Лекция №6 «Методы доступа в локальных вычислительных сетях»

1. Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов

Одна из возможных сред передачи данных в ЛВС — отрезок (сегмент) коаксиального кабеля. К нему через аппаратуру окончания канала данных подключаются узлы — компьютеры и, возможно, общее периферийное оборудование. Поскольку среда передачи данных общая, а запросы на сетевые обмены в узлах появляются асинхронно, то возникает проблема разделения общей среды между многими узлами, другими словами, проблема обеспечения доступа к сети. Доступом к сети называют взаимодействие станции (узла сети) со средой передачи данных для обмена информацией с другими станциями. Управление доступом к сети — это установление последовательности, в которой станции получают доступ к среде передачи данных.

Различают случайные и детерминированные методы доступа. Среди случайных методов наиболее известен метод множественного доступа с контролем несущей и обнаружением конфликтов (МДКН/ОК). Англоязычное название метода — Carrier Sense Multiple Access /Collision Detection (CSMA /CD). Этот метод основан на контроле наличия электрических колебаний (несущей) в линии передачи данных и устранении конфликтов, возникающих в случае попыток одновременного начала передачи двумя или более станциями, путем повторения попыток захвата линии через случайный отрезок времени.

МДКН/ОК является широковещательным (broadcasting) методом. Все станции при применении МДКН/ОК равноправны по доступу к сети. Если линия передачи данных свободна, то в ней отсутствуют электрические колебания, что легко распознается любой станцией, желающей начать передачу. Такая станция захватывает линию. Любая другая станция, желающая начать передачу в некоторый момент времени t, если обнаруживает электрические колебания в линии, то откладывает передачу до момента t + t_d, где t_d — задержка.

При работе сети каждая станция анализирует адресную часть передаваемых по сети кадров с целью обнаружения и приема кадров, предназначенных для нее.

Конфликтом называют ситуацию, при которой две или более станции «одновременно» пытаются захватить линию. Понятие «одновременность событий» в связи с конечностью скорости распространения сигналов по линии конкретизируется как отстояние событий во времени не более чем на величину 2d, называемую окном столкновений, где d — время прохождения сигналов по линии между конфликтующими станциями. Если какие-либо станции начали передачу в окне столкновений, то по сети распространяются искаженные данные. Это искажение и используют для обнаружения конфликта либо сравнением в передатчике данных, передаваемых в линию (неискаженных) и получаемых из нее (искаженных), либо по появлению постоянной составляющей напряжения в линии, что обусловлено искажением используемого для представления данных манчестерского кода. Обнаружив конфликт, станция должна оповестить об этом партнера по конфликту, послав дополнительный сигнал затора, после чего станции должны отложить попытки выхода в линию на время t_d. Очевидно, что значения t_d должны быть различными для станций, участвующих в столк­новении (конфликте), поэтому t_d — случайная величина.

2. Маркерные методы доступа

Среди детерминированных методов преобладают маркерные методы доступа. Маркерный метод — метод доступа к среде передачи данных в ЛВС, основанный на передаче полномочий передающей станции с помощью специального информационного объекта, называемого маркером. Под полномочием понимается право инициировать определенные действия, динамически предоставляемые объекту, например станции данных в информационной сети.

Применяется ряд разновидностей маркерных методов доступа. Например, в эстафетном методе передача маркера выполняется в порядке очередности; в способе селекторного опроса (квантированной передачи) сервер опрашивает станции и передает полномочие одной из тех станций, которые готовы к передаче. В кольцевых одноранговых сетях широко применяют тактируемый маркерный доступ, при котором маркер циркулирует по кольцу и используется стан­циями для передачи своих данных.

Лекция №7 «Локальные вычислительные сети Ethernet»

1. Состав аппаратуры

Одной из первых среди ЛВС шинной структуры была создана сеть Ethernet, разработанная фирмой Xerox. В этой сети был применен метод доступа МДКН/ОК. Позднее Ethernet стала основой стандарта IEEE 802/3. Другой вариант шинных ЛВС соответствует стандарту ШЕЕ 802/4, описывающему сеть с эстафетной передачей маркера.

Технология Ethernet наиболее распространена в ЛВС. Так, по данным на 1996 г. 85 % всех компьютеров в ЛВС были в сетях Ethernet.

