Главная › Тарифы › Основы протоколов локальных сетей. Протоколы и технологии локальных сетей

Основы протоколов локальных сетей. Протоколы и технологии локальных сетей

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.

В сетях Token Ring в качестве физической среды передачи данных применяется экранированная и неэкранированная витая пара и волоконно-оптический кабель . Сети работают с двумя битовыми скоростями - 4 и 16 Мбит/с, причем в одном кольце все РС должны работать с одной скоростью. Максимальная длина кольца - 4 км, а максимальное количество РС в кольце - 260. Ограничения на максимальную длину кольца связаны со временем оборота маркера по кольцу. Если в кольце 260 станций и время удержания маркера каждой станцией равно 10 мс, то маркер после совершения полного оборота вернется в активный монитор через 2,6 с. При передаче длинного сообщения, разбиваемого, например, на 50 кадров, это сообщение будет принято получателем в лучшем случае (когда активной является только РС-отправитель) через 260 с, что для пользователей не всегда приемлемо.

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

Взаимодействие между одноименными уровнями модели в различных абонентских ЭВМ должно выполняться по определенным правилам.

Протокол -– это набор правил, определяющий взаимодействие двух одноименных уровней модели взаимодействия открытых систем (ВОС) в различных абонентских ЭВМ.

Протокол не является программой. Правила и последовательность выполнения действий при обмене информацией, определенные протоколом, должны быть реализованы в программе.

Легче всего поддаются стандартизации протоколы трех нижних уровней модели архитектуры открытых систем, так как они определяют действия и процедуры, свойственные для вычислительных сетей любого класса.

Труднее всего стандартизовать протоколы верхних уровней, особенно прикладного, из-за множественности прикладных задач и в ряде случаев их уникальности. Если по типам структур, методам доступа к физической передающей среде, используемым сетевым технологиям и некоторым другим особенностям можно насчитать примерно десяток различных моделей вычислительных сетей, то по их функциональному назначению пределов не существует.

Интернет. Принципы построения

Интернет - соединение, объединение различных сетей. При объединении в единое целое нескольких сетей используют специальный межсетевой протокол. Межсетевой протокол , по-английски – Internet Protocol (IP ) , и дал название сети Интернет. Обмен данными в этой глобальной сети осуществляется при помощи протокола управления передачей данных – Transmission Control Protocol (TCP ) . Таким образом, траспортировка информации в Интернет осуществляется по так называемому стеку протоколов TCP/IP.

Интернет - глобальная компьютерная сеть, соединяющая отдельные сети, которые работают согласно протоколу TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol), объединены через шлюзы и используют единое адресное пространство и пространство имен.

В основе Интернета лежит система магистральных сетей, называемых опорными. Региональные сети среднего уровня обеспечивают подключение отдельных территорий к высокоскоростной опорной сети.

В Интернет обмен данными между узлами может осуществляться по разным маршрутам, по разным линиям связи. Выход из строя отдельного телекоммуникационного канала не ведет к полному прекращению связи.

История появления Интернет

В 60-х годах ХХ века, после Карибского кризиса, специалисты Rand Corporation (мозговой центр США) преложили создать децентрализованную компьютерную сеть, покрывающую всю страну. Идея заключалась в том, что даже в случае ядерной атаки не была разрушена связь между военными компьютерами научных и образовательных учреждений, подключенных в эту сеть. Такая структура могла быть осуществлена только в том случае, если между узлами сети существуют множественные связи, то есть все узлы должны иметь одинаковый статус, каждый узел полномочен порождать, передавать и получать сообщения от любого другого узла. Если в обычной сети сервер, выходя из строя, выводил из строя всю сеть, то в новой сети, должно было существовать произвольное количество серверов, каждый из которых сам мог выбирать путь посылки информации.

Предполагалось, что данные, предназначенные для передачи, должны быть разбиты на небольшие стандартные блоки данных, называемые пакетами . Каждый пакет должен иметь адрес назначения и его доставка обеспечивается тем, что каждый узел имеет возможность посылать (или переадресовывать) пакеты по сети к месту назначения.

