13.5. Локальные компьютерные сети

Аппаратные средства локальных компьютерных сетей. Локаль-ная компьютерная сеть - это коммуникационная система, поддержи-вающая в пределах здания или группы зданий один или несколько вы-сокоскоростных каналов передачи цифровой информации, подключен-ных устройствами для кратковременного монопольного использования.

Высокоскоростной канал - это канал, скорость передачи инфор-мации в котором значительно выше, чем у устройств, включенных в локальную компьютерную сеть. К локальной компьютерной сети могут подключаться следующие устройства: ЭВМ (персональные компьюте-ры), терминалы, сетевые устройства внешней памяти, сетевые печа-тающие устройства, графопостроители, фотокопировальные устрой-ства, контрольное и управляющее оборудование, телефоны, телека-меры и мониторы, шлюзы и мосты, т.е. переходные устройства к дру-гим сетям.

Классификация локальных компьютерных сетей. Сети можно классифицировать по назначению.

1. Сети терминального обслуживания. В эти сети включаются ЭВМ и периферийное оборудование, используемое в монопольном режиме компьютером, к которому оно подключается.

2. Сети, на базе которых построены системы управления произ-водством и учрежденческой деятельностью. Они объединяются груп-пой стандартов MAP/TOP. В MAP описываются стандарты, исполь-зуемые в промышленности. ТОР описывают стандарты для сетей, применяемых в офисных сетях.

3. Сети, которые объединяют системы автоматизации проектирова-ния. Рабочие станции таких сетей базируются на достаточно мощных персональных ЭВМ, например, фирмы Sun Microsystems.

4. Сети, на базе которых построены распределенные вычисли-тельные системы.

По классификационному признаку структура сети локальные компьютерные сети делятся на кольцевые, шинные, звездообразные, древовидные. По признаку скорость - на низкоскоростные до 10 Мбит/с, среднескоростные до 100 Мбит/с, высокоскоростные выше 100 Мбит/с; по типу метода доступа - на случайные, пропорцио-нальные, гибридные; по типу физической среды передачи - на витую пару, коаксиальный и оптоволоконный кабель, инфракрасный канал, радиоканал.

Краткая историческая справка. Наибольшую известность в мире локальных сетей получили Arcnet, Ethernet и Token-Ring. Главное различие между ними заключается в методах доступа к каналам пе-редачи данных и скоростях передачи информации. На сегодняшний день широко распространяются и высокоскоростные технологии FDDI, Fast-Ethernet, ATM и Gigabit Ethernet. Среди перечисленных сетей ли-дирующее положение занимает Ethernet. Эта сеть работает со скоро-стью 10 Мбит/с, имеет низкую стоимость, она несложна в установке и эксплуатации, для нее разработан широкий спектр оборудования. Первоначальная версия Ethernet была разработана в середине 70-х годов XX в. фирмой «Xerox», ей и принадлежит это название. В нача-ле 80-х годов фирмы «Digital Equipment», «Intel» и «Xerox» совместно подготовили и опубликовали спецификации Ethernet (именуемые стандартом DIX по первым буквам названий фирм), в которых ис-пользовался метод доступа CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, что переводится как множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов). В соответствии с этими спецификациями многие фирмы начали производить сетевое оборудование, тем самым дав мощный импульс к внедрению локаль-ных сетей. Накопленный опыт в 1985 г. был обобщен в международ-ном стандарте IEEE 802.3 [13].

Метод CSMA/CD означает, что все станции имеют равные права на использование канала. Большую часть времени каждая станция находится в состоянии «прослушивания» канала, определяя, не ей ли предназначены передаваемые по нему данные. Когда какой-то станции надо самой передать сообщение, она делает это, убедив-шись, что канал никем не занят. Несколько станций могут начать передачу сообщений одновременно. Обнаружив такую ситуацию (конфликт), конфликтующие станции прекращают передачу и во-зобновляют ее через интервал времени, определяемый случайным образом.

Структуры сетей. Способ соединения компьютеров называется структурой, или топологией сети. Сети Ethernet могут иметь тополо-гию «шина» и «звезда» (рис. 13.6). В первом случае все компьютеры подключены к одному общему кабелю (шине), во втором имеется специальное центральное устройство (хаб), от которого идут «лучи» к каждому компьютеру, т.е. каждый компьютер подключен к своему кабелю.

Рис. 13.6. Структуры локальных компьютерных сетей

Структура типа «шина» проще и экономичнее, так как для нее не требуется дополнительное устройство и расходуется меньше кабеля. Но она очень чувствительна к неисправностям кабельной системы. Если кабель поврежден хотя бы в одном месте, то возникают про-блемы для всей сети. Место неисправности трудно обнаружить.

