Лекции Информационные сети и телекоммуникации PDF

Информационные сети и телекоммуникации Эволюция компьютерных сетей Компьютерные сети появились в конце 60-х годов прошлого столетия и унаследовали многое от телефонных сетей. Компьютерные сети (сети передачи данных) являются результатом эволюции компьютер...

Информационные сети и телекоммуникации Эволюция компьютерных сетей Компьютерные сети появились в конце 60-х годов прошлого столетия и унаследовали многое от телефонных сетей. Компьютерные сети (сети передачи данных) являются результатом эволюции компьютерных и телекоммуникационных технологий. Первые компьютеры 50-х годов были большие, громоздкие и дорогие и предназначались для очень небольшого числа избранных пользователей. Тогда не было интерактивной работы, а применялся режим пакетной обработки. По мере удешевления компьютеров в начале 60-х годов начали развиваться интерактивные многотерминальные системы разделения времени. В то время был справедлив закон Гроша, в соответствии с которым производительность компьютера была пропорциональна квадрату его стоимости. Таким образом, на предприятие было выгодно купить одну мощную машину, чем две менее мощных за те же деньги. Поэтому потребность в локальных сетях на тот момент времени отсутствовала, зато потребность в соединении компьютеров, находящихся на большом расстоянии друг от друга, к тому времени уже назрела. Хронологически первыми появились глобальные сети, которые унаследовали очень многое у телефонных сетей. В течение многих лет глобальные сети строились на основе телефонных каналов. Отправной точкой в создании глобальной сети Internet стала сеть Министерства обороны ARPANET, т.е. первые глобальные сети начали появляться в 60-х гг. прошлого века. Важное событие, повлиявшее на эволюцию компьютерных сетей, произошло в начале 70-х гг. — это было появление больших интегральных схем, позволившее создавать компьютеры с большими вычислительными возможностями и меньшей стоимостью. Закон Гроша перестал действовать, поэтому на предприятиях стало появляться по нескольку мини-ЭВМ. Пользователей не удовлетворяла изолированная работа, и в результате появления потребностей в соединении нескольких компьютеров предприятия появились первые локальные сети, использовавшие нестандартные сетевые технологии. 1  Сетевая технология — это согласованный набор программных и аппаратных средств, а также механизмов передачи данных по линиям связи, достаточный для построения вычислительной сети. В середине 80-х гг. положение дел в локальных сетях кардинально изменилось — утвердились стандартные сетевые технологии, одной из них была Ethernet. Мощным стимулом для их появления послужили персональные компьютеры. Конец 90-х выявил явного лидера среди технологий локальных сетей семейства Ethernet. Модель обмена данными OSI Эталонная модель взаимодействия открытых систем OSI (Open System Interconnection) была создана, чтобы определить общий принцип работы сетевых процессов, включая различные компоненты сети и передачу данных. Открытой считается система, построенная в соответствии с общедоступными спецификациями. Общие сведения об обмене данными между хостами На ранних этапах развитие сетей во многом шло хаотично. Первые модели обмена данными между хостами были собственностью поставщика, причем каждый поставщик контролировал свои собственные приложения и программное обеспечение для обмена данными. Приложение, созданное одним поставщиком, не функционировало в сети, разработанной другим. Развитие технологий подтолкнёт к появлению решений с компонентами от разных поставщиков. Первым шагом было разграничение прикладного программного обеспечения и программного обеспечения для обмена данными. Это позволило внедрять новые технологии обмена данными, не создавая новые приложения, но все равно нужно было использовать программное обеспечение для обмена данными и аппаратное обеспечение от одного поставщика. Стало очевидно, что для использования программного обеспечения обмена данными и аппаратного обеспечения от разных поставщиков необходим многоуровневый подход с четко определенными правилами взаимодействия между уровнями. Эталонная модель OSI Эталонная модель OSI описывает аппаратное и программное обеспечение, а также передачу данных. Состоит из семи уровней и определяет функции сети, реализуемые на каждом уровне. 1  1) На физическом уровне определены электрические, механические, процедурные и функциональные характеристики активации, поддержания и отключения физического канала между конечными системами. Технические характеристики физического уровня определяют такие параметры, как уровни напряжения, синхронизацию на изменение напряжения, физическую скорость передачи данных, максимальное расстояние передачи данных, физические подключения и другие аналогичные характеристики. 2) На канальном уровне определяется формат данных для передачи и методы контроля доступа к физическим средам. Этот уровень также включает функции обнаружения и коррекции ошибок для обеспечения надёжной передачи данных. 3) Сетевой уровень обеспечивает связь и выбор пути между двумя хостами, которые могут находиться в сетях, географически удалённых друг от друга. Развитие сети интернет увеличило число пользователей, получающих доступ к информации на веб-сайтах, расположенных по всему миру, и именно на сетевом уровне реализуется управление связью. 