В 1968 году одно из подразделений Пентагона, – агентство ARPA, начало финансирование этого проекта и осенью 1969 года появилась сеть ARPANET, состоявшая всего из четырех узлов: SDS SIGMA (Калифорнийский университет), SDS-940 (Стэндфордский исследовательский институт), IBM-360 (Калифорнийский институт Санта-Барбары), DEC PDP-10 (университет штата Юта). Днем рождения Интернет принято считать 29 октября 1969 года, когда была предпринята первая попытка дистанционного подключения к компьютеру в исследовательском центре Стэндфордского университета с другого компьютера, который стоял в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. "Отцом-основателем" Интернета иногда называют Винтона Серфа. В 1971 году в составе было уже 15 узлов, а в 1972 г. – 37 узлов. В 1973 году к сети были подключены зарубежные узлы – в Лондоне и Норвегии. В 1974 г. NSF (National Science Foundation) опубликовал стандарт протокола TCP/IP, который стал стандартным в ARPANET в 1983 году. К этому году сеть имела уже устоявшееся название INTERNET. В 80-е годы начался бурный рост Интернет. Схема соединения компьютеров в сеть с децентрализованным управлением распространилась по всему миру.

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.

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.

В сетях Token Ring в качестве физической среды передачи данных применяется экранированная и неэкранированная витая пара и волоконно-оптический кабель. Сети работают с двумя битовыми скоростями - 4 и 16 Мбит/с, причем в одном кольце все РС должны работать с одной скоростью. Максимальная длина кольца - 4 км, а максимальное количество РС в кольце - 260. Ограничения на максимальную длину кольца связаны со временем оборота маркера по кольцу. Если в кольце 260 станций и время удержания маркера каждой станцией равно 10 мс, то маркер после совершения полного оборота вернется в активный монитор через 2,6 с. При передаче длинного сообщения, разбиваемого, например, на 50 кадров, это сообщение будет принято получателем в лучшем случае (когда активной является только РС-отправитель) через 260 с, что для пользователей не всегда приемлемо.

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.

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:

структура физического уровня технологии Fast Ethernet - более сложная, что объясняется использованием трех вариантов кабельных систем: волоконно-оптический кабель, витая пара категории 5 (используются две пары), витая пара категории 3 (используются четыре пары). Отказ от коаксиального кабеля привел к тому, что сети этой технологии всегда имеют иерархическую древовидную структуру;

диаметр сети сокращен до 200 м, время передачи кадра минимальной длины уменьшено в 10 раз за счет увеличения скорости передачи в 10 раз;

технология Fast Ethernet может использоваться при создании магистралей локальных сетей большой протяженности совместно с коммутаторами (полудуплексный вариант работы для этой технологии является основным);

Таблица 17.1. Сравнение сетей различных топологий
Характеристики	Тип технологии

Пропускная способность Мбит/с
Топология	Двойное кольцо	Шина, звезда	Звезда, кольцо
Метод доступа	Маркерный, доля от времени оборота маркера		Маркерный, приоритетная система резервирования
Среда передачи данных	Оптоволокно, неэкранированная витая пара	Толстый коаксиал, тонкий коаксиал, витая пара, оптоволокно	Экранированная и неэкранированная витая пара, оптоволокно
Максимальная длина сети (без мостов)	200 км (100 км на кольцо)
Максимальное расстояние между узлами
Максимальное количество узлов

для всех трех спецификаций физического уровня, отличающихся типом применяемого кабеля, форматы кадров отличаются от форматов кадров технологий 10-мегабитного Ethernet;
признаком свободного состояния передающей среды является не отсутствие сигналов, а передача по ней специального символа в кодированном виде;
применяется метод кодирования 4В/5В, хорошо себя зарекомендовавший в технологии FDDI. В соответствии с этим методом каждые 4 бита передаваемых данных представляются 5 битами, т.е. из 32 комбинаций 5-битных символов для кодирования исходных 4-битных символов используются только 16 комбинаций, а из ос-тавшихся 16 комбинаций выбираются несколько кодов, которые используются как служебные. Один из служебных кодов постоянно передается в течение пауз между передачей кадров. Если он в линии связи отсутствует, то это свидетельствует об отказе физической связи;
кодирование и синхронизация сигналов осуществляются с помощью биполярного кода NRZ;
технология Fast Ethernet рассчитана на применение концентраторов-повторителей для образования связей в сети (то же самое имеет место для всех некоаксиальных вариантов Ethernet).

