Методы доступа и протоколы передачи данных в локальных сетях

Обновлено: 02.07.2024

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

М е то д ы д о с ту п а и п р о т о ко л ы п ере д а чи д а нных

Д л я о р г а ни з а ц и и о б м е н а ме ж д у к о м п ь ю те р а м и Л ВС чаще в сего и с п о ль з у- ю тся ст а нд а р т н ы е п ро т о к о л ы , р а з р а бо т а н н ы е Ме ж д у н а р о д ны м и н ст и т у т о м ин- же н е р о в п о эл ек т р о те х н и к е и р а д и о эл е кт р о н и ке I EE E ( I n st i t u t e o f E l e c t r i c a l a n d E l ec t r o n i cal E n gi n ee r s ).

В к р а т ц е р асс м о т р и м про т о к о л ы об м е н а , и зл о же н н ы е в с т а н д а р т а х I EEE 802 . 3, I EEE 802 . 4 и I EEE 80 2 . 5 н а л о к а ль н ы е с е т и , к о т ор ы е о пи с ы в а ю т с о о т в етст в е нн о мет о д ы д о ст у п а к с ете в ы м к а н а л а м д а н н ы х : E t h er n e t , A r c n e t и To k e n R i n g . Э ти мет о д ы до ст у п а р еа л и з у ю т ф у н к ц и и к а н а льн о го у ро вн я м о д е л и O SI . Н а зв а н и е и с п о льз у ем о го в Л В С мет о д а ча с то о т о ж д ест вл я ю т с т и п о м т о п о л о г и и с ет и .

М е то д д о с т у п а Et h erne t . Ра з р а б о т а н ф и р м о й X er o x в 1 97 5 г од у . О б ес п е ч и- в ает в ы с о к у ю ск о р о сть п е р е д а ч и и н а д е ж н о ст ь . По дд е р ж и в ает т о по л о г и ю с о б- щей ш и но й . Пр ин а д л е ж но сть п е р е д а в а ем о г о п о о б щ е й ш и н е с о об щ е н и я о п р е- д е л яет с я в к лю че нн ы ми в з а г о л о в о к а др есами и с т о ч ни к а и н а з н ач е н и я.

Э т о т ме т о д я вл яет с я мет од о м м н о жес т в е н н о г о д о ст у п а с п р о с л у ш и в а н и ем н ес у щей и р а з р е ш е ни е м к о н ф ли кт о в ( CSM A / CD – Ca r i er Se n s e M ul t i p l e A cc e s s w i t h C o l li s i o n D e t e c t i o n ).

С у ть мет од а с о с т о и т в т о м, ч т о РС н ач ин а ет п е р е д а чу в т о м с л у чае, ес л и ка- н ал с в о бо д е н , в п ро т и вн о м с л у чае п е р е д ача с о о б щ е н и й з а д е р ж и в ает с я н а н е к о- т о р о е в р е мя ( д л я к а ж д о й ст а н ц и и с в о е). В о з м о ж н ы е с л у чаи о д н о вр ем е н н о й пе- р е д а ч и д а н ны х р а с п о з н а ю т с я а в т о мат и ч ески а п п а р ат н ы м с п о с о б о м.

Б ы с т род е й с тв и е се т и з ам е т н о с ни жа е т с я пр и одно в р еме нно й р а бо т е 8 0 –10 0 РС . Э то п р о и с х од и т и з- з а з а д е р ж е к, с в я з а нн ы х с к о н ф ли кта м и в ка н а л е.

С у щест в у ет также мет о д Fa s t E th e r n e t , у до вл ет во ря ю щ и й ста нд а р ту I EE E

8 0 2 .3 u . О н п о зв о л я ет ст р о и ть л о ка льн ы е сети с о с к о р о с т ь ю п е р е д а ч и д а нны х

1 0 0 M ps . В с ет я х та к о го т и п а м о г у т и с п ольз о в ат ь ся о б ы ч н ы е и оп т о в о л о к о н ны е ка б е л и (ст а н д а р т 1 0 0 B a se - F X ).

