Реферат: Локальные сети

Технология АТМ обладает многими привлекательными свойствами - масштабируемой скоростью передачи данных, доходящей до 10 Гб/с, отличной поддержкой мультимедийного трафика и возможностью работы как в локальных, так и в глобальных сетях. Однако, стоимость технологии АТМ и ее сложность не всегда оправданы. Вот для таких применений, в которых нужна в первую очередь высокая скорость обмена, а без других возможностей, предлагаемых АТМ, можно прожить, и предназначены активно разрабатываемые сегодня гигабитные варианты Ethernet и VG.

За комитетом 802.12 стоит, естественно, компания Hewlett-Packard, сотрудница которой и возглавляет сегодня этот комитет. К энтузиастам перевода технологии VG на гигабитные скорости относятся также компании Compaq Computer, Texas Instrument и Motorola.

В Gigabit Ethernet Alliance входят наряду с другими компании Bay Networks, Cisco Systems и 3Com.

Обе группы намерены широко использовать достижения технологии Fibre Channel, уже работающей с гигабитными скоростями. Во всяком случае, Fibre Channel со своим методом кодирования 8B/10B фигурирует как один из вариантов физического уровня для оптоволоконного кабеля.

Разрабатываемые предложения оставляют метод доступа в неизменном виде: CSMA/CD для технологии Gigabit Ethernet и Demand Priority для Gigabit VG.

В связи с ограничениями, накладываемыми методом CSMA/CD на длину кабеля, версия Gigabit Ethernet для разделяемой среды будет допускать длину связей до 25 метров на витой паре. В связи с такими серьезными ограничениями более популярны будут, очевидно, полнодуплексные версии гигабитного Ethernet'a, работающие только с коммутаторами и допускающие расстояние между узлом и коммутатором в 500 метров для многомодового кабеля и до 2 км для одномодового кабеля.

Первый проект стандарта Gigabit Ethernet был принят в 1997 года, а его окончательное принятие ожидается в конце 1998 года.

Gigabit Ethernet Alliance предполагает, что стоимость одного порта концентратора Gigabit Ethernet в 1998 году составит от $920 до $1400, а стоимость одного порта коммутатора Gigabit Ethernet составит от $1850 до $2800.

Для технологии Gigabit VG предлагается реализовать скорость 500 Мб/с для витой пары и 1 Гб/с для оптоволокна. Предельные расстояния между узлами ожидаются следующие: для витой пары - 100 м, для многомодового оптоволокна - 500 м и для одномодового оптоволокна - 2 км.

9. FDDI

9.1 История создания стандарта FDDI

Технология Fiber Distributed Data Interface - первая технология локальных сетей, которая использовала в качестве среды передачи данных оптоволоконный кабель.

Попытки применения света в качестве среды, несущей информацию, предпринимались давно - еще в 1880 году Александр Белл запатентовал устройство, которое передавало речь на расстояние до 200 метров с помощью зеркала, вибрировавшего синхронно со звуковыми волнами и модулировавшего отраженный свет.

Работы по использованию света для передачи информации активизировались в 1960-е годы в связи с изобретением лазера, который мог обеспечить модуляцию света на очень высоких частотах, то есть создать широкополосный канал для передачи большого количества информации с высокой скоростью. Примерно в то же время появились оптические волокна, которые могли передавать свет в кабельных системах, подобно тому, как медные провода передают электрические сигналы в традиционных кабелях. Однако потери света в этих волокнах были слишком велики, чтобы они могли быть использованы как альтернатива медным жилам. Недорогие оптические волокна, обеспечивающие низкие потери мощности светового сигнала и широкую полосу пропускания (до нескольких ГГц) появились только в 1970-е годы. В начале 1980-х годов началось промышленная установка и эксплуатация оптоволоконных каналов связи для территориальных телекоммуникационных систем.

В 1980-е годы начались также работы по созданию стандартных технологий и устройств для использования оптоволокнных каналов в локальных сетях. Работы по обобщению опыта и разработке первого оптоволоконного стандарта для локальных сетей были сосредоточены в Американском Национальном Институте по Стандартизации - ANSI, в рамках созданного для этой цели комитета X3T9.5.