В этом смысле «звезда» более устойчива. Поврежденный кабель -проблема для одного конкретного компьютера, на работе сети в це-лом это не сказывается. Не требуется усилий по локализации неис-правности.

В сети, имеющей структуру типа «кольцо», информация передает-ся между станциями по кольцу (рис. 13.6) с переприемом в каждом сетевом контроллере. Переприем производится через буферные на-копители, выполняемые на базе оперативных запоминающих уст-ройств, поэтому при выходе из строя одного сетевого контроллера может нарушиться работа всего кольца.

Достоинство кольцевой структуры - простота реализации уст-ройств, а недостаток - низкая надежность.

Все рассмотренные структуры неиерархические. Однако благода-ря использованию мостов, специальных устройств, объединяющих локальные сети с разной структурой, из вышеперечисленных типов структур могут быть построены сети со сложной иерархической струк-турой. Последнее может быть продиктовано, например, целями мо-дернизации уже существующих сетей.

Методы доступа к среде передачи в локальных сетях. Ключе-вым звеном, определяющим производительность, надежность и эф-фективность применения пропускной способности физической среды передачи, является используемый в сети метод доступа. Среда пере-дачи - общий ресурс в локальной сети. Этот ресурс разделяется множеством сетевых объектов, подключенных к нему. Для корректно-го разделения решается задача множественного доступа.

Множественный доступ - это механизм разделения во времени общего канала между коллективом рабочих станций и серверов, включенных в компьютерную сеть.

Цель использования одного высокоскоростного канала - дости-жение высоких технико-экономических показателей сети при мини-мизации затрат на средства связи и обеспечение требуемых характеристик по производительности сети и задержке передачи информации в ней.

Основная проблема систем с множественным доступом - возникновение одновременной передачи от двух и более станций, такое яв-ление называется конфликтом. На сегодняшний день разработано множество алгоритмов, снижающих или вообще устраняющих воз-можность возникновения конфликтов в локальных сетях. Алгоритмы, защищающие пользователей при работе в сети от конфликтов, назы-ваются методами доступа.

Случайные методы доступа допускают возможность возникнове-ния конфликтов. Пропорциональные методы, в которых заранее за-ложен бесконфликтный алгоритм доступа станции в канал, не допус-кают конфликтов.

Достоинства бесконфликтных методов:

1) дают возможность гарантированной доставки сообщения в ус-ловиях высокой загрузки каналов;

2) время задержки передачи пакетов в таких сетях имеет верхний предел.

Гибридные методы являются комбинацией двух первых.

Физическая среда передачи в локальных сетях. Весьма важ-ный момент - учет факторов, влияющих на выбор физической среды передачи (кабельной системы). Среди них можно перечислить сле-дующие:

1) требуемая пропускная способность, скорость передачи в сети;

2) размеры сети;

3) требуемый набор служб (передача данных, речи, мультимедиа и т.д.), который необходимо организовать;

4) требования к уровню шумов и помехозащищенности;

5) общая стоимость проекта, включающая покупку оборудования, монтаж и последующую эксплуатацию.

Для сетей Ethernet с топологией «шина» используется коаксиальный кабель, а с топологией «звезда» - витая пара. По степени распространия сейчас лидирует Ethernet на коаксиальном кабеле, по темпам распространения впереди витая пара. Рассмотрим сначала Ethernet на ко-аксиальном кабеле, а потом на витой паре [7].

Основная характеристика коаксиального кабеля - величина волно-вого сопротивления. Для Ethernet применяют кабель с волновым со-противлением 50 Ом. Для его измерения предназначены специаль-ные сетевые тестеры.

Существуют два варианта реализации Ethernet на коаксиальном кабеле: так называемые тонкий и толстый Ethernet (точнее Ethernet на тонком кабеле - 0,2 дюйма и Ethernet на толстом кабеле - 0,4 дюйма).

Для тонкого Ethernet рекомендуется использовать кабель RG-58A/U (именно он имеет диаметр 0,2 дюйма). Вообще, выбор марки кабеля -очень ответственный момент. Для маленькой сети подойдет любой кабель с сопротивлением 50 Ом. Но с ростом сети и увеличением общей протяженности кабеля значительная часть проблем будет свя-зана именно с кабельной системой. Нельзя использовать в одном се-тевом сегменте кабели разных марок, несмотря на, казалось бы, оди-наковое волновое сопротивление.

Коаксиальный кабель прокладывается от компьютера к компьюте-ру. У каждого компьютера оставляют небольшой запас кабеля на слу-чай возможности его перемещения.