С о об щ е н и я о т о д н о й РС к др у г о й п о э т о му мет о д у д о с т у п а п е р е д а ю т с я с по м о щ ь ю м а р к е р а , к о т о ры й с о з д ает с я н а о д но й и з РС. Е с л и РС х о чет п е р е- д ать с о об щ е н и е, т о он а д о ж и д ает с я п ри х о д а м а р к е р а, п ри с о е д и н я ет к н ему с во е с о об щ е н и е, с н а б ж е н н о е а д р ес а ми о т п р а в и те л я и по л у чат е л я. Е с л и РС о ж и д а е т п р и ема, т о о н а ж д е т п ри х о д а м а р ке р а, а п о е г о пр и хо д у – а н а л и з ир у ет з аг о л о- в о к п р и к р е п л е нн о г о к н ем у с о о б щ е н ия . Е с л и с о о б щ е н и е п р е д н аз н а ч е н о д а н н о й РС , т о он а о т к р е п л я е т е г о о т ма р ке р а , а т акж е при к р е п л я е т н о в о е , пр и н а л и ч и и т а- к о в о г о.

О б о р у до в а н и е д л я сетей т и п а A r c n e t д еше вл е Et h e r n e t и T o k en R in g , н о у с- т у п ает и м п о х а р ак т е р и ст и кам н а д е ж но сти и п р ои з в о ди те л ь но с т и.

М е то д до с т у п а T o k en R i n g . Ра з р а б о т а н ф и р м о й IBM д л я к оль ц е в о й т оп о л о-

г ии . К р о ме ф и р мы IBM п о ста в щ и ка м и о б о р у до в а н и я се т ей с та к и м м е т одо м д о ст у п а я вл я ю тся ф ир м ы Pr o t e o n , 3 C o m и U nd er m a nn - B a s s , а по ста в щ и к ами с е- те в о г о П О в ы ст у п а ю т ф и р мы 3 C o m , No v e l l и U n i v a t i o n . Э т о т ме т о д и м еет с х о д - ст в о с ме т о до м A r c n e t . О с н о вн о е е г о о т л и ч и е с о с т ои т в т о м, что и меет с я м е х а- ни з м пр и о ри т ета, бл аг о д а р я к о т о ро му о т д е ль ны е РС м о г у т по л у чать ма р кер бы с т р е е д р у г и х и у д е р ж и в ать е г о д о ль ше.

Д л я и с п о льз о в а н и я т и п о вы х п р о г р а мм в Л ВС в аж н о з н ат ь , как о й п р о т о к ол об м е н а с о о б щ е н и я м и ( п аке т ам и ) по дд е р ж и в ае т ся в сет и . С у щест в у ет н ес к о ль к о так и х п ро т о к о л о в . Ш и ро к о и с п о льз у ю тся с л е д у ю щ и е п р о т о к о л ы : IP X , SPX и NET BI O S .

П ро т о к о л IPX я вл я ется п р о т о к о л о м т р а н с п о р т н о г о у ро в н я м од е л и O SI . О н и меет ин т е р ф е й с с н и же л ежа щ и м с ет е в ы м у ро в н е м. П ро т о к о л SPX – п р о т о к ол бо л е е вы с о к о г о с е а н с о в о г о у ро в н я. О н о с но в ан н а и с по л ь з о в а н и и пр о т о к о л а

IP X . NET BI O S ( N e tw o rk B a si c I n pu t / Ou t p u t S y st e m ) – се т е в ая б а з о в а я с и ст е м а вв од а- в ы в од а, р а зр а бо т а н н ая ф и р м о й I BM . Реа л и з у ет ф у н к ц и и сете в о г о , т р а н с- п о р т н о г о и с еа н с о в о го у ро в н е й м од е л и O SI .

В локальных сетях основная роль в организации взаимодействия узлов принадлежит протоколу канального уровня, который ориентирован на вполне определенную топологию ЛКС. Так, самый популярный протокол этого уровня - Ethernet - рассчитан на топологию " общая шина ", когда все узлы сети параллельно подключаются к общей для них шине, а протокол Token Ring - на топологию " звезда ". При этом применяются простые структуры кабельных соединений между РС сети, а для упрощения и удешевления аппаратных и программных решений реализовано совместное использование кабелей всеми РС в режиме разделения времени. Такие простые решения, характерные для разработчиков первых ЛКС во второй половине 70-х годов ХХ века, наряду с положительными имели и отрицательные последствия, главные из которых - ограничения по производительности и надежности.