В качестве линий передачи данных в ЛВС используют коаксиальный кабель, витую пару проводов или ВОЛС. Длины используемых отрезков коаксиального кабеля не должны превышать нескольких сотен метров, а у витой неэкранированной пары проводов — десятков метров.

При больших расстояниях в среду передачи данных включают формирователи сигналов — повторители для сопряжения отрезков. ВОЛС позволяет существенно увеличить предельные расстояния и скорость передачи данных.

Для связи компьютеров со средой передачи данных используют сетевые контроллеры (адаптеры, сетевые карты), управляющие доступом к сети, и приемопередатчики, служащие для связи сетевого контроллера с линией связи.

Сетевой контроллер реализует принятый метод доступа к каналу, а также в случае метода МДКН/ОК осуществляет действия по выработке сигнала затора, по задержке в передаче при наличии конфликта или при занятом моноканале, по формированию кадров, кодированию (декодированию) электрических сигналов в (из) специальный последовательный код, называемый манчестерским, по распознаванию адреса в передаваемых по сети сообщениях.

После образования информационного кадра станция должна получить полномочия. Для этого контроллер прослушивает канал в ожидании его освобождения или прихода маркера. После получения полномочий осуществляется преобразование параллельного кода в последовательный, преобразование в манчестерский код и передача сигналов в кабель.

В состав приемопередатчика в шинных ЛВС с методом МДКН/ОК входят приемник сигналов от линии и передатчик сигналов от станции в линию. Назначение приемника - усиление информационных сигналов и обнаружение конфликтов путем выделения постоянной составляющей искаженных сигналов и ее сопоставления в компараторе с эталонным напряжением.

2. Структура кадра

Кадр в стандарте ШЕЕ 802/3, реализующем МДКН/ОК, имеет следующую структуру (ниже указаны последовательности полей кадра, их назначение, в скобках даны размеры полей в байтах): < Преамбула (7) — ограничитель (1) — адрес назначения (2 или 6) — адрес источника (2 или 6) — длина кадра (2) — данные (от 512 до 12144 бит, т. е. от 64 до 1518 байт) — заполнение — контрольный код (4) >.

Преамбула и ограничитель служат для установления синхронизации и отождествления начала кадра. Ограничители представляют собой уникальную последовательность битов, обычно это код 01111110. Чтобы эта последовательность была уникальной, в основных полях осуществляется стаффинг — до бавление нуля после каждой последовательности из пяти подряд идущих единиц. На приемном конце такой нуль удаляется. Шестибайтовый адрес — уникальный номер сетевой платы, он назначается изготовителем по выданной ему лицензии на определенный диапазон адресов.

3. Разновидности сетей Ethernet

Рядом фирм на базе проекта сети Ethernet разрабатывается оборудование для ЛВС. В настоящее время унифицировано несколько вариантов сети Ethernet, различающихся топологией, особенностями физической среды передачи данных, информационной скоростью передачи данных.

1. Thick Ethernet (шина с ≪толстым≫ кабелем); принятое обозначение вариан та 10Base-5, где первый элемент ≪10≫ характеризует скорость передачи данных по линии 10 Мбит/с, последний элемент ≪5≫ — максимальную длину сегмента кабеля (в сотнях метров), т. е. 500 м. Другие параметры сети: максимальное число сегментов 5; максимальное число узлов на одном сегменте 100; минимальное расстояние между узлами 2,5 м. Здесь под сегментом кабеля понимается часть кабеля, используемая в качестве линии передачи данных и имеющая на концах согласующие элементы (терминаторы) для предотвра щения отражения сигналов.

2. Thin Ethernet (шина с ≪тонким≫ кабелем); принятое обозначение 10Base-2:

максимальное число сегментов 5; максимальная длина сегмента 185 м; максимальное число узлов на одном сегменте 30; минимальное расстояние между узлами 0,5 м; скорость передачи данных по линии 10 Мбит/с.

3. TwistedPair Ethernet; принятое обозначение 10Base-T; это кабельная сеть с использованием витых пар проводов и концентраторов, называемых также распределителями или хабами (hubs). Представление о структуре сети может дать рис. 2.4. В состав сетевого оборудования входят активные (АН) и пассивные (РН) концентраторы (active and passive hubs), различие между которыми заключается в наличии или отсутствии усиления сигналов и в количестве портов.

