Глава 5. Локальні мережі
В цьому розділі описана технологія Ethernet - найпоширеніша технологія сучасних локальних мереж.
Класифікація та характеристики локальних мереж
Локальні обчислювальні мережі (ЛОМ, LAN) - це розподілені обчислювальні системи, що поєднують комп'ютери, що знаходяться в межах одного або декількох будівель. Вузли локальної мережі знаходяться, як правило, в межах 3 км.
Локальні мережі класифікуються, насамперед, по протоколам 1 і 2 рівнів OSI, тобто, за технологією використовуваного мережевого обладнання: Ethernet, Token Ring, FDDI, AppleTalk.
За масштабами і ієрархії побудови розрізняють:
1. а) мережі робочих груп (5-20 станцій);
2. б) мережі відділів (20-100 станцій);
3. в) мережі підприємств (корпоративні мережі).
Останні часто мають розгорнуту структуру мережевих служб і по географії іноді виходять за рамки локальних мереж, утворюючи кампусні мережі, мережі з віддаленим доступом, а також мережі інших масштабів, аж до корпоративних приватних глобальних мереж. Кількість станцій в корпоративних мережах варіюється в широких межах: від 20 комп'ютерів до десятків тисяч.
Однією з головних характеристик локальних мереж, як і інших видів комп'ютерних мереж, є їх пропускні спроможності, діапазони яких наведені в таблиці 8 вище.
Основи технології Ethernet. Фізична і логічна топології
Для розуміння принципів Ethernet необхідне загальне уявлення про принципи роботи комп'ютерних мереж і розбиття завдання мережевий зв'язку на рівні, викладених вище.
Ethernet в перекладі з англійської означає «Ефірна мережу». Попередницею цієї технології була система радіозв'язку для розкиданих по Гавайських архіпелагу станцій під назвою ALOHA. Грунтуючись на принципах, закладених в ALOHA, компанія Xerox побудувала свою власну кабельну мережу з пропускною здатністю 2,94 Мбіт / с для зв'язку максимум 100 комп'ютерів. Проект виявився настільки успішним, що Xerox спільно з DEC і Intel розробила потім специфікацію для Ethernet на 10 Мбіт / с. Пізніше ця специфікація лягла в основу міжнародного стандарту IEEE 802.3.
В даний час термін Ethernet використовується для опису всіх локальних мереж, що використовують метод колективного доступу до середовища передачі даних з упізнанням несучої і виявленням колізій. Перед тим, як описати цей метод, введемо поняття логічної топології мережі.
Фізична топологія мережі - це реальне з'єднання її вузлів і ліній зв'язку. Фізична топологія може відрізнятися від логічної. Пояснимо різницю.
Перші мережі Ethernet будували на основі коаксіального кабелю і мали фізичну топологію «шина» (рис. 10, б). Сучасні локальні мережі Ethernet і Fast Ethernet будуються на основі кручений пари і концентраторів (комутаторів) по фізичним топологиям «зірка» (рис. 10, в) і «дерево» (рис. 10, г). Залишилася також зворотна сумісність з мережами Ethernet на коаксіалі, такі змішані мережі будуються по комбінованої топології (рис. 10, е).
Логічна топологія - це схема з'єднання, пов'язана з методом доступу до передавальної середовищі. По-кільки при технології Ethernet все комп'ютери локальної мережі мають можливість одночасного доступу до передавальної середовищі, логічна топологія є «шиною». Незважаючи на зміну фізичної топології в Fast Ethernet, при цьому не змінився метод доступу до середовища, отже, логічна топологія також не змінилася.
Для більш глибокого розуміння сенсу логічної топології наведемо характерний приклад з технології Token Ring. Тут навпаки, використовується логічна топологія «кільце», при якій станції мережі мають строго послідовний доступ до передавальної середовищі, незалежно від фізичної топології мережі, яка може бути як кільцем (рис. 10, д), так і шиною (рис. 10, б ).
Метод колективного доступу з упізнанням несучої і виявленням колізій
У Ethernet все комп'ютери мережі мають можливість одночасно отримувати дані, які будь-який з комп'ютерів почав передавати на загальну шину. Кабель, до якого підключені всі комп'ютери, працює в режимі колективного доступу. У конкретний момент часу передавати дані на загальну шину може тільки один комп'ютер в мережі. При цьому всі комп'ютери мережі мають рівні права доступу до середовища. Щоб упорядкувати доступ комп'ютерів до загальної шині, використовується метод колективного доступу з упізнанням несучої і виявленням колізій (CSMA / CD). Наведемо цей метод.
Перша частина даного методу описує принцип колективного доступу до середовища передачі даних.
Коли будь-яка станція А в Ethernet хоче передати кадр станції Б, вона намагається спочатку визначити, що ніяка інша станція в цей час нічого не передає. У стандарті Ethernet ознакою вільної лінії є «тиша», тобто напруга 0 В. В стандарті Fast Ethernet ознакою вільного стану середовища є не відсутність сигналів на шині, а передача по ній спеціального Idle-символу. Якщо робоча станція виявляє має сигнал, то для неї це є ознакою зайнятості шини та передача даних відкладається, тобто станція переходить в режим очікування.
У разі якщо кабель вільний, станція починає передачу негайно. Після закінчення передачі кадру всі вузли мережі зобов'язані витримати паузу, звану міжкадрових інтервалом (Inter Packet Gap, IPG). Ця пауза необхідна для приведення мережних адаптерів в початковий стан і для забезпечення рівних прав всіх станціях на передачу даних, тобто для запобігання монопольного захоплення однією станцією загальної шини. Після закінчення паузи станції мережі визначають середу як вільну і можуть знову почати передачу даних.
Тривалість межкадрового інтервалу для 10-мегабітного Ethernet становить 9,6 мкс, а для 100-мегабітного Fast Ethernet - в 10 разів менше, тобто 0,96 мкс. Міжкадровий інтервал дорівнює часу, необхідному для передачі 12 байт або 96 біт. Якщо визначити в якості одиниці вимірювання тимчасового інтервалу час, необхідне для передачі одного біта - бітовий інтервал (bt), то міжкадровий інтервал дорівнює 96 bt. Такий спосіб визначення тимчасових інтервалів не залежить від швидкості передачі даних і часто використовується в стандарті Ethernet.
Друга частина методу описує спосіб вирішення конфліктів, що виникають в розділяється середовищі пере-дачі. Якщо дві станції починають передачу одночасно, то відбувається конфлікт (колізія). Всі вузли мережі повинні бути здатні розпізнати виникає колізію. Чітке розпізнавання колізій усіма станціями мережі є необхідною умовою коректної роботи мережі Ethernet. Якщо яка-небудь передавальна станція не розпізнає колізію і вирішить, що кадр даних переданий нею вірно, то цей кадр буде втрачено. Через накладення сигналів при колізії інформація кадру спотвориться, і він буде відбракований приймаючої станцією через розбіжність контрольної суми.
Спотворена інформація буде повторно передана яким-небудь протоколом верхнього рівня, наприклад транспортним або прикладним, працюючим із установленням з'єднання. Але повторна передача повідомлення протоколами верхніх рівнів відбудеться через значно більш тривалий інтервал часу в порівнянні з мікросекундними інтервалами, якими оперує протокол Ethernet. Тому якщо колізії НЕ будуть надійно розпізнаватися вузлами мережі Ethernet, то це призведе до помітного зниження корисної пропускної здатності даної мережі.
Для того щоб мати можливість розпізнати колізію, кожна станція прослуховує мережу під час і після передачі кадру. Виявлення колізії засноване на порівнянні посилається станцією сигналу і реєстрованого сигналу. Якщо реєстрований сигнал відрізняється від переданого, то станція визначає цю ситуацію як колізію.
Нехай перша станція, вирішивши, що шина вільна, починає передачу кадру. До найвіддаленішої від неї другий станції цей кадр дійде не миттєво, а через деякий проміжок часу t. Якщо трохи раніше друга станція, також вирішить, що шина вільна, і починає передачу свого кадру, то виникає колізія. Спотворена інформація дійде назад до першої станції також через час t. Тому колізія буде виявлена першою станцією через час 2t після початку передачі нею кадру.
Дана характеристика - час вирішення конфлікту (час подвійного обороту) - має величезне значення для ефективності протоколу, зокрема багато в чому саме вона визначає обмеження на максимальний діаметр мережі Ethernet і кількість концентраторів на шляху поширення сигналу.
Виявлення колізії має відбутися до закінчення передачі кадру. Звідси виходить просте соот-носіння між часом, необхідним для передачі кадру мінімальної довжини Tmin і затримкою сигналу при розповсюдженні в мережі:
Tmin ≥ 2 t, де t - час поширення сигналу по мережі Ethernet. (1)
Після виникнення колізії станція, її виявила, робить паузу, після якої робить наступну спробу передати кадр. пауза # 916; t після колізії є випадкової і вибирається за наступним правилом:
1. # 932; - інтервал відстрочки дорівнює 512 bt, що при швидкості 100 Мбіт / с складе 5,12 мкс.
2. L - ціле випадкове число, вибране з діапазону [0; N²].
3. N - номер повторної спроби передачі даного кадру.
Після першої спроби пауза може або відсутні, або складати один або два інтервали відстрочки. Після другої спроби пауза може або бути відсутнім, або бути рівною одному, двох, трьох або чотирьох інтервалах відстрочки і т.д. Після 10-ї спроби інтервал, з якого вибирається пауза, не збільшується. Таким чином, після десятої спроби передачі кадру випадкова пауза може приймати значення від 0 до 1024 * 512 bt = 524288 bt. Для Ethernet і Fast Ethernet це відповідає тимчасовому діапазону від 0 до 52,4 мс і 5,24 мс відповідно.
Передавач робить всього 16 послідовних спроб передачі кадру. Після 16 конфліктів контролер відмовляється від подальших спроб передати кадр і повідомляє про це комп'ютеру. Всі подальші дії щодо виправлення ситуації повинні здійснюватися високорівневими протоколами.
Такий алгоритм дозволяє вирішити колізії, коли конфліктуючих станцій трохи, а також ліквідує-ровать їх за прийнятний час, коли безліч станцій намагається передавати одночасно.