4) На транспортном уровне выполняется сегментация данных от передающего хоста и реорганизация данных в поток в принимающем хосте. Файлы разбиваются на более мелкие сегменты, которые с меньшей вероятностью могут столкнуться с проблемами при передаче. Транспортный уровень скрывает детали передачи данных конкретных уровней, создаёт, поддерживает и корректно завершает виртуальные каналы, имеет функции обнаружения и коррекции ошибок, а также управление потоками данных. 5) На сеансовом уровне выполняется создание, управление и завершение сеансов между двумя хостами, обменивающимися данными. На нём выполняется синхронизация диалога между представительскими 1 уровнями двух хостов и управление обмена данными между ними. На этом же уровне используются классы обслуживания и настройка приоритетов трафика. 6) Представительский уровень гарантирует, что сведения, передаваемые на прикладном уровне одной системы, могут быть распознаны на прикладном уровне другой системы. 7) Прикладной уровень находится ближе всего к пользователю. На нём представляются сетевые услуги для таких пользовательских приложений, как веб-браузер, электронная почта, пересылка файлов и т.д. Инкапсуляция и декапсуляция Данные, передаваемые по сети, должны пройти процесс преобразования как на передающей, так и на принимающей системе. Этот процесс преобразования называется капсуляцией и декапсуляцией данных. Информация, передаваемая по сети, подвергается процессу инкапсуляции, во время которого данные разбиваются на пакеты. При перемещении данных через уровни модели OSI на каждом уровне к данным добавляется заголовок и, при необходимости, концевая метка. Заголовки и концевые метки содержат контрольную информацию для сетевых устройств и приёмника, которая обеспечивает корректную доставку данных и их правильную интерпретацию на приёмнике. При получении данных другим хостом производится обратный процесс, называемый декапсуляцией. Выбор аппаратуры имеет важнейшее значение на этапе проектирования сети, т.к. стоимость аппаратуры составляет наиболее существенную часть от стоимости сети в целом, а замена аппаратуры связана не только с дополнительными расходами, но зачастую и с трудоёмкими работами. К сетевым устройствам относятся: сетевые адаптеры, повторители, концентраторы, коммутаторы, мосты, маршрутизаторы и шлюзы. Сетевой адаптер Это основная часть аппаратуры локальной сети. Назначение сетевого адаптера — сопряжение компьютера или другого абонента с сетью, т.е. обеспечение обмена информацией между абонентом и каналом связи в соответствии с принятыми правилами обмена. Сетевой адаптер реализует функции двух нижних уровней модели OSI. Сетевые адаптеры 1 выполняются либо в виде платы, вставляемой в слот расширения системной платы компьютера, либо распаиваются на ней. Плата сетевого адаптера обычно имеет один или несколько внешних разъёмов для подключения к ней кабеля сети или антенны. Функции сетевого адаптера делятся на магистральные и сетевые. К магистральным относятся функции, осуществляющие взаимодействие адаптера с системной шиной компьютера (опознание своего магистрального адреса, пересылка данных в компьютер и из компьютера, выработка сигнала прерывания работы компьютера и т.д.). Сетевые функции обеспечивают общение адаптера с сетью: 1) Преобразование логических сигналов в сетевые (электрические или световые) и обратно 2) Кодирование и декодирование сетевых сигналов 3) Опознание принимаемых пакетов 4) Организация доступа к сети в соответствии с принятым методом управления обменом 5) Подсчёт контрольной суммы пакетов при передаче и приёме Типичный алгоритм взаимодействия компьютера с сетевым адаптером выглядит следующим образом: если компьютер хочет передать пакет, то он сначала формирует пакет в своей памяти, затем пересылает его в буферную память сетевого адаптера и даёт команду адаптеру на передачу. Адаптер анализирует текущее состояние сети и при первой же возможности выдаёт пакет в сеть, при этом он производит преобразование информации из буферной памяти в последовательный вид для побитной передачи по сети, подсчитывает контрольную сумму, кодирует биты пакета в сетевой код и через узел гальванической развязки подаёт пакет в кабель сети. Буферная память позволяет освободить компьютер от контроля состояния сети, а также обеспечить требуемый для сети темп выдачи информации. Если по сети приходит пакет, то сетевой адаптер через узел гальванической развязки принимает бит пакета, производит декодирование из сетевого кода и сравнивает сетевой адрес приёмника из пакета со своим собственным MAC-адресом. Если адрес совпадает, то сетевой адаптер записывает пришедший пакет в свою буферную память и сообщает компьютеру о том, что пришёл пакет и его надо читать. Одновременно с записью пакета производится подсчёт контрольной суммы, что позволяет к концу приёма сделать вывод, имеются ли ошибки в этом пакете. Повторитель 1  Восстанавливает ослабленные сигналы (их амплитуду и форму), приводя их к исходному виду. Цель такой ретрансляции сигналов состоит в увеличении длины сети. Повторители не производят никакой информационной обработки проходящих через них сигналов и работают на физическом уровне модели