Число портов в активных хабах обычно составляет 8... 24. В одной из разновидностей сети 10Base-T допускаются расстояния между активными распределителями до 600 м и между пассивными до 30 м, предельное число узлов 100. Физическая организация линий связи в 10Base-T мало напоминает шину.

Однако в такой сети вполне возможна реализация метода доступа МДКН/ОК, и для пользователя (любого отдельного узла) разветвленная сеть из витых пар и, концентраторов, по которой происходит широковещательная передача, есть просто среда передачи данных, такая же, как шина. Поэтому по логической организации сеть 10Base-T представляет собой сеть типа Ethernet. В то же время по своей топологии 10Base-T может быть вариантом ≪звезда≫, ≪дерево≫ и т. п.

В этой сети не рекомендуется включать последовательно более четырех хабов.

4. Fiber Optic Ethernet (шина на основе оптоволоконного кабеля), обозначе ние 10Base-F; применяется для соединений точка — точка, например для соединения двух конкретных распределителей в кабельной сети. Максимальные длины—в пределах 2... 4 км. Цена оптоволоконного кабеля приблизительно такая же, как и медного кабеля, но у первого из них меньше габариты и масса, достигается полная гальваническая развязка.

5. Приемопередатчик (повторитель) для волоконно-оптических линий передачи данных (световодов) состоит из частей приемной, передающей, чтения и записи данных. В приемной части имеются фотодиод, усилитель — формирователь сигналов с требуемыми уровнями напряжения, механическое контактирующее устройство для надежного контакта фотодиода со стеклянной оболочкой кабеля. Передатчик представлен светодиодом или микролазером.

6. 5. RadioEthernet (стандарт ШЕЕ 802/11). Среда передачи данных — радио волны, распространяющиеся в эфире. Структура сети может быть ≪постоянной≫ при наличии базовой кабельной сети с точками доступа от узлов по радиоканалам или ≪временной≫, когда обмены между узлами происходят только по радиоканалам. Применяется модифицированный метод МДКН /ОК, в котором вместо обнаружения конфликтов используется предотвращение конфликтов. Это осуществляется следующим образом: узел, запрашивающий связь, посылает в эфир специальный кадр запроса, а передачу информации он может начать только после истечения межкадрового промежутка времени Т, если за время Г после запроса в эфире не было других запросов. Иначе попытка передачи откладывается на случайное время. Любой узел может посылать кадр запроса, только если за время Т1 перед этим в эфире не было других кадров запроса.

Предусмотрена посылка положительной квитанции от приемного узла, подтверждающая правильность приема кадра. Квитанция посылается с малой задержкой / после окончания приема. В этом интервале длительностью t конф ликты невозможны, так как претенденты на передачу могут посылать кадры запроса только в том случае, если перед посылкой эфир свободен в течение интервала времени не менее Г (это условие выполняется и для узлов с отложенной из-за конфликта передачей), а t<T.

Скорость передачи данных составляет 11 Мбит/с при работе в диапазоне волн 2,4 ГГц, возможно увеличение скорости до 54 Мбит/с при переходе в диапазон 5 ГГц.

6. Fast Ethernet, иначе называемая 100Base-X или 100Base-T (стандарт IEEE 802/3и). Информационная скорость 100 Мбит/с. В этой сети применен метод доступа МДКН /ОК. Используется для построения скоростных ЛВС (последовательно включается не более двух хабов), для объединения низкоскоростных подсетей 10Base-T в единую скоростную сеть и для подключения серверов на расстояниях до 200 м. В последнем случае серверы соединяются с клиентскими узлами через шину 100 Мбит/с и коммутатор, называемый также конвертором, преобразователем или переключателем скорости 100/10. К конвертору с другой стороны подключено несколько шин 10 Мбит/с, на которые нагружены остальные узлы.

Практически можно использовать до 250 узлов, теоретически—до 1024. Подсетями могут быть как Fast Ethernet, так и обычные Ethernet со скоростью 10 Мбит/с, включенные через преобразователь скорости.

Различают следующие варианты: 100Base-TX, в котором применяют кабель из двух экранированных или неэкранированных витых пар категорий 3 — 5, 100Base-T4 — с четырьмя неэкранированными парами категории 5, 100Base- FX - на ВОЛС.

