Сетевые технологии ЛВС

 

 

 

 

 

Введение

 

За время, прошедшее с  момента появления первых локальных  сетей, было разработано несколько  сот самых разных сетевых технологий, однако заметное распространение получили немногие. Это связано, прежде всего, с высоким уровнем стандартизации принципов организации сетей  и с поддержкой их известными компаниями. Тем не менее, не всегда стандартные  сети обладают рекордными характеристиками, обеспечивают наиболее оптимальные  режимы обмена. Но большие объемы выпуска  их аппаратуры и, следовательно, ее невысокая  стоимость дают им огромные преимущества. Немаловажно и то, что производители  программных средств также в  первую очередь ориентируются на самые распространенные сети. Поэтому  пользователь, выбирающий стандартные  сети, имеет полную гарантию совместимости  аппаратуры и программ.

В настоящее время уменьшение количества типов используемых сетей  стало тенденцией. Дело в том, что  увеличение скорости передачи в локальных  сетях до 100 и даже до 1000 Мбит/с  требует применения самых передовых  технологий, проведения дорогих научных  исследований. Естественно, это могут  позволить себе только крупнейшие фирмы, которые поддерживают свои стандартные  сети и их более совершенные разновидности.

Цель курсовой работы - это  углубление знаний по дисциплине «Вычислительные  системы, сети и телекоммуникации».

Задачами курсовой работы являются изучение сетей Ethernet и Fast Ethernet, Token-Ring, Arcnet, FDDI, а так же сверхскоростных сетей.

Общий объем курсовой работы составил 30 страниц печатного текста, который включает три рисунка. При изучении темы курсовой работы основным источником был учебник: Пятибратова А.П. и др.ьП99 Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: Учебник. - 2-е изд., перераб. и доп. / А.П. Пятибратов, Л.П. Гудыно, А.А. Кириченко; Под ред. А.П. Пятибратова - М.: Финансы и статистика, 2004. -512 с.: ил.

 

 

1. Сети Ethernet и Fast Ethernet

 

Наибольшее распространение  среди стандартных сетей получила сеть Ethernet. Впервые она появилась  в 1972 году (разработчиком выступила  известная фирма Xerox). Сеть оказалась  довольно удачной, и вследствие этого  ее в 1980 году поддержали такие крупнейшие компании, как DEC и Intel). Их стараниями в 1985 году сеть Ethernet стала международным  стандартом, ее приняли крупнейшие международные организации по стандартам: комитет 802 IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) и ECMA (European Computer Manufacturers Association).

Стандарт получил название IEEE 802.3 (по-английски читается как "eight oh two dot three"). Он определяет множественный доступ к моноканалу типа шина с обнаружением конфликтов и контролем передачи. Этому стандарту удовлетворяли и некоторые другие сети, так как уровень его детализации невысок. В результате сети стандарта IEEE 802.3 нередко были несовместимы между собой как по конструктивным, так и по электрическим характеристикам. Однако в последнее время стандарт IEEE 802.3 считается стандартом именно сети Ethernet.

Основные характеристики первоначального стандарта IEEE 802.3:

• топология – шина;
• среда передачи – коаксиальный кабель;
• скорость передачи – 10 Мбит/с;
• максимальная длина сети – 5 км;
• максимальное количество абонентов – до 1024;
• длина сегмента сети – до 500 м;
• количество абонентов на одном сегменте – до 100;
• метод доступа – CSMA/CD;
• передача узкополосная, то есть без модуляции (моноканал).

Строго говоря, между стандартами IEEE 802.3 и Ethernet существуют незначительные отличия, но о них обычно предпочитают не вспоминать.

Сеть Ethernet сейчас наиболее популярна  в мире (более 90% рынка), предположительно таковой она и останется в  ближайшие годы. Этому в немалой  степени способствовало то, что с  самого начала характеристики, параметры, протоколы сети были открыты, в результате чего огромное число производителей во всем мире стали выпускать аппаратуру Ethernet, полностью совместимую между собой.

В классической сети Ethernet применялся 50-омный коаксиальный кабель двух видов (толстый и тонкий). Однако в последнее  время (с начала 90-х годов) наибольшее распространение получила версия Ethernet, использующая в качестве среды передачи витые пары. Определен также стандарт для применения в сети оптоволоконного  кабеля. Для учета этих изменений  в изначальный стандарт IEEE 802.3 были сделаны соответствующие добавления. В 1995 году появился дополнительный стандарт на более быструю версию Ethernet, работающую на скорости 100 Мбит/с (так называемый Fast Ethernet, стандарт IEEE 802.3u), использующую в качестве среды передачи витую  пару или оптоволоконный кабель.

Помимо стандартной топологии  шина (рис.1) все шире применяются топологии типа пассивная звезда и пассивное дерево.

Рис.1 Классическая топология  сети Ethernet

 

В сети Fast Ethernet не предусмотрена  физическая топология, шина, используется только пассивная звезда или пассивное  дерево. К тому же в Fast Ethernet гораздо  более жесткие требования к предельной длине сети. Ведь при увеличении в 10 раз скорости передачи и сохранении формата пакета его минимальная  длина становится в десять раз  короче. Таким образом, в 10 раз уменьшается  допустимая величина двойного времени  прохождения сигнала по сети (5,12 мкс против 51,2 мкс в Ethernet).

Для передачи информации в  сети Ethernet применяется стандартный манчестерский код.

Доступ к сети Ethernet осуществляется по случайному методу CSMA/CD, обеспечивающему  равноправие абонентов. В сети используются пакеты переменной длины со структурой.

Для сети Ethernet, работающей на скорости 10 Мбит/с, стандарт определяет четыре основных типа сегментов сети, ориентированных на различные среды передачи информации:

• 10BASE5 (толстый коаксиальный кабель);
• 10BASE2 (тонкий коаксиальный кабель);
• 10BASE-T (витая пара);
• 10BASE-FL (оптоволоконный кабель).

Наименование сегмента включает в себя три элемента: цифра "10" означает скорость передачи 10 Мбит/с, слово BASE – передачу в основной полосе частот (то есть без модуляции высокочастотного сигнала), а последний элемент – допустимую длину сегмента: "5" – 500 метров, "2" – 200 метров (точнее, 185 метров) или тип линии связи: "Т" – витая пара (от английского "twisted-pair"), "F" – оптоволоконный кабель (от английского "fiber optic").

Точно так же для сети Ethernet, работающей на скорости 100 Мбит/с (Fast Ethernet) стандарт определяет три типа сегментов, отличающихся типами среды  передачи:

• 100BASE-T4 (счетверенная витая пара);
• 100BASE-TX (сдвоенная витая пара);
• 100BASE-FX (оптоволоконный кабель).

Здесь цифра "100" означает скорость передачи 100 Мбит/с, буква "Т" – витую пару, буква "F" –  оптоволоконный кабель. Типы 100BASE-TX и 100BASE-FX иногда объединяют под именем 100BASE-X, а 100BASE-T4 и 100BASE-TX – под именем 100BASE-T.

Таким образом, развитие технологии Ethernet идет по пути все большего отхода от первоначального стандарта. Применение новых сред передачи и коммутаторов позволяет существенно увеличить размер сети. Отказ от манчестерского кода (в сети Fast Ethernet и Gigabit Ethernet) обеспечивает увеличение скорости передачи данных и снижение требований к кабелю. Отказ от метода управления CSMA/CD (при полнодуплексном режиме обмена) дает возможность резко повысить эффективность работы и снять ограничения с длины сети. Тем не менее, все новые разновидности сети также называются сетью Ethernet.

 

 

2. Сеть Token-Ring

 

Сеть Token-Ring (маркерное кольцо) была предложена компанией IBM в 1985 году (первый вариант появился в 1980 году). Она предназначалась для объединения  в сеть всех типов компьютеров, выпускаемых IBM. Уже тот факт, что ее поддерживает компания IBM, крупнейший производитель  компьютерной техники, говорит о  том, что ей необходимо уделить особое внимание. Но не менее важно и  то, что Token-Ring является в настоящее  время международным стандартом IEEE 802.5 (хотя между Token-Ring и IEEE 802.5 есть незначительные отличия). Это ставит данную сеть на один уровень по статусу с Ethernet.

Разрабатывалась Token-Ring как  надежная альтернатива Ethernet. И хотя сейчас Ethernet вытесняет все остальные  сети, Token-Ring нельзя считать безнадежно устаревшей. Более 10 миллионов компьютеров  по всему миру объединены этой сетью.

Компания IBM сделала все  для максимально широкого распространения  своей сети: была выпущена подробная  документация вплоть до принципиальных схем адаптеров. В результате многие компании, например, 3СOM, Novell, Western Digital, Proteon и другие приступили к производству адаптеров. Кстати, специально для этой сети, а также для другой сети IBM PC Network была разработана концепция NetBIOS. Если в созданной ранее сети PC Network программы NetBIOS хранились во встроенной в адаптер постоянной памяти, то в сети Token-Ring уже применялась  эмулирующая NetBIOS программа. Это позволило  более гибко реагировать на особенности  аппаратуры и поддерживать совместимость  с программами более высокого уровня.

Сеть Token-Ring имеет топологию  кольцо, хотя внешне она больше напоминает звезду (рис.2). Это связано с тем, что отдельные абоненты (компьютеры) присоединяются к сети не напрямую, а через специальные концентраторы или многостанционные устройства доступа (MSAU или MAU – Multistation Access Unit). Физически сеть образует звездно-кольцевую топологию. В действительности же абоненты объединяются все-таки в кольцо, то есть каждый из них передает информацию одному соседнему абоненту, а принимает информацию от другого.

Рис.2 Звездно-кольцевая топология сети Token-Ring

Концентратор (MAU) при этом позволяет централизовать задание  конфигурации, отключение неисправных  абонентов, контроль работы сети и т.д. Никакой обработки информации он не производит.

Для каждого абонента в  составе концентратора применяется  специальный блок подключения к  магистрали (TCU – Trunk Coupling Unit), который  обеспечивает автоматическое включение  абонента в кольцо, если он подключен  к концентратору и исправен. Если абонент отключается от концентратора  или же он неисправен, то блок TCU автоматически  восстанавливает целостность кольца без участия данного абонента. Срабатывает TCU по сигналу постоянного  тока (так называемый "фантомный" ток), который приходит от абонента, желающего включиться в кольцо.

Концентратор в сети может  быть единственным, в этом случае в  кольцо замыкаются только абоненты, подключенные к нему. Внешне такая топология  выглядит, как звезда. Если же нужно  подключить к сети более восьми абонентов, то несколько концентраторов соединяются  магистральными кабелями и образуют звездно-кольцевую топологию.

Кольцевая топология очень  чувствительна к обрывам кабеля кольца. Для повышения живучести  сети, в Token-Ring предусмотрен режим так  называемого сворачивания кольца, что  позволяет обойти место обрыва.

В нормальном режиме концентраторы  соединены в кольцо двумя параллельными  кабелями, но передача информации производится при этом только по одному из них.

В случае одиночного повреждения (обрыва) кабеля сеть осуществляет передачу по обоим кабелям, обходя тем самым  поврежденный участок. При этом даже сохраняется порядок обхода абонентов, подключенных к концентраторам. Правда, увеличивается суммарная длина кольца.

В случае множественных повреждений  кабеля сеть распадается на несколько  частей (сегментов), не связанных между  собой, но сохраняющих полную работоспособность. Максимальная часть сети остается при  этом связанной, как и прежде. Конечно, это уже не спасает сеть в целом, но позволяет при правильном распределении  абонентов по концентраторам сохранять  значительную часть функций поврежденной сети.

Несколько концентраторов может  конструктивно объединяться в группу, кластер (cluster), внутри которого абоненты также соединены в кольцо. Применение кластеров позволяет увеличивать  количество абонентов, подключенных к  одному центру, например, до 16 (если в  кластер входит два концентратора).

В качестве среды передачи в сети IBM Token-Ring сначала применялась  витая пара, как неэкранированная (UTP), так и экранированная (STP), но затем появились варианты аппаратуры для коаксиального кабеля, а также  для оптоволоконного кабеля в стандарте FDDI.

Основные технические  характеристики классического варианта сети Token-Ring:

• максимальное количество концентраторов типа IBM 8228 MAU – 12;
• максимальное количество абонентов в сети – 96;
• максимальная длина кабеля между абонентом и концентратором – 45 метров;
• максимальная длина кабеля между концентраторами – 45 метров;
• максимальная длина кабеля, соединяющего все концентраторы – 120 метров;
• скорость передачи данных – 4 Мбит/с и 16 Мбит/с.

Все приведенные характеристики относятся к случаю использования  неэкранированной витой пары. Если применяется другая среда передачи, характеристики сети могут отличаться. Например, при использовании экранированной витой пары (STP) количество абонентов  может быть увеличено до 260 (вместо 96), длина кабеля – до 100 метров (вместо 45), количество концентраторов – до 33, а полная длина кольца, соединяющего концентраторы – до 200 метров. Оптоволоконный кабель позволяет увеличивать длину кабеля до двух километров.