Тема 3. Обмен в локальных вычислительных сетях

ЛВС была разработана как способ соединения компьютеров, сначала мини-ЭВМ, а затем и РС. ЛВС решали проблему распределения ресурсов, так как вычислительных мощностей тогда не хватало. Сегодня ЛВС используются как в технологическом цикле, так и в управлении производством в целом. И даже объединение нескольких ЛВС в одну сеть не переводит общую сеть в разряд региональных, а тем более глобальных, она остается локальной совокупной сетью.

Для функционирования ЛВС требуется интеграция многих различных компонентов, которые определяют, как узлы сети соединяются, какая среда передачи будет использоваться, в каком формате будут передаваться данные и как обеспечить одновременную передачу данных между несколькими узлами с сохранением основного свойства ЛВС – высокой скорости.

ЛВС охватывают нижние три уровня модели ВОС/МОС. Рассмотрим как и с помощью каких аппаратных средств они реализуются.

Физический уровень связан с передачей бит нулей и единиц между узлами. Связи на физическом уровне могут описываться в терминах “передача - прием” (симплексная, полу- и дуплексная), а по своему характеру могут быть отнесены либо к последовательным, либо к параллельным (рис.3.1).

Рис.3.1. Последовательный и параллельный интерфейс

Параллельный интерфейс – более скоростной, но из-за различных условий прохождения сигнала по конкретным физическим проводам нельзя гарантировать одновременный приход сигналов в В при одновременной их отправке из А. Такое рассогласование возрастает с длиной пути прохождения сигналов. Поэтому параллельный интерфейс ограничивается по длине. В IBM, например, не более 120 м (400 футов), а кабель к принтеру – вообще

1, 5 м.

При последовательной схеме сигналы следуют один за другим, что ограничивает скорость, но не расстояние. Рассогласования данных нет, но зато есть проблема синхронизации работы передатчика и приемника. Значит, в последовательной передаче информация о синхронизации должна быть “спрятана” среди данных.

При любой организации сопряжения узлов основой является среда передачи. Чаще всего это проводная среда в виде электрического или оптоволоконного кабеля. Не углубляясь в физические аспекты разных сред (это будет сделано позже), отметим, что существует целая технология по проводке кабеля внутри одного здания или группы зданий. Крупные компании (например, АТ& Т) предлагают продукт, который так и называется – Структурированная Кабельная Система (СКС). Для тщательно спроектированной и построенной структурированной сети гарантируется, что в течение длительного периода (до 15-20 лет) даже появление новых технологий не потребует серьезных дорогостоящих изменений в кабельной системе.

СКС представляет собой иерархическую кабельную систему здания или группы зданий, разделенную на структурные подсистемы. Она состоит из набора медных и оптических кабелей, кросс-панелей, кабельных разъемов, информационных розеток и вспомогательного оборудования. СКС эксплуатируется по определенным правилам и обеспечивает подключение локальной АТС, одновременную работу компьютерной и телефонной сети, охранно–пожарной сигнализации, управление инженерными системами зданий и сооружений. И все это с использованием общей среды передачи. Проектирование СКС регламентировано стандартом США EIA/TIA - 568А 1991 г. (новая редакция – в 1995 г.).

На физическом уровне обычно применяется один из четырех типов среды передачи: кабель “витая пара” (или симметричный кабель), коаксиальный кабель, оптоволоконный кабель, окружающее пространство. Каждая из этих сред отличается друг от друга необходимым для ее использования оборудованием, пропускной способностью, помехозащищенностью и многими другими параметрами. В частности, вот как соотносятся границы пропускных способностей разных кабельных сред (рис.3.2):

Рис. 3.2. Полосы пропускания различных кабелей

В качестве физического интерфейса между компьютером и сетевым кабелем выступает устройство, называемое сетевым адаптером (СА). Это плата (карта, слот) расширения, имеющая разъем для установки на материнской плате РС и специальный разъем, выводимый на заднюю панель РС, для подключения сетевого кабеля.

При помощи сетевого адаптера осуществляются:

- преобразование данных, поступающих от РС, для их передачи по сетевому кабелю и обратное преобразование;

- пересылка данных другому РС в сети;

- управление потоком данных между РС и кабельной системой.

Плата сетевого адаптера состоит из аппаратной части и встроенных программ, записанных в ПЗУ. Эти программы реализуют функции канального уровня модели ВОС/МОС. В частности, протокол управления доступом к среде передачи данных МАС (Media Access Control). Это означает, что любой адаптер ЛВС подходит только для одного вида ЛВС: адаптеры Ethernet и Token Ring не взаимозаменяемы.

В состав аппаратной части адаптера должна входить и память для использования в качестве буфера. Это необходимо при передаче на время получения доступа к сети и при приеме для проверки правильности принятой серии сигналов, например, вычисления контрольной суммы и сравнения со значением, присланным в трейлере. В общем, этот адаптер – целый контроллер.

СА принимает данные по внутренней шине компьютера - это параллельная связь, и организует их для последовательной побитовой передачи в сеть. Конечной фазой этого процесса является перевод цифры РС в электрический (или оптический) сигнал, пересылаемый по сетевым кабелям. Этот приемо-передатчик (преобразование осуществляется в обоих направлениях) называется трансивером.