После присоединения всех отрезков кабеля с ВМС-коннекторами (Bayonet-Neill-Concelnan) к Т-коннекторам (название обусловлено формой разъема, похожей на букву «Т») получится единый кабель-ный сегмент. На его обоих концах устанавливаются терминаторы («заглушки»). Терминатор конструктивно представляет из себя BNC-коннектор (он также надевается на Т-коннектор) с впаянным сопро-тивлением. Значение этого сопротивления должно соответствовать значению волнового сопротивления кабеля, т.е. для Ethernet нужны терминаторы с сопротивлением 50 Ом.

Сеть на толстом коаксиальном кабеле (толстый Ethernet), имею-щем диаметр 0,4 дюйма и волновое сопротивление 50 Ом, по основ-ным показателям, например связанным с защитой от электромагнит-ного излучения, значительно превосходит сеть на тонком кабеле. Максимальная длина кабельного сегмента 500 м.

Прокладка самого кабеля почти одинакова для всех типов коакси-ального кабеля. Однако соединение кабеля с компьютером произво-дится по-разному.

Для подключения компьютеров к толстому кабелю используется дополнительное устройство, называемое трансивером. Трансивер подсоединен непосредственно к сетевому кабелю. От него к компью-теру идет специальный трансиверный кабель, максимальная длина

которого 50 м. На обоих его концах находятся 15-контактные DIX-разъемы (Digital Intel и Xerox). С помощью одного разъема осуществ-ляется подключения к трансиверу, с помощью другого - к сетевой плате компьютера.

Трансиверы освобождают от необходимости подводить кабель к каждому компьютеру. Расстояние от компьютера до сетевого кабеля определяется длиной трансиверного кабеля. Получается меньше не-нужных кабельных петель.

Создание сети при помощи трансивера очень удобно. Он может в любом месте в буквальном смысле «прокусить» кабель. Эта про-стая процедура занимает мало времени, а получаемое соединение оказывается очень надежным. Если компьютер переносят в другое помещение, кабель «прокусывается» трансивером в новом месте (прежний «прокус» надо замотать изоляционной лентой).

Кабель не режется на куски, его можно прокладывать, не заботясь о точном месторасположении компьютеров, а затем устанавливать трансиверы в нужных местах. Крепятся трансиверы, как правило, на стенах, что предусмотрено их конструкцией.

При необходимости охватить локальной сетью площадь большую, чем это позволяют рассматриваемые кабельные системы, применя-ются дополнительные устройства -- репитеры (повторители). Для Ethernet на тонком кабеле максимальная длина сегмента составляет 185 м. К сегменту должно быть подключено не более 30 компьютеров. Традиционно репитер имеет 2-портовое исполнение, т.е. он может объединять 2 сегмента по 185 м. Сегмент подключается к репитеру через Т-коннектор. К одному концу Т-коннектора подключается сег-мент, а на другом ставится терминатор. Репитер может находиться в любом месте сегмента, не обязательно в конце.

В сети может быть не больше четырех репитеров. Это позволяет получить сеть максимальной протяженностью 925 м.

Существуют репитеры с числом портов больше 2, например, 4-портовые. К одному такому репитеру можно подключить сразу че-тыре сегмента.

При использовании многопортовых репитеров общее их число в сети может быть больше четырех, но надо подключать их по такой схеме, чтобы между любыми двумя станциями не оказывалось более четырех репитеров (т.е. максимальное расстояние между любыми двумя станциями не превышало 925 м).

Длина сегмента для Ethernet на толстом кабеле составляет 500м, к одному сегменту можно подключать до 100 станций. При наличии трансиверных кабелей до 50 м длиной, толстый Ethernet может одним сегментом охватить значительно большую площадь, чем тонкий. Тем не менее необходимость в репитерах существует и здесь. Эти репитеры имеют DIX-разъемы и могут подключаться трансиверами как к концу сегмента, так и в любом другом месте. Правила использования репитеров на толстом кабеле аналогичны правилам для тонкого кабеля.

Очень удобны совмещенные репитеры, т.е. подходящие и для тон-кого, и для толстого кабеля. Каждый порт имеет пару разъемов: DIX и BNC, но они не могут быть задействованы одновременно. Если вы хотите объединять сегменты на разном кабеле, то тонкий сегмент подключается к BNC-разъему одного порта репитера, а толстый -к DIX-разъему другого порта.

Репитеры очень полезны, но злоупотреблять ими не стоит, так как они приводят к замедлению работы в сети.

