станциями. Установка выделенных линий между всеми возможными партнерами только невыполнима, но и обошлась бы слишком дорого из-за расходов на кабел

ь и Коммуникационное оборудование.

Локальные вычислительные сети (ЛВС, Local Area Network - LAN) используюг.! для объединения нескольких узлов таким образом, что каждый из них может общаться с любым другим. ЛВС обычно строится на базе кабельных соединений - витая пара, коаксиальный или оптоволоконный кабель. Расстояние между наиболее удаленными узлами составляет от нескольких десятков метров до нескольких километров, а скорость передачи может достигать 1 Гбит/с.

Наиболее подробная документация и спецификация для ЛВС была разработана в Institute оf Electrical and Electronics Engineers (IEEE, Институт инженеров no электротехнике и радиоэлектронике). IEEE опубликовал комплект документов - стандарт IEEE 802, описывающий как общие принципы, так и частные типы ЛВС. Спецификации IEEE 802 были одобрены ISO, которая опубликовала их как стандарт ISO 8802. Стандарты ЛВС подвергаются периодическому пересмотру, но их основные положения остаются неизменными.

Локальные сети прошли тот же путь развития, что и другие элементы техники связи и автоматизации. Вначале предполагалось, что будет принят единственный общий стандарт ЛВС для офисных и промышленных приложений и все будут ему следовать. Когда пришло время принимать окончательное решение по этому вопросу, выяснилось, что есть три конкурирующие - и взаимно несовместимые - техно.то-гии, за каждой из которых стоит мощная компания. Комитет, которому была поручена разработка стандарта, не смог прийти к единому мнению, и в конце концов было решено, что три различных стандарта лучше, чем отсутствие стандарта вообще. В результате появились стандарты CSMк/CD {Ethernet), маркерной шины {Token Bus) и маркерного кольца {Token Ring). Они представляют собой части спецификации IEEE 802. С другой стороны, эти спецификации нацелены на возможно более полную унификацию, например в формате адреса и структуре пакетов.

9.5.2. Сетевые топологии

В локальных сетях используется несколько различных топологий (геометрических конфигураций). Любая пара станций может быть соединена либо непосредственно, либо через другие станции, которые ретранслируют данные получателю. Топологи сети зависит от нескольких факторов - типа трафика, расстояния между станциям, характера помех, которые могут влиять на данные в канале, требуемых скорости, пр пускной способности и надежности передачи данных.

Простейшую классификацию сетевых топологий можно построить исходя

из чис-

приемников, непосредственно соединенных с одним передатчиком и получаюшн- одновременно одно и то же сообщение. В двухточечных конфигурациях существует только один канал между приемником и передатчиком. Поэтому приемник долЖ?" обрабатывать каждое поступающее сообщение, поскольку оно явно предназначено для него. В широковещательных топологиях общий тракт передачи соединяет несколько станций - многоабонентское или шинное соединение. В этом случае в станции принимают переданное сообщение одновременно и каждая должна его Л" дировать для того, чтобы определить, предназначено оно ей или нет. МногоабонеН ские соединения требуют специального оборудования и программных средств Д-*" ра.эделения ресурсов канала.

кольцо

смешанная

древовидная/ 1 иерархическая

g D й

о й й

ячеистая

Ф й й i

Рис. 9.18. Сетевые топологии

Наиболее важные сетевые топологии показаны на рис. 9.18. Ниже перечислены "Основные характеристики.

Щина {bus) - станции разделяют общий физический тракт передачи; широкове-Ч(зтельная топология.

Звезда {star) - центральный узел (концентратор) соединен непосредственно с каж-

biM узлом по двухточечному принципу. Кольцо {ring) - каждая станция соединена с двумя другими, а вместе они образу-

т кольцо. Сообщение от любой станции может достичь пункта назначения дву- "я различными путями.

древовидная/иерархическая {tree/hierarchical) - отдельные станции/концентра-°Ры соединены каскадно с другими концентраторами или оконечными станциями, сообщения от источника к пункту назначения проходят по иерархическому пути.

Ячеистая технология {mesh) - между каждой парой узлов установлено соединение "точка-точка". Сообщения могут передаваться по множеству различных путей.

ещанная {mixed) - одновременное использование нескольких топологий.

При выборе топологии сети следует отдавать предпочтение той, которая ran тирует эффективную передачу данных от отправителя к получателю и преду ривает избыточные пути в случае повреждения основного. Для этого примени процедура анализа состояния сети в случае разрыва в одной точке (singk-pg failure). В предположении, что в каждый момент времени один и только одщ компонентов сети не функционирует, анализируется наличие обходных путей пропускная способность, а также определяются узлы, доступ к которым невозмо жен. Такой анализ выполняется для каждого из компонентов сети (узлов и соеди нений между ними). В этом отношении звездная топология наиболее уязвима так как при выходе из строя центрального узла сеть разрушается полностью. Наименее чувствительна к повреждениям кольцевая схема, поскольку трафик можно направить в противоположную сторону. Аналогично, повреждение станции окажет влияние только на ее трафик и не затронет остальные, при этом возможно снижение пропускной способности.

