Введение в сетевые технологии
И.Л.Пластун
СЕТИ ЭВМ
Учебное пособие
для студентов специальностей 220400, 075500
Саратов 2005
УДК 681.31
ББК 32.973
П 37
Рецензенты:
кафедра прикладной информатики и информационного менеджмента Поволжской академии госслужбы;
профессор кафедры теоретической и математической физики Саратовского государственного университета Л.М. Бабков
Одобрено
редакционно-издательским советом
Саратовского государственного технического университета
Пластун И.Л.
П 37 Сети ЭВМ:
Учеб. пособие. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2005. 75с.
ISBN 5-7433-1126-9
Учебное пособие представляет собой курс лекций по дисциплине «Сети ЭВМ», для студентов специальностей 220400 и 075500. В пособии описаны основные архитектурные типы локальных и глобальных вычислительных сетей, принципы построения их основных элементов, узлов и устройств, а также изложены основы построения сетевой безопасности.
Для студентов специальностей 220400 и 075500, а также для специалистов, работающих в области разработки и применения сетевых технологий.
УДК 681.31
ББК 32.973
© Саратовский государственный
технический университет, 2005
ISBN 5-7433-1126-9 © Пластун И.Л., 2005
Введение
Учебное пособие написано по курсу «Сети ЭВМ», для студентов специальностей 220400 – «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем» и 075500 –«Комплексное обеспечение информационной безопасности автоматизированных систем» СГТУ. Кроме того, оно может быть использовано при изучении дисциплин «Глобальные сети», «Системы и сети передачи информации», «Безопасность вычислительных сетей» студентами специальности 075500.
В учебном пособии приведен краткий вводный курс по фундаментальным принципам построения и архитектуре сетей передачи информации. Изложены базовые понятия, необходимые для понимания основ функционирования и архитектуры локальных и глобальных сетей, основы логической организации сетей, базовые сетевые стандарты, протоколы и форматы данных. В пособии также описаны основные архитектурные типы сетей ЭВМ, принципы построения их основных элементов, узлов и устройств и способы создания крупных составных сетей и управления такими сетями. Кроме того, в пособии излагаются основные принципы и методика защиты информации от несанкционированного доступа в локальных и глобальных сетях передачи данных.
Пособие представляет интерес для специалистов, работающих в области разработки и применения сетевых технологий.
Введение в сетевые технологии
Сетью называется совокупность компьютеров (узлов, станций), имеющих возможность взаимодействия друг с другом с помощью аппаратных средств и сетевого ПО.
Классификация сетей
Сети можно классифицировать по различным критериям.
Одним из основных классификационных признаков сетей является размер, который характеризует не только территориальную протяженность, но и среду передачи сигналов.
Размер(в сочетании со скоростью дальних коммуникаций):
• LAN (Local-Area Network) — локальная сеть (ЛВС): располагается в пределах офиса, этажа, здания; основное средство сопряжения узлов сети – кабельные линии (витая пара, коаксиальный кабель);
• CAN (Campus-Area Network) — кампусная сеть, объединяющая значительно удаленные узлы или локальные сети, но еще не требующая удаленных коммуникации через телефонные линии и модемы; средством сопряжения узлов также являются кабельные линии;
• MAN (Metropolitan-Area Network) — городская сеть с радиусом и десятки километров с высокой скоростью передачи (100 Мбит/с); строится на базе широкополосных коаксиальных кабелей и оптоволоконных линий связи;
• WAN (Wide-Area Network) — широкомасштабная сеть, использующая удаленные мосты и маршрутизаторы с возможно невысокими скоростями передачи; средой передачи в таких сетях являются телефонные линии связи, сопряжение с которыми осуществляется через модемы;
• GAN (Global-Area Network) — глобальная (международная, межконтинентальная) сеть. Строится на базе телефонных линий и модемного сопряжения, а также спутниковой связи.
Пропускная способность:
• низкая, до сотен кбит/с;
• средняя, 0.5 - 20 Мбит/с;
• высокая, более 20 Мбит/с.
Полоса канала:
• узкополосные (Baseband) — прямая (немодулированная) передача только одного сообщения в любой момент времени, свойственна большинству локальных сетей;
• широкополосные (Broadband) — одновременная передача нескольких сообщений по частотно - разделенным каналам.