Поскольку в ЛКС с простейшей топологией ( общая шина , кольцо, звезда ) имеется только один путь передачи информации - моноканал, производительность сети ограничивается пропускной способностью этого пути, а надежность сети - надежностью пути. Поэтому по мере развития и расширения сфер применения локальных сетей с помощью специ-альных коммуникационных устройств (мостов, коммутаторов, маршрутизаторов) эти ограничения постепенно снимались. Базовые конфигурации ЛКС ( шина , кольцо) превратились в элементарные звенья, из которых формируются более сложные структуры локальных сетей, имеющие параллельные и резервные пути между узлами.

Однако внутри базовых структур локальных сетей продолжают работать все те же протоколы Ethernet и Token Ring . Объединение этих структур (сегментов) в общую, более сложную локальную сеть осуществляется с помощью дополнительного оборудования, а взаимодействие РС такой сети - с помощью других протоколов.

В развитии локальных сетей, кроме отмеченных, наметились и другие тенденции:

  • отказ от разделяемых сред передачи данных и переход к использованию активных коммутаторов, к которым РС сети присоединяются индивидуальными линиями связи;
  • появление нового режима работы в ЛКС при использовании коммутаторов - полнодуплексного (хотя в базовых структурах локальных сетей РС работают в полудуплексном режиме, т. к. сетевой адаптер станции в каждый момент времени либо передает свои данные, либо принимает другие, но не делает это одновременно). Сегодня каждая технология ЛКС приспособлена для работы как в полудуплексном, так и в полнодуплексном режимах. Стандартизация протоколов ЛКС осуществлена комитетом 802, организованном в 1980 в институте IEEE. Стандарты семейства IEEE 802 .Х охватывают только два нижних уровня модели ВОС - физический и канальный. Именно эти уровни отражают специфику локальных сетей, старшие уровни, начиная с сетевого, имеют общие черты для сетей любого класса.

В локальных сетях канальный уровень разделен на два подуровня:

  • логической передачи данных ( LLC - Logical Link Control );
  • управления доступом к среде ( МАС - Media Access Control ).

Протоколы подуровней МАС и LLC взаимно независимы , т.е. каждый протокол подуровня МАС может работать с любым протоколом подуровня LLC , и наоборот.

Подуровень МАС обеспечивает совместное использование общей передающей среды, а подуровень LLC организует передачу кадров с различным уровнем качества транспортных услуг. В современных ЛКС используются несколько протоколов подуровня МАС , реализующих различные алгоритмы доступа к разделяемой среде и определяющих специфику технологий Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet , Token Ring, FDDI , 100VG-AnyLAN .

Протокол LLC. Для ЛКС этот протокол обеспечивает необходимое качество транспортной службы. Он занимает положение между сетевыми протоколами и протоколами подуровня МАС . По протоколу LLC кадры передаются либо дейтаграммным способом, либо с помощью процедур с установлением соединения между взаимодействующими станциями сети и восстановлением кадров путем их повторной передачи при наличии в них искажений.

Технология Ethernet (стандарт 802.3). Это самый распространенный стандарт локальных сетей. По этому протоколу в настоящее время работают большинство ЛКС. Имеется несколько вариантов и модификаций технологии Ethernet , составляющих целое семейство технологий. Из них наиболее известными являются 10-мегабитный вариант стандарта IEEE 802 .3, а также новые высокоскоростные технологии Fast Ethernet и Gigabit Ethernet . Все эти варианты и модификации отличаются типом физической среды передачи данных .

Все виды стандартов Ethernet используют один и тот же метод доступа к передающей среде - метод случайного доступа CSMA /CD . Он применяется исключительно в сетях с общей логической шиной, которая работает в режиме коллективного доступа и служит для передачи данных между любыми двумя узлами сети. Такой метод доступа носит вероятностный характер: вероятность получения среды передачи в свое распоряжение зависит от загруженности сети. При значительной загрузке сети интенсивность коллизий возрастает и ее полезная пропускная способ-ность резко падает.