Для улучшения характеристик крупные сети делятся на фрагменты. В системах с большим количеством устройств можно организовать небо.дьшие группы, члены которых в основном взаимодействуют друг с другом. Эти группы объединяются между собой с помощью специальных устройств - мостов и маршрутизаторов (раздел 9.5.8).

9.5.3. Управление доступом к среде

Стандарты серии IEEE 802 соответствуют 1-му и 2-му уровням модели ВОС. В стандарте IEEE 802.2 уровень 2 разделен на два подуровня - управление доступом к среде (Medium Access Control- MAC) и управление логическим звеном (LogicalLink Control - LLC) (рис. 9.19). Подуровень MAC отвечает за координацию доступа к каналу, т. е. за совместное использование канала, поэтому протоколы, применяемые на этом подуровне, называются методами доступа. Подуровень LLC отвечает за синхронизацию, управление потоком, обнаружение и коррекцию ошибок. Он становится активным лишь после того, как был открыт доступ к коммуникационной среде под управлением подуровня MAC. Подуровень LLC обеспечивает согласованный интерфейс с вышележащими уровнями независимо от подуровня MAC и, следовательно, независимо от используемого метода доступа - Ethernet, Token Bus, EDDI или ДРУ" гого.

Поскольку канал соединяет несколько станций, необходим механизм адресации для однозначной идентификации отправителя и получателя сообщения. Этот меха низм определяется подуровнем MAC стандарта IEEE 802.2.

Каждая станция на подуровне MAC идентификацируется аппаратным (физичес ким) адресом своего сетевого интерфейса, который либо "зашит" производителе интерфейсной карты, либо установливается с помощью переключателей. Уника.т ность адреса в первом случае гарантирована соглашением о распределении диапазо нов адресов между производителями, а во втором случае за это отвечает пользова тель. Длина адреса зависит от метода доступа и составляет от 16 до 48 бит.

Как правило, интерфейс принимает и обрабатывает лишь те пакеты, адрес полУ чателя в которых совпадает с его собственным индивидуальным (unicast) адресо Существуют также групповые и широковещательные адреса. В широковещательно (broadcast) адресе все биты установлены в " 1". Как следует из названия, широковей

,зное сообщение будет принято всеми узлами. Групповые адреса (multicast) отно-1бонентам, имеющим какой-нибудь общий признак в структуре адреса. Интерфейс должен быть сконфигурирован для идентификации узла как члена группы

теЛ сятся

верхние уровни

уровень 3 модели ВОС

уровень 2 модели ВОС подуровень 2.2

подуровень 2.1

управление доступом к среде

уровень 1 модели ВОС

физическая среда передачи

Рис. 9.19. Структура IEEE/ISO уровня 2 модели ВОС

Стандарт IEEE 802.2 (ISO 8802-2). Управление логическим каналом (Logical Link

Control)

Стандарт IEEE 802.3 (ISO 8802-3). Множественный доступ с прослушиванием несущей и обнаружением коллизий {Garner Sense Multiple Access/Collision Detection, CSMA/CD) Стандарт IEEE 802.4 (ISO 8802-4). Маркерная шина (Token Bus) Стандарт IEEE 802.5 (ISO 8802-5). Маркерное ко.г1ьцо (Token Ring)

Локальная сеть не является прозрачной средой, к которой просто подключены танции, - ее нужно специально настраивать для того, чтобы она эффективно и удовлетворительно выполняла свои функции. Работа и характеристикилокальнои ети, выраженные в терминах общей пропускной способности и средней задержки Передачи, принципиально зависят от используемого метода доступа и настройки соответствующих параметров. Последнее нельзя недооценивать, поскольку ошибки "Ри настройке сети могут привести к перегрузке и заторам, нарушающим нормаль-*Ую работу.

Правильный выбор и определение рабочих параметров ЛВС представляет собой стично теоретическую, частично практическую задачу. Для мониторинга работы и Используются специальные устройства и измерительные приборы, называемые тевыми анализаторами (network analyzer), которые позволяют получать некоторые "атистические величины, например среднюю пропускную способность, среднее и симальное время ожидания, а также находить причины нарушения работы сети. J«aflH3aTopH могут исследовать структуру и маршрут отдельных сообщений. Пользователь должен проверить различные настройки параметров сети, чтобы най-Приемлемое решение для каждого конкретного набора требований.