Технология Gigabit Ethernet . Появление этой технологии представляет собой новую ступень в иерархии сетей семейства Ethernet, обеспечивающую скорость передачи в 1000 Мбит/с. Стандарт по этой технологии принят в 1998г., в нем максимально сохранены идеи классической технологии Ethernet.

По поводу технологии Gigabit Ethernet следует отметить следующее:

на уровне протокола не поддерживаются (так же, как и у его предшественников): качество обслуживания, избыточные связи, тестирование работоспособности узлов и оборудования. Что касается качества обслуживания, то считается, что высокая скорость передачи данных по магистрали и возможность назначения пакетам приоритетов в коммутаторах вполне достаточны для обеспечения качества транспортного обслуживания пользователей сети. Поддержка избыточных связей и тестирование оборудования осуществляются протоколами более высоких уровней;

сохраняются все форматы кадров Ethernet;

имеется возможность работы в полудуплексном и полнодуплексном режимах. Первый из них поддерживает метод доступа CSMA/CD, а второй - работу с коммутаторами;

поддерживаются все основные виды кабелей, как и в предшествующих технологиях этого семейства: волоконно-оптический, коаксиальный, витая пара;

минимальный размер кадра увеличен с 64 до 512 байт, максимальный диаметр сети тот же - 200 м. Можно передавать несколько кадров подряд, не освобождая среду.

Технология Gigabit Ethernet позволяет строить крупные локальные сети, в которых серверы и магистрали нижних уровней сети работают на скорости 100 Мбит/с, а магистраль 1000 Мбит/с объединяет их, обеспечивая запас пропускной способности.

Технология Wi-Fi . Технология Wi-Fi (произносится "вай-фай", сокр. от англ. Wireless Fidelity - беспроводная надежность) - это стандарт на оборудование Wireless LAN, которое устанавливается там, где развертывание кабельной системы невозможно или экономически нецелесообразно. Мобильные устройства этого оборудования (смартфоны и ноутбуки), оснащенные клиентскими Wi-Fi приемо-передающими устройствами, могут подключаться к локальной сети и получать доступ в Internet через так называемые точки доступа (хост-порты).

Обычно схема Wi-Fi сети содержит не менее одной точки доступа и не менее одного клиента, но возможно подключение двух клиентов в режиме "точка-точка", и тогда точка доступа не используется, а клиенты со-единяются посредством сетевых адаптеров напрямую. Наименьшая скорость передачи данных для Wi-Fi - 1 Мбит/с. Стандарт Wi-Fi дает клиенту полную свободу при выборе критериев для соединения с другими клиентами. Последние версии операционных систем этого стандарта содержат функцию, которая показывает пользователю все доступные сети и позволяет переключаться между ними.

Технология Wi-Fi применяется в основном для управления движущимися объектами, а также в тех случаях, когда невозможно прокладывать проводные сети Ethernet.

Преимущества Wi-Fi:

возможность развертывания сети без прокладки кабеля, что уменьшает стоимость ее создания и расширения;

Wi-Fi-устройства достаточно широко представлены на рынке, а устройства разных производителей могут взаимодействовать на базовом уровне сервисов;

для клиентских станций возможно перемещение в пространстве;

Wi-Fi - это набор глобальных стандартов, поэтому Wi-Fi-оборудование может работать в разных странах по всему миру.

В качестве недостатков Wi-Fi можно отметить следующие:

наличие ограничений в частотном диапазоне в различных странах;

довольно высокое по сравнению с другими стандартами потребление энергии;

ограниченный радиус действия (до 100 м);

возможность наложения сигналов от различных точек доступа, что затрудняет связь клиентов друг с другом;

недостаточно высокая информационная безопасность. Отметим, что Microsoft Windows полностью поддерживает Wi-Fi посредством драйверов.

До сих пор рассматривались протоколы, работающие на первых трех уровнях семиуровневой эталонной модели ВОС и реализующие соответствующие методы логической передачи данных и доступа к передающей среде. В соответствии с этими протоколами передаются пакеты между рабочими станциями, но не решаются вопросы, связанные с сетевыми фай-ловыми системами и переадресацией файлов. Эти протоколы не включают никаких средств обеспечения правильной последовательности приема переданных данных и средств идентификации прикладных программ, нуждающихся в обмене данными.

В отличие от протоколов нижнего уровня, протоколы верхнего уровня (называемые также протоколами среднего уровня, так как они реализуются на 4-м и 5-м уровнях модели ВОС) служат для обмена данными. Они предоставляют программам интерфейс для передачи данных методом дейтаграмм, когда пакеты адресуются и передаются без подтвержде-ния получения, и методом сеансов связи, когда устанавливается логическая связь между взаимодействующими станциями (источником и адресатом) и доставка сообщений подтверждается.

Здесь лишь коротко отметим протокол IPX/SPX, получивший некоторое применение в локальных сетях, особенно в связи с усложнением их топологии (вопросы маршрутизации перестали быть тривиальными) и расширением предоставляемых услуг. IPX/SPX - сетевой протокол NetWare, причем IPX (Internetwork Packet Exchange) - протокол межсетевого обмена пакетами, а SPX (Sequenced Packet Exchange) - протокол последовательного обмена пакетами.

Протокол IPX/SPX . Этот протокол является набором протоколов IPX и SPX. Фирма Nowell в сетевой операционной системе NetWare применяет протокол IPX для обмена дейтаграммами и протокол SPX для обмена в сеансах связи.

Протокол IPX/SPX относится к программно-реализованным протоколам. Он не работает с аппаратными прерываниями, используя функции драйверов операционных систем. Пара протоколов IPX/SPX имеет фиксированную длину заголовка, что приводит к полной совместимости разных реализаций этих протоколов.

Протокол IPX применяется маршрутизаторами в сетевой операционной системе (СОС) NetWare. Он соответствует сетевому уровню модели ВОС и выполняет функции адресации, маршрутизации и переадресации в процессе передачи пакетов данных. Несмотря на отсутствие гарантий доставки сообщений (адресат не передает отправителю подтверждения о получении сообщения), в 95% случаев не требуется повторной передачи. На уровне IPX выполняются служебные запросы к файловым серверам, и каждый такой запрос требует ответа со стороны сервера. Этим и определяется надежность работы методом дейтаграмм, так как маршрутизаторы воспринимают реакцию сервера на запрос как ответ на правильно переданный пакет.

Протокол SPX работает на транспортном уровне модели ВОС, но имеет и функции, свойственные протоколам сеансового уровня. Он осуществляет управление процессами установки логической связи, обмена и окончания связи между любыми двумя узлами (рабочими станциями) ЛКС. После установления логической связи пакеты могут циркулировать в обоих направлениях с гарантией того, что они передаются без ошибок. Протокол SPX гарантирует очередность приема пакетов согласно очередности отправления.

Стек протоколов TCP / IP - это набор протоколов, его название происходит от двух наиболее важных протоколов, являющиеся основой связи в сети Интернет . Протокол TCP разбивает передаваемую информацию на порции (пакеты) и нумерует их. С помощью протокола IP все пакеты передаются получателю. Далее с помощью протокола TCP проверяется, все ли пакеты получены. При получении всех порций TCP располагает их в нужном порядке и собирает в единое целое. В сети Интернет используются две версии этого протокола:

Маршрутизируемый сетевой протокол IPv4. В протоколе этой версии каждому узлу сети ставится в соответствие IP-адрес длиной 32 бита (т.е. 4 октета или 4 байта).
IPv6 позволяет адресовать значительно большее количество узлов, чем IPv4. Протокол Интернета версии 6 использует 128-разрядные адреса, и может определить значительно больше адресов.

Примечание

IP-адреса стандарта IPv6 имеют длину 128 бит и поэтому в четыре раза длиннее, чем IP-адреса четвертой версии. IP-адреса версии v6 записываются в следующем виде:X:X:X:X:X:X:X:X, где X является шестнадцатеричным числом, состоящим из 4-х знаков(16 бит), а каждое число имеет размер 4 бит. Каждое число располагается в диапазоне от 0 до F. Вот пример IP-адреса шестой версии: 1080:0:0:0:7:800:300C:427A. В подобной записи незначащие нули можно опускать, поэтому фрагмент адреса: 0800: записывается, как 800:.

ARP

Для взаимодействия сетевых устройств друг с другом необходимо, чтобы у передающего устройства был IP - и MAC -адреса получателя. Набор протоколов TCP / IP имеет в своем составе специальный протокол, называемый ARP (Address Resolution Protocol - протокол преобразования адресов), который позволяет автоматически получить MAC - адрес по известным IP -адресам

DHCP-протокол

Распределением IP -адресов для подключения к сети Интернет занимаются провайдеры, а в локальных сетях – сисадмины. Назначение IP -адресов узлам сети при большом размере сети представляет для администратора очень утомительную процедуру. Поэтому для автоматизации процесса разработан протокол Dynamic Host Configuration Protocol ( DHCP ) , который освобождает администратора от этих проблем, автоматизируя процесс назначения IP -адресов всем узлам сети.

HTTP протокол

HTTP протокол служит для передачи гипертекста, т.е. для пересылки Web-страниц с одного компьютера на другой. Основой HTTP является технология "клиент- сервер ", то есть предполагается существование потребителей (клиентов), которые инициируют соединение и посылают запрос , и поставщиков (серверов), которые ожидают соединения для получения запроса, производят необходимые действия и возвращают обратно сообщение с результатом.

FTP протокол

FTP протокол передачи файлов со специального файлового сервера на компьютер пользователя. Установив связь с удаленным компьютером, пользователь может скопировать файл с удаленного компьютера на свой или скопировать файл со своего компьютера на удаленный.

POP протокол

POP стандартный протокол получения почтового соединения. Серверы POP обрабатывают входящую почту, а протокол POP предназначен для обработки запросов на получение почты от клиентских почтовых программ.

SMTP протокол

SMTP -протокол, который задает набор правил для отправки почты. Сервер SMTP возвращает либо подтверждение о приеме, либо сообщение об ошибке , либо запрашивает дополнительную информацию.

IP адрес по протоколу IPv4

Одной из самых важных тем при рассмотрении TCP / IP является адресация IP . Адрес IP - числовой идентификатор , приписанный каждому компьютеру в сети IP и обозначающий местонахождение в сети устройства, которому он приписан. Адрес IP - это адрес программного, а не аппаратного обеспечения. IP - адрес узла идентифицирует точку доступа модуля IP к сетевому интерфейсу, а не всю машину.

IP - адрес - сетевой (программный) адрес узла в компьютерной сети, построенной по протоколу IP .

Каждый из 4х октет десятичной записи IP адреса может принимать значение в диапазоне от 0 до 255 и в теории такой адрес в десятичной форме записи может быть в диапазоне от 0.0.0.0 до 255.255.255.255. IP адрес - двоичное число, но для человека вместо записи в 32

Модели и протоколы компьютерных сетей

13.6.1. Общее представление

Протокол в общем смысле представляет собой правила поведения, известные обеим взаимодействующим сторонам. То же самое представляют собой сетевые протоколы: правила поведения, известные обеим взаимодействующим сторонам. Что, в какой момент, в ответ на какое сообщение нужно сделать, какие данные

Для планомерного развития и стандартизации сетевых соединений, служб, технологии и устройств, необходимо некоторое всеобщее рамочное соглашение, определяющее основные принципы, параметры и термины, на основе которых можно будет разрабатывать конкретные решения. Такое рамочное соглашение, в общих чертах определяющее порядок приема и передачи информации на всех уровнях сетевого взаимодействия, получило название сетевой модели.

Известно несколько стеков протоколов, самыми широко распространенными из которых являются TCP/IP, IPX/SPX, NetBIOS/SMB. Мы ограничимся рассмотрением стека TCP/IP, поскольку на протоколах этого стека построен весь Интернет.

13.6.2. Стек протоколов TCP/IP

Уровень сетевых интерфейсов

Уровню сетевых интерфейсов не сопоставлен ни один протокол, но на нем реализована поддержка практически всех известных сегодня технологий и протоколов объединения компьютеров в сеть.

Уровень межсетевого взаимодействия

На уровне межсетевого взаимодействия решаются задачи маршрутизации данных. На этом уровне работают несколько протоколов.

□ IP (Internet Protocol - протокол межсетевого взаимодействия). Решает задачу передачи данных между сетями.

□ RIP (Routing Information Protocol - протокол маршрутной информации) и OSPF (Open Shortest Path First - выбор кратчайшего пути первым). Протоколы сбора и конфигурирования маршрутной информации, отвечающие за выбор оптимального маршрута передачи данных.

□ ICMP (Internet Control Message Protocol - протокол межсетевых управляющих сообщений). При помощи этого протокола собирается информация об ошибках доставки и длительности жизни пакетов, а также передаются тестирующие сообщения, подтверждающие наличие запрошенного узла в сети.

Транспортный уровень

Транспортный уровень предоставляет механизмы доставки данных.

□ TCP (Transmission Control Protocol - протокол управления передачей). Описывает правила создания логического соединения между удаленными процессами и механизм обработки ошибок доставки пакетов (механизм повторной передачи «сбойных» пакетов).

□ UDP (User Datagramm Protocol - протокол пользовательских датаграмм). Упрощенный вариант протокола доставки данных без установления логического соединения и проверки ошибок доставки пакетов.

Прикладной уровень

К прикладному уровню относятся протоколы, носящие прикладной характер. Большинство этих протоколов связано с соответствующими прикладными программами, работающими на их основе.

□ FTP (File Trancfer Protocol - протокол передачи файлов). В качестве транспортного протокола этот протокол использует TCP, что повышает надежность передачи файлов через большое количество промежуточных узлов.

□ TFTP (Trivial File Trancfer Protocol - простейший протокол передачи файлов). Этот протокол базируется на UDP и используется в локальных сетях.

□ SNMP (Simple Network Management Protocol - простой протокол управления сетью).

□ Telnet - протокол, используемый для эмуляции терминала удаленной станции.

□ SMTP (Simple Mail Transfer Protocol - простой протокол передачи сообщений). Передает сообщения электронной почты при помощи транспортного протокола TCP.

□ HTTP (Hiper Text Transfer Protocol - протокол передачи гипертекста). Базовый протокол Всемирной паутины, без которой сегодня невозможно представить себе Интернет. Именно он обеспечивает передачу страниц сайтов на наши компьютеры.

Кроме перечисленных базовых протоколов, в состав стека TCP/IP на прикладном уровне входит еще множество протоколов.

13.6.3. Сетевая модель OSI

Когда стек протоколов TCP/IP уже в полную силу обеспечивал функционирование самых разнообразных сетей, международная организация по стандартизации (International Organization for Standartization, ISO) разработала концептуальную модель взаимодействия открытых систем (Open Systems Interconnection, OSI). Эта модель оказалась настолько удачной, что в настоящее время многие сетевые процессы и проблемы принято описывать именно в терминах модели OSI. В модели OSI три базовых понятия: уровень, интерфейс и протокол.

Уровни пронумерованы от 7-го (верхний уровень) до 1-го (нижний уровень). Чем выше уровень, тем более глобальны решаемые им задачи. Каждый вышестоящий уровень реализует свою функциональность, получая услуги от нижележащего уровня и управляя им. Управление и передача услуг осуществляются через стандартные интерфейсы, благодаря которым вышестоящий уровень изолируется от детализации того, как именно реализует услуги нижележащий уровень. Взаимодействие протоколов смежных уровней в одном узле осуществляется через интерфейсы.