Типы узлов сети: персональные, мини и большие компьютеры или сети. Сети общего назначения обычно строятся из PC. Базовая сеть (Backbone) кампусной сети в качестве «узлов» имеет небольшие сети.
Cоотношение узлов:
• одноранговые(Peer-to-Peer) — небольшие сети, где каждый узел может являться и клиентом и сервером;
• распределенные (Distributed) — то есть без лидера, в которой сервером называется машина, программа или устройство, обеспечивающее сервис, но не управление сетью (например, UNIX Usenet);
• сети с выделенным сервером, или с централизованным управлением), где сервер наделяет остальные узлы правами использования ресурсов (сети среднего и большого размера: Novell NetWare, Microsoft LAN Manager, IBM LAN Server, Banyan VINES). Понятие «клиент-сервер» в этом контексте подчеркивает меньшую самостоятельность узлов-клиентов таких сетей, хотя чаще применяется как название одного из методов распределенной обработки информации.
Возможности доступа:
• сети с разделяемой средой передачи (Shared-Media Networks), в которых в каждый момент могут взаимодействовать только два узла (не считая широковещательных передач): Ethernet, ARCnet.
• коммутирующие сети (Switching Networks) позволяют одновременно вести множество передач между множеством пар узлов посредством мультиплексирования: АТМ, Х.25...
Родственность архитектур и сетевой ОС узлов:
• гомогенные сети с одинаковыми или родственными ОС всех узлов;
• гетерогенные сети с разнородными ОС. например, Novell NetWare и Windows NT.
Протоколы CSMA/CD
Протоколы CSMA/CD не только прослушивают кабель перед передачей, но также обнаруживают коллизии и инициализируют повторные передачи. Протоколы CSMA/CD чрезвычайно популярны. Примером протоколов CSMA/CD являются сети Ethernet, которые будут рассмотрены позднее.
Протоколы CSMA/CA
CSMA/CA использует такие схемы, как доступ с квантованием времени (time slicing) или посылка запроса на получение доступа к среде. Примером CSMA/CA является протокол LocalTalk фирмы Apple Computer.
Системы на основе метода состязания больше всего подходят для использования при импульсном трафике (т.е. при передаче больших файлов) в сетях с небольшим количеством пользователей.
При детерминированном методе узлы получают доступ к среде в предопределенном порядке.
Основные типы детерминированных методов:
1. доступ с передачей маркера (Token Passing), применяемый в сетях ARCnet, Token Ring, FDDI;
2. поллинг (Polling) — опрос готовности, применяемый в больших машинах (Mainframes). Основное преимущество метода — ограниченное время прохождения пакета, мало зависящее от нагрузки в сети.
Сети с большой нагрузкой требуют более эффективных методов доступа. Один из способов повышения эффективности — перенос управления доступом от узлов в кабельные центры (хабы). При этом узел посылает пакет в интеллектуальный хаб по своей готовности. Задача хаба — обеспечить пересылку пакета к адресату с оптимизацией общей производительности сети, возможно, используя коммутацию каналов.
Передача маркера
В системах с передачей маркера (token passing) небольшой фрейм (маркер) передается в определенном порядке от одного устройства к другому. Маркер — это специальное сообщение, которое передает временное управление средой передачи устройству, владеющему маркером. Передача маркера распределяет управление доступом между устройствами сети.
Каждое устройство знает, от какого устройства оно получает маркер и какому устройству его следует передать. Каждое устройство периодически получает контроль над маркером, выполняет свои обязанности, а затем передает маркер для использования следующему устройству. Протоколы ограничивают время контроля каждого устройства над маркером.
Имеется несколько типов сетей, использующих метод передачи маркера для управления доступом к среде передачи. Например, сети IEEE 802.4 Token Bus и 802.5 Token-Ring.
В сети Token Bus используется управление доступом с передачей маркера и физическая или логическая шинная топология, в то время как в сети Token-Ring используется управление доступом с передачей маркера и физическая или логическая кольцевая топология.
Другим стандартом передачи маркера (для волоконно-оптических ЛС) являются сети FDDI (Fiber-distributed data interface).
Сети с передачей маркера следует использовать при наличии зависящего от времени приоритетного трафика, типа цифровых аудио- или видеоданных, или же при наличии с очень большого количества пользователей.