OSI. Концентратор Это сетевое устройство, предназначенное для объединения нескольких устройств в сети в общий сегмент, а также для объединения в сеть нескольких сегментов. Концентратор работает на физическом уровне модели OSI, повторяет приходящий на один порт сигнал на все активные порты. Все подключённые устройства разделяют между собой предоставляемую полосу доступа. В последнее время концентраторы используются достаточно редко, вместо них получили распространение коммутаторы. Коммутатор Это устройство, предназначенное для соединения нескольких узлов компьютерной сети в пределах одного сегмента сети. В отличие от концентратора, который передаёт данные от одного подключённого устройства ко всем остальным, коммутатор передаёт данные только получателю — исключением является широковещательный трафик, адресованный всем узлам сети. Это повышает производительность и безопасность сети, избавляя остальные сегменты сети от необходимости обрабатывать данные, которые им не предназначались. Коммутатор работает на канальном уровне модели OSI и объединяет узлы одной сети по их MAC-адресам. Он выполняет и функции физического уровня. Коммутатор хранит в памяти таблицу коммутации, в которой указывается соответствие MAC-адреса узла порту коммутатора. При включении коммутатора эта таблица пуста, и он работает в режиме обучения. В этом режиме поступающие на какой-либо порт данные передаются на все порты коммутатора, при этом коммутатор анализирует кадры и, определив MAC- адрес отправителя, заносит его в таблицу. Впоследствии, если на один из портов коммутатора поступит кадр, предназначенный для хоста, MAC- адрес которого уже есть в таблице, этот кадр будет передан только через порт, указанный в таблице. Со временем коммутатор строит полную таблицу для всех своих портов, и в результате трафик локализуется. Мост Это наиболее простое устройство, служащее для объединения сети с разными стандартами обмена. В отличие от коммутаторов мосты принимают поступающие пакеты целиком и, в случае необходимости, 1 производят их простейшую обработку. Мосты работают на канальном уровне модели OSI. Маршрутизатор (роутер) Осуществляет выбор оптимального маршрута для каждого пакета с целью избегания чрезмерной нагрузки в отдельных участках сети и обхода повреждённых участков. Они применяются, как правило, в сложных разветвлённых сетях, имеющих несколько маршрутов между отдельными абонентами. Маршрутизаторы работают на сетевом уровне модели OSI и анализируют не только MAC-адреса пакета, но и IP-адреса, т.е. более глубоко проникают в передаваемый пакет. Маршрутизаторы работают только с сетями, использующими одинаковые протоколы. Маршрутизатор использует адрес получателя, указанный в пакетах данных, и определяет по таблице маршрутизации путь, по которому следует передавать данные. Таблица маршрутизации может составляться двумя способами: статически, когда записи в таблице вводятся и изменяются вручную, и динамически, когда записи в таблице обновляются автоматически при помощи одного или нескольких протоколов маршрутизации. Шлюз Устройство для соединения сетей с сильно отличающимися протоколами. Например, для соединения локальных сетей с большими ЭВМ или с глобальными сетями. Шлюзы работают на верхних уровнях модели OSI и могут принять пакет, сформированный под одним протоколом, и конвертировать в пакет другого протокола перед отправкой в другой сегмент сети. В качестве шлюза может выступать как специализированное аппаратной устройство, так и обычный компьютер со специальным ПО. Физические среды передачи информации Средой передачи информации называются те линии или каналы связи, по которым производится обмен информацией между компьютерами. Все кабели можно разделить на три группы: 1) Электрические медные кабели на основе витых пар проводов 2) Электрические медные коаксиальные кабели 3) Оптоволоконные кабели Каждый тип кабеля имеет свои преимущества и недостатки, поэтому при выборе надо учитывать как особенности решаемых задач, так и особенности конкретной сети. 1  Можно выделить следующие основные параметры кабелей, принципиально важные для использования в информационных сетях: 1) Полоса пропускания кабеля (частотный диапазон сигналов, пропускаемых кабелем) и затухания сигнала кабеля. Два этих параметра тесно связаны между собой, т.к. с ростом частоты сигнала растёт затухание сигнала. Затухание измеряется в децибелах и пропорционально длине кабеля. 2) Помехозащищённость кабеля и обеспечиваемая им секретность передачи информации. Эти два взаимосвязанных параметра показывают, как кабель взаимодействует с окружающей средой, т.е. как он реагирует на внешние помехи и насколько просто прослушать информацию, передаваемую по кабелю. 