Начальные версии различных составляющих частей стандарта FDDI были разработаны комитетом Х3Т9.5 в 1986 - 1988 годах, и тогда же появилось первое оборудование - сетевые адаптеры, концентраторы, мосты и маршрутизаторы, поддерживающие этот стандарт.

В настоящее время большинство сетевых технологий поддерживают оптоволоконные кабели в качестве одного из вариантов физического уровня, но FDDI остается наиболее отработанной высокоскоростной технологией, стандарты на которую прошли проверку временем и устоялись, так что оборудование различных производителей показывает хорошую степень совместимости.

9.2 Основы технологии FDDI

Технология FDDI во многом основывается на технологии Token Ring, развивая и совершенствуя ее основные идеи. Разработчики технологии FDDI ставили перед собой в качестве наиболее приоритетных следующие цели:

Повысить битовую скорость передачи данных до 100 Мб/с.

Повысить отказоустойчивость сети за счет стандартных процедур восстановления ее после отказов различного рода - повреждения кабеля, некорректной работы узла, концентратора, возникновения высокого уровня помех на линии и т.п.

Максимально эффективно использовать потенциальную пропускную способность сети как для асинхронного, так и для синхронного трафиков.

Сеть FDDI строится на основе двух оптоволоконных колец, которые образуют основной и резервный пути передачи данных между узлами сети. Использование двух колец - это основной способ повышения отказоустойчивости в сети FDDI, и узлы, которые хотят им воспользоваться, должны быть подключены к обоим кольцам. В нормальном режиме работы сети данные проходят через все узлы и все участки кабеля первичного (Primary) кольца, поэтому этот режим назван режимом Thru - "сквозным" или "транзитным". Вторичное кольцо (Secondary) в этом режиме не используется.

В случае какого-либо вида отказа, когда часть первичного кольца не может передавать данные (например, обрыв кабеля или отказ узла), первичное кольцо объединяется со вторичным, образуя вновь единое кольцо. Этот режим работы сети называется Wrap, то есть "свертывание" или "сворачивание" колец. Операция свертывания производится силами концентраторов и/или сетевых адаптеров FDDI. Для упрощения этой процедуры данные по первичному кольцу всегда передаются против часовой стрелки, а по вторичному - по часовой. Поэтому при образовании общего кольца из двух колец передатчики станций по-прежнему остаются подключенными к приемникам соседних станций, что позволяет правильно передавать и принимать информацию соседними станциями.

В стандартах FDDI отводится много внимания различным процедурам, которые позволяют определить наличие отказа в сети, а затем произвести необходимую реконфигурацию. Сеть FDDI может полностью восстанавливать свою работоспособность в случае единичных отказов ее элементов. При множественных отказах сеть распадается на несколько не связанных сетей.

Кольца в сетях FDDI рассматриваются как общая разделяемая среда передачи данных, поэтому для нее определен специальный метод доступа. Этот метод очень близок к методу доступа сетей Token Ring и также называется методом маркерного (или токенного) кольца - token ring.

Станция может начать передачу своих собственных кадров данных только в том случае, если она получила от предыдущей станции специальный кадр - токен доступа. После этого она может передавать свои кадры, если они у нее имеются, в течение времени, называемого временем удержания токена - Token Holding Time (THT). После истечения времени THT станция обязана завершить передачу своего очередного кадра и передать токен доступа следующей станции. Если же в момент принятия токена у станции нет кадров для передачи по сети, то она немедленно транслирует токен следующей станции. В сети FDDI у каждой станции есть предшествующий сосед (upstream neighbor) и последующий сосед (downstream neighbor), определяемые ее физическими связями и направлением передачи информации.

Каждая станция в сети постоянно принимает передаваемые ей предшествующим соседом кадры и анализирует их адрес назначения. Если адрес назначения не совпадает с ее собственным, то она транслирует кадр своему последующему соседу. Нужно отметить, что, если станция захватила токен и передает свои собственные кадры, то на протяжении этого периода времени она не транслирует приходящие кадры, а удаляет их из сети.