Сравнительная эффективность систем с передачей маркера и систем с методом состязаний является предметом больших дискуссий в сетевых кругах. Ни одна радикально не превосходит другую, с точки зрения производительности. Однако в определенных конкретных обстоятельствах та или другая могут продемонстрировать превосходящую производительность.
Вообще говоря, при большой нагрузке (уровни трафика высоки), методы доступа передачи маркера обеспечивают более высокую сетевую производительность. В таких условиях производительность методов состязания намного скромнее. С другой стороны, благодаря ограничению на непроизводительные затраты в условиях малой загрузки, методы состязания могут превосходить по быстродействию методы передачи маркера.
Опрос
Опрос (Polling) — это метод доступа, при котором выделяется одно устройство (называемое контроллером, первичным или мастер-устройством) в качестве арбитра доступа к среде. Это устройство опрашивает все остальные устройства (именуемые здесь вторичными) в некотором предопределенном порядке, чтобы узнать, имеют ли они информацию для передачи.
Чтобы получить данные от вторичного устройства, первичное устройство направляет ему соответствующий запрос, а затем получает данные от вторичного устройства и направляет их устройству-получателю. Затем первичное устройство опрашивает другое вторичное устройство и принимает данные от него, и так далее. Протокол ограничивает количество данных, которое может передать после опроса каждое вторичное устройство.
Опросные системы идеальны для сетевых устройств, чувствительных ко времени, например, при автоматизации оборудования.
По отношению к серверу.
• внутренний мост (Internal Bridge) — часть программного обеспечения сервера, обеспечивающая пересылку пакетов между сегментами, подключенными к разным сетевым адаптерам;
• внешний мост (External, Stand-alone Bridge) — отдельное устройство.
По расстоянию между соединяемыми сетями:
• локальный мост (Local Bridge) соединяет рядом расположенные локальные сети;
• удаленный мост (Remote Bridge) соединяет географически разнесенные локальные сети через средства телекоммуникации (выделенные или коммутируемые телефонные линии и т. д.). Телекоммуникация является узким местом моста, для повышения производительности возможно параллельное использование нескольких каналов связи.
Маршрутизатор (Router) — средство обеспечения связи между узлами различных сетей, оперирует на сетевом уровне модели OSI, использует сетевые (логические) адреса. Сети могут находиться на значительном расстоянии, и путь, по которому передается пакет, может проходить через несколько маршрутизаторов. Сетевой адрес интерпретируется как иерархическое описание местоположения узла. Маршрутизаторы поддерживают протоколы сетевого уровня: IP, IPX, X.25, UDP. Мультипротокольные маршрутизаторы (более сложные и дорогие) поддерживают несколько протоколов одновременно для гетерогенных сетей.
Brouter(Bridging router) — комбинация моста и маршрутизатора, оперирует как на сетевом, так и на канальном уровне.
Основные характеристики маршрутизатора:
Тип: одно- или многопротокольный, LAN или WAN, Brouter.
1. Поддерживаемые протоколы.
2. Пропускная способность.
3. Типы подключаемых сетей.
4. Поддерживаемые интерфейсы (LAN и WAN).
5. Количество портов.
6. Возможность управления и мониторинга сети.
Шлюз (Gateway) — средство предоставления ресурсов или соединения существенно разнородных сетей, оперирующее на верхних (5-7) уровнях модели OSI. В отличие от повторителей, мостов и маршрутизаторов, прозрачных для пользователя, присутствие шлюза заметно. Шлюз выполняет преобразование форматов и размеров пакетов, преобразование протоколов, преобразование данных, мультиплексирование. Обычно реализуется на основе компьютера с большим объемом памяти.
Примеры шлюзов:
1. Fax: обеспечивает доступ к удаленному факсу, преобразуя данные в факс-формат.
2. E-mail: обеспечивает почтовую связь между локальными сетями. Шлюз обычно связывает MHS, специфичный для сетевой операционной системы с почтовым сервисом no X.400.
3. Internet: обеспечивает доступ к глобальной сети Internet.
4. Mainframe: подключает локальную сеть к большим машинам. Выделение одного компьютера под шлюз позволяет любой станции эмулировать терминал без установки дополнительных интерфейсных карт.