Ethernet на витой паре. Как явствует из названия, витая пара - это два изолированных провода, скрученных между собой. Реальный ка-бель состоит, как правило, не из одной, а из нескольких витых пар. Для Ethernet используется 8-жильный кабель, т.е. состоящий физиче-ски из четырех витых пар. Для защиты от воздействия окружающей среды кабель имеет внешнее изолирующее покрытие. Кабель на ви-той паре считается дешевле коаксиального. Это справедливо для его наиболее распространенной разновидности: неэкранированной витой пары DTP (Unshielded Twisted Pair).

Основной узел на витой паре - hub (который в переводе называет-ся накопителем, концентратором или просто хаб). Каждый компьютер должен быть подключен к нему с помощью своего сегмента кабеля. Длина каждого сегмента не должна превышать 100 м. На концах ка-бельных сегментов устанавливаются разъемы RJ-45. Одним разъе-мом кабель подключается к хабу, другим - к сетевой плате. Разъемы RJ-45 очень компактны, имеют пластмассовый корпус и 8 миниатюр-ных контактных площадок.

Хаб - центральное устройство в сети на витой паре, от него зави-сит ее работоспособность. Он подключается к сети электропитания и должен находиться вблизи электрической розетки. Обычно он уста-навливается на столах, вешается на стену или монтируется в специ-альные стойки. Располагать его надо в легкодоступном месте, чтобы легко можно было отключать (подключать) кабель и следить за инди-кацией портов.

Хабы выпускаются на разное количество портов - как правило, 8, 12, 16 или 24. Соответственно к нему можно подключить такое же ко-личество компьютеров.

Хабы можно объединять, подключая их друг к другу через порт RJ-45 и получая сложные каскадные структуры. При этом надо при-держиваться некоторых правил: во-первых, не должно получаться закольцованных путей, во-вторых, между любыми 2 станциями всегда должно оказываться не более 4 хабов.

Многие хабы имеют дополнительные выходы для тонкого или тол-стого кабеля Ethernet (соответственно, BNC и DIX-разъемы). Это по-зволяет объединять сеть на витой паре с коаксиальными сегментами. Задействован на одном хабе должен быть только один из двух коак-сиальных разъемов (или BNC, или DIX).

Некоторые фирмы производят стековые хабы. Они могут объеди-няться в единое целое через специальные разъемы. С точки зрения станций, стек хабов - это один хаб с большим числом портов, что позволяет преодолевать ограничения на число хабов между стан-циями [7].

Сетевые контроллеры. Устройством, реализующим тот или иной метод доступа к среде передачи, является сетевой контроллер. Через него обеспечивается соединение компьютера с сетью. Конструктивно он представляет собой плату, устанавливаемую в один из свободных слотов системной платы. С обратной стороны контроллера находятся разъемы для подключения его к кабельной системе. На некоторых платах там же имеются индикаторы, т.е. разноцветные лампочки, по которым можно определить, что в данный момент происходит с платой контроллера.

Платы для Ethernet могут иметь три вида разъемов (портов): BNC, DIX (AU.I) и RJ-45. На одной плате может быть один, два или три раз-нотипных разъема, но при этом плата подключается только к одной кабельной системе, т.е. используется только один разъем. Наиболее универсальной является плата со всеми тремя типами разъемов.

Как и любые другие платы, сетевые платы бывают 8-, 16- и 32-разрядными и могут иметь исполнение для разных компьютерных ар-хитектур: ISA, EISA, PCI, MCA.

Большинство сетевых плат предусматривает использование мик-росхемы ПЗУ удаленной загрузки (Remote Boot ROM). Это нужно для бездисковых станций (не имеющих ни винчестера, ни дисководов для дискет). Загрузка операционной системы в память таких компьютеров происходит через сеть. Эта микросхема инициирует процесс загрузки.

Если плата универсальная, на ней задается тип кабельной систе-мы, т.е. то, какой разъем будет использоваться.

Некоторые платы с ВМС-разъемами имеют собственный термина-тор (On-board Terminator). Если компьютер будет стоять в конце ка-бельного сегмента, то подсоединять обычный терминатор к Т-кон-нектору не потребуется, но надо поставить соответствующий пере-ключатель в положение «разрешить использование встроенного тер-минатора».

Параметры сетевых плат устанавливаются с помощью специаль-ных перемычек (jumper) или с помощью специального программного обеспечения, поставляемого вместе с платой, - безджамперные (jumper-less) платы.

Рис. 13.7. Формат маркера:

SD - начальный разделитель; АС - контроль доступа; ED - конце­вой разделитель

Наряду с платами существуют два других вида сетевых контрол-леров: PCMCIA-карты -для подключения к сети портативных компью-теров и Pocket-адаптеры - для подключения к параллельному порту. Pocket-адаптер может применяться и для настольных компьютеров, если требуется кабельное подключение к сети без вскрытия корпуса. Настройка этих адаптеров идет с помощью специального программ-ного обеспечения. Вместе с ними поставляются драйверы для раз-личных сетевых операционных систем.