9.5.4. Метод доступа Ethernet (IEEE 802.3)

Метод доступа Ethernet широко используется в локальных сетях как д

мышленных, так и для офисных приложений. Он был разработан совместно

про-

Комц

ниями Xerox, Intel и Digital Equipment и выпущен на рынок в 1980 году. Протоко, Ethernet является стандартом де-факто и близко, хоть и не полностью, соответствует спецификациям IEEE 802.3 (ISO 8802.3). Более того, именно спецификации lEg были определены на основании существовавших решений для Ethernet. Обе спеод фикации используют один и тот же механизм управления доступом к среде -CSMA/CD - и передачи данных, а отличия относятся к структуре кадра. Оборудование обеих спецификаций аппаратно совместимо и может работать совместно, одна, ко станции, использующие разный формат кадра, не могут взаимодействовать друг с другом.

Ethernet поддерживает шинную топологию. На физическом уровне Ethernet работает как с узкополосными, так и с широкополосным кабелем; последний может одновременно передавать и другие типы сигналов. Широкополосный кабель дороже, и его прокладка более трудоемка; узкополосный кабель применяется значительно чаще. При использовании узкополосного кабеля цифровые данные непосредственно передаются в канал с помощью манчестерского кодирования; модуляция несущей частоты не требуется.

Узкополосный кабель, используемый в Ethernet, - это экранированный коаксиальный кабель, к которому периферийные устройства присоединяются с помощью коннекторов (соединителей) (рис. 9.20).

Существует кабель двух типов. Первоначально стандарт определял кабель диа метром около 2.5 см, который называется стандартным или "толстым" кабелем В стандарте IEEE 802.3 этот кабель обозначается как 10BASE5. Более удобен "тон кий" кабель Ethernet диаметром 0.5 см (в стандарте IEEE 802.3 - 10BASE2). В насто ящее время основной средой передачи является витая пара (в стандарт IEEE 802.3 - 10BASE-T).

оконечный

резистор

(терминатор)

станция 3

кабель Ethernet

соединитель

оконечный

резистор

(терминатор)

соединитель

станция 1

соединитель

станция!

Рис. 9.20. Типичная конфигурация сети Ethernet

Участок сети между двумя повторителями (раздел 9.5.8) называется сегментО (segment). Вся шина может состоять максимум из пяти сегментов, три из котор • можно использовать для подключения станций.

Существует еще несколько спецификаций формата кадров Ethernet. ~ Примеч. рео-

jjifi стандартного кабеля максимальное расстояние между наиболее удаленными даМй сети составляет 2500 м, а длина одного сегмента - 500 м, число станций на н сегмент не должно быть больше 100. Для тонкого кабеля максимальная длина "гмента равна 185 м, а число присоединенных станций на один сегмент не должно jjjiiaTb 30. С ростом числа присоединенных абонентов эффективность сети в об-IfeM случае падает.

Стандарт IEEE 802.3 допускает использование волоконно-оптического кабеля в ачестве среды передачи. Один из вариантов такого кабеля обозначается 10BASE-E.

Стандарт не определяет выделенных устройств для управления сетью, и все станции должны самостоятельно решать, могут ли они получить доступ к среде передачи. Соответственно, не существует активных компонентов, выход из строя одного из которых приведет к прекращению работы всей сети. Техническая скорость передачи в зависимости от используемой среды варьируется от 10 Мбит/с для коаксиального кабеля до 1 Гбит/с - для витой пары и оптоволоконного кабеля. В настоящее время в основном применяется витая пара со скоростью передачи 100 Мбит/с.

Подуровень LLC является подмножеством протокола HDLC и использует похожий формат кадров (раздел 9.4.5). Кадр Ethernet (рис. 9.21) начинается с 8-байтовой преамбулы 1010101..., затем следует адрес получателя и адрес источника, каждый из которых имеет длину 6 байт. Адрес получателя может относиться только к одному устройству (индивидуальный адрес), к определенному подмножеству (групповой адрес) или ко всем абонентам, подключенным к сети (широковещательный адрес). После адреса получателя следует 2-байтовое поле, интерпретация которого зависит от реализации.

Кадр IEEE 802.3 имеет такой же формат, как и Ethernet. Отличие заключается в 2-байтовом поле, расположенном после адреса источника. Для IEEE 802.3 в этом поле указывается длина следующих за ним пользовательских данных, а в Ethernet - тип протокола верхнего уровня. Получив кадр, станция проверяет это поле: если его значение меньше чем 1501 (0x05DD), то это формат IEEE 802.3, ток как указанное значение есть максимально допустимая длина данных. С этой же целью значение в по.де тип протокола кадра Ethernet не может быть меньше чем 0x0600. Еще одно различие заключается в том, что в кадре IEEE 802.3 после поля длины следующие 8 оаит Используются для дополнительной информации, чтобы протоколы, не соответ-Вующие модели ВОС, можно было использовать на канальном уровне ВОС.

Рис. 9.21. Структура кадра Ethernet/IEEE 802.3