Протоколы в вычислительных сетях САПР

Протоколы, используемые совместно в сетях определенного типа, объединяются в совокупности, называемые стеками протоколов. Широко известны стеки протоколов TCP/IP, SPX/IPX, X.25, Frame Relay (FR), ATM, семиуровневые протоколы ЭМВОС. Наибольшее распространение получили протоколы TCP/IP в связи с их использованием в качестве основных в сети Internet.

TCP/IP — пятиуровневые протоколы, но базовыми среди них, давшими название всей совокупности, являются протокол транспортного уровня TCP (Transmission Control Protocol) и протокол сетевого уровня IP (Internet Protocol).

Эти протоколы поддерживаются такими операционными системами, как UNIX и Windows-95/NT. TCP — дуплексный транспортный протокол с установлением соединения. Под установлением соединения подразумевают установление виртуального канала в сети путем обмена запросом и согласием на соединение между отправителем и получателем сообщения.

К другим функциям ТСР относятся:

1. упаковка и распаковка пакетов на концах транспортного соединения;

2. управление потоком — получатель одновременно с подтверждением правильности передачи сообщает размер окна, т.е. число пакетов, которые получатель готов принять или, что практически то же самое, число пакетов, которые отправитель может послать в сеть, не дожидаясь получения подтверждения об их правильном приеме;

Помещение срочных данных между специальными указателями, т.е. возможность управлять скоростью передачи.

Сетевой адрес называют IP-адресом. Это четырехбайтовый код, состоящий из двух частей: адреса сети и адреса узла (заметим, что узел, имеющий IP-адрес, называют хостом). Имя характеризует пользователя. Его составляют в соответствии с доменной системой имен. Соответствие между IP-адресом и IP-именем хоста устанавливается специальной службой имен. В Internet - это DNS (Domain Name Service), в семиуровневой модели ISO — стандарт X.500. IP адрес — 32-битовое слово, записываемое в виде четырех частей (побайтно), разделенных точками. Каждые подсеть и узел в подсети получают свои номера, причем для сети (подсети) можно использовать от одного до трех старших байтов, а оставшиеся байты — для номера узла. Какая часть IP-адреса относится к сети, определяется ее маской, выделяющей соответствующие биты в IP-адресе. Например, для некоторой сети маска может быть 255.0.0.0, а для ее подсети — 255.255.0.0 и т.д. Тем самым описывается иерархия сетей.

Номера при включении нового хоста выдает организация-провайдер, предоставляющая телекоммуникационные услуги. Провайдер, в частности, обеспечивает включение IP-адреса и соответствующего ему IP-имени в сервер службы адресов DNS. Это означает запись данных о хосте в DIB (Directory Information Base) локального узла DNS).

В интегрированных системах проектирования и управления на уровнях цеховом и ниже используются специальные вычислительные сети АСУТП, называемые промышленными (или Fieldbus). В число узлов сети входят компьютеры, выполняющие функции числового управления (NC) технологическим оборудованием и SCADA. Обычными для промышленных сетей являются предельные расстояния между узлами (датчиками, исполнительными устройствами и контроллерами) в сотни метров, размеры сообщений — до одного килобайта (в сжатой форме). Опрос датчиков периодический. Важное требование к промышленной сети — обеспечение работы в реальном масштабе времени, поэтому для АСУТП сети типа Ethernet не подходят, поскольку в них не гарантируется ограничение задержек сверху.

Устройства вычислительных сетей САПР

Узлы в средах передачи данных, выполняющие функции связи между частями сложной сети (internetworking), составляют сетевое (коммутационное) оборудование.

В сетевое оборудование входят повторители, мосты, концентраторы, коммутаторы, маршрутизаторы, шлюзы, модемы и др.

Повторитель (repeater) — блок взаимодействия, служащий для регенерации электрических сигналов, передаваемых между двумя сегментами ЛВС. Повторители используются в случае, если реализация ЛВС на одном сегменте кабеля (отрезке, моноканале) не допускается из-за ограничений на расстояние или на число узлов, причем при условии, что в соседних сегментах используются один и тот же метод доступа и одни и те же протоколы. Трафик в сегментах, соединенных повторителем, — общий. Повторитель может быть многопортовым. Сигнал, пришедший на один из портов, повторяется на всех остальных портах.

Мост (bridge) — блок взаимодействия, служащий для соединения разных подсетей, которые могут иметь неодинаковые канальные протоколы. При малых расстояниях между подсетями связь возможна через серверы подсетей, в которых размещаются интерфейсные платы, называемые внутренними мостами, и соответствующее сетевое программное обеспечение. Возможно применение внешних мостов — специально выделяемых узлов для целей сопряжения по одному в каждой из соединяемых подсетей. Внешние мосты обходятся дороже, но обеспечивают лучшие эксплуатационные характеристики. Важная функция мостов — ограничение трафика, так как локальный трафик одной подсети замыкается в ней, не проходя в другую подсеть. Обычно мост имеет два порта, хотя существуют и многопортовые мосты. Обычно мост имеет два порта, хотя существуют и многопортовые мосты. Каждый порт может оказаться входным или выходным. Управление передачей пакетов выполняется с помощью маршрутной таблицы моста, в которой строки содержат соответствующие друг другу значения адреса узла и номера порта моста. Если пакет пришел на порт K и по таблице адрес относится к тому же порту K, то пакет остается в данной ЛВС, иначе передается на порт I, который найден по таблице. Первоначальное заполнение таблицы происходит по адресам источников пакетов — в строку заносятся адрес отправителя и номер входного порта. Таблицы могут изменять во времени свое содержимое. Если некоторые адреса по истечении длительного времени ни разу не активировались, то строки с такими адресами удаляются, их восстановление или занесение новых адресов выполняется по процедуре первоначального заполнения.

Рис. 12. Устройства вычислительных сетей САПР

Корпоративную сеть, состоящую из подсетей, связанных мостами, можно назвать автономной системой (AS — Autonomous System). Связь одной AS с другими осуществляется через маршрутизатор или шлюз. Такой маршрутизатор называют пограничным. В качестве AS можно рассматривать и более сложную совокупность, связанных AS, если эта совокупность имеет выход во внешние сети опять же через пограничный маршрутизатор (шлюз). Структура глобальных сетей является иерархической.

Концентраторы предназначены для объединения в сеть многих узлов. Так, концентраторами являются хабы в сетях 10Base-T или Token Ring. Однако такие концентраторы подобно мостам создают общую среду передачи данных без разделения трафика.

Коммутаторы в отличие от концентраторов предназначены для объединения в сеть многих узлов или подсетей с разделением трафика между подсетями. Как и в мостах, пакеты передаются только в ту подсеть, для которой они предназначены, что уменьшает общую загрузку сети. Но в отличие от многопортового моста в коммутаторе возможно одновременно иметь много соединений, т.е. обеспечивается параллельная передача сообщений. Коммутаторы используют также для связи нескольких ЛВС с территориальной сетью. Один коммутатор может объединять несколько как однотипных, так и разнотипных ЛВС.

Маршрутизаторы (router) — блок взаимодействия, служащий для выбора маршрута передачи данных в корпоративных и территориальных сетях. С помощью маршрутизаторов могут согласовываться не только канальные протоколы, как это имеет место при применении мостов, но и сетевые протоколы. Маршрутизаторы содержат таблицы и протоколы маршрутизации в отличие от других узлов, которые могут содержать лишь локальные таблицы соответствия IP-адресов физическим адресам сетевых контроллеров в локальной сети. Маршрутизаторы могут фильтровать пакеты в соответствии с признаками, отраженными в заголовке пакета, т.е. выполнять роль брандмауэра — устройства, защищающего сеть от нежелательных вторжений извне. Использование коммутаторов вместо маршрутизаторов (там, где это возможно) позволяет существенно повысить пропускную способность сети. Коммутатор работает с локальными МАС-адресами, в нем имеется таблица соответствия МАС-адресов и портов. Кроме того, между разными портами коммутатора образуется несколько соединений, по которым пакеты могут передаваться одновременно. В то же время маршрутизатор оперирует IP-адресами и таблицами маршрутизации и выполняет сложные алгоритмы маршрутизации. Различают коммутаторы второго и третьего уровней. Сети с коммутаторами второго уровня подвержены так называемому широковещательному шторму, поскольку при широковещательной передаче пакеты направляются во все подсети, соединенные через коммутаторы, и сеть будет “забита” пакетами. Чтобы уменьшить отрицательное влияние такого шторма, сеть разбивают на подсети, в пределах которых и осуществляется широковещательность. Коммутатор третьего уровня разделяет подсети, направляя через себя пакет только, если МАС-адрес получателя относится к другой подсети.