3) Скорость распространения сигнала по кабелю и обратный параметр — задержка сигнала на метр длины кабеля. Этот параметр имеет важное значение при выборе длины сети. Типичные величины скорости распространения сигнала — 0,6–0,8 от скорости распространения света в вакууме. Соответственно, типичные величины задержек 4–5 нс/м. 4) Для электрических кабелей очень важна величина волнового сопротивления кабеля, которая определяется как отношение амплитуды напряжения бегущей волны к амплитуде силы тока бегущей волны. Волновое сопротивление зависит от формы и взаиморасположения проводников, от технологии изготовления и материала диэлектрика кабеля. Типичное значение волнового сопротивления — 50–150 Ом. Витая пара Витые пары проводов используются в самых распространённых кабелях. Кабель на основе витых пар представляет собой несколько пар скрученных попарно изолированных медных проводов в единой диэлектрической оболочке. Он гибкий и удобный для прокладки. Скручивание проводов позволяет свести к минимуму индуктивные наводки кабелей друг на друга и снизить влияние переходных процессов. В зависимости от наличия защиты — электрически заземлённой медной оплётки или алюминиевой фольги вокруг скрученных пар — различают следующие разновидности витой пары: Экранирование Название Внешнее экранирование витых пар U/UTP - - U/FTP - фольга F/UTP фольга - S/FTP медная оплётка фольга 1  SF/UTP медная оплётка, фольга - Экранирование обеспечивает лучшую защиту от электромагнитных наводок как внешне, так и внутренне. Существует несколько категорий кабеля витая пара, которые номеруются от Cat. 1 до Cat. 7 и определяют эффективный пропускаемый частотный диапазон. Cat. 1: полоса частот — 0,1 МГц, всего одна пара. Это стандартный телефонный кабель. Используется только для передачи голоса или данных при помощи модема. Cat. 2: полоса частот — 1 МГц, две пары проводников. Поддерживает передачу данных на скоростях до 4 Мб/с в сетях Token Ring и ArchNet. Cat. 3: полоса частот — 16 МГц, четыре пары проводников. Использовался при построении телефонных и локальных сетей Ethernet и Token Ring. Поддерживает скорость передачи данных до 10 Мб/с. Cat. 4: полоса частот — 20 МГц, четыре пары. Использовался в сетях Ethernet, Token Ring на скоростях до 16 Мб/с. Cat. 5: полоса частот — 100 МГц, четыре пары. Использовался при построении локальных сетей Ethernet и для прокладки телефонных линий. Поддерживает скорость передачи данных до 100 Мб/с при использовании двух пар. Cat. 5e: полоса частот — 125 МГц, четыре пары. Усовершенствованная категория 5. Скорость передачи данных — до 100 Мб/с при использовании двух пар и до 1000 Мб/с при использовании четырёх пар. Кабель категории 5e является самым распространённым и используется для построения компьютерных сетей. Cat. 6: полоса частот — 250 МГц. Скорость передачи данных — до 100 Мб/с и до 10 Гб/с на расстоянии до 50 м. Cat. 6a: полоса частот — 500 МГц. Скорость до 10 Гб/с. Cat. 7: полоса частот — 600 МГц, скорость — до 10 Гб/с. Cat. 7a: полоса частот — 1000 МГц, скорость — до 40 Гб/с. Для присоединения витых пар используются разъёмы RJ45, имеющие восемь контактов. Присоединяются разъёмы к кабелю с помощью специальных обжимных инструментов. Коаксиальный кабель 1  Коаксиальный кабель представляет собой электрический кабель, состоящий из центрального медного провода и металлической оплётки. Основное применение коаксиальный кабель находит в сетях с топологией «Шина». При этом на концах кабеля устанавливаются специальные терминальные разъёмы для предотвращения внутренних отражений сигнала. Волновое сопротивление кабеля чаще всего составляет 50 Ом. Существует два основных типа коаксиального кабеля: тонкий кабель, имеющий диаметр около 5 мм, более гибкий; толстый кабель диаметром 10–12 мм, значительно более жёсткий. Тонкий кабель используется для передачи на меньшие расстояния, чем толстый, поскольку сигналы затухают сильнее, до 185 м и до 500 м соответственно. Оптоволоконный кабель Структура оптоволоконного кабеля очень проста и похожа на структуру коаксиального кабеля, только вместо центрального медного провода используется тонкое стекловолокно, а вместо внутренней изоляции — специальная оболочка, не позволяющая свету выходить за пределы стекловолокна. Оптоволоконный кабель обладает отличными характеристиками по помехозащищённости и секретности передаваемой информации. Никакие внешние электромагнитные помехи в принципе не способны исказить световой сигнал, а сам сигнал не порождает внешних электромагнитных излучений. Теоретически возможная полоса пропускания такого кабеля достигает 1000 ГГц, что несравнимо полосы пропускания электрических кабелей. Стоимость оптоволоконного кабеля постоянно снижается и сейчас примерно равна стоимости медного кабеля. Однако оптоволоконный кабель имеет некоторые недостатки. Самый главный из них — высокая сложность монтажа. От точности скола стекловолокна и степени его полировки сильно зависит затухание в разъёме. Для установки разъёмов применяют специальную сварку. Некачественная установка разъёма резко снижает допустимую длину кабеля и скорость передачи, определяемую затуханием. Использование оптоволоконного кабеля требует специальных оптических приёмников и передатчиков, преобразующих световые сигналы в электрические и обратно. Оптоволоконный кабель менее гибок и прочен, чем электрический, плохо переносит механическое растяжение. Существует два различных типа оптоволоконного кабеля — многомодовый (мультимодовый) — более дешёвый, но менее качественный — и одномодовый — более дорогой, но с лучшими характеристиками. Суть 1 различия между этими двумя типами сводится к разным режимам прохождения световых лучей в кабеле. В одномодовом кабеле практически все лучи проходят один и тот же путь, в результате чего они достигают приёмника одновременно, и форма сигнала почти не искажается. Диаметр центрального волокна — до 10 мкм. Дисперсия и потеря сигнала при этом очень незначительны, что позволяет передавать сигналы на значительно большее расстояние, чем в случае применения многомодового кабеля. Для одномодового кабеля применяются лазерные приёмопередатчики, использующие свет исключительно с требуемой длиной волны. В многомодовом кабеле траектории световых лучей имеют заметный разброс, в результате чего форма сигналов на приёмном конце кабеля искажается. Центральное волокно имеет диаметр 50 или 62,5 мкм. Для передачи используется обычный светодиод. При этом наблюдается разброс [?]