7. Gigabit Ethernet (1000Base-X). В этом варианте получены гигабитные скорости. В соответствии со стандартом ШЕЕ 802.3z имеются разновидности на ВОЛС с длиной волны 830 или 1270 нм (соответственно 1000Base-SX и 1000Base-LX) на расстояниях до 550 и 5000 м, на витой паре категории 5 (1000Base-CX) на расстояниях до 25 м. Скорость до 1 Гбит/с. Такая скорость достигается благодаря следующим решениям.

Сеть имеет иерархическую структуру. Участки (отдельные компьютеры или подсети) по 10 Мбит/с подключаются к портам переключателей (switches) скорости 10/100, их выходы по 100 Мбит/с, в свою очередь, подключаются к портам переключателей 100/1000.

В сегментах сети, имеющих 1000 Мбит/с, используются, во-первых, передача данных по ВОЛС или параллельно по четырем витым парам, во-вторых, пятиуровневое представление данных (например, +2, +1,0, -1, -2 В), в-третьих, кодирование 8b/10b (пояснение см. ниже). В результате в каждой витой паре имеем 250 Мбит/с при частоте

сигналов 125 МГц, а это уже приемлемая частота для передачи по проводным соединениям.

Ведутся работы по созданию сетей Ethernet со скоростями 10 Гбит/с.

Лекция №8 «Сети кольцевой топологии»

1. Сеть Token Ring

Из кольцевых ЛВС наиболее распространены сети с передачей маркера по кольцу и среди них:

1) ЛВС типа Token Ring (сеть с таким названием была разработана фирмой IBM и послужила основой для стандарта IEEE 802/5);

2) сети FDDI (Fiber Distributed Data Interface) на основе ВОЛС.

Поле ≪управление доступом≫ используется для указания порядкового номера кадра, смысла команд, содержащихся в кадре, и т. п. Так, в ШЕЕ 802/5 это поле включает в себя указание приоритета (три бита), Т— бит маркера, М— мониторный бит и три бита резервирования. Если Т=0, то кадр воспринимается как маркер, если Т= 1, то кадр является информационным (т. е. маркер занят—поле ≪данные≫ заполнено). Поле ≪состояние кадра≫ используется для отметки того, что принимающая станция опознала свой адрес и восприняла данные.

Топология сети Token Ring показана на рис. 2.5, а. Концентраторы служат для удобства управления сетью, в частности для отключения от кольца неисправных узлов. На рис. 2.5, б представлена схема подключения узлов к кольцу в концентраторах. Для отключения узла достаточно левые переключатели (см. рис. 2.5,6) поставить в верхнее положение, а правые переключатели — в нижнее (в нормальном режиме положение переключателей противоположное.

Типичная реализация сети Token Ring характеризуется следующими данными: максимальное число станций 96; максимальное число концентраторов 12; максимальная длина замыкающего кабеля 120 м; максимальная длина кабеля между двумя концентраторами или между концентратором и станцией 45 м; два варианта скорости передачи данных по линии 4 или 16 Мбит/с.

Функционирование сети заключается в следующем.

В кольцевых локальных сетях сигналы циркулируют по кольцу, состоящему из ряда отрезков линии связи, которые соединяют пары соседних узлов. Эти отрезки соединяются в узлах через повторители сигналов, выполняющие функции приема и передачи сигналов как из кольца и в кольцо, так и между АКД и линией. Повторители вносят некоторую задержку в передачу сигналов, поэтому общая задержка зависит от числа станций, включенных в кольцо.

Одним из способов взаимосвязи линии и АКД является способ вставки регистра. Станцию, получившую полномочия, называют активной станцией. Активная станция осуществляет вставку регистра в разрыв кольца и подключает передающий регистр, из которого в кольцо посылается передаваемый кадр.

Эти регистры являются сдвигающими. Кадр проходит через кольцо и возвращается на вставленный регистр. По пути его адресная часть проверяется остальными станциями, поскольку в них предусмотрена расшифровка адресной и управляющей информации. Если пакет предназначен данной станции, то принимается информационная часть пакета, проверяется правильность приема и при положительном результате проверки в кольцо направляется соответствующее подтверждение. Передающая (активная) станция одновременно с передачей сформированного в ней пакета принимает пакет, прошедший по кольцу, на вставленный регистр. В каждом такте сдвига в кольцо направляется очередной бит данных, а из кольца с некоторой задержкой возвращаются переданные биты. Если подтверждена правильность передачи, то переданные данные стираются в передающей станции, которая направляет в кольцо свободный маркер, если не подтверждена, то осуществляется повторная передача пакета.

