Сетевые архитектуры Исполнитель

Сетевые архитектуры

ПЛАН

Ethernet.

Сетевые архитектуры ArcNet и ArcNet Plus.

Token Ring (Маркерное кольцо)

FDDI - распределенный волоконно-оптический

Интерфейс  передачи данных

 {spoiler=Подробнее}

Сетевая архитектура – это комбинация стандартов, топологий и протоколов, необходимых для создания работоспособной сети. В соответствии со стандартными протоколами физического уровня выделяют три основные сетевые архитектуры: Ethernet (протокол 802,3) и Fast Ethernet (протокол 802,30); ArcNet (протокол 802,4); Token Ring (протокол 802.5). Рассмотрим каждую из сетевых архитектур более подробно.

11.1. Ethernet

Это самая популярная в настоящее время сетевая архитектура. Она использует:

• физические топологии «шина», «звезда» или «звезда –шина»;
• логическую топологию «шина»;
• узкополосную передачу данных со скоростями 10 и 100 Мбит/с;
• метод доступа – CSMA/CD.

Среда передачи является пассивной, т. е. получает питание от РС. Сеть прекратит работу из-за физического повреждения или неправильного подключения терминатора. Передает информацию кадрами, формат которых представлен на рис. 11.1.

Рис. 11.1. Формат кадра  в Ethernet

Поле «Тип протокола» используется для идентификации протокола сетевого уровня (IPX и IP) – маршрутизируемый или нет. Спецификация Ethernet выполняет функции физического и канального уровня модели OSI. Различают несколько стандартов сетевых архитектур Ethernet:

• 10BaseT – на основе витой пары;
• 10Base2 – на тонком коаксиале;
• 10Base5 – на толстом коаксиале;
• 10BaseFL – на оптоволокне;
• 10BaseX – со скоростью передачи 100 Мбит/с, который включает в себя ряд спецификаций в зависимости от среды передачи.

Рассмотрим наиболее распространенные стандарты данной архитектуры, применяемые при построении ЛВС.

9.1.1. Стандарт 10BaseT

Физическая топология представляет собой «звезду» на основе витой пары, соединяющей все узлы сети с концентратором, используя две пары проводов: одну для передачи, другую – для приема (рис. 11.2).

Логически (т.е. по системе передачи сигналов) данная архитектура представляет собой «шину» как и все архитектуры Ethernet. Концентратор выступает как многопортовый репитер. Длина сегмента от 2,5 до 100 м. ЛВС стандарта 10BaseT  может обслуживать до 1024 компьютеров.

 

                  l l l l

                                                                   l l l l

   :      :                    :

Рис. 11.2. Сеть стандарта 10BaseT

Достоинством является возможность использования распределительных стоек и панелей коммутации, что позволяет легко перекоммутировать сеть или добавить новый узел без остановки работы сети. Новейшие концентраторы позволяют расширять топологию сети, соединив отдельные концентраторы между собой магистралью на основе коаксиального или оптоволоконного кабеля и получить топологию «звезда – шина».

11.1.2. Стандарт 10Base2

до 30 рабочих станций  mmdf

Сеть такого типа ориентирована на тонкий коаксиальный кабель с максимальной длиной сегмента 185 м и возможностью подключения к одному сегменту до 30 ЭВМ (рис. 9.3).

 

             :       :      …   :

Рис. 11.3. Архитектура сети стандарта 10Base2

Эта сетевая архитектура физически и логически представляет собой «шину». С использованием репитеров может быть увеличена общая протяженность сети введением дополнительных сегментов. Однако при этом необходимо учитывать правило 5-4-3. Сеть на тонком коаксиале может состоять максимум из 5 сегментов кабеля, соединенных 4 репитерами. При этом только к 3 сегментам можно подключать рабочие станции. Два из пяти сегментов являются межрепитерными связями и служат только для увеличения длины сети (рис. 9.4). Максимальное число компьютеров до 1024, а общая длина сети до 925м.

 

:…:                      :…:             :

Рис. 9.4. Правило 5-4-3 для сети стандарта 10Base2.

11.1.3. Стандарт 10Base5

Сетевая архитектура на толстом Ethernet логически и физически представляет собой «шину» (рис. 11.5). Магистральный сегмент (т. е. главный кабель, к которому подключаются трансиверы для связи с РС) имеет длину до 500 м и возможность подключения до 100 компьютеров. С использованием репитеров, которые также подключаются к магистральному сегменту через трансиверы, общая длина сети может составить 2500 м.

			трансивер
							трансивер

 

              :        . . .  :

Рис. 11.5. Сеть стандарта 10Base5

При расширении сети справедливо правило 5–4–3 и возможно комбинирование тонкого и толстого кабеля. В этом случае в качестве магистрали, способной передавать данные не большие расстояния, используется толстый кабель, а в качестве ответвляющих сегментов используют тонкий.

11.1.4. Стандарт 10BaseFL

Данная архитектура строится на оптоволоконном кабеле, доступ к которому со стороны компьютеров и репитеров осуществляется с помощью трансиверов (рис. 11.6). На сегодняшний день в основном используются внешние трансиверы.

 

Рис. 11.6. Сеть стандарта 10BaseFL

Особенность этих трансиверов в том, что их передатчики преобразуют электрические сигналы от ЭВМ в световые импульсы, а приемники – световые в электрические. Популярность использования 10BaseFL обусловлена:

-         высокой помехозащищенностью;

-         возможностью прокладки кабеля между репитерами на большие расстояния, т. к. длина сегмента до 2 – 4 км;

-         использование повторителей позволяющих реализовать «каскадные звезды» путем соединения оптических ответвителей.

На рынке предлагаются ответвители типа коаксиал-волокно и ответвители типа волокно-коаксиал.

11.1.5. Стандарт 100BaseX Ethernet

Этот стандарт, иногда называемый Fast Ethernet, является расширением существующей сетевой архитектуры Ethernet и соответствует протоколу физического уровня IEEE 802.30. Его особенностью является то, что он сохранил стандартный для Ethernet метод доступа CSMA/CD, от которого отходили разработчики других технологий повышенной скорости передачи в сети. Сохранение метода доступа означает, что имеющиеся в наличие драйверы для Ethernet будут работать без изменений.

Преимуществом этой технологии, появившейся в конце 1993 года, является то, что степень ее совместимости с Ethernet–сетями, позволяет интегрировать ее в эти сети с помощью двухскоростных сетевых адаптеров или мостов. Данная сетевая архитектура использует физическую топологию «звезда» или «звезда – шина» (подобно 10BaseT), где все кабели подключаются к концентратору (рис. 9.7). Различают три спецификации среды:

• 100BaseT4 (UTR категории 3, 4 или 5 с 4-мя парами);
• 100BaseTX (UTR или STP категории 5 с 2-мя парами);
• 100BaseFX (двужильный оптоволоконный кабель).

Для реализации этой технологии необходимо две пары проводов или двужильный оптокабель, чтобы организовать дуплексную передачу сигналов по традиционной CSMA/CD, используя одну пару для передачи, а другую – для приема.

11.1.6. Сегментация сети

Мы уже рассматривали задачу построения сети из нескольких сегментов. В частности, если не хватает длины одного сегмента для соединения всех пользователей сети, то можно через репитер подключить еще один сегмент. Но иногда возникает и другая задача. Пусть имеем сегмент сети с очень интенсивным трафиком, который снижает производительность всей сети. Повысить ее производительность можно, если разделить перегруженный сегмент на два и соединить их с помощью моста или маршрутизатора (рис. 9.8). Тогда трафик в каждом сегменте уменьшится, т.к. меньшее число компьютеров в каждом из сегментов попытается осуществить передачу, и время доступа к кабелю сокращается. Сегментация может помочь и при ограничении доступа к конфиденциальной информации.

11.2. Сетевые архитектуры ArcNet и ArcNet Plus

Это простая, гибкая и недорогая сетевая архитектура, поддерживающая протокол физического уровня IEEE 802.4:

• физическая топология - «звезда», «шина», «звезда – шина»;
• логическая топология – упорядоченное «кольцо»;
• широкополосная передача данных 2,5 Мбит/с и 20 Мбит/с (для ArcNetPlus);
• метод доступа маркерный;
• средой передачи может быть:
  • коаксиальный кабель (длиной 600 м при «звезде» и 300 м при «шине»);
  • витая пара (максимальная длина 244 м – при «звезде» и «шине»);

Компьютеры могут быть коаксиальным кабелем связаны в шину или в иных случаях подключены к концентраторам, которые могут быть: пассивными; активными; интеллектуальными. Пассивные концентраторы просто осуществляют коммутацию кабельных соединений сети. Активные – восстанавливают и ретранслируют сигнал. Интеллектуальные - обнаруживают изменения в сети и удаленно управляют работой сетевых устройств.

Особенность маркерного доступа ArcNet (рис.11.9) состоит в том, что:

• все компьютеры имеют свои сетевые адреса;
• маркер передается между компьютерами согласно их номерам;
• маркер двигается от компьютера с меньшим номером к компьютеру с более высоким номером, хотя тот может находиться на другом конце сети;
• приемник, получив маркер, добавляет к нему свой пакет, который, дойдя до адресата, освобождает маркер.

Формат пакета ArcNet Plus имеет вид, представленный на рис. 11.10.

Рис. 11.10. Пакт передачи информации в ArcNet

Общее количество узлов: 255 – ArcNet; 2047 – Arc Net Plus. ArcNet – это одна из самых старых сетевых архитектур, реализованная недавно фирмой DataPoint в более современную ArcNet Plus. Однако на смену этим архитектурам приходят более современные и производительные. Одной из таких архитектур является FDDI, которая будет рассмотрена ниже. А сейчас познакомимся с давно используемой и хорошо зарекомендовавшей себя архитектурой.

11.3. Token Ring (Маркерное кольцо)

Данная сетевая архитектура была разработана и внедрена фирмой IBM еще в 1984 г. как часть предложенного ею способа объединить в сеть весь ряд выпускаемых IBM компьютеров: персональные компьютеры; средние ЭВМ и мейнфреймы. Разрабатывая эту технологию, IBM ставила задачу обеспечить простоту монтажа кабеля – витой пары – соединяющего компьютер с сетью через розетку. Token Ring является реализацией протокола физического уровня IEEE 802.5:

• физическая топология – «звезда»;
• логическая топология – «кольцо»;
• узкополосный тип передачи;
• скорость передачи 4 и 16 Мбит/с;
• соединение неэкранированной и экранированной витой пары;
• метод доступа – маркерное кольцо.

Формат кадра имеет вид, представленный на рис. 11.11.

Стартовый разделитель	Управление доступом	Управление кадром	Адрес		Данные	Циклический код	Конец кадра	Статус кадра
			приемника	источника

	Указывается: передается кадр маркера или кадр данных
			Содержит информацию: кадр – для всех РС; кадр - для одной РС		Сообщает: был ли распознан и скопирован кадр (доступен ли адрес приемника)

 

Рис. 11.11. Формат кадра, используемый в сетях Token Ring

11.3.1. Аппаратные компоненты

Логическое кольцо в этой сетевой архитектуре организуется концентратором, который называется модулем множественного доступа (MSAU – MultyStation Access Unit) или интеллектуальным модулем множественного доступа (SMAU – Smart Multystation Access Unit). Кабели (витые пары) соединяют клиентов и серверов с MSAU, который работает по принципу других концентраторов.

При соединении компьютеров он включается в кольцо (рис. 11.12). IBM MSAU имеет 10 портов соединения. К нему можно подключить до 8 компьютеров. Каждое кольцо может содержать до 33 концентраторов.

Общее число компьютеров – 72 при использовании UTP и 260 при использовании STP. Другие производители выпускают MSAU большей емкости (в зависимости от модели). Расширение логического кольца на базе концентраторов позволяет увеличить общее количество узлов в сети (рис. 11.13).

При этом расстояние между концентраторами до 45м (152м), а каждая РС соединяется с MSAU: при UTP -  сегментом до 45м; при STR - сегментом до 100м. Расстояние между MSAU можно увеличить до 365, установив репитер.

				репитер
								365 м

 

Рис. 11.13. Расширение логического кольца

Известны две модели сетевых плат на 4 и 16 Мбит/с. Платы на 16Мбит/с могут обеспечить передачу более длинных кадров, что сокращает количество передач для одного и того же объема данных.

11.3.2. Мониторинг системы

Компьютер, который первым начал работу, наделяется системой Token Ring особыми функциями. Этот компьютер:

• должен наблюдать за работой всей системы;
• осуществляет текущий ее контроль;
• проверяет корректность отправки и получения кадров;
• отслеживает кадры, проходящие по кольцу более одного раза;
• гарантирует, что в кольце одновременно находится лишь один маркер.

После появления в сети нового компьютера система инициирует его, чтобы он стал частью кольца. Это включает в себя: проверку уникальности адреса; уведомление всех узлов сети о появлении нового узла.

В «теоретической» кольцевой топологии вышедший из строя компьютер останавливает движение маркера, что в свою очередь останавливает работу всей сети. В реальных сетевых архитектурах Token Ring используются интеллектуальные концентраторы, которые в состоянии обнаружить отказавшую сетевую плату (РС) и во время отключить ее.

Эта процедура позволяет “обойти” отказавший компьютер, поэтому маркер продолжает свое движение. Таким образом, отказавший компьютер не влияет на работу сети.

11.4. FDDI - распределенный волоконно-оптический интерфейс

передачи данных

11.4.1. Общие характеристики

Одной из современных сетевых архитектур является архитектура FDDI (Fiber Distributed Data Interface), которая определяет:

• двухкольцевую топологию на основе оптоволокна;
• с маркерным методом доступа;
• со скоростью передачи 100 Мбит/с;
• при общей длине колец до 200 км.
• Эта архитектура обеспечивает совместимость с TokenRing, поскольку у них одинаковые форматы кадров. Однако есть и различия. В сети FDDI компьютер:
• захватывает маркер на определенный интервал времени;
• за этот интервал передает столько кадров, сколько успеет;
• завершает передачу либо по окончании выделенного интервала времени, либо из-за отсутствия передаваемых кадров.

Поскольку компьютер, завершив передачу, сразу освобождает маркер, могут остаться несколько кадров, одновременно циркулирующих по кольцу. Этим объясняется более высокая производительность FDDI, чем Token Ring, которая позволяет циркулировать в кольце только одному кадру.

FDDI основана на технологии совместного использования сети. Это означает, что передавать данные одновременно могут несколько компьютеров. Хотя FDDI работает со скоростью 100 Мбит/с, технология совместного использования может стать причиной ее перегрузки. Так, если 10 компьютеров начнут передавать данные со скоростью 10 Мбит/с каждый, общий поток будет равен 100 Мбит/с. А при передачи видеоинформации или данных мультимедиа среда передачи окажется потенциально узким местом системы.

11.4.2. Топология и аппаратные компоненты

FDDI использует передачу маркера в двойном кольце. Трафик сети состоит из двух похожих потоков, движущихся в противоположных направлениях по двум кольцам: основному и дополнительному (рис. 9.14). Обычно данные передаются по основному кольцу. Если в основном происходит сбой, сеть автоматически реконфигурируется, и данные начинают передаваться по второму кольцу в другом направлении. Одно из достоинств FDDI – избыточность: одно кольцо является резервным.

При отказе кольца или разрыве кабеля сеть автоматически переконфигурируется и передача продолжится. Существуют ограничения:

• длина кабеля объединенных колец до 200 км;
• общее количество компьютеров до 1000 штук;
• через каждые 2 км необходима установка репитера.

Так как второе кольцо предназначено для защиты от сбоев, то для высоконадежной передачи эти показатели надо делить на два (500 компьютеров при длине каждого кольца в 100 км). Компьютеры могут подключаться к одному или обоим кольцам (рис. 11.15): станции класса А подключены к обоим кольцам; станции класса В только к основному. Если происходит сбой сети, станции класса А участвуют в переконфигурации, а станции класса В – не участвуют.

концентратор

Физически FDDI имеет топологию «звезда». При этом отдельные компьютеры могут иметь соединение «точка-точка» с концентратором. Такое решение позволяет использовать интеллектуальные концентраторы для сетевого управления и поиска неисправностей.

11.4.3. Мониторинг системы

Все компьютеры в среде FDDI отвечают за мониторинг передачи маркера. Чтобы изолировать серьезные сбои в кольце, используется метод, который называется «испускание маяка» («beaconing») (рис. 9.16). Суть метода заключается в следующем:

1. Компьютер, обнаруживший сбой, посылает в сеть сигнал, который получил название «маяк».
2. Он посылает его до тех пор, пока не примет маяк предшествующего ему компьютера в кольце.
3. Процесс продолжается до тех пор, пока в кольце не останется только один компьютер, испускающий маяк (т.е. тот, который находится за неисправным).
4. Когда компьютер примет свой собственный маяк, он «понимает», что неисправность устранена, восстанавливает маркер кольца и сеть возвращается к нормальной работе.

Рассмотрим пример (рис. 11.16) функционирования FDDI при сбое в работе одного из компьютеров сети. Предположим, что произошел сбой в работе компьютера 1.

• Компьютер 1 отказал. Компьютер 3 обнаружил сбой, изъял из кольца маркер (обозначен символом "м" на рисунке) и посылает маяк (обозначен символом "с" на рисунке). Он будет посылать маяк до тех пор, пока не примет свой сигнал или маяк от компьютера 2 (рис.9.16а).
• Компьютер 2, не получив нормального маркерного сообщения, обнаруживает сбой и посылает новый сигнал - свой маяк - в сеть. Компьютер 3, получив маяк от компьютера 2, прекращает передавать свой маяк (рис.9.16б).
• Так как компьютер 1 неисправен, то компьютер 2 продолжает посылать маяк. Этот сигнал указывает на то, что сбой произошел на компьютере 1 (рис.9.16в).
• Если компьютер 1 восстановил свою работоспособность или отключен от сети, компьютер 2 принимает свой собственный маяк, что приводить к восстановлению работы сети (рис.11.16г).

 

11.4.4. Области применения FDDI

1. FDDI обеспечивает высокоскоростную связь между сетями различных типов и может применяться в сетях городского масштаба.
2. Используется для соединения больших или мини-компьютеров в традиционных компьютерных залах, обслуживая очень интенсивную передачу файлов.
3. Выступает в качестве магистральных сетей, к которым подключаются ЛВС малой производительности. Подключать все оборудование фирмы к одной ЛВС – не самое мудрое решение. Это может перегрузить сеть, а сбой какого-либо компонента – остановить работу всей фирмы.
4. Локальные сети, где нужна высокая скорость передачи данных. Это сети, состоящие из инженерных РС и компьютеров, где ведется видеообработка, работают системы автоматизированного проектирования, управления производством.
5. Любое учреждение, нуждающееся в высокоскоростной обработке. Даже в офисах коммерческих фирм производство графики или мультимедиа для презентаций и других документов нередко вызывает перегрузку сети.

Контрольные вопросы:

1. Архитектура Ethernet.
2. Формат кадра  в Ethernet.
3. Сегментация сети.
4. Сетевые архитектуры ArcNet и ArcNetPlus.
5. FDDI - распределенный волоконно-оптический интерфейс передачи данных.
6. Общие характеристики FDDI/
7. Области применения FDDI.

{/spoilers}