. Бескабельные каналы связи Работа сети на разделяемой Назначение пакетов и их структура Информация в сетях, как правило, передаётся отдельными порциями, называемыми пакетами, причём предельная длина этих пакетов ограничена как сверху, так и снизу. Выбор пакетной передачи связан с несколькими важными соображениями. Если бы вся требуемая информация передавалась каким-то абонентам сразу, непрерывно, без разделений на пакеты, то это привело бы к монопольному захвату сети этим абонентом на продолжительное время. Все остальные абоненты вынуждены были бы ждать окончания передачи всей информации. С тем, чтобы уравнять в правах всех абонентов, а также сделать примерно одинаковыми для всех них величину времени доступа к сети и интегральную скорость передачи информации, как раз применяются пакеты ограниченной длины. Важно также и то, что при передаче больших массивов информации вероятность ошибки из-за помех и сбоев достаточно высока. С другой стороны, каждый пакет, помимо данных, которые требуется передать, содержат некоторое количество служебной информации. Прежде всего это адресная информация, которая определяет, от кого и кому передаются данные пакетов. Если порция передаваемых данных будет очень маленькой, например, несколько байт, то доля служебной 1 информации станет непозволительно высокой, что резко снизит интегральную скорость обмена информацией по сети. Существует некоторый диапазон длин пакетов, который близок к оптимальному значению. Таким образом, процесс информационного обмена в сети представляет собой чередование пакетов, каждый из которых содержит информацию, передаваемую от абонента к абоненту. Структура и размеры пакета в каждой сети определены стандартом на данную сеть и связаны, прежде всего, с аппаратными особенностями данной сети, выбранной топологией и типом среды передачи информации. Но существуют некоторые общие принципы формирования структуры пакета, которые учитывают характерные особенности обмена информацией по любым информационным сетям. Типовая структура пакета Преамбула — это стартовая комбинация битов, которая обеспечивает предварительную настройку сетевого адаптера на приём и обработку пакетов. Идентификатор приёмника (сетевой адрес принимающего абонента) позволяет приёмнику распознать пакет, адресованный ему лично, группе, в которую он входит, или всем абонентам сети одновременно. Идентификатор передатчика (сетевой адрес передающего абонента) информирует принимающего абонента, откуда пришёл данный пакет. Управляющая (служебная) информация может указывать на тип пакета, его номер, размер, формат, маршрут его доставки, на то, что с ним надо делать приёмнику и т.д. 1  Данные — это та информация, ради передачи которой используется пакет. В отличие от всех остальных полей пакета, поле данных имеет переменную длину, которая определяет полную длину пакета. Существуют специальные управляющие пакеты, которые не имеют поля данных. Их можно рассматривать как сетевые команды. Пакеты, включающие поле данных, называются информационными пакетами. Управляющие пакеты могут выполнять функцию начала и конца сеанса связи, подтверждения приёма информационного пакета, запроса информационного пакета и т.д. Контрольная сумма — это числовой код, формируемый передатчиком по определённым правилам и содержащий в свёрнутом виде информацию обо всём пакете. Приёмник, повторяя вычисления, сделанные передатчиком, с принятым пакетом, сравнивает их результат с контрольной суммой и делает вывод о правильности или ошибочности передачи пакета. Если пакет ошибочен, то приёмник запрашивает его повторную передачу. Стоповая комбинация служит для информирования аппаратуры принимающего абонента об окончании пакета, обеспечивает выход аппаратуры приёмника из состояния приёма. Это поле может отсутствовать, если используется самосинхронизирующийся код, позволяющий определять момент окончания передачи пакета. Помимо термина «пакет» также нередко применяется термин «кадр». Кадр вложен в пакет, то есть все перечисленные поля пакета, кроме преамбулы и стоповой комбинации, относятся к кадру. Каждый абонент сети должен иметь свой уникальный адрес (идентификатор или MAC-адрес), для того чтобы ему можно было адресовать пакеты. В большинстве сетей подход к адресации состоит в том, чтобы присваивать уникальный сетевой адрес каждому адаптеру сети ещё на этапе его изготовления. Используется 48-битный формат адреса, что соответствует примерно 280 трлн различных адресов. Для распределения возможных диапазонов адресов между многочисленными изготовителями сетевых адаптеров используется следующая структура адреса: Структура MAC-адреса 1  OUA — организационный уникальный адрес. Именно их присваивает каждый зарегистрированный производитель сетевых адаптеров. Всего возможно свыше 16 млн комбинаций. OUI — организационный уникальный идентификатор. Каждому производителю сетевых адаптеров присваивается один или несколько OUI. Это позволяет исключить совпадение адресов адаптера от разных производителей. Всего возможно свыше 4 млн разных OUI. Вместе OUA и OUI составляют UAA — универсальный администрированный адрес. I/G и U/L определяют тип адреса, способ интерпретации остальных 46 разрядов. Второй управляющий бит называется флажком универсального/местного управления и определяет, как был присвоен адрес данному сетевому адаптеру. Обычно установлен, что означает, что адрес присвоен производителем. Установка бита U/L в единицу означает, что адрес задан не производителем сетевого адаптера, а организацией, использующей данную сеть. Это случается довольно редко. Методы управления обменом В сеть объединены несколько абонентов, каждый из которых имеет право передавать свои пакеты, но по одному кабелю одновременно передавать несколько пакетов нельзя, иначе может возникнуть коллизия (конфликт), которая приведёт к искажению либо потере всех передаваемых пакетов. Следовательно, необходимо установить очерёдность доступа к сети всеми абонентами, желающими передавать. Это относится прежде всего к сетям с топологиями «шина» и «кольцо». В любой сети обязательно применяется тот или иной метод управления обменом (метод доступа), разрешающий или предотвращающий конфликты между абонентами. Методы управления обменом в сетях делятся на две группы: Централизованные, в которых всё управление обменом сосредоточено в одном месте. Достоинство централизованных методов — отсутствие конфликтов, т.к. центр всегда предоставляет право на передачу только одному абоненту и ему не с кем конфликтовать. Недостатки таких методов — это неустойчивость к отказу центра и малая гибкость управления. Децентрализованные, в которых отсутствует центр управления. Всеми вопросами управления, в том числе предотвращением, обнаружением и разрешением конфликтов занимаются все абоненты сети. 1 Главные достоинства децентрализованных методов — высокая устойчивость к отказам и большая гибкость, однако в данном случае возможны конфликты, которые надо разрешать. Децентрализованные методы делятся на два типа: Детерминированные, которые определяют чёткие правила, по которым чередуются захватывающие сеть абоненты. Абоненты имеют определённую систему приоритетов, причём приоритеты эти различны для всех абонентов. При этом, как правило, конфликты полностью исключены или крайне маловероятны. Но некоторые абоненты могут дожидаться своей очереди на передачу слишком долго. К детерминированным методам относится, например, маркерный доступ, при котором право передачи передаётся по эстафете от абонента к абоненту. Случайные, которые подразумевают случайное чередование передающих абонентов. При этом возможность конфликтов подразумевается, но предлагаются способы их решения. Случайные методы не гарантируют абоненту величину времени доступа и работают хуже детерминированных при большом трафике в сети. В то же время они более устойчивы к отказам сетевого оборудования и более эффективно используют сеть при малой интенсивности обмена. При использовании децентрализованного случайного метода управления обменом все абоненты имеют равные права доступа к сети. Решение о том, когда можно передавать свой пакет, принимается каждым абонентом на месте, исходя только из анализа состояния сети. В данном случае возникает конкуренция между абонентами за захват сети и, следовательно, возможны конфликты между ними и искажения передаваемой информации из-за наложения пакетов. Метод случайного доступа CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection — множественный доступ с прослушиванием несущей и обнаружением коллизий. Его главное достоинство в том, что все абоненты полностью равноправны и ни один из них не может надолго заблокировать обмен другому. В этом методе коллизии не предотвращаются, а разрешаются. BT (Bit Time, битовый интервал) — длительность передачи одного бита. IPG (Inter-Packet Gap, межпакетный интервал) — минимальный интервал между пакетами. IPG = 96 BT. PDV (Path Delay Value, задержка в пути) — двойное время прохождения сигнала между абонентами сети. 1  ST (Slot Time, время канала, квант времени) — максимально допустимое PDV (ST = 512 BT). Максимальный диаметр сети — допустимая длина сети (PDV = ST = 512 BT). Jam (сигнал-пробка) — последовательность длительностью 32 BT для усиления коллизии. Truncated Binary Exponential Back Off (усечённая двоичная экспоненциальная отсрочка) — задержка перед повторной передачей пакета после коллизии. Суть метода состоит в том, что абонент начинает передавать сразу, как только он выяснит, что сеть свободна. Если возникают коллизии, то они обнаруживаются всеми передающими абонентами, после чего все абоненты прекращают свою передачу и возобновляют попытку начать новую передачу пакета через временной интервал, длительность которого выбирается случайным образом. В примере на рисунке узел обнаружил, что среда свободна, и начинает передавать. Кадр данных всегда сопровождается преамбулой, которая состоит из восьми байт. Последний байт носит название «ограничителя