Станции, готовые к передаче собственных данных, ждут прихода свободного маркера. Станция, получившая полномочия, вставляет свой регистр в кольцо, становясь активной, а вставленный ранее регистр исключается из кольца.

Циркулирующий по сети маркер состоит из следующих частей:

<ограничитель — Р — Т — М — R — ограничитель>.

Если Т= О, то маркер свободен. Тогда если он проходит мимо станции, имеющей данные для передачи, и приоритет станции не ниже значения, записанного в Р, то станция преобразует маркер в информационный кадр: устанавливает Т = 1 и записывает между R и конечным ограничителем адрес получателя, данные и другие сведения в соответствии с принятой структурой кадра. Информационный кадр проходит по кольцу, при этом происходит следующее: 1) каждая станция, готовая к передаче, записывает значение своего приоритета в R, если ее приоритет выше уже записанного в R значения; 2) станция-получатель, распознав свой адрес, считывает данные и отмечает в конце кадра (в бите «Статус кадра») факт приема данных.

Совершив полный оборот по кольцу, кадр приходит к станции-отправителю, которая анализирует состояние кадра. Если передача не произошла, то делается повторная попытка передачи, если произошла, то кадр преобразуется в маркер указанной выше структуры с Т= 0. При этом также происходят действия:

P:=R; R: = 0,

где Р w.R — трехбитовые коды.

При следующем обороте маркер будет захвачен той станцией-претендентом, у которой на предыдущем обороте оказался наивысший приоритет (именно его значение

записано в Р).

Сеть Token Ring рассчитана на меньшие предельные расстояния и число станций, чем сеть Ethernet, но лучше приспособлена к повышенным нагрузкам.

2. Сеть FDDI

Сеть FDDI относится к высокоскоростным сетям, имеет кольцевую топологию, использует ВОЛС и специфический вариант маркерного метода доступа. В основном варианте сети применено двойное кольцо на ВОЛС. Обеспечивается информационная скорость 100 Мбит/с. Расстояние между крайними узлами — до 200 км, между соседними станциями — не более 2 км. Максимальное число узлов 500. В ВОЛС применяются волны длиной 1300 нм. Два кольца ВОЛС используются одновременно. Станции можно подключать к одному из колец или к обоим сразу (рис. 2.6, а). Использование конкретным узлом обоих колец позволяет получить для этого узла суммарную пропускную способность 200 Мбит/с. Другое возможное применение второго кольца—обход с его помощью поврежденного участка путем объединения колец, как показано на рис. 2.6, б.

В сети FDDI используются оригинальные код и метод доступа. Применяется код THnaNRZ (без возвращения к нулю), в котором изменение полярности в очередном такте времени воспринимается как 1, отсутствие изменения полярности —как 0. Чтобы код был самосинхронизирующимся, после каждых четырех битов передатчик вырабатывает синхронизирующий перепад.

Такое специальное манчестерское кодирование называют 4b/5b. Запись 4b/5b означает код, в котором для самосинхронизации при передаче четырех битов двоичного кода используется пять битов так, что не может быть более двух нулей подряд, или после четырех битов добавляется еще один обязательный перепад, что и используется в FDDI.

При применении такого кода несколько усложняются блоки кодирования и декодирования, но при этом повышается скорость передачи по линии связи, так как почти вдвое уменьшается максимальная частота переключения по сравнению с манчестерским кодом.

В соответствии с методом FDDI по кольцу циркулирует пакет, состоящий из маркера и информационных кадров. Любая станция, готовая к передаче, распознав проходящий через нее пакет, вписывает свой кадр в конец пакета. Она же ликвидирует его после того, как кадр вернется к ней, сделав полный оборот по кольцу, и при условии, что он был воспринят получателем. Если обмен происходит без сбоев, то кадр, возвращающийся к станции-отправителю, оказывается в пакете уже первым, так как все предшествующие кадры должны быть ликвидированы раньше.

Сеть FDDI обычно используют как объединяющую в единую сеть многих отдельных подсетей ЛВС. Например, при организации информационной системы крупного предприятия целесообразно иметь ЛВС типа Ethernet или Token Ring в помещениях отдельных проектных подразделений, а связь между подраз­делениями осуществлять через сеть FDDI.