Полезная пропускная способность сети - это скорость передачи пользовательских данных, переносимых полем данных кадров. Она всегда меньше номинальной битовой скорости протокола Ethernet за счет служебной информации кадра, межкадровых интервалов и ожидания доступа к среде. Коэффициент использования сети в случае отсутствия коллизий и ожидания доступа имеет максимальное значение 0,96.

Технологией Ethernet поддерживаются 4 разных типа кадров, имеющих общий формат адресов. Распознавание типа кадров осуществляется автоматически.

Для всех стандартов Ethernet имеют место следующие характеристики и ограничения:

  • номинальная пропускная способность - 10 Мбит/с;
  • максимальное число РС в сети - 1024;
  • максимальное расстояние между узлами в сети - 2500 м;
  • максимальное число коаксиальных сегментов сети - 5;
  • максимальная длина сегмента - от 100 м (для 10Base -T) до 2000 м (для 10Base -F);
  • максимальное число повторителей между любыми станциями сети - 4.

Технология Token Ring (стандарт 802.5). Здесь используется разделяемая среда передачи данных , которая состоит из отрезков кабеля, соединяющих все РС сети в кольцо. К кольцу (общему разделяемому ресурсу) применяется детерминированный доступ , основанный на передаче станциям права на использование кольца в определенном порядке. Это право предается с помощью маркера. Маркерный метод доступа гарантирует каждой РС получение доступа к кольцу в течение времени оборота маркера. Используется приоритетная система владения маркером - от 0 (низший приоритет) до 7 (высший). Приоритет для текущего кадра определяется самой станцией, которая может захватить кольцо, если в нем нет более приоритетных кадров.

Максимальный размер кадра в стандарте 802.5 не определен. Обычно он принимается равным 4 Кбайтам для сетей 4 Мбит/с и 16 Кбайтам для сетей 16 Мбит/с.

В сетях 16 Мбит/с используется также и более эффективный алгоритм доступа к кольцу. Это алгоритм раннего освобождения маркера ( ETR ): станция передает маркер доступа следующей станции сразу же после окончания передачи последнего бита своего кадра, не дожидаясь возвращения по кольцу этого кадра и занятого маркера. В этом случае по кольцу будут передаваться одновременно кадры нескольких станций, что существенно повышает эффективность использования пропускной способности кольца. Конечно, и в этом случае в каждый данный момент ге-нерировать кадр в кольцо может только та РС, которая в этот момент владеет маркером доступа, а остальные станции будут лишь ретранслировать чужие кадры.

Технология Token Ring (технология этих сетей была разработана еще в 1984 г. фирмой IBM ) существенно сложнее технологии Ethernet . В ней заложены возможности отказоустойчивости: за счет обратной связи кольца одна из станций ( активный монитор ) непрерывно контролирует наличие маркера, время оборота маркера и кадров данных, обнаруженные ошибки в сети устраняются автоматически, например, потерянный маркер может быть восстановлен. В случае выхода из строя активного монитора выбирается новый активный монитор и процедура инициализации кольца повторяется.

Стандарт Token Ring изначально предусматривал построение связей в сети с помощью концентраторов, называемых MAU , т.е. устройствами многостанционного доступа. Концентратор может быть пассивным (соединяет порты внутренними связями так, чтобы РС, подключенные к этим портам, образовали кольцо, а также обеспечивает обход какого-либо порта, если подключенный к этому порту компьютер выключается) или активным (выполняет функции регенерации сигналов и поэтому иногда называется повторителем).

Для сетей Token Ring характерна звездно-кольцевая топология : РС подключаются к концентраторам по топологии звезды, а сами концентраторы через специальные порты Ring In (RI) и Ring Out (RO) объединяются для образования магистрального физического кольца . Сеть Token Ring может строиться на основе нескольких колец, разделенных мостами, маршрутизирующие кадры адресату (каждый кадр снабжается полем с маршрутом прохождения колец).