Физический адрес устройства
В качестве физического адреса устройства используются, так называемые МАС-адреса, назначаемые производителем оборудования. Каждый сетевой порт устройства имеет уникальный МАС-адрес, который назначается при его изготовлении и не может быть изменен.
МАС-адрес представляет собой шестибайтовое число, в котором закодирована информация о производителе оборудования и изделии.
Код производителя уникален и назначается международной стандартизующей организацией. В свою очередь, производитель следит за уникальностью второй части МАС-адреса.
Данная система назначения МАС-адресов гарантирует, что во всем мире нет двух сетевых портов с одинаковыми физическими адресами.
| МАС-адрес | |
| Код производителя оборудования | Порядковый номер |
| 3 байта | 3 байта |
Рис.6 Структура MAC-адреса
Физические адреса устройств используются протоколами канального уровня для доставки пакетов в сети. При этом, как правило, пакет получается всеми сетевыми устройствами сегмента сети, но обрабатывается только тем, чей физический адрес совпадает с адресом получателя пакта. Физические адреса также используются при работе мостов (bridge) для пересылки пакетов между сегментами сети.
Логический адрес устройства
Физические адреса идентифицируют объекты только в одной сети. Для доставки данных в сетевой ассоциации используются логические адреса, (другое название – сетевые адреса) определяющие адрес сети и адрес сетевого устройства. В отличие от физических адресов, логические адреса назначаются администратором сети и могут быть изменены при необходимости.
При подключении к локальной или глобальной сети необходимо следовать соглашениям по наименованию и нумерации для Вашей сети. В зависимости от реализации Вам, возможно, потребуется обеспечить уникальность назначаемого сетевого адреса устройства или его имени в сети.
Логический адрес, как правило, состоит из двух частей:
· Адреса сети
· Адреса устройства
Для передачи данных между устройствами сетевой ассоциации физические адреса устройств и логические (сетевые) адреса используются совместно. Однако каждый компьютер или другое сетевое устройство может осуществлять несколько функций одновременно (термин объект—entity— идентифицирует оборудование и программное обеспечение, которое выполняет каждую индивидуальную функцию).
Для передачи и приема данных, каждый объект должен иметь собственный адрес. Этот адрес можно назвать адресом сервиса (service address). В реализациях некоторых конкретных протоколов также используются синонимы этого термина — порт (port) или сокет (socket). Адрес сервиса идентифицирует конкретный программный процесс верхнего уровня или протокол. Любому компьютеру, на котором выполняется несколько сетевых приложений, может быть назначено несколько адресов сервиса. На рисунке показано, как эти различные схемы адресации соотносятся друг с другом.
| Адрес сервиса 1 | Адрес сервиса 2 | ||
| Логический адрес устройства | |||
| Физический адрес устройства |
Рис.7 Соотношение схем адресации
В некоторых сетях резервируется банк адресов, называемых общеизвестными адресами (well-known address), которые идентифицируют общие сетевые услуги или сервис. Каждый поставщик услуг в сети может также поставлять собственный уникальный адрес сервиса. Когда два объекта желают связаться, они присоединяют адрес сервиса к логическому сетевому адресу и к физическому адресу устройства:
· логический сетевой адрес указывает исходную или целевую сеть;
· физический адрес устройства идентифицирует исходный или целевой компьютер;
· адрес сервиса относится к конкретному прикладному процессу, выполняемому на исходном или целевом компьютере.
Архитектура локальных сетей
Сетевая архитектура соответствует реализации физического и канального уровня модели OSI. Она определяет кабельную систему, кодирование сигналов, скорость передачи, структуру кадров (фреймов), топологию и метод доступа. Каждой архитектуре соответствуют свои компоненты — кабели, разъемы, интерфейсные карты, кабельные центры и т. д.
1. Первое поколение архитектур обеспечивало низкие и средние скорости передачи: LocalTalk — 230 кбит/с, ARCnet — 2.5 Мбит/с, Ethernet — 10 Мбит/с и Token Ring — 16 Мбит/с. Исходно они были ориентированы на электрические кабели.
2. Второе поколение — FDDI (100 Мбит/с), АТМ (155 Мбит/с и выше). Fast Ethernet (100 Мбит/с) в основном ориентировано на оптоволоконный кабель (Fiber-based).