начала кадра». Преамбула нужна для вхождения приёмника в побитовую и побайтовую синхронизацию с передатчиком. Наличие двух единиц, идущих подряд, говорит приёмнику о том, что преамбула закончилась и следующий бит является началом кадра. Все станции, подключённые к кабелю, начинают записывать байты передаваемого кадра в свой внутренний буфер. Первые 6 байт кадра содержат адрес назначения, та станция, которая узнаёт собственный адрес в заголовке кадра, продолжает записывать его содержимое в свой внутренний буфер. а остальные станции на этом приём кадра прекращают. Станция назначения обрабатывает полученные данные и передаёт их вверх по своему стеку. Кадр Ethernet содержит не только адрес назначения, но и адрес источника данных, поэтому станция-получатель знает, кому нужно послать ответ. Узел 2 во время передачи пакета узлом 1 также пытался начать передачу своего пакета, однако обнаружил, что среда занята — на ней присутствует несущая частота, поэтому узел 2 вынужден ждать, пока узел 1 не прекратит передачу пакета. После окончания передачи пакета все узлы обязаны выдержать технологическую паузу, равную межпакетному интервалу. Эта пауза нужна для приведения сетевых адаптеров в исходное состояние, а также для предотвращения монопольного захвата среды одной станцией. После 1 окончания технологической паузы узлы имеют право начать передачу своего пакета, т.к. среда свободна. В приведённом примере узел 2 дождался окончания передачи кадра узлом 1, сделал паузу в 9,6 мкс и начал передачу своего пакета. В примере на рисунке коллизию породила одновременная передача данных узлами 3 и 1. Для возникновения коллизии не обязательно, чтобы несколько станций начали передачу абсолютно одновременно. Такая ситуация маловероятна. Более вероятна ситуация, когда один узел начинает передачу, а через некоторое короткое время другой узел, проверив среду, и не обнаружив несущую, т.к. сигналы первого узла ещё не успели до него дойти, начинает передачу своего кадра. Таким образом, возникновение коллизии является следствием распределения узлов сети в пространстве. Чтобы корректно обработать коллизию, все станции одновременно наблюдают за возникающими на кабеле сигналами. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется факт обнаружения коллизии. Для повышения вероятности скорейшего обнаружения коллизии всеми станциями сети станция, обнаружившая коллизию, прерывает передачу своего кадра и усугубляет коллизию посылкой в сеть сигнала- пробки (Jam’а). После этого обнаружившая коллизию передающая станция обязана прекратить передачу и сделать паузу в течение короткого случайного интервала времени. Затем она может снова предпринять попытку захвата среды при передаче пакета. Случайная пауза выбирается по следующему алгоритму: 100BASE-T4 Основное отличие 100BASE-T4 от 100BASE-TX состоит в том, что передача производится не по двум, а по четырём неэкранированным витым парам, при этом кабель может быть менее качественным, чем в случае 100BASE-TX, а именно категорий 3, 4 или 5. Принятая в 100BASE-T4 система кодирования сигналов обеспечивает ту же самую скорость 100 Мб/с на любом из этих кабелей. Схема объединения компьютера в сеть ничем не отличается от 100BASE-TX: 1  Для реализации передачи информации со скоростью 100 Мб/с по кабелю с малой полосой пропускания в сегменте 100BASE-T4, называющийся 8B/6T. Его идея состоит в том, что 8 бит, которые необходимо передать, преобразуются в 6 тернарных (трёхуровневых с уровнями –3,5 В; +3,5 В; 0 В) за два такта дополнительно сигналы, передаваемые в кабель, кодируются по методу MLT-3. 100BASE-FX Применение оптоволоконного кабеля в сегменте 100BASE-FX позволяет существенно увеличить протяжённость сети, а также избавиться от электрических наводок и повысить секретность передаваемой информации. Аппаратура 100BASE-FX очень близка к аппаратуре 10BASE- FL: 1  Максимальная длина кабеля составляет 412 м для мультимодового кабеля при полудуплексном режиме, 2 км для мультимодового кабеля при полнодуплексном режиме и до 100 км для одномодового кабеля при полнодуплексном режиме. Используемый метод кодирования — 4B/5B, как и в сегменте 100BASE-TX, что позволяет довольно просто осуществлять сопряжение этих двух сегментов. Дополнительное кодирование — NRZI. 1000BASE-SX Стандарт GigabitEthernet принят в 1998 г. 1000BASE-SX представляет собой волоконный оптический гигабитный Ethernet, работающий по мультимодовому оптоволокну. Стандарт определяет длину кабеля до 550 м. 1000BASE-LX Предназначен для работы с одномодовым кабелем на расстоянии до 5 км. 1000BASE-LX также может работать с мультимодовым кабелем с максимальной длиной сегмента 550 м. 1000BASE-CX Является исходным стандартом для гигабитного Ethernet через твинаксиальный кабель с максимальной дистанцией 25 м со сбалансированными экранированной витой парой и специальным разъёмом. Заменён стандартом 1000BASE-T и сейчас не используется. 