У Pocket-адаптеров обычно бывают один или два сетевых разъема (в этом случае это ВМС и RJ-45, для DIX-разъема физически не оста-ется места). PCIMCIA-карты вообще не имеют сетевого разъема. К ним подключается специальное переходное устройство [7].

Технологии локальных вычислительных сетей. Приведенные в качестве примеров стандарты для локальных сетей в п. 13.3 и рас-смотренная в данном параграфе технология сетей Ethernet являются довольно распространенными, но далеко не единственными.

Технология Token Ring. Популярностью пользуются технологии с кольцевыми структурами сетей. Прежде всего это сети с методом доступа Token Ring (маркерное кольцо) [24]. Кроме кольцевых сетей маркерный метод доступа используется в сетях с топологией типа шина Token bus (маркерная шина) [25].

В сетях, соответствующих стандарту IEEE-802.5 циркулирует слу-жебный пакет - маркер длиной 3 байта (рис. 13.7.) Пакет имеет на-чальный и конечный разделители и байт «контроль доступа». По-следний служит для оповещения станций локальной сети о возможности сформировать пакет данных и передать его смежной по кольцу станции.

Рис. 13.8. Формат пакета «данные» в сети Token Ring:

FC - контроль пакета, определяет тип пакета и контрольный код подуровня доступа к среде передачи; DA - адрес назначения; SA -адрес источника; DATA - собственные данные; FSC - остаток от деления на полином циклического кода 32 степени; FS - статус па-кета; SFS - стартовая последовательность пакета; EFS - признак конца пакета; SD - начальный; ED - концевой разделитель

Рис. 13.9. Формат маркера FDDI

Если у станции есть потребность передать информацию, то она, получив маркер, преобразует его в пакет данных (рис. 13.8), имеющий в заголовке поле контроля доступа, аналогичное по назна-чению полю маркера, и передает следующей в кольце станции. В по-ле контроля доступа имеется бит, определяющий признак занятости.

Пакет распространяется по сети от адаптера к адаптеру, пока не найдет своего адресата, который установит в нем определенные биты для подтверждения того, что данные достигли адресата, и ретранс-лирует его вновь в кольцо. Пакет продолжит перемещение по кольцу до передавшей его станции. В ней производится проверка правиль-ной доставки пакета адресату, уничтожается прошедший по кольцу информационный пакет и порождается новый свободный маркер.

Технология FDDI (CDDI). Оптоволоконный интерфейс распреде-ления данных (FDDI - Fiber Distributed Data Interface, CDDI - Coaxial Distributed Data Interface) разработан в институте ANSI. Этот протокол во многом соответствует стандарту IEEE - 802.5 - Token Ring. В нем используется два типа пакетов «маркер FDDI» (рис. 13.9) и пакет «данные FDDI» (рис. 13.10).

Преамбула используется для синхронизации. Начальный раздели-тель идентифицирует начало пакета. Поле «контроль пакета» опре-деляет класс пакета, длину адреса пакета, принадлежность пакета подуровню MAC или LLC. Поле «статус пакета» имеет произвольную длину и содержит биты «обнаружена ошибка», «адрес опознан», «данные скопированы».

В FDDI маркер передается непосредственно после передачи пакета, не используются приоритеты и резервирование ресурсов системы и вводится понятие асинхронной и синхронной станции с определенными требованиями на интервалы времени между передачами в сети [8].

Рис. 13.10. Формат пакета данные FDDI:

Длина каждого поля в байтах. INFO - поле информации (ограничено общей возможной длиной кадра 4500 байт)

Основное отличие FDDI от Token Ring - использование волоконно-оптического кабеля, позволяющего поднять скорость передачи до 100 Мбит/с и использование двойного кольца, позволяющего повысить живучесть сети.

Стандарт Fast Ethernet IEEE 802.3U. В июне 1995 г. после двух лет разработки технология Fast Ethernet была стандартизиро-вана комитетом IEEE 802.3 (тем же комитетом в свое время был принят стандарт на классическую 10 Мбит/с Ethernet). Новый стан-дарт получил название IEEE 802.3U. Скорость передачи информа-ции 100 Мбит/с.

Топология сети. Для успешного применения технологии Fast Ethernet необходимо хорошо понимать все ограничения в тополо-гии и размерах сети, которые довольно необычны для специали-стов, привыкших к классическому Ethernet. Пожалуй, единственное, что осталось от старых правил, - это максимальное (при использо-вании UTP-неэкранированной витой пары) расстояние между кон-центратором и станцией, равное 100 м. Все остальное полностью изменилось.