Если же адрес кадра совпадает с адресом станции, то она копирует кадр в свой внутренний буфер, проверяет его корректность (в основном, по контрольной сумме), передает его поле данных для последующей обработки протоколу, лежащего выше FDDI уровня (например, IP), а затем передает исходный кадр по сети последующей станции. В передаваемом в сеть кадре станция назначения отмечает три признака: распознавания адреса, копирования кадра и отсутствия или наличия в нем ошибок.

После этого кадр продолжает путешествовать по сети, транслируясь каждым узлом. Станция, являющаяся источником кадра для сети, ответственна за то, чтобы удалить кадр из сети, после того, как он, совершив полный оборот, вновь дойдет до нее. При этом исходная станция проверяет признаки кадра, дошел ли он до станции назначения и не был ли при этом поврежден. Процесс восстановления информационных кадров не входит в обязанности протокола FDDI, этим должны заниматься протоколы более высоких уровней.

FDDI определяет протокол физического уровня и протокол подуровня доступа к среде (MAC) канального уровня. Как и многие другие технологии локальных сетей, технология FDDI использует протокол 802.2 подуровня управления каналом данных (LLC), определенный в стандартах IEEE 802.2 и ISO 8802.2. FDDI использует первый тип процедур LLC, при котором узлы работают в дейтаграммном режиме - без установления соединений и без восстановления потерянных или поврежденных кадров.

Физический уровень разделен на два подуровня: независимый от среды подуровень PHY (Physical), и зависящий от среды подуровень PMD (Physical Media Dependent). Работу всех уровней контролирует протокол управления станцией SMT (Station Management).

Уровень PMD обеспечивает необходимые средства для передачи данных от одной станции к другой по оптоволокну. В его спецификации определяются:

Требования к мощности оптических сигналов и к многомодовому оптоволоконному кабелю 62.5/125 мкм.

Требования к оптическим обходным переключателям (optical bypass switches) и оптическим приемопередатчикам.

Параметры оптических разъемов MIC (Media Interface Connector), их маркировка.

Длина волны в 1300 нанометров, на которой работают приемопередатчики.

Представление сигналов в оптических волокнах в соответствии с методом NRZI.

Спецификация TP-PMD определяет возможность передачи данных между станциями по витой паре в соответствии с методом MLT-3. Спецификации уровней PMD и TP-PMD уже были рассмотрены в разделах, посвященных технологии Fast Ethernet.

Уровень PHY выполняет кодирование и декодирование данных, циркулирующих между MAC-уровнем и уровнем PMD, а также обеспечивает тактирование информационных сигналов. В его спецификации определяются:

·     кодирование информации в соответствии со схемой 4B/5B;

·     правила тактирования сигналов;

·     требования к стабильности тактовой частоты 125 МГц;

·     правила преобразования информации из параллельной формы в последовательную.

Уровень MAC ответственен за управление доступом к сети, а также за прием и обработку кадров данных. В нем определены следующие параметры:

·     Протокол передачи токена.

·     Правила захвата и ретрансляции токена.

·     Формирование кадра.

·     Правила генерации и распознавания адресов.

·     Правила вычисления и проверки 32-разрядной контрольной суммы.

Уровень SMT выполняет все функции по управлению и мониторингу всех остальных уровней стека протоколов FDDI. В управлении кольцом принимает участие каждый узел сети FDDI. Поэтому все узлы обмениваются специальными кадрами SMT для управления сетью. В спецификации SMT определено следующее:

·     Алгоритмы обнаружения ошибок и восстановления после сбоев.

·     Правила мониторинга работы кольца и станций.

·     Управление кольцом.

·     Процедуры инициализации кольца.

Отказоустойчивость сетей FDDI обеспечивается за счет управления уровнем SMT другими уровнями: с помощью уровня PHY устраняются отказы сети по физическим причинам, например, из-за обрыва кабеля, а с помощью уровня MAC - логические отказы сети, например, потеря нужного внутреннего пути передачи токена и кадров данных между портами концентратора.

