующий набор устройств различных типов позволяет поддерживать сетевые структуры с достаточно разнообразной топологией: от простой кольцевой до сложной древовидно-кольцевой.

Передача информации между логическими объектами управления доступом к среде осуществляется в виде кадров (кадр данных и кадр маркера). Физический уровень протокола FDDI состоит из двух подуровней: подуровня физической среды (PMD), который определяет типы приемников и передатчиков, физическую среду для передачи цифрового сигнала и ее основные характеристики; подуровня передачи сигналов (PHY), обеспечивающего эффективное кодирование и декодирование сигналов, устранение ошибок при передаче данных.

Сеть 100VG-AnyLAN представляет собой локальную компьютерную сеть древовидной топологии. В качестве промежуточных узлов сети используются концентраторы (повторители), а оконечными узлами (абонентскими системами) являются рабочие станции и серверы. Концентраторы оснащаются портами двух видов:

• порты нисходящих связей – для подключения устройств нижележащих уровней (оконечные узлы и концентраторы);

• порт восходящей связи – для подключения к концентратору более высокого уровня.

В зависимости от месторасположения концентратор может быть корневым или концентратором уровня, на котором он расположен (рис. 4.15).

На физическом уровне технология сети 100VG-AnyLAN поддерживает стандарты, принятые в сетях Ethernet 10Base-T и Token Ring, что обеспечивает возможность эксплуатации существующих кабельных инфраструктур данных сетей. В качестве передающей среды могут использоваться:

• неэкранированный кабель категорий 3, 4, и 5 (четыре витых пары);

• экранированный кабель (две витых пары);

• оптоволоконный кабель.

Рис. 4.15. Структура сети 100VG-AnyLAN

Канальный уровень состоит из подуровней:

• управления логическим каналом;

• управления доступом к среде.

Подуровень управления логическим каналом определяет два класса управления передачей:

• Class I, поддерживающий передачу данных в режиме без установления соединения и подтверждения приема;

• Class II, определяющий режим передачи данных с установлением соединения.

Подуровень управления доступом к среде включает протокол приоритетов запросов DPP и определяет функции по подготовке канала передачи данных и формированию кадра данных. Основной особенностью сети 100VG-AnyLAN является метод доступа, в качестве которого используется централизованный метод опроса – протокол приоритетов запросов DPP (Demand Priority Protocol), который обеспечивает сети отсутствие коллизий (заторов и задержек информации) и сокращение времени доступа. Сеть 100VG-AnyLAN предназначена для работы с кабелем 4-UTP и в тех же условиях, в которых функционируют сети 10Base-T и Token Ring.

Максимальная длина сегмента кабеля категории 3 составляет 100 м, категории 5-150 м. В состав канала сети входят экранированные витые пары проводов, концевые разъемы и соединительные устройства (коммутационные панели, стенные розетки). Оптоволоконный канал состоит из оптоволоконного кабеля, концевых разъемов и соединительных устройств (навесные панели). Для подключения к сети компьютер должен иметь сетевую интерфейсную плату 100VG-AnyLAN (LAN-адаптер).

Сеть Fast Ethernet является развитием Ethernet за счет увеличения в 10 раз тактовой частоты. Основные аспекты построения сети остаются неизменными, отличия касаются только передающей среды. Для разновидностей Fast Ethernet в зависимости от применяемого кабеля определены следующие три наименования: 100Base-TX, 100Base-T4 – для витой пары и 100Base-FX – для оптоволоконного кабеля.

Система 100Base-TX использует две пары проводов: одну для передачи, другую для приема данных. Стандарт допускает использование неэкранированной (UTP) категории 5 с волновым сопротивлением 100 Ом и экранированной (STP) с волновым сопротивлением 150 Ом витых пар максимальной длиной до 100 м.

Спецификацией 100Base-T4 допускается использование кабелей UTP категорий 3, 4, 5 максимальной длины до 100 м. При этом из четырех используемых пар две предназначены для однонаправленной передачи, а две другие - для двунаправленной передачи. Обе спецификации ограничивают размер сети - максимальное расстояние между двумя любыми абонентами величиной в 200 м.

Спецификация на оптоволоконный интерфейс 100Base-FX определяет длину сегмента до 100 м, однако допустимый диаметр сети равен 412 м. Для каждого соединения требуется двухжильный многомодовый волоконно-оптический кабель, в котором по одному волокну передается, а по другому принимается сигнал.

Наиболее часто используется многомодовый кабель MMF 62,5/125. Для подключения может использоваться один из коннекторов:

• дуплексный коннектор SC;

• FDDI-коннектор;

• штыковой ST-коннектор.

Несмотря на существенные различия между Ethernet со скоростью 10 Мбит/с и Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с, у них совпадают две важные характеристики:

• Обе сети имеют идентичный формат кадра. Размер кадра может колебаться от 64 до 1518 байтов, кадр имеет поля адресов получателя и отправителя, поле длины/типа, поле данных переменной длины и поле контрольной суммы. Это позволяет программному обеспечению одинаково работать как с Ethernet, так и с Fast Ethernet. Любой протокол или программное обеспечение, работающее с Ethernet, будет функционировать и с Fast Ethernet, потому что в них применяется одинаковый формат кадра.

• Обе сети используют один и тот же метод доступа к среде CSMA/CD. Хотя некоторые временные диаграммы для этих сетей и не совпадают точно, однако используемые в них алгоритмы абсолютно одинаковы. Это позволяет просто масштабировать интерфейс Mil между HY и MAC с 10 Мбит/с до 100 Мбит/с. В табл. 4.3 приведены сравнительные характеристики этих сетей.

Таблица 4.3

Сравнительные характеристики Ethernet и Fast Ethernet

В настоящее время ведется работа над созданием нового типа ЛВС Gigabit Ethernet со скоростью передачи данных 1 Гбит/с. Стандарт технологии Gigabit Ethernet для витой пары разрабатывается рабочей группой IEEE P802.3ab.