Но вот СА получил из РС набор данных. Что происходит дальше? Перед пересылкой данных СА проводит электронный диалог с принимающим СА, во время которого достигаются соглашения о размере блока данных, об интервалах между передачей блоков, о скорости передачи, о времени ожидания подтверждения правильности приема. Уже после выполнения подстройки друг к другу, например, по скорости (а это элемент управления потоком данных), к данным добавляются адреса отправителя и получателя, и все вместе посылается в кабельную сеть, если она свободна. При отправке в сеть вычисляется контрольное число, которое добавляется в качестве трейлера.

На приемной стороне СА читает передачу, пока не считает полностью адрес получателя. Если он совпадает со своим уникальным номером, присвоенным фирмой - производителем, чтение продолжается с одновременным определением контрольного числа. В случае совпадения вычисленного контрольного числа с содержанием трейлера данные пересылаются в принимающий РС, в противном случае – отбрасываются. По соглашению посылается или не посылается сигнал – квитанция СА отправителя.

Графически канал может быть изображен так (рис.3.3):

Рис. 3.3. Канал (линия) связи

Одной из классических проблем производительности ЛВС является рост задержек и частоты возникновения конфликтов (коллизий) с увеличением числа абонентских пунктов, подключенных к сетевому кабелю. Как бороться со снижением скорости обмена? Можно использовать более скоростные кабели или можно снизить количество абонентских пунктов, имеющих доступ к разделяемой среде. Второй вариант называется сегментацией.

Пусть большая сеть разделена на много сегментов. А как абонентам одного сегмента использовать ресурс абонента другого сегмента? Значит, необходимо специальное устройство для межсегментного обмена, но с высокой скоростью. И таким устройством является мост.

Аналогично повторителям – усилителям мощности с помощью мостов можно увеличить число абонентов сети (выполнять передачу на большее расстояние). Но имеются и существенные отличия. Во-первых, повторители транслируют через себя все сообщения, а мосты – только те, которые направлены в другой сегмент. Отбраковка осуществляется по адресам отправителя и получателя (в памяти моста есть списки адресов абонентов соединяемых сегментов). Во-вторых, сегменты, соединенные повторителем, образуют свою среду, где меньше абонентов и меньше возникает конфликтов. Значит, мост обеспечивает преимущества как с точки зрения расширения сети, так и обеспечения большей полосы (больше пространства) для каждого абонента. Это особенно актуально в связи с переходом в Ethernet от шинной топологии к “Звезде” в технологии 10 Base-T с использованием дешевого кабеля с неэкранированной витой парой вместо коаксиального кабеля, но в радиусе не более 100 м от центрального узла. Схематично использование моста показано на (рис.3.4): Рис.3.4. Варианты использования моста

Мост, аналогично СА, – устройство с промежуточным хранением, значит, создает задержку. Еще один способ борьбы за скорость обмена между большим количеством узлов локальной сети – применение высокоскоростных коммутаторов.

Коммутатор ЛВС демонстрирует подход, основанный на функции моста, но в его предельном варианте (один сегмент – один порт). Коммутатор выделяет каждому подключенному к нему сегменту его собственное Ethernet–соединение. Его часто называют “выделенный Ethernet для каждого рабочего места”.

Что значит соединиться по телефону через коммутатор, известно по литературе и фильмам начала ХХ в. “Барышня, соедините меня…”. Аналогичные наборные доски использовались до 70-х гг. ХХ века, например, для набора программы в машине ЭВ-80. Производились эти доски в г. Паневежис, Литва. Основное неудобство такой коммутации – невозможность установления другого соединения, пока линия занята первым (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Физическая связь коммутаторов

Идея работы коммутатора пакетов очень проста: он принимает посылаемые любой точкой доступа (сетевым адаптером), подключенной к коммутатору, пакеты данных и направляет их только на тот свой выход, к которому подключена точка доступа получателя того или иного пакета. Для этого каждый отправляемый пакет содержит уникальный, так называемый MAC-адрес получателя. Впрочем, сами MAC-адреса могут быть не только индивидуальными, но также групповыми и широковещательными. В последнем случае это означает «сообщение для всех».

Коммутаторы отличаются технологией коммутации и способом использования таблицы MAC-адресов. Одна технология – запомнить и переслать (Store-End-Forward), - предусматривает запоминание всего пакета, оценку его правильного принятия на участке отправитель-коммутатор, например, по контрольной сумме, и по ее результату либо передать пакет по назначению либо отбросить его. В любом случае коммутатор «гарантирует» задержку передачи. Другая технология - гнать насквозь (Cut-Trough), - не занимается оценкой качества принятого пакета, а распознает лишь заголовок с MAC-адресами отправителя и получателя и немедленно коммутирует и передает пакет в назначенный адрес в том виде, в каком был принят. Преимущества и недостатки каждой из технологий очевидны. Поэтому первая технология применяется повсеместно, а вторая – в линиях с заведомо большим трафиком.

Пока говорят А и В, С не может соединиться с D, хотя они оба не заняты. Да и сами коммутаторы были “не умными” при осуществлении коммутации каналов - физических линий связи. Современные коммутаторы намного “умнее” и коммутируют даже части сообщений – пакеты.

Скорость пропускания через себя потока данных – основное требование к коммутаторам. Задержка в них соизмерима со временем прохождения сигнала по короткому проводнику. Это стало возможным благодаря тому, что коммутатор может перенаправлять пакет без промежуточного хранения. Достаточно прочитать идущий первым адрес назначения. Для этого требуется не более 4, 8 мкс. Если сравнить с задержкой моста, то для контроля короткого пакета длиной 3 Кбайт необходимо 1, 2 мкс, а за это время на той же скорости 10 Мбит/с сигнал преодолеет 363 км. Задержка коммутатора без промежуточного хранения “отпускает” сигнал лишь на 146 м!

Однако если в передаче обнаружатся ошибки, то это будет означать пустую трату ресурса канала связи. Именно поэтому мост отбросит такой пакет. Но коммутатор без буферизации не сможет этого сделать. В дискуссии о структуре коммутаторов были сторонники буферизации и противники. В результате появился новый класс устройств, поддерживающий оба режима, причем с адаптацией. Это означает, что сначала действует режим без буферизации. При частом повторении ошибочных передач коммутатор автоматически переключается в режим с буферизацией. При снижении частоты ошибочных передач выполняется обратный переход. Следует отметить, что при работе в любом режиме коммутатор ЛВС вынужден применить промежуточное хранение (буферизацию), если порт, в который требуется передать пакет, в данный момент используется. Коммутаторы ЛВС вообще чувствительны к перегрузкам. Это особенно проявляется в том случае, если множество абонентов осуществляют доступ к одному и тому же целевому устройству. В таком положении могут оказаться и сервер с базами данных и принтер.

С такими ситуациями можно бороться по-разному. Например, комплектовать коммутатор портами с разной скоростью передачи данных или наращивать емкость буфера (но до каких пределов и как распределять память между портами?). Можно имитировать коллизию, при которой передающий адаптер замолкает на некоторое время. Часто этого времени достаточно для освобождения части буфера. Кстати, аналогичный прием применяется для защиты брони танков от снарядов кумулятивного действия и для активной защиты ракет. Такая “интеллектуализация” коммутатора, связанная с исполнением функции по организации и обслуживанию очередей, и делает его устройством третьего, сетевого уровня модели ВОС/МОС.

Следует упомянуть еще об одном способе увеличения трафика в каналах связи. Имеется в виду мультиплексирование. Оно позволяет объединить много потоков данных или каналов для передачи по общей физической среде, т. е. одновременно передавать несколько независимых сигналов, которые комбинируются в устройстве, называемом мультиплексор.

Для обеспечения целостности каждого сигнала в канале сигналы могут разделяться посредством пространственного разделения каналов, частотным разделением каналов и мультиплексирования с разделением времени. Первый способ – механический. Можно проложить кабель с 24 парами и говорить по каждой паре отдельно, даже между собою.

Во втором - полоса пропускания среды выходного канала делится на подканалы с более узкой полосой пропускания (лучше не только без пересечений, но и с “мертвой” зоной), которые закрепляются за одним или несколькими входными каналами (рис.3.6).

Рис.3.6. Схема частотного мультиплексирования (уплотнения)

Частотное мультиплексирование FDM (Frequency Division Multiplexing) применяется для аналоговых сигналов.

При цифровой передаче каждый прямоугольный импульс содержит бесконечное число частот - гармоник. Поэтому нужна вся ширина полосы пропускания широкополосного канала. Тогда можно “нарезать широкополосный канал поперек” и за каждым низкоскоростным каналом закрепить свой интервал времени. Получится мультиплексирование с разделением времени TDM (Time Division Multiplexing), схема которого изображена на рис.3.7.

Рис.3.7. Схема уплотнения с разделением времени

Эти две технологии могут быть объединены: низкоскоростные каналы сначала мультиплексируются с разделением времени (например, 1, 9, 17; 2, 10, 18…), а затем применяется частотное мультиплексирование. Именно применение мультиплексоров и позволяет выполнять на базе одной сети так много функций – АТС, технологии, управление предприятием, охрана…

Вопросы для самопроверки:

1. Чем ограничивается длина параллельного интерфейса?

2. Почему целесообразно следовать стандарту Структурированной Кабельной Системы?

3. Что мешает применить сетевую карту (сетевой адаптер) одной ЛВС для работы в другой? Например, Ethernet в Token Ring?

4. О чем “договариваются” два сетевых адаптера перед обменом данными?

5. Назовите способы поддержания высокой скорости обмена в ЛВС при увеличении числа узлов.

6. Укажите пути повышения пропускной способности коммутатора и способы защиты от переполнений буфера.

7. Назовите средства увеличения трафика в каналах связи.

8. Что объединяет или отличает сетевые адаптеры, работающие на мультиплексоры с частотным уплотнением и мультиплексоры с разделением времени?

9. Устройством какого уровня модели ВОС/МОС является мультиплексор?

10. Какое явление городской жизни похоже на TDM?