В следующей таблице представлены результаты сравнения технологии FDDI с технологиями Ethernet и Token Ring.

Характеристика	FDDI	Ethernet	Token Ring
Битовая скорость	100 Мб/с	10 Мб/с	16 Мб/c
Топология	Двойное кольцо деревьев	Шина/звезда	Звезда/кольцо
Метод доступа	Доля от времени оборота токена	CSMA/CD	Приоритетная система резервирования
Среда передачи данных	Многомодовое оптоволокно, неэкранированная витая пара	Толстый коаксиал, тонкий коаксиал, витая пара, оптоволокно	Экранированная и неэкранированная витая пара, оптоволокно
Максимальная длина сети (без мостов)	200 км (100 км на кольцо)	2500 м	1000 м
Максимальное расстояние между узлами	2 км (-11 dB потерь между узлами)	2500 м	100 м
Максимальное количество узлов	500 (1000 соединений)	1024	260 для экранированной витой пары, 72 для неэкранированной витой пары
Тактирование и восстановление после отказов	Распределенная реализация тактирования и восстановления после отказов	Не определены	Активный монитор

10. 100VG-AnyLAN

10.1 Общая характеристика технологии 100VG-AnyLAN

В качестве альтернативы технологии Fast Ethernet компаниями AT&T и HP был выдвинут проект новой технологии со скоростью передачи данных 100 Мб/с - 100Base-VG. В этом проекте было предложено усовершенствовать метод доступа с учетом потребности мультимедийных приложений, при этом сохранить совместимость формата пакета с форматом пакета сетей 802.3. В сентябре 1993 года по инициативе фирм IBM и HP был образован комитет IEEE 802.12, который занялся стандартизацией новой технологии. Проект был расширен за счет поддержки в одной сети кадров не только формата Ethernet, но и формата Token Ring. В результате новая технология получила название 100VG-AnyLAN, то есть технология для любых сетей (Any LAN - любые сети), имея в виду, что в локальных сетях технологии Ethernet и Token Ring используются в подавляющем количестве узлов.

Летом 1995 года технология 100VG-AnyLAN получила статус стандарта IEEE 802.12.

В технологии 100VG-AnyLAN определены новый метод доступа Demand Priority и новая схема квартетного кодирования Quartet Coding, использующая избыточный код 5В/6В.

Метод доступа Demand Priority основан на передаче концентратору функций арбитра, решающего проблему доступа к разделяемой среде. Метод Demand Priority повышает коэффициент использования пропускной способности сети за счет введения простого, детерминированного метода разделения общей среды, использующего два уровня приоритетов: низкий - для обычных приложений и высокий - для мультимедийных.

Технология 100VG-AnyLAN имеет меньшую популярность среди производителей коммуникационного оборудования, чем конкурирующее предложение - технология Fast Ethernet. Компании, которые не поддерживают технологию 100VG-AnyLAN, объясняют это тем, что для большинства сегодняшних приложений и сетей достаточно возможностей технологии Fast Ethernet, которая не так заметно отличается от привычной большинству пользователей технологии Ethernet. В более далекой перспективе эти производители предлагают использовать для мультимедийных приложений технологию АТМ, а не 100VG-AnyLAN.

И хотя в число сторонников технологии 100VG-AnyLAN одно время входило около 30 компаний, среди которых Hewlett-Packard и IBM, Cisco Systems и Cabletron, общим мнением сетевых специалистов является констатация отсутствия дальнейщих перспектив у технологии 100VG-AnyLAN.

10.2 Структура сети 100VG-AnyLAN

Сеть 100VG-AnyLAN всегда включает центральный концентратор, называемый концентратором уровня 1 или корневым концентратором.

Корневой концентратор имеет связи с каждым узлом сети, образуя топологию типа звезда. Этот концентратор представляет собой интеллектуальный центральный контроллер, который управляет доступом к сети, постоянно выполняя цикл "кругового" сканирования своих портов и проверяя наличие запросов на передачу кадров от присоединенных к ним узлов. Концентратор принимает кадр от узла, выдавшего запрос, и передает его только через тот порт, к которому присоединен узел c адресом, совпадающим с адресом назначения, указанным в кадре.

Каждый концентратор может быть сконфигурирован на поддержку либо кадров 802.3 Ethernet, либо кадров 802.5 Token Ring. Все концентраторы, расположенные в одном и том же логическом сегменте (не разделенном мостами, коммутаторами или маршрутизаторами), должны быть сконфигурированы на поддержку кадров одного типа. Для соединения сетей 100VG-AnyLAN, использующих разные форматы кадров 802.3, нужен мост, коммутатор или маршрутизатор. Аналогичное устройство требуется и в том случае, когда сеть 100VG-AnyLAN должна быть соединена с сетью FDDI или АТМ.

Каждый концентратор имеет один "восходящий" (up-link) порт и N "нисходящих" портов (down-link).

Восходящий порт работает как порт узла, но он зарезервирован для присоединения в качестве узла к концентратору более высокого уровня. Нисходящие порты служат для присоединения узлов, в том числе и концентраторов нижнего уровня. Каждый порт концентратора может быть сконфигурирован для работы в нормальном режиме или в режиме монитора. Порт, сконфигурированный для работы в нормальном режиме, передает только те кадры, которые предназначены узлу, подключенному к данному порту. Порт, сконфигурированный для работы в режиме монитора, передает все кадры, обрабатываемые концентратором. Такой порт может использоваться для подключения анализатора протоколов.

Узел представляет собой компьютер или коммуникационное устройство технологии 100VG-AnyLAN - мост, коммутатор, маршрутизатор или концентратор. Концентраторы, подключаемые как узлы, называются концентраторами 2-го и 3-го уровней. Всего разрешается образовывать до трех уровней иерархии концентраторов.

Связь, соединяющая концентратор и узел, может быть образована либо 4 парами неэкранированной витой пары категорий 3, 4 или 5 (4-UTP Cat 3, 4, 5), либо 2 парами неэкранированной витой пары категории 5 (2-UTP Cat 5), либо 2 парами экранированной витой пары типа 1 (2-STP Type 1), либо 2 парами многомодового оптоволоконного кабеля.

Варианты кабельной системы могут использоваться любые, но ниже будет рассмотрен вариант 4-UTP, который был разработан первым и получил наибольшее распространение.

В заключение раздела приведем таблицу, составленную компанией Hewlett-Packard, в которой приводятся результаты сравнения этой технологии с технологиями 10Base-T и 100Base-T.

Характеристика	10Base-T	100VG-AnyLAN	100Base-T
Топология	-	-	-
Максимальный диаметр сети	2500 м	8000 м	412 м
Каскадирование концентраторов	Да; 3 уровня	Да; 5 уровней	Два концентратора максимум
Кабельная система	-	-	-
UTP Cat 3,4	100 м	100 м	100 м
UTP Cat 5	150 м	200 м	100 м
STP Type 1	100 м	100 м	100 м
Оптоволокно	2000 м	2000 м	412 м
Производительность	-	-	-
При длине сети 100 м	80% (теоретическая)	95% (продемонстрированная)	80% (теоретическая)
При длине сети 2500 м	80% (теоретическая)	80% (продемонстрированная)	Не поддерживается
Технология	-	-	-
Кадры IEEE 802.3	Да	Да	Да
Кадры 802.5	Нет	Да	Нет
Метод доступа	CSMA/CD	Demand Priority	CSMA/CD + подуровень согласования (Reconciliation sublayer)

10.3 Стек протоколов технологии 100VG-AnyLAN

Структура стека протоколов технологии 100VG-AnyLAN согласуется с архитектурными моделями OSI/ISO и IEEE, в которых канальный уровень разделен на подуровни. Cтек протоколов технологии 100VG-AnyLAN состоит из подуровня доступа к среде (Media Access Control, MAC), подуровня, независящего от физической среды (Physical Media Independent, PMI) и подуровня, зависящего от физической среды (Physical Media Dependent, PMD).