Ethernet
Ethernet — архитектура сетей с разделяемой средой и широковещательной передачей (все узлы получают пакет одновременно), метод доступа CSMA/CD, реализует два нижних уровня модели OSI. Стандарт определен документом IEEE802.3. По физической реализации различают:
· 10Basе5 — Thick («толстый») Ethernet;
· 10Base2 — Thin («тонкий») Ethernet;
· 10BaseT — Twisted-pair Ethernet — на витой паре;
· 10Broad36 — сеть на широкополосном 75-омном коаксиальном кабеле;
· 10BaseF — несколько вариантов сети на оптоволоконном кабеле;
· 100BaseT — 100 Мбит/с стандарты Ethernet, включающие 100BaseT4, 100BaseTX (наиболее распространенный Fast Ethernet), 100BaseFX
· Gigabit Ethernet
Первый элемент обозначения: скорость, Мбит/с. Второй элемент: Base — прямая (немодулированная) передача, Broad — использование широкополосного кабеля с частотным уплотнением каналов. Третий элемент: среда передачи или длина кабеля в сотнях метров.
«Толстый» Ethernet
Синонимы: ThickNet, Yellow (желтый кабель). Standard Ethernet, 10Base5. Классический вариант, введенный в 60-х годах, использует толстый коаксиальный кабель RG-8 с посеребренной центральной жилой и двойной экранной оплеткой. Кабель имеет волновое сопротивление 50 Ом, малое затухание и высокую помехозащищенность. Максимальная длина сегмента — 500 м, на концах сегмента устанавливаются разъемы и 50-омные терминаторы, один из которых заземляется. Кабель желтого цвета всегда имеет разметку в виде черных рисок через каждые 2.5 м, обозначающую возможные точки подключения или отреза. Отрезки кабеля могут соединяться разъемами, Т-образные ответвления недопустимы. Допускается соединение в линию через повторители до 5 сегментов (2500 м), из которых не более трех могут использоваться для подключения узлов (Trunk segments), остальные (Link segments) используются как удлинители. На каждом сегменте может быть до 100 узлов, считая и повторители.
На кабель устанавливается трансивер — MAU (Media Attachment Unit), активное устройство с питанием 12В от интерфейса устройств присоединения AUI (Attachment Unit Interface), обеспечивающий доступ к шине через импульсный трансформатор. Трансивер устанавливается либо между концевыми разъемами отрезков кабеля (как вставка или через Т-коннектор), либо с прокалыванием кабеля («вампир»). К сетевому адаптеру трансивер подключается специальным кабелем-спуском длиной до 50 м. Кабель содержит линии питания трансивера и экранированные витые пары для сигналов приема, передачи и обнаружения коллизии. Кабель имеет диаметр около 1 см, присоединяется 15-штырьковыми разъемами D-типа с защелками. Жесткость кабеля создает эксплуатационные неудобства.
Толстый кабель сложен в монтаже. Основное преимущество — высокая помехозащищенность кабеля и напряжение изоляции трансивера. Применяется для прокладки базовых сегментов (Backbone).
«Тонкий» Ethernet
Синонимы: ThinNet, 10Base2, CheaperNet (дешевая сеть). Популярный вариант, использует тонкий коаксиальный кабель RG-58, имеющий волновое сопротивление 50 Ом, среднее затухание и помехозащищенность. Максимальная длина сегмента — 185 м, для многих современных адаптеров — 300 м. На концах сегмента устанавливаются разъемы и 50-омные терминаторы, один из которых заземляется. Сеть с не 50-омными терминаторами неработоспособна. Применение кабеля с другим волновым сопротивлением приводит к образованию «черных дыр», в которых реальная скорость обмена может падать до нуля. Допускается соединение в линию через повторители до 5 сегментов (925 м или 1500 м), из которых не более трех могут использоваться для подключения узлов (Trunk segments), остальные (Link segments) используются как удлинители. На каждом сегменте может быть до 30 узлов, считая и повторители. Узлы подключаются с помощью Т-коннекторов, минимальное расстояние между коннекторами 0.5 м. Ограничение длины Т-образного ответвления (10 см) создает неудобства подключения настольных компьютеров, поскольку от каждого Т-коннектора, вставленного в сетевую карту, отходят кабели в обе стороны.