Вводится понятие домена конфликтов, включающего в себя се-тевые устройства и часть кабельной системы, ограниченной мостами, маршрутизаторами или коммутаторами. Устройства из одного домена могут порождать конфликты при обмене данными, а устройства из разных доменов - нет. В классическом Ethernet все устройства, под-ключенные, например, к иерархической структуре концентраторов, образовывали один-единственный домен конфликтов.

В сети с Fast Ethernet организуются несколько доменов конфлик-тов, но с обязательным учетом класса повторителя используемого в доменах.

Рис. 13.11. Структура сети на повторителях класса II с использованием витой пары

Рис. 13.12. Структура сети на повторителях класса Г с использованием витой пары

В зависимости от времени задержки повторители Fast Ethernet де-лятся на два класса: I и II. Повторители описываются в стандарте IEEE 802.3D. Прозрачные повторители (transparent repeaters) исполь-зуют лишь одну среду передачи данных, вследствие чего время за-держек мало и эти повторители всегда соответствуют классу II. Пре-образующие повторители (translational repeaters) могут работать с не-сколькими средами передачи данных и поэтому производят дополни-тельное преобразование данных; время задержек возрастает, и удов-летворяются лишь требования к повторителям класса I.

В Fast Ethernet внутри одного домена конфликтов могут находить-ся не более двух повторителей класса II (рис. 13.11) или не более од-ного повторителя класса I (рис. 13.12). В противном случае общая задержка превысит допустимый порог, поэтому станции на разных концах домена не смогут корректно разрешать возникновение конфликтов.

Таблица 13.3. Зависимость максимального диаметра сети Fast Ethernet (домена конфликтов) от используемого оборудования, м

* Соединение двух активных устройств, например станции и коммутатора

или двух коммутаторов.

** В скобках указаны рекомендуемые максимальные расстояния от станции до

повторителя и между повторителями (для повторителей класса II).

*** ВОК - волоконно-оптический кабель.

Основные варианты построения сети и ее размеры указаны в табл. 13.3 [26].

Технология Gigabit Ethernet. Следующий шаг в развитии техно-логии Ethernet - разработка проекта стандарта IEEE-802.3z. Данный стандарт предусматривает скорость обмена информацией между станциями локальной сети 1 Гбит/с. Предполагается, что устройства Gigabit Ethernet будут объединять сегменты сетей с Fast Ethernet со скоростями 100 Мбит/с. Разрабатываются сетевые карты со скоро-стью 1 Гбит/с, а также серия сетевых устройств, таких как коммутато-ры и маршрутизаторы.

В сети с Gigabit Ethernet будет использоваться управление трафи-ком, контроль перегрузок и обеспечение качества обслуживания (qual-ity-of-service - QoS) [27]. Стандарт Gigabit Ethernet - один из серьез-ных соперников развивающейся сегодня технологии ATM [28].

Технология ATM. Сеть ATM имеет звездообразную топологию. Типичная сеть ATM строится на основе одного или нескольких комму-таторов, являющихся неотъемлемой частью данной коммуникацион-ной структуры. Простейший пример такой сети - один коммутатор, обеспечивающий коммутацию пакетов данных, и несколько оконечных устройств, которые одновременно могут выполнять функции как при-емников, так и передатчиков информации. Каждое оконечное устрой-ство имеет свой собственный выделенный физический канал в ком-мутаторе, что обеспечивает возможность обмена информацией меж-ду устройствами с использованием полной ширины полосы конкрет-ного канала.

Реализация таких важных принципов как однородность среды се-тевого взаимодействия и прозрачность для пользовательских прило-жений позволяет строить ATM-сети с использованием одних только коммутаторов, исключая мосты и маршрутизаторы. Маршрутизация пакетов осуществляется внутри коммутаторов со скоростью 155 Мбит/с на порт. Такая скорость гарантируется для всех устройств, подключенных к коммутатору.

Ячейки ATM. ATM - это метод передачи информации между уст-ройствами в сети маленькими пакетами фиксированной длины, на-званными ячейками (cells). Фиксация размеров ячейки имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с пакетами переменной длины. Во-первых, ячейки фиксированной длины требуют мини-мальной обработки при операциях маршрутизации в коммутаторах. Это позволяет максимально упростить схемные решения коммута-торов при высоких скоростях коммутации. Во-вторых, все виды об-работки ячеек по сравнению с обработкой пакетов переменной дли-ны значительно проще, так как отпадает необходимость в вычисле-нии длины ячейки. И наконец, в-третьих, в случае применения паке-тов переменной длины передача длинного пакета данных могла бы вызвать задержку выдачи в линию пакетов с речью или видео, что привело бы к их искажению.

Выбор длины ячейки определялся исходя из допуска на задержку распространения через сеть речевых сигналов. Ячейки большой дли-ны лучше используют полосу пропускания канала связи, так как при этом в сеть передается меньше заголовков ячеек. Однако длинные пакеты дольше копятся на входе в сеть. С учетом возможной мигра-ции пакетов между сетями ATM и с учетом рекомендаций расчетный размер содержательной части ячейки оказался в диапазоне от 32 до 64 байт. Представители США в МСЭ-Т отстаивали длину 64 байта, а представители Европы - 32 байта.

Рис. 13.13. Сопоставление архитектуры протоколов ATM с моделью ISO

Сошлись на «золотой середине» - 48 байт. С учетом пяти байт заголовка полная длина ячейки соста-вила 53 байта.

Архитектура протоколов в ATM-сетях. Модель ATM имеет че-тырехуровневую структуру. Обычно различают следующие уровни: пользовательский (User Layer) - включает уровни начиная с сетевого и выше (IPX/SPX или TCP/IP), адаптации (ATM Adaptation Layer -AAL), ATM (ATM Layer) и физический (Physical Layer) (см. рис. 13.13).

Пользовательский уровень обеспечивает создание сообщения, ко-торое должно быть передано в сеть ATM и соответствующим образом преобразовано.

Уровень адаптации (AAL) обеспечивает доступ пользовательских приложений к коммутирующим устройствам ATM, так как многие при-ложения не имеют прямого доступа к сервису ATM. Данный уровень формирует стандартные ATM-ячейки и передает их на уровень ATM для последующей обработки. Уровень адаптации в свою очередь со-стоит из двух подуровней: преобразования, обеспечивающего син-хронизацию для различных классов обслуживания и подготовку паке-тов для сегментации, и разборки-сборки пакетов большой длины, где происходит разбиение больших пакетов на стандартные 48-байтные ячейки ATM (без учета пяти байт заголовка). Последний подуровень гарантирует, что ни один пакет нестандартной длины не будет от-правлен на уровень ATM.

Уровень ATM занимается обменом с физическим уровнем и отве-чает за создание ячеек ATM. Он принимает 48-байтные пакеты, сформированные на уровне адаптации, добавляет к ним пятибайтный заголовок и передает их в сеть. На этом уровне устанавливаются со-единения, и происходит мультиплексирование ячеек от разных поль зовательских приложений в один выходной порт, а также их демуль-типлексирование из входного порта в различные приложения или дру-гие порты.

Физический уровень обеспечивает передачу ячеек через разнооб-разные коммуникационные среды. Данный уровень состоит из двух подуровней - подуровня преобразования передачи, реализующего различные протоколы передачи по физическим линиям, и подуровня адаптации к среде передачи [29].

На рис. 13.13 приведена схема прохождения информации с выс-ших уровней через ATM-модель в сопоставлении моделью ISO (пока-зано предварительно установленное соединение):

1) пользовательские данные - это блок размером 1024 байта;

2) к пользовательским данным прибавляются TCP/IP-заголовки, что увеличивает размер пакета до 1072 байт;

3) затем IP-пакет переходит на уровень адаптации ATM (AAL). Под-уровень преобразования готовит IP-пакет к сегментации, добавляя контрольную информацию как в заголовок, так и в конец пакета;

4) затем подуровень сборки-разборки пакетов сегментирует пакет на блоки данных (ячейки) по 48 байт;

5) уровень ATM добавляет заголовок для создания 53-байтной ячейки;

6) после уровня ATM ячейка переходит на физический уровень, со-стоящий из подуровня преобразования и подуровня адаптации к среде передачи.

Многими комитетами по стандартизации в качестве физического уровня модели ATM рассматривается спецификация SONET (Synchronous Optical Network) - международный стандарт на высокоскоро-стную передачу данных. Европейское сообщество называет всю ие-рархию скоростей, известную как SONET, синхронной цифровой ие-рархией (SDH - Synchronous Digital Hierarchy).

ATM-устройства. Оконечные устройства ATM-сети подключаются к коммутаторам через интерфейс, называемый UNI (User to Network Interface), - интерфейс пользователя с сетью. UNI может быть интер-фейсом между рабочей станцией, ПК, АТС, маршрутизатором или каким угодно «черным ящиком» и ATM-коммутатором. К примеру, ра-бочая станция, подключенная прямо к сети ATM, - это место, где оканчивается и начинается ATM-сеть. Другими словами, станция имеет сетевой ATM-адаптер, подключенный к коммутатору. Эта рабочая станция является конечной точкой и включает в себя уровни AAL, ATM и физический.

Рис. 13.14. Сетевые интерфейсы ATM

Каждая ATM-сеть может иметь больше одного коммутатора. Коммутаторы соединяются между собой, образуя тем самым сколь угодно разнообразную конфигурацию. Интерфейс между ATM-коммутаторами называется NNI (Network to Network Interface) -интерфейс между сетями (рис. 13.14) [30].

Принцип виртуальных соединений. Технология ATM - это транс-портный механизм, ориентированный на установление соединений для передачи разнообразной информации. Одно из основных отличий ATM от традиционных ЛВС-технологий состоит в том, что в ATM раз-работана концепция виртуальных соединений (virtual connection) вме-сто выделенных физических связей между конечными точками сети. Виртуальное соединение - это сконфигурированная определенным образом среда между двумя или более конечными устройствами для передачи информации.

ATM использует принцип виртуальных соединений между конеч-ными точками сети. Различают два вида соединений: PVC (Permanent Virtual Circuit) - постоянный виртуальный канал и SVC (Switched Vir-tual Circuit) - коммутируемый виртуальный канал. PVC представляет собой соединение между конечными точками, которое существует постоянно и может устанавливаться или разрываться оператором се-ти вручную. SVC - это тоже соединение между конечными точками, но устанавливаемое или закрываемое динамически специальными процедурами в ATM-устройствах, участвующих в соединении. Комму-тируемые виртуальные соединения динамически устанавливаются и разрываются по требованию программного обеспечения, ATM-устройств или по другим причинам без вмешательства оператора ATM-сети. Концепции ATM одинаково применимы как к SVC, так и к PVC. Процессы формирования ячеек ATM и их передачи не различа-ются для обоих видов соединений. Единственное их отличие состоит в способах установления соединения. ATM использует принципы вир-туальных путей (Virtual Path - VP) и виртуальных каналов (Virtual Channel - VC) между конечными точками сети. Они необходимы для одновременной связи одного ATM-устройства с несколькими другими устройствами. Виртуальные пути (ВП) и каналы (ВК) используются для идентификации отдельных виртуальных соединений в ATM-сети. Виртуальные пути нужны для объединения нескольких виртуальных каналов по определенному признаку.

Естественно, виртуальные пути и каналы не существуют парал-лельно. Все ячейки информации передаются последовательно, а ин-формация об их принадлежности к тому или иному пути и каналу на-ходится в заголовке ячейки.

Каждое соединение в физическом канале имеет уникальные иден-тификаторы виртуального пути (VPI) и виртуального канала (VCI). Комбинация VPI/VCI нужна для идентификации различных соедине-ний внутри ATM-сети.

Один виртуальный путь может содержать до 65536 виртуальных каналов, любое оконечное ATM-устройство - до 256 виртуальных путей. Таким образом, оконечное ATM-устройство способно поддер-живать одновременно до 16 777 216 соединений через один UNI-интерфейс.

ATM работает примерно по тому же принципу, что и обычная те-лефонная сеть или сеть с коммутацией пакетов при установлении виртуальных соединений. В ATM перед передачей каких-либо сооб-щений передающий узел проверяет доступность узла назначения, и лишь при получении подтверждения доступности между ними ус-танавливается соединение. После установления соединения конеч-ные ATM-устройства могут передавать друг другу любую информа-цию, будь то цифровые данные, речь или видео.

В ATM-сетях каждое оконечное устройство перед началом сеанса связи должно пройти регистрацию в сети для получения адреса и со-общения, что оно включилось в сеть. После этого сеть будет «знать» местоположение этого устройства и путь, по которому следует пере-давать сообщение.

В отличие от ATM обычные технологии локальных вычислитель-ных сетей не проверяют доступность устройства назначения и не ус-танавливают предварительного соединения между конечными узлами сети. Если принцип работы ATM аналогичен принципу действия те-лефонной сети, то функционирование локальной сети можно уподо-бить работе почтового отделения. «Пакет» с сообщением отправля-ется по указанному на нем адресу, однако, поскольку предваритель-ной связи между отправителем и адресатом установлено не было, существует значительная вероятность того, что адресат сообщение не получит. В конце концов, адресат вообще может отсутствовать по указанному адресу.

ATM застрахована от подобного риска. Установление предвари-тельного соединения между узлами сети гарантирует не только пере-дачу, но и прием сообщения адресатом. Без установления соедине-ния сообщение просто не будет отправлено.