10.4 Функции уровня MAC

Функции уровня МАС включают реализацию протокола доступа Demand Priority, подготовки линии связи и формирования кадра соответствующего формата.

Метод Demand Priority (приоритетный доступ по требованию) основан на том, что узел, которому нужно передать кадр по сети, передает запрос (требование) на выполнение этой операции концентратору. Каждый запрос может иметь либо низкий, либо высокий приоритеты. Высокий приоритет отводится для трафика чувствительных к задержкам мультимедийных приложений.

Высокоприоритетные запросы всегда обслуживаются раньше низкоприоритетных. Требуемый уровень приоритета кадра устанавливается протоколами верхних уровней, не входящими в технологию 100VG-AnyLAN, например, Real Audio, и передается для отработки уровню МАС.

Концентратор уровня 1 постоянно сканирует запросы узлов, используя алгоритм кругового опроса (round-robin). Это сканирование позволяет концентратору определить, какие узлы требуют передачи кадров через сеть и каковы их приоритеты.

В течение одного цикла кругового сканирования каждому узлу разрешается передать один кадр данных через сеть. Концентраторы, присоединенные как узлы к концентраторам верхних уровней иерархии, также выполняют свои циклы сканирования и передают запрос на передачу кадров концентратору. Концентратор нижнего уровня с N портами имеет право передать N кадров в течение одного цикла опроса.

Каждый концентратор ведет отдельные очереди для низкоприоритетных и высокоприоритетных запросов. Низкоприоритетные запросы обслуживаются только до тех пор, пока не получен высокоприоритетный запрос. В этом случае текущая передача низкоприоритетного кадра завершается и обрабатывается высокоприоритетный запрос. Перед возвратом к обслуживанию низкоприоритетных кадров должны быть обслужены все высокоприоритетные запросы. Для того, чтобы гарантировать доступ для низкоприоритетных запросов в периоды высокой интенсивности поступления высокоприоритетных запросов, вводится порог ожидания запроса. Если у какого-либо низкоприоритетного запроса время ожидания превышает этот порог, то ему присваивается высокий приоритет.

Процедура подготовки линии Link Training "обучает" внутренние схемы концентратора и узла приему и передаче данных, а также проверяет работоспособность линии, соединяющей концентратор и узел.

Во время подготовки линии концентратор и узел обмениваются серией специальных тестовых кадров. Данная процедура включает функциональный тест кабеля, дающий возможность убедиться в том, что кабель правильно соединяет контакты разъемов и информация может быть корректно передана между концентратором и узлом.

Процедура подготовки также позволяет концентратору автоматически узнать информацию об узлах, подключенных к каждому порту. Кадры, получаемые концентратором от узла во время подготовки, содержат данные о типе устройства (конечный узел, концентратор, мост, маршрутизатор, анализатор протокола и т.п.), режиме работы (нормальный или монитор), адресе узла, присоединенного к данному порту.

Процедура подготовки инициируется узлом, когда узел или концентратор впервые включаются или при первом присоединении узла к концентратору. Узел или концентратор могут потребовать выполнения процедуры подготовки при обнаружении ошибочной ситуации.

Уровень МАС получает кадр от уровня LLC и добавляет к нему адрес узла-источника, дополняет поле данных байтами-заполнителями до минимально допустимого размера, если это требуется, а затем вычисляет контрольную сумму и помещает ее в соответствующее поле. После этого кадр передается на физический уровень.

11. Список литературы

1.    Н. Олифер, В. Олифер. Базовые технологии локальных сетей

2.    Б. М. Каган. Электронные вычислительные машины и системы

3.    Курс «Cisco Intеrnetworking technology overview».

4.    Н. Олифер, В. Олифер. Высокоскоростные технологии ЛВС.

5.    Спирин А. А. Введение в технику волоконно-оптических сетей.

6.    Стэн Шатт. Мир компьютерных систем. - К: BHV, 1996