1000BASE-T Стандарт 1000BASE-T использует витую пару категории 5 или лучше. В передаче данных участвуют 4 пары. Скорость передачи данных — 250 Мб/с по одной паре. Расстояние до 100 м. Используется метод кодирования PAM5, частота основной гармоники — 62,5 МГц. 1  Классы концентраторов Существует два класса концентраторов Ethernet/Fast Ithernet, отличающихся друг от друга своими функциональными возможностями и областями применения. Концентраторы класса II — классические концентраторы, использовавшиеся с самого начала в сетях Ethernet, а затем и в сетях Fast Ethernet. Эти концентраторы непосредственно повторяют приходящие на них из сегмента сигналы и передают их в другие сегменты без какого бы то ни было преобразования. Поэтому к ним можно подключать сегменты, использующие одну систему сигналов (например, сегменты 10BASE-T) или разные сегменты, использующие один код передачи (например, 100BASE- TX и 100BASE-FX). Концентраторы класса I преобразуют приходящие по сегментам сигналы в цифровую форму, прежде чем передавать их во все другие сегменты, применяются только в сетях Fast Ethernet. Они содержат декодирующие и кодирующие узлы и способны преобразовывать коды, применяемые в разных сегментах. Поэтому к ним можно одновременно присоединять сегменты разных типов, например, 100BASE-TX, 100BASE- T4 и 100BASE-FX. Но этот процесс двойного преобразования кодов требует времени, поэтому данные концентраторы оказываются медленнее (по стандарту, их задержка составляет не более 140 BT). Задержка сигналов в концентраторах класса II меньше, чем в концентраторах класса I. Она составляет от 67 BT (для 100BASE-T4) до 92 BT (для 100BASE-TX/FX). Выбор конфигурации сетей Ethernet и Fast Ethernet Выбор конфигурации Ethernet При выборе конфигурации сети Ethernet, состоящей из сегментов различных типов, возникает много вопросов, связанных прежде всего с максимально допустимым размером сети и максимально возможным числом различных элементов. Сеть будет работоспособной только в том случае, если задержка распространение сигнала в ней не превысит предельной величины. При использовании коммутаторов конфликты в отдельных сегментах решаются на месте в самих сегментах и не распространяются по сети, как в случае применения концентраторов. Общая длина сети определяется размером зоны конфликта, то есть области коллизий. Таким образом, применение концентраторов не разделяет зону конфликта, в то время как каждый коммутатор делит зону конфликта на части. В случае применения коммутатора оценивать работоспособность сети надо для каждого сегмента сети отдельно, а при использовании концентраторов для сети в целом при 1 выборе и оценке конфигурации Ethernet используются две основные модели. Правила модели 1 Первая модель формулирует набор правил, которые необходимо соблюдать при соединении отдельных компьютеров и сегментов. Необходимо проверять ограничения, связанные с количеством сегментов, концентраторов, репитеров длиной отдельного сегмента, общей длиной сети и т.д. Расчёт по модели 2 Вторая модель, принимаемая для оценки конфигурации Ethernet, основана на точном расчёте временных характеристик выбранной конфигурации сети. Эта модель иногда позволяет выйти за пределы жёстких ограничений модели 1. В модели 2 используется 2 шага расчётов: 1) Вычисление двойного времени прохождения сигнала PDV по сети и сравнение его с максимально допустимой величиной. 2) Проверка допустимости величины получаемого межпакетного временного интервала IPG в сети. При этом вычисления ведутся для наихудшего случая, то есть для пути максимальной длины (пути, который требует для своего прохождения максимальное время). На первом шаге расчётов выделяют три типа сегментов: 1) Начальный сегмент, соответствующий началу пути максимальной длины. 2) Конечный сегмент, расположенный в конце пути максимальной длины. 3) Промежуточный сегмент, входящий в путь максимальной длины, но не являющийся ни начальным, ни конечным. Промежуточных сегментов в выбранном пути может быть несколько, а начальный и конечный сегменты при разных расчётах могут меняться местами друг с другом. Для расчётов используются величины задержек, представленные в таблице: 1  Методика расчёта сводится к следующему: 1) В сети выделяется путь максимальной длины. Все дальнейшие расчёты ведутся для него. Если этот путь не очевиден, то рассчитываются все возможные пути, затем на основании этого выбирается путь максимальной длины. 2) Рассчитывается двойное время прохождения сигнала в каждом сегменте по формуле: PDVs = t0 + L * t1 3) Суммарная величина задержек всех сегментов выделенного пути не должна превышать предельной величины 512 BT 4) Затем необходимо проделать те же действия для обратного направления выбранного пути На втором шаге в модели 2 применяют соответствие стандарту величины пакетного интервала IPG. Эта величина изначально должна соответствовать 96 BT. Однако при прохождении пакетов через репитеры и концентраторы межпакетный интервал может сокращаться, вследствие чего 2 пакета могут восприниматься абонентом, как один. Допустимое сокращение IPG определено стандартом в 49 BT. Если время сигнала PDV в обоих случаях не превышает 512 BT и сокращение IPG не превышает 49 BT, то сеть считается работоспособной. 1 PDV1 = 11,8 + 150 * 0,103 = 27,5 PDV2 = 42 + 100 * 0,113 = 53,3 PDV3 = 42 + 85 * 0,103 = 51,605 PDV4 = 33,5 + 1000 * 0,1 = 113,5 PDV5 = 165 + 70 * 0,113 = 172,91 PDV = 438,716 < 512 ⇅ PDV1 = 15,3 + 70 * 0,113 = 23,21 PDV2 = 33,5 + 1000 * 0,1 = 133,5 PDV3 = 51,605 PDV4 = 53,3 PDV5 = 165 + 150 * 0,103 = 180,45 PDV = 442,056 < 512 IPG = 16 + 11 +11 + 8 = 46 < 49 ⇅ IPG = 16 + 8 +11 + 11 = 46 < 49 1