Применяемые соединители: BNC-connector — на концах отрезков, BNC T-connector — для подключения узлов, BNC -connector — для соединения отрезков кабеля.
Оптимальное применение — для прокладки базовой сети между хабами.
Возможно сочетание толстого и тонкого кабеля в одном сегменте, для чего предусмотрены специальные переходные разъемы. Максимальная длина тонкого кабеля (в метрах) определяется по формуле MaxThinLen = (500-ThickLen)/3.28. Максимально допустимое количество узлов в сегменте — от 30 до 100.
Ethernet на витой паре (Twisted-Pair Ethernet)
Сюда относятся: 10BaseT, 100BaseTX, 100BaseT4. Среда передачи для 10BaseT, 100BaseTX — две неэкранированные витые пары DTP (Unshielded Twisted Pair) категорий 3, 4 или 5; для 100BaseT4 — четыре пары UTP категории 5 или экранированные витые пары STP (Shielded Twisted Pair).
 |
Рис.8 Сеть стандарта 10Base-T
Физическая топология — звезда: каждый узел подключается к своему порту хаба лучом кабеля длиной до 100 м. Конечные узлы соединяются по топологии «точка-точка» со специальным устройством — многопортовым повторителем с помощью двух витых пар. Одна витая пара требуется для передачи данных от станции к повторителю (выход Тх сетевого адаптера), а другая — для передачи данных от повторителя к станции (вход Rх сетевого адаптера). Для каждой пары сигналов (Rx+ , Rx- и Тх+ , Тх-) должны использоваться свитые вместе провода, один из которых, как правило, цветной другой - белый с полосками того же цвета. Кабель между хабом и адаптером узла прямой, между хабами — перекрестный. Два компьютера можно связать и без хаба перекрестным кабелем. На рис. 8 показан пример трехпортового повторителя. Повторитель принимает сигналы от одного из конечных узлов и синхронно передает их на все свои остальные порты, кроме того, с которого поступили сигналы.
Многопортовые повторители в данном случае обычно называются концентраторами (англоязычные термины —Hub или concentrator). Концентратор осуществляет функции повторителя сигналов на всех отрезках витых пар, подключенных к его портам, так что образуется единая среда передачи данных — логический моноканал (логическая общая шина). Повторитель обнаруживает коллизию в сегменте в случае одновременной передачи сигналов по нескольким своим Rх-входам и посылает jam-последовательность на все свои Тх-выходы. Базовый стандарт 10Base-T определяет битовую скорость передачи данных 10 Мбит/с и максимальное расстояние отрезка витой пары между двумя непосредственно связанными узлами (станциями и концентраторами) не более 100 м при наличии витой пары качества не ниже категории 3. Это расстояние определяется полосой пропускания витой пары — на длине 100 м она позволяет передавать данные со скоростью 10Мбит/с при использовании манчестерского кода. Концентраторы 10Base-Т можно соединять друг с другом с помощью тех же портов, которые предназначены для подключения конечных узлов. При этом нужно позаботиться о том, чтобы передатчик и приемник одного порта были соединены соответственноственно с приемником и передатчиком другого порта.
Для обеспечения синхронизации станций при реализации процедур доступа CSMA/CD и надежного распознавания станциями коллизий в стандарте определено максимальное число концентраторов между любыми двумя станциями сети, а именно 4. Это правило носит название «правила 4-х хабов» и оно заменяет «правило 5-4-3», применяемое к коаксиальным сетям. При создании сети 10Base-Т с большим числом станций концентраторы можно соединять друг с другом иерархическим способом, образуя древовидную структуру.
Необходимо отметить, что петлевидное соединение концентраторов в стандарте 10Ваsе-Т запрещено, так как оно приводит к некорректной работе сети. Это требование означает, что в сети 10Base-Т не разрешается создавать параллельные каналы связи между критически важными концентраторами для резервирования связей на случай отказа порта, концентратора или кабеля. Резервирование связей возможно только за счет перевода одной из параллельных связей в неактивное (заблокированное) состояние.
Общее количество станций в сети 10Base-Т не должно превышать общего предела в 1024, и для данного типа физического уровня это количество действительно можно достичь. Для этого достаточно создать двухуровневую иерархию концентраторов, расположив на нижнем уровне достаточное количество концентраторов с общим количеством портов 1024. Конечные узлы нужно подключить к портам концентраторов нижнего уровня. Правило 4-х хабов при этом выполняется - между любыми конечными узлами будет ровно 3 концентратора.