Недавно технология Token Ring стараниями компании IBM получила новое развитие: предложен новый вариант этой технологии ( HSTR ), поддерживающий битовые скорости в 100 и 155 Мбит/с. При этом сохранены основные особенности технологии Token Ring 16 Мбит/с.

Технология FDDI. Это первая технология ЛКС, в которой для передачи данных используется волоконно-оптический кабель . Она появилась в 1988 г. и ее официальное название - оптоволоконный интерфейс распределенных данных ( Fiber Distributed Data Interface, FDDI ). В настоящее время в качестве физической среды, кроме волоконно-оптического кабеля, применяется неэкранированная витая пара .

Технология FDDI предназначена для использования на магистральных соединениях между сетями, для подключения к сети высокопроизводительных серверов, в корпоративных и городских сетях. Поэтому в ней обеспечена высокая скорость передачи данных (100 Мбит/с), отказоустойчивость на уровне протокола и большие расстояния между узлами сети. Все это сказалось на стоимости подключения к сети: для подключения клиентских компьютеров эта технология оказалась слишком дорогой.

Существует значительная преемственность между технологиями Token Ring и FDDI . Основные идеи технологии Token Ring восприняты и получили совершенствование и развитие в технологии FDDI , в частности, кольцевая топология и маркерный метод доступа .

В сети FDDI для передачи данных используются два оптоволоконных кольца, образующих основной и резервный пути передачи между РС. Станции сети подключаются к обоим кольцам. В нормальном режиме задействовано только основное кольцо. В случае отказа какой-либо части основного кольца оно объединяется с резервным кольцом, вновь образуя единое кольцо (это режим "свертывания" колец) с помощью концентраторов и сетевых адаптеров. Наличие процедуры "свертывания" при отказах - основной способ повышения отказоустойчивости сети. Существуют и другие процедуры для определения отказов в сети и восстановления ее работоспособности.

Основное отличие маркерного метода доступа к передающей среде, используемого в сети FDDI , от этого метода в сети Token Ring заключается в том, что в сети FDDI время удержания маркера является постоянной величиной только для синхронного трафика, который критичен к задержкам передачи кадров. Для асинхронного трафика, не критичного к небольшим задержкам передачи кадров, это время зависит от загрузки кольца: при небольшой загрузке оно увеличивается, а при большой - может уменьшаться до нуля. Таким образом, для асинхронного трафика метод доступа является адаптивным, хорошо регулирующим временные перегрузки сети. Механизм приоритетов кадров отсутствует. Считается, что достаточно разделить трафик на два класса - синхронный , который обслуживается всегда (даже при перегрузках кольца), и асинхронный, обслуживаемый при малой загрузке кольца. Станции FDDI применяют алгоритм раннего освобождения маркера, как это сделано в сети Token Ring со скоростью 16 Мбит/с.

В сети FDDI выделенный активный монитор отсутствует, все станции и концентраторы равноправны, при обнаружении отклонений от нормы они осуществляют повторную инициализацию сети и, если это не-обходимо, ее реконфигурацию .

Результаты сравнения технологии FDDI с технологиями Ethernet и Token Ring приведены в табл.5.1.

Технологии Fast Ethernet и 100VG-AnyLAN. Обе эти технологии не являются самостоятельными стандартами и рассматриваются как развитие и дополнение технологии Ethernet , реализованное соответственно в 1995 и 1998 годах. Новые технологии Fast Ethernet (стандарт 802.3и) и 100VG-AnyLAN (стандарт 802.3z) имеют производительность 100 Мбит/с и отличаются степенью преемственности с классическим Ethernet .

В стандарте 802.3и сохранен метод случайного доступа CSMA /CD и тем самым обеспечена преемственность и согласованность сетей 10 Мбит/с и 100 Мбит/с.

В технологии 100VG-AnyLAH используется совершенно новый метод доступа - Demand Priority (DP) , приоритетный доступ по требованию. Эта технология существенно отличается от технологии Ethernet . Она поддерживает различные типы трафика в довольно узкой области и не нашла широкого распространения.

Отметим особенности технологии Fast Ethernet и ее отличия от технологии Ethernet :

Читайте также: