KNOW INTUIT, Лекция, Локални компютърни мрежи

LAN протоколи и технологии

В локалните мрежи основната роля в организирането на взаимодействието на възлите принадлежи на протокола на слоя за връзка, който е фокусиран върху добре дефинирана топология на LAN. И така, най-популярният протокол от това ниво - Ethernet - е предназначен за топологията "обща шина", когато всички мрежови възли са свързани паралелно към обща шина за тях, а протоколът Token Ring е предназначен за топологията "звезда". В този случай се използват прости структури на кабелни връзки между компютрите в мрежата, а за опростяване и намаляване на разходите за хардуерни и софтуерни решения е реализирано споделяне на кабели от всички компютри в режим на споделяне на времето. Такива прости решения, които бяха типични за разработчиците на първите LCS през втората половина на 70-те години, наред с положителните, имаха и отрицателни последици, основните от които бяха ограниченията на производителността и надеждността.

Тъй като в LAN с най-простата топология (обща шина, пръстен, звезда) има само един път за пренос на информация - моноканален, производителността на мрежата е ограничена от честотната лента на този път, а надеждността на мрежата е ограничена от надеждността на пътя. Следователно, с развитието и разширяването на обхвата на локалните мрежи с помощта на специални комуникационни устройства (мостове, комутатори, рутери), тези ограничения постепенно бяха премахнати. Основните LAN конфигурации (шина, пръстен) се превърнаха в елементарни връзки, от които се формират по-сложни структури на локални мрежи, имащи паралелни и излишни пътища между възлите.

Въпреки това, вътре в основните структури на локалните мрежи, всички същите протоколи Ethernet и Token Ring продължават да работят. Комбинацията от тези структури (сегменти) в обща, по-сложна локална мрежа се осъществява с помощта на допълнителнаоборудване, а взаимодействието на RS на такава мрежа - чрез използване на други протоколи.

В развитието на локалните мрежи, в допълнение към отбелязаните, има и други тенденции:

отхвърляне на споделени медии за предаване на данни и преминаване към използване на активни комутатори, към които компютърните мрежи са свързани чрез отделни комуникационни линии;
появата на нов режим на работа в LAN при използване на комутатори - пълен дуплекс (въпреки че в основните структури на локалните мрежи компютрите работят в полудуплексен режим, тъй като мрежовият адаптер на станцията по всяко време или предава своите данни, или получава други, но не го прави едновременно). Днес всяка LAN технология е адаптирана да работи както в полудуплексен, така и в пълен дуплексен режим. Стандартизацията на LCN протоколите е извършена от комитета 802, организиран през 1980 г. в Института IEEE. Стандартите на фамилията IEEE 802.X обхващат само двата долни слоя на OSI модела – физически и линк. Именно тези нива отразяват спецификата на локалните мрежи, по-старите нива, започвайки с мрежата, имат общи характеристики за мрежи от всякакъв клас.

В локалните мрежи нивото на връзката е разделено на два подслоя:

логически трансфер на данни ( LLC - Logical Link Control );
контрол на достъпа до медиите (MAC - Media Access Control).

Протоколите на MAC и LLC подслоевете са взаимно независими, т.е. всеки протокол на MAC подслой може да работи с всеки протокол на подслой LLC и обратно.

Подслоят MAC осигурява споделянето на обща среда за предаване, а подслоят LLC организира предаването на кадри с различни нива на качество на транспортните услуги. Съвременните локални мрежи използват няколко протокола на MAC подслоя, които реализират различни алгоритми за достъп до споделена среда и определят спецификитетехнологии Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, Token Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN.

LLC протокол. За LAN този протокол осигурява необходимото качество на транспортната услуга. Той заема позиция между мрежовите протоколи и протоколите на MAC подслоя. Съгласно протокола LLC кадрите се предават или чрез метод на дейтаграма, или чрез използване на процедури за установяване на връзка между взаимодействащи мрежови станции и възстановяване на кадри чрез повторното им предаване, ако съдържат изкривявания.

Ethernet технология (802.3 стандарт). Това е най-разпространеният LAN стандарт. Този протокол в момента се използва от повечето LKS. Има няколко варианта и модификации на Ethernet технологията, които съставляват цяло семейство от технологии. От тях най-известни са 10-Mbit версията на стандарта IEEE 802.3, както и новите високоскоростни технологии Fast Ethernet и Gigabit Ethernet. Всички тези опции и модификации се различават по вида на физическата среда за предаване на данни.

Всички видове Ethernet стандарти използват един и същ метод за достъп до медиите, методът за произволен достъп CSMA/CD. Използва се изключително в мрежи с обща логическа шина, която работи в режим на споделен достъп и служи за пренос на данни между всеки два мрежови възела. Този метод на достъп е вероятностен по природа: вероятността да получите предавателната среда на ваше разположение зависи от натоварването на мрежата. При значително натоварване на мрежата, интензивността на сблъсъците се увеличава и нейната полезна честотна лента рязко спада.

Полезна честотна лента на мрежатае скоростта на потребителските данни, пренасяна от полето за данни на рамката. Тя винаги е по-малка от номиналната битова скорост на Ethernet протокола порадизареждане на кадри, междукадрови интервали и изчакване за достъп до носителя. Коефициентът на използване на мрежата в случай на липса на сблъсъци и изчакване за достъп има максимална стойност от 0,96.

Всички Ethernet стандарти имат следните характеристики и ограничения:

номинална пропускателна способност - 10 Mbps;
максимален брой компютри в мрежата - 1024;
максимално разстояние между възлите в мрежата - 2500 m;
максимален брой коаксиални мрежови сегменти - 5;
максимална дължина на сегмента - от 100 m (за 10Base -T) до 2000 m (за 10Base -F);
максималният брой повторители между всички мрежови станции е 4.

Технология Token Ring (802.5 стандарт). Тук се използва споделена среда за предаване на данни, която се състои от кабелни сегменти, свързващи всички компютри в мрежата в пръстен. Пръстенът (общ споделен ресурс) е обект на детерминистичен достъп, базиран на предоставяне на станциите на правото да използват пръстена в определен ред. Това право се предаде чрез токен. Методът за достъп до токена гарантира, че всеки RS ще получи достъп до пръстена по време на времето за ротация на токена. Използва се системата за приоритет на притежание на жетон - от 0 (най-нисък приоритет) до 7 (най-висок). Приоритетът на текущия кадър се определя от самата станция, която може да улови пръстена, ако в него няма повече приоритетни кадри.

Мрежите Token Ring използват екранирана и неекранирана усукана двойка и оптичен кабел като физическа среда за предаване. Мрежите работят с две битрейтове - 4 и 16 Mbps, като в един пръстен всички RS трябва да работят с еднаква скорост. Максималната дължина на ринга е 4 км, а максималният брой компютри в ринга е 260. Ограничения за максималната дължина на рингасвързани с времето за въртене на маркера около ринга. Ако има 260 станции в пръстена и времето за задържане на маркера от всяка станция е 10 ms, тогава маркерът ще се върне към активния монитор след 2,6 s след пълно завъртане. При предаване на дълго съобщение, разделено например на 50 кадъра, това съобщение ще бъде получено от получателя в най-добрия случай (когато е активен само компютърът на изпращача) след 260 s, което не винаги е приемливо за потребителите.

Максималният размер на рамката в стандарта 802.5 не е дефиниран. Обикновено се приема, че е 4 KB за 4 Mbps мрежи и 16 KB за 16 Mbps мрежи.

16 Mbps мрежите също използват по-ефективен алгоритъм за пръстенен достъп. Това е алгоритъм за ранно освобождаване на токени (ETR): станция предава токен за достъп до следващата станция веднага след края на предаването на последния бит от своя кадър, без да чака този кадър и заетият токен да се върнат по пръстена. В този случай кадрите на няколко станции ще се предават едновременно по пръстена, което значително повишава ефективността на използването на честотната лента на пръстена. Разбира се, в този случай, във всеки един момент, само RS, който притежава токена за достъп в този момент, може да генерира рамка в пръстена, а останалите станции ще препредават само рамки на други хора.

Технологията Token Ring (технологията на тези мрежи е разработена през 1984 г. от IBM) е много по-сложна от Ethernet технологията. Той съдържа възможности за устойчивост на грешки: поради обратната връзка на пръстена, една от станциите (активен монитор) непрекъснато следи наличието на токена, времето за изпълнение на токена и кадрите с данни, откритите грешки в мрежата се елиминират автоматично, например загубен токен може да бъде възстановен. Ако активният монитор не успее, се избира нов.активният монитор и процедурата за инициализация на звънене се повтарят.

Стандартът Token Ring първоначално предвиждаше изграждането на връзки в мрежата с помощта на хъбове, наречени MAU, т.е. устройства с множествен достъп. Хъбът може да бъде пасивен (свързва вътрешно портовете, така че компютрите, свързани към тези портове, да образуват пръстен, и също така да заобикаля порт, ако компютърът, свързан към този порт, е изключен) или активен (изпълнява функции за регенериране на сигнал и затова понякога се нарича повторител).

Наскоро технологията Token Ring на IBM получи ново развитие: беше предложена нова версия на тази технология ( HSTR ), която поддържа битрейт от 100 и 155 Mbps. В същото време се запазват основните характеристики на технологията Token Ring 16 Mbps.

FDDI технология. Това е първата LAN технология, която използва оптичен кабел за предаване на данни. Появява се през 1988 г. и официалното му име е Fiber Distributed Data Interface (FDDI). В момента като физическа среда, в допълнение към оптичния кабел, се използва неекранирана усукана двойка.

Технологията FDDI е предназначена за използване при опорни връзки между мрежи, за свързване на високопроизводителни сървъри към мрежа, в корпоративни и градски мрежи. Следователно, той осигурява висока скорост на трансфер на данни (100 Mbps), устойчивост на грешки на ниво протокол и големи разстояния между мрежовите възли. Всичко това се отрази на разходите за свързване към мрежата: тази технология се оказа твърде скъпа за свързване на клиентски компютри.

Съществува значителна приемственост между технологиите Token Ring и FDDI. Ключови идеиТехнологиите Token Ring се възприемат и подобряват и развиват в технологията FDDI, по-специално топологията на пръстена и метода за достъп до токени.

В мрежата FDDI за предаване на данни се използват два оптични пръстена, които формират основния и резервния път за предаване между RS. Мрежовите станции са свързани към двата пръстена. В нормален режим участва само основният пръстен. Ако някоя част от основния пръстен се повреди, тя се комбинира с резервния пръстен, като отново се образува единичен пръстен (това е режимът на „търкаляне“ на пръстените), използвайки хъбове и мрежови адаптери. Наличието на "сгъваема" процедура в случай на повреди е основният начин за повишаване на отказоустойчивостта на мрежата. Има други процедури за идентифициране на мрежови повреди и възстановяване на изправността на мрежата.

Основната разлика между метода за достъп до медиите с токени, използван в мрежата FDDI, и този метод в мрежата Token Ring е, че в мрежата FDDI времето за задържане на токени е постоянна стойност само за синхронен трафик, което е от решаващо значение за закъсненията при предаване на кадри. За асинхронен трафик, който не е критичен за забавяне на предаването на малки кадри, това време зависи от натоварването на пръстена: при малко натоварване то се увеличава, а при голямо натоварване може да намалее до нула. По този начин, за асинхронен трафик, методът за достъп е адаптивен, добре регулиращ временното претоварване на мрежата. Няма механизъм за приоритет на рамката. Смята се, че е достатъчно трафикът да се раздели на два класа - синхронен, който се обслужва винаги (дори когато пръстенът е претоварен) и асинхронен, обслужван, когато пръстенът е слабо натоварен. FDDI станциите използват алгоритъм за ранно освобождаване на токени, както се прави в 16 Mbps мрежата Token Ring.

В мрежата FDDI, специално активенняма монитор, всички станции и хъбове са равни, ако се установят отклонения от нормата, те реинициализират мрежата и, ако е необходимо, я преконфигурират.

Резултатите от сравнението на технологията FDDI с технологиите Ethernet и Token Ring са показани в таблица 5.1.

ТехнологииFast Ethernet и 100VG-AnyLAN. И двете технологии не са независими стандарти и се считат за разработки и допълнения към Ethernet технологията, внедрени съответно през 1995 г. и 1998 г. Новите технологии Fast Ethernet (802.3i стандарт) и 100VG-AnyLAN (802.3z стандарт) имат производителност от 100 Mbps и се различават по степен на непрекъснатост с класическия Ethernet.

Стандартът 802.3i запазва метода за произволен достъп CSMA /CD и по този начин осигурява непрекъснатост и последователност на 10 Mbps и 100 Mbps мрежи.

Технологията 100VG-AnyLAH използва изцяло нов метод за достъп - Demand Priority (DP), приоритетен достъп при поискване. Тази технология се различава значително от Ethernet технологията. Той поддържа различни видове трафик в доста тясна област и не е намерил широко разпространение.

Забележкахарактеристики натехнологията Fast Ethernet и нейните разлики от технологията Ethernet: