Технологии локальных вычислительных сетей

3 ТЕХНОЛОГИИ ЛОКАЛЬНЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ 3.1 Сети Ethernet и Fast Ethernet Под Ethernet обычно понимают любой из вариантов этой технологии, хотя изначально Ethernet это сетевой стандарт, основанный на технологии экспериментальной сети Ethernet Network, разработанной и реализованной фирмой Xerox в 1975 году. Позже в 1980 году компаниями DEC, Intel и Xerox был совместно разработан и опробован стандарт Ethernet версии 2 для сети, построенной на основе коаксиального кабеля. Поэтому стандарт Ethernet также называют стандартом DIX. На основе стандарта Ethernet DIX был разработан стандарт с названием IEEE 802.3. В зависимости от типа физической среды этот стандарт имеет различную модификацию: 10Base-5, 10Base-2, 10Base-T, 10Base-F. В качестве метода доступа к среде передачи данных в сетях Ethernet используется метод коллективного доступа с опознаванием несущих и обнаружением коллизий (CSMA/CD). Этот метод используется исключительно в сетях с общей шиной. Первые сети, построенные на технологии Ethernet, были созданы на коаксиальном кабеле диаметром 1/2 дюйма. Позже были определены другие спецификации физического уровня для стандарта Ethernet, которые позволили использовать различные среды передачи данных в качестве общей шины. При этом метод доступа CSMA/CD и все временные параметры Ethernet остаются неизменными для любой спецификации физической среды. Физические спецификации технологии 63 Ethernet в настоящее время включают следующие среды передачи данных: • 10Base-5 – это коаксиальный кабель диаметром 1/2 дюйма, имеющий волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента кабеля 500 м. Этот кабель также называют толстым коаксиалом. • 10Base-2 – это коаксиальный кабель диаметром 1/4 дюйма с волновым сопротивлением 50 Ом. Максимальная длина сегмента 185 м. Этот кабель также называется тонким коаксиалом. • 10Base-Т – это кабель на основе неэкранированной витой пары. По данной спецификации образуется звездообразная топология с концентратором. Максимальное расстояние между концентратором и конечным узлом 100м. • 10Base-F – это оптоволоконный кабель. Топология аналогична предыдущему случаю. Существует несколько вариантов этой спецификации, например 10Base-FL, 10Base-FB. Сети, построенные на основе стандарта 10Base-Т, имеют преимущество перед коаксиальными вариантами Ethernet, что связано с разделением общего физического кабеля на отдельные отрезки, подключенные к центральному коммуникационному устройству. Хотя эти отрезки, как и прежде, образуют общий домен коллизий, их физическое разделение позволяет контролировать их состояние и отключать в случае обрыва, замыкания или неисправностей сетевого адаптера. Этот момент существенно упрощает эксплуатацию больших сетей Ethernet, т.к. концентратор обычно автоматически выполняет такие функции. Стандарт 10Base-FL предназначен для соединения конечных узлов с концентраторами и работает с сегментами оптоволокна длиной не более 2000 м при общей длине сети не более 2500 м. Замечание. Мост, сетевой мост, бридж (Bridge) — сетевое оборудование для объединения сегментов локальной сети. Сетевой мост рабо64 тает на втором уровне модели OSI, обеспечивая ограничение домена коллизий (в случае сети Ethernet). Коммутатор (свитч) и мост аналогичны по функциональности. Мосты обрабатывают IP-пакеты, используя центральный процессор, коммутатор использует аппаратную схему для коммутации пакетов. Технология Fast Ethernet является развитием классической технологии Ethernet. В 1992 году группа производителей сетевого оборудования для разработки стандарта на новую технологию образовали некоммерческое объединение под названием Fast Ethernet AlIiance. В 1995 году спецификация Fast Ethernet была принята в качестве стандарта 802.3u, который представляет собой дополнение к существующему стандарту 802.3. Отличие Fast Ethernet от Ethernet сосредоточено на физическом уровне. В технологии Fast Ethernet используются 3 вида кабельных систем: − 100Base-TX – двухпарный кабель на неэкранированной витой паре. − 100Base-T4 – четырехпарный кабель на неэкранированной витой паре. − 100Base-FX – многомодовый оптоволоконный кабель. Основными достоинствами технологии Fast Ethernet являются: • увеличение пропускной способности сегментов сети до 100 Мбит/с; • сохранение метода случайного доступа; • сохранение звездообразной топологии сети и поддержка тради- ционных сред передачи данных. Эти преимущества позволили осуществлять постепенный переход от сетей 10Base-T к скоростным сетям Fast Ethernet, не требуя коренной переподготовки обслуживающего персонала и замены оборудования во всех узлах сети. 65 3.2 Сети Token Ring и FDDI Сети стандарта Token Ring, так же как и сети Ethernet, используют разделяемую среду передачи данных, которая состоит из отрезков кабеля, соединяющих все станции сети в кольцо. Кольцо при этом рассматривается как общий разделяемый ресурс и для доступа к нему используется детерминированный алгоритм, основанный на передаче станции права на использование кольца в определенном порядке. Право на использование кольца передается с помощью кадра специального формата – маркера или токена. Стандарт Token Ring был принят в 1985 году, тогда же компания IBM приняла этот стандарт в качестве своей основной сетевой технологии. Сети стандарта Token Ring работают с двумя битовыми скоростями 4 и 16 Мбит/с. Первая скорость определена в стандарте 802.5, а вторая появилась в результате развития технологии Token Ring. Смешение в одном кольце станций, работающих на различных скоростях, не допускается. Сети Token Ring, работающие со скоростями 16 Мбит/с, имеют также некоторые усовершенствованные алгоритмы доступа. В сетях с маркерным методом доступа, каковыми являются сети Token Ring, право на доступ к среде передается циклически от станции к станции по логическому кольцу, образуемому отрезками кабеля, соединяющими соседние станции. Таким образом, каждая станция связана с предшествующей и последующей и может обмениваться данными напрямую только с ними. Для обеспечения доступа станциям к физической среде по кольцу циркулирует кадр специального формата и назначения – маркер (токен). При получении маркера станция анализирует его, при необходимости модифицирует и в случае отсутствия у нее данных для передачи обеспечивает его передачу следующей станции. В сетях Token Ring со скоростью 16 Мбит/с используется также другой алгоритм доступа к кольцу, называемый алгоритмом раннего 66 освобождения маркера. По этому алгоритму станция передает маркер доступа следующей станции сразу же после окончания передачи последнего бита кадра, не дожидаясь возвращения по кольцу этого кадра с битом подтверждения приема. В этом случае пропускная способность кольца используется более эффективно и составляет около 80% от номинальной. Для различных видов сообщений передаваемым данным могут назначаться различные приоритеты. Каждая станция в кольце имеет механизм обнаружения и устранения неисправностей в сети, возникающих в результате ошибок передачи или переходных явлений. Например, включение и отключение станций. Не все станции в сети являются равноправными. Одна из станций является активным монитором, что означает дополнительную ответственность по управлению кольцом. Активный монитор осуществляет управление таймаутом в кольце, при необходимости порождает новые маркеры и генерирует диагностические кадры при возникновении неполадки. Активный монитор выбирается при инициализации кольца. Существует механизм, при помощи которого может быть назначен новый активный монитор, если на станции, являвшейся им, по какой-либо причине произошел отказ. Стандарт Token Ring предусматривает построение связей в сети как с помощью непосредственного соединения станций друг с другом, так и образование кольца с помощью концентраторов. Максимальное количество станций в одном кольце 250. Помимо поддержки экранированной витой пары существуют сетевые адаптеры и концентраторы Token Ring, поддерживающие неэкранированную витую пару и оптоволокно. Технология FDDI – это первая технология локальных сетей, которая использовала в качестве среды передачи данных оптоволоконный ка67 бель. Технология FDDI во многом основывается на технологии Token Ring. При разработке технологии в качестве основных ставились следующие цели: • повышение битовой скорости передачи данных до 100 Мбит/с; • повышение отказоустойчивости сети за счет стандартных про- цедур ее восстановления после отказов различного рода; • максимально эффективное использование пропускной способ- ности сети. Сети FDDI строятся на основе двух оптоволоконных колец, образующих основной и резервные пути передачи данных между узлами сети. Использование двух колец вместо одного является основным способом повышения отказоустойчивости в сети FDDI. В нормальном режиме работы сети данные проходят через все узлы и участки кабеля первичного кольца. Вторичное кольцо в этом режиме не используется. В случае возникновения отказа, когда часть первичного кольца не может передавать данные, первичное кольцо объединяется со вторичным, вновь образуя единое кольцо. Таким образом, сеть FDDI может полностью восстановить свою работоспособность в случае единичных отказов ее элементов. При множественных отказах сеть распадается на несколько не связанных между собой сетей. 3.3 Стандарт Gigabit Ethernet Технология Gigabit Ethernet использует тот же формат кадров, тот же метод доступа к среде передачи CSMA/CD, те же механизмы контроля потоков и те же управляющие объекты. Но в то же время Gigabit Ethernet отличается от Fast Ethernet больше, чем Fast Ethernet от Ethernet. Gigabit Ethernet ставит несравнимо более сложные технические задачи и предъявляет гораздо более высокие требования к качеству проводки. 68 За основу физических стандартов для Gigabit Ethernet был взят стандарт ANSI X3T11 Fibre Channel. Зависимая от физической среды спецификация Fibre Channel определяет в настоящее время скорость 1,062 гигабод в секунду. В Gigabit Ethernet она была увеличена до 1,25 гигабод в секунду. С учетом кодирования по схеме 8B/10B получается скорость передачи данных 1 Гбит/с. Спецификация Gigabit Ethernet предусматривает следующие среды передачи: одномодовый и многомодовый оптический кабель с длинноволновыми лазерами 1000BaseLX для длинных магистралей, для зданий и комплексов зданий, многомодовый оптический кабель с коротковолновыми лазерами 1000BaseSX для недорогих коротких магистралей, симметричный экранированный короткий 150-омный медный кабель 1000BaseCX для межсоединения оборудования в аппаратных и серверных, 1000BaseT для четырехпарных кабелей с неэкранированными витыми парами категории 5 длиной 100 м (т. е. для сетей с диаметром 200 м, как и в 100BaseT). При разработке стандарта Gigabit Ethernet была обнаружена проблема дифференциальной задержки, которая проявляется только при определенных комбинациях излучателей (лазеров) и многомодового оптического кабеля невысокого качества и не свойственна менее скоростным технологиям. Эффект дифференциальной задержки состоит в том, что один излучаемый лазером импульс света возбуждает несколько мод в многомодовом волокне. Эти моды, или пути распространения света, могут иметь разную длину и разную задержку. В результате при распространении по волокну отдельный импульс может даже разделиться на несколько импульсов, а последовательные импульсы могут накладываться друг на друга, так что исходные данные будет невозможно восстановить. Предложенное решение заключается в том, что световой сигнал источника формируется предварительно специальным образом, а именно 69 свет от лазера распределяется равномерно по диаметру волокна. Цель подобной процедуры состоит в более равномерном распределении энергии сигнала между всеми модами. Один из ключевых вопросов для Gigabit Ethernet – это максимальный размер сети. При переходе от Ethernet к Fast Ethernet сохранение минимального размера кадра привело к уменьшению диаметра сети с 2 км для 10Base-T до 200 м для 100Base-T. Однако перенос без изменения всех отличительных составляющих Ethernet – минимального размера кадра, времени обнаружения коллизии и метода CSMA/CD – на Gigabit Ethernet обернулся бы сокращением диаметра сети до 20 м. Поэтому было предложено увеличить время обнаружения коллизии с тем, чтобы сохранить прежний диаметр сети в 200 м. Такое переопределение подуровня MAC необходимо для Gigabit Ethernet, иначе отстоящие друг от друга на расстоянии 200 м станции не смогут обнаружить конфликт, когда они обе одновременно передают кадр минимально допустимой длиной 64 байта. Такое решение было названо расширением несущей. Суть его в следующем. Если сетевой адаптер Gigabit Ethernet передает кадр длиной менее 512 байт, то он посылает вслед за ним биты расширения несущей, т.е. время обнаружения конфликта увеличивается. Если за время передачи кадра и расширения несущей отправитель зафиксирует коллизию, то он реагирует традиционным образом, подавая сигнал усиления коллизии (jam-сигнал) и отбрасывая принятые данные. Однако если все станции (узлы) передают кадры минимальной длины (64 байта), то реальное повышение производительности по сравнению с Fast Ethernet будет незначительным – 125 Мбит/с вместо 100 Мбит/с. Это худший вариант, но с учетом того, что средняя длина кадра составляет на практике 200-500 байт, пропускная способность возрастет всего лишь до 300-400 Мбит/с. Поэтому подобное решение довольно неэффективно. 70 С целью повышения эффективности Gigabit Ethernet комитет предложил метод пакетной передачи кадров. В соответствии с этим методом короткие кадры накапливаются и передаются вместе. Передающая станция заполняет интервал между кадрами битами расширения несущей, поэтому другие станции будут воздерживаться от передачи, пока она не освободит линию. Проведенное компанией AMD моделирование показало, что в полудуплексной топологии с коллизиями сеть Gigabit Ethernet позволяет достичь пропускной способности 720 Мбит/с при полной нагрузке сети. Тем не менее, необходимость применения подобных ухищрений свидетельствуют о том, что метод доступа к среде CSMA/CD на высоких скоростях передачи является неэффективным. В то же время подобные усовершенствования метода доступа необходимы только для полудуплексного режима, так как для полнодуплексной передачи метод CSMA/CD не нужен. Одним из способов обойти ограничения, связанные с расширением несущей, является использование так называемых буферных распределителей. Этот новый класс устройств (иногда их еще называют полнодуплексными повторителями) представляет собой нечто среднее между повторителем и коммутатором. Все порты гигабитного буферного распределителя работают в полнодуплексном режиме. Как обычный повторитель Ethernet – он передает поступивший кадр на все свои порты; как коммутатор Ethernet – способен принимать кадры на нескольких портах одновременно, при этом поступившие кадры помещаются в буферы. При заполнении буферов распределитель задействует механизмы управления потоками для информирования передающего узла о необходимости приостановить передачу. Такой подход позволяет достичь пропускной способности, близкой к номинальной. 71 3.4 Беспроводные сети Стандарт 802.11 определяет физический уровень эталонной модели взаимодействия открытых систем и нижний подуровень канального уровня, который носит название MAC. В качестве физической среды передачи данных стандарт 802.11 позволяет использовать как радиоволны, так и инфракрасное излучение. Стандарт 802.11 иногда называют стандартом беспроводных сетей Ethernet. Разработка стандарта была начата в начале 90-х годов, а окончательная версия принята в июне 1997 года. В России применение беспроводных сетей сдерживалось из-за того, что частоты 2.4–2,4835 ГГц, используемые в 802.11, не были открыты для широкого использования. Из-за особенностей среды передачи беспроводные локальные сети имеют свойства, отличные от традиционных кабельных сетей. Поэтому использование на подуровне MAC метода множественного доступа с контролем несущей (CSMA – Carrier Sense Multiple Access) невозможно в том виде, какой он имеет в проводных сетях Ethernet, и вместо обнаружения коллизий (CSMA/CD – Collision Detect) используется их предотвращение (CSMA/CA – Collision Avoidance). Типичная беспроводная сеть представляет собой совокупность распределенных базовых станций и мобильных клиентов, представляя, таким образом, сотовую систему, состоящую из отдельных ячеек. В отличие от телефонных сотовых систем каждая ячейка занимает весь доступный диапазон рабочих частот. Особенностью беспроводных сетей является то, что при нахождении приемника в радиусе действия двух активных передающих устройств сигнал оказывается испорченным вследствие наложения. Помимо этого станции беспроводной сети могут находиться за пределами зоны действия друг друга, что, в свою очередь, приводит к дополнительным сложностям. 72 Воспользоваться методом множественного доступа с контролем несущей при этом не представляется возможным. Предположим, что станция А беспроводной сети ведет передачу информации на станцию В, а станция С находится вне зоны действия станции А. Тогда станция С не сможет зафиксировать передачу и сделает ошибочный вывод, что она может передавать данные. В результате передача станции С наложится на передачу станции А и станция В не сможет принять информацию от станции А. Невозможность зафиксировать передачу потенциального конкурента вследствие его удаленности называется проблемой скрытого узла. Возможна также обратная ситуация. Если станция В передает информацию на станцию А, а станция С слышит эту передачу, то станция С может отказаться от передачи вообще, хотя её передача никаким образом не повлияет на прием информации станции А, т.к. станция А находится вне зоны действия передатчика станции С. Такая проблема называется проблемой слышащей станции. Метод доступа CSMA/CA позволяет определить отсутствие активности в эфире вблизи передающей станции, в то время как передающей станции требуется знать об отсутствии активности вблизи принимающей станции. В проводных сетях сигналы достигают всех станций, поэтому в каждый временной интервал передачу может вести только одна станция. В беспроводных системах с небольшим радиусом действия передатчиков несколько станций могут вести передачу одновременно в том случае, если у них разные адресаты и эти адресаты находятся вне зоны действия друг друга. Стандарт 802.11 основывается на предложенном в 1990 году методе множественного доступа с предотвращением коллизий – MACA (Multiple Access with Collision Avoidance). Идеи этого метода доступа заключаются в следующем: станция, которая собирается передать информацию, посылает сначала короткий кадр RTS (Request to Send – запрос на передачу данных); в ответ на запрос RTS принимающая станция от73 правляет подтверждение о готовности к приему данных CTS (Clear to Send – запрос о готовности принятия данных). Все находящиеся вблизи станции, услышав этот обмен пакетами, должны воздержаться от собственной передачи. Если станция слышит RTS, то она находится вблизи передающей и должна воздержаться от собственной передачи до получения передающей станцией подтверждения о возможности передачи. Если станция слышит CTS, то она находится вблизи принимающей станции и должна воздерживаться от собственной передачи на протяжении всей последующей передачи данных. Однако это не предотвращает коллизий, т.к. два запроса RTS могут быть отправлены одновременно различными станциями и в результате одна или обе из них не получат ответа CTS за заранее установленный интервал времени. После этого такая станция должна ожидать в течение псевдослучайного промежутка времени в соответствии с алгоритмом, аналогичным используемому в проводных сетях Ethernet. Стандарт 802.11a регламентирует передачу данных со скоростью до 54 Мбит/с в частотном диапазоне 5,150 ГГц – 5,350 ГГц и 5,750 Ггц – 5,850 ГГц. Данный частотный диапазон разбит на 3 диапазона по 100 MГц, которые различаются ограничениями на максимальную мощность передачи (табл. 3.1). Т а б л и ц а 3.1. Допустимые мощности передачи Частота, ГГц Мощность, мВт 5,150 – 5,250 50 5,250 – 5,350 250 5,750 – 5,850 1000 Использование 3 частотных поддиапазонов общей шириной 300 МГц делает стандарт 802.11a самым широкополосным из всего семейства стандартов 802.11, а также позволяет разбить весь частотный диапазон на 12 каналов, каждый из которых имеет ширину 20 МГц. Ос74 тавшаяся часть диапазона предназначена для разделения частот. При этом четыре верхних частотных канала, предусматривающие наибольшую мощность передачи, используются в основном для передачи данных вне помещений. Предусмотренная стандартом ширина канала, равная 20 МГц, достаточна для организации высокоскоростной передачи. Использование более высоких частот и ограничения мощности приводит к возникновению ряда проблем при организации высокоскоростной передачи данных. Распространение любого сигнала сопровождается его затуханием, причем величина затухания зависит как от расстояния от точки передачи, так и от частоты