Максимальная длина сети в 500 м здесь понимается как максимальное расстояние между любыми двумя конечными узлами сети (часто применяется также термин «максимальный диаметр сети»). Очевидно, что если между любыми двумя узлами сети не должно быть больше 4-х повторителей, то максимальный диаметр сети 10Base-Т составляет 5x100 = 500 м.
Сети, построенные на основе стандарта 10Base-Т, обладают по сравнению с коаксиальными вариантами Ethernet многими преимуществами. Эти преимущества связаны с разделением общего физического кабеля на отдельные кабельные отрезки, подключенные к центральному коммуникационному устройству. И хотя логически эти отрезки по-прежнему образуют общую разделяемую среду, их физическое разделение позволяет контролировать их состояние и отключать в случае обрыва, короткого замыкания или неисправности сетевого адаптера на индивидуальной основе. Это обстоятельство существенно облегчает эксплуатацию больших сетей Ethernet, так как концентратор обычно автоматически выполняет такие функции, уведомляя при этом администратора сети о возникшей проблеме.
В стандарте 10Base-Т определена процедура тестирования физической работоспособности двух отрезков витой пары, соединяющих трансивер конечного узла и порт повторителя. Эта процедура называется тестом связности, и она основана на передаче каждые 16 мс специальных импульсов J и K манчестерского кода между передатчиком и приемником каждой витой пары. Если тест не проходит, то пoрт блокируется и отключает проблемный узел от сети. Так как коды J и K являются запрещенными при передаче кадров, то тестовые последовательности не влияют на работу алгоритма доступа к среде.
Звездообразная физическая топология имеет конструктивные преимущества по сравнению с шиной:
• к каждому узлу подходит только один гибкий кабель;
• повреждение одного лучевого кабеля приводит к отказу соединения только одного узла;
• несанкционированное прослушивание пакетов в сети затруднено.
Cуществуют переходные устройства с тонкого кабеля на витую пару, представляющие собой активные устройства - повторители или вырожденные (двухпортовые) хабы.
Появление между конечными узлами активного устройства, которое может контролировать работу узлов и изолировать от сети некорректно работающие, является главным преимуществом технологии 10Base-Т по сравнению со сложными в эксплуатации коаксиальными сетями. Благодаря концентраторам сеть Ethernet приобретает свойства отказоустойчивой системы.
Оптоволоконный Ethernet
Использование оптоволокна в качестве среды передачи принципиально позволяет реализовать как шинную, так и звездообразную физическую топологию. Реализация шины физически существенно сложнее, поэтому в настоящее время распространен вариант двухточечного подключения. При этом два узла связываются двумя нитками волокна, по которым сигнал передается во встречных направлениях, аналогично связи по витой паре. При существенном удалении узлов кабель состоит из трех частей: основного кабеля, возможно включающего в себя большое количество волокон и предназначенного для прокладки в различных климатических и эксплуатационных условиях, и двух пар оконечных отрезков, присоединяемых к аппаратуре с помощью оптических разъемов. Оконечные отрезки привариваются к волокнам основного кабеля с помощью специального оборудования. От качества среза и сварки сильно зависит затухание сигнала и, следовательно, надежность связи.
Оптоволоконная аппаратура имеет ряд преимуществ:
· нечувствительность к электрическим и электромагнитным помехам;
· исчисляемое километрами расстояние передачи без повторителей и тысячами километров — с промежуточными ретрансляторами;
· высокая степень конфиденциальности каналов
· широкополосность каналов.
Оптоволоконные стандарты в качестве основного типа кабеля для 10 мегабитного Ethernet рекомендуют дешевое многомодовое оптическое волокно, обладающее полосой пропускания 500-800МГц при длине кабеля 1 км. Допустимо и более дорогое одномодовое оптическое волокно с полосой пропускания в несколько гигагерц, но о применять специальный тип трансивера.
Функционально сеть Ethernet на оптическом кабеле состоит из тех же элементов; что и сеть стандарта 10Base-Т — сетевых адаптеров, многопортового повторителей и отрезков кабеля, соединяющих адаптер с портом повторителя. Как и в случае витой пары, для соединения адаптера с повторителем используются два оптоволокна – одно соединяет выход Тх адаптера со входом Rх повторителя, а другое вход Rx адаптера с выходом Тх повторителя (см. рис.8).
Базовые стандарты Ethernet на оптоволокне – это 10Base–FL и 10Base-FB. Стандарт 10Base–FL гарантирует длину оптоволоконной связи между повторителями до 2000 м при общей длине сети не более 2500 м. Максимальное число повторителей между любыми узлами сети - 4. Максимального диаметра в 2500 м здесь достичь можно, хотя максимальные отрезки кабеля между всеми 4 повторителями, а также между повторителями и конечными узлами недопустимы — иначе получится сеть длиной 5000 м.
10Base-FB предназначен только для соединения повторителей. Конечные узлы не могут использовать этот стандарт для присоединения к портам концентратора. Между узлами сети можно установить до 5 повторителей 10Base-FB при максимальной длине одного сегмента 2000 м и максимальной длине сети 2740 м.
Как и в стандарте 10Вазе-Т, оптоволоконные стандарты Ethernet разрешают соединять концентраторы только в древовидные иерархические структуры. Любые петли между портами концентраторов не допускаются.
Домен коллизий
В технологии Ethernet, независимо от применяемого стандарта физического уровня, существует понятие домена коллизий.
Домен коллизий — это часть сети Ethernet;, все узлы которой распознают коллизию независимо от того, в какой части этой сети коллизия возникла." Сеть Ethernet, построенная на ."повторителях, всегда образует один домен коллизий. Домен коллизий соответствует одной разделяемой среде. Мосты, коммутаторы и маршрутизаторы делят сеть Ethernet на несколько доменов коллизий.
 |
Рис.9 Иерархическое соединение концентраторов Ethernet
Приведенная на рис.9 сеть представляет собой один домен коллизий. Если столкновение кадров произошло в концентраторе 4, то в соответствии с логикой работы концентраторов 10Base-Т сигнал коллизии распространится по всем портам всех концентраторов.
Если же вместо концентратора 3 поставить в сеть мост, то его порт С, связанный с концентратором 4, воспримет сигнал коллизии, идущий от концентратора 4, но не передаст его на свои остальные порты, так как это не входит в его обязанности. Мост просто отработает ситуацию коллизии средствами своего порта С, который подключен к общей среде, где эта коллизия возникла. Если коллизия возникла из-за того, что мост пытался передать через порт С кадр в концентратор 4, то, зафиксировав сигнал коллизии, порт С приостановит передачу кадра и попытается передать его повторно через случайный интервал времени. Если порт С принимал в момент возникновения коллизии кадр, то он просто отбросит полученное начало кадра и будет ожидать, когда узел, передававший кадр через концентратор 4, не сделает повторную попытку передачи. После успешного принятия данного кадра в свой буфер мост передаст его на другой порт в соответствии с таблицей продвижения, например на порт А. Все события, связанные с обработкой коллизий портом С, для остальных сегментов сети, которые подключены к другим портам моста, останутся просто неизвестными.
Узлы, образующие один домен коллизий, работают синхронно, как единая распределенная электронная схема.
Token Ring
Token Ring (маркерное кольцо) — архитектура сетей с кольцевой логической топологией и детерминированным методом доступа с передачей маркера, реализует два нижних уровня модели OS1. Стандарт определен документом IЕЕЕ 802.5, но IBM — основной проводник этой архитектуры — использует несколько отличающуюся спецификацию.
Логическое кольцо реализуется на физической звезде, в центре которой находится MAU (Multistation Access Unit) — хаб с портами подключения каждого узла. Для присоединения кабелей используются специальные разъемы, обеспечивающие замыкание кольца при отключении узла от сети. При необходимости сеть может расширяться за счет применения дополнительных хабов, связанных в общее кольцо. Требование безразрывности кольца усложняет кабельное хозяйство Token Ring, использующее четырехпроводные экранированные (STP) и неэкранированные (UTP) витые пары и специальные коммутационные средства.
Облегченный вариант разводки (на UTP) обеспечивает подключение до 96 станций к 12 восьмипортовым хабам с максимальным удалением станции от хаба 45 м. Длина кабелей, соединяющих хабы (pat