сигнала: L = K lg 4πω d , c где L – величина сигнала, выраженная в децибелах; К – коэффициент ослабления (для открытого пространства равен 20); ω – частота сигнала; d – расстояние от точки передачи; c – скорость света. Использование более высоких частот в протоколах 802.11a приводит к меньшему радиусу действия сети по сравнению с протоколом 802.11b. Помимо учета большого затухания при использовании высокочастотного сигнала необходимо принимать во внимание возникновение эффекта многолучевой интерференции. Он заключается в том, что в результате многократных отражений сигнал может попасть в приемник различными путями, которые оказывают разное влияние на время распространения, длину и ослабление сигналов. Таким образом, в точке приема результирующий сигнал представляет собой суперпозицию нескольких сигналов, смещенных друг относительно друга по времени и имеющих различные амплитуды, что также накладывает ограничение на максимальный радиус. Для доступа к среде передачи данных в стандарте 802.11b используется метод множественного доступа с контролем несущей и предот75 вращением коллизий CSMA/CA (CA – Collision Avoidance). Отличие этого метода от метода множественного доступа с обнаружением коллизий заключается в том, что вместо обнаружения коллизий используется технология их предотвращения/избегания. С помощью четырехступенчатого протокола передачи данных реализуется регламентирование коллективного доступа с минимизацией вероятности возникновения коллизий. Каждый пересылаемый пакет данных содержит контрольную сумму, которая позволяет обнаружить ошибку при передаче. Кроме того, стандарт предусматривает разбивку больших пакетов данных на малые, что, в свою очередь, снижает вероятность повторной передачи блоков данных, т.к. с увеличением длины передаваемых данных возрастает вероятность возникновения ошибки. Стандарт 802.11b предписывает разбивку данных на пакеты, дополненные контрольной и адресной информацией длиной 30 байт и 4-байтной контрольной суммой. Рекомендуемый стандартный размер пакетов составляет 1500 байт и 2048 байт. Стандарт 802.11b обеспечивает передачу данных на скоростях 1; 2; 6; 11 Мбит/с в частотном диапазоне 2.4ГГц (2.4ГГц - 2.4835ГГц). При использовании технологии расширения спектра (DSSS) возможно появление проблем из-за помех от бытовых беспроводных приборов (микроволновых печей и радиотелефонов). Наиболее существенным недостатком стандарта 802.11b является его невысокая для многих современных приложений пропускная способность. Стандарт 802.11g предусматривает различные скорости передачи данных: 1; 1,5; 2; 6; 9; 11; 12; 18; 22; 24; 33; 36; 48; 54 Мбит/с. Для различных скоростей соединения применяются разные методы модуляции сигнала. Стандартом 802.11g предусмотрено использование частотного диапазона 2.4 ÷ 2,4835 ГГц. Несмотря на возможности использования этого частотного диапазона без получения лицензии существует ограничение 76 на максимальную мощность передатчика, поэтому при выборе методов кодирования и модуляции сигналов необходимо решение двух основных проблем. Во-первых, скорость передачи в беспроводной сети должна быть как можно более высокой для того, чтобы эта сеть могла успешно конкурировать с традиционными проводными сетями. Увеличение скорости передачи приводит к увеличению ширины спектра, что нежелательно из-за ограничения частотного диапазона передачи. Во-вторых, для того, чтобы не создавать помех другим устройствам, работающим в используемом диапазоне частот, уровень полезного сигнала должен быть достаточно низким. В идеальном случае полезный сигнал должен быть едва различим на уровне шума, что требует наличия алгоритма безошибочного распознания сигнала. Уменьшение мощности передаваемого сигнала обеспечивается за счет применения технологии расширения спектра и распределения сигнала по всей ширине спектра. В-третьих, беспроводная сеть должна обеспечивать надлежащий уровень помехозащищенности. Одновременное выполнение всех перечисленных условий невозможно из-за их противоречивости, поэтому выбор конкретного метода кодирования и модуляции сигнала является компромиссом между требованием высокой скорости передачи, помехоустойчивости и ограничения по мощности передатчика. 77