Локальна мережа (JIM)

 

До локальних мереж — Local Area Networks (LAN) — відносять мережі комп'ютерів, зосереджених на невеликій території (в радіусі не більш 1-2 км). У загальному випадку локальна мережа являє собою комунікаційну систему, що належить одній організації. Через короткі відстані в локальних мережах є можливість використання дорогих високоякісних ліній зв'язку, що дозволяють, застосовуючи прості методи передачі даних, досягати високих швидкостей обміну даними порядку 100 Мбіт/с. У зв'язку з цим послуги, надані локальними мережами, відрізняються широкою різноманітністю і звичайно передбачають реалізацію в режимі On-Line.

Основний принцип, покладений в основу Ethernet. — конкурентний метод доступу до поділюваного середовища передачі даних. Таке середовище може використовувати товстий чи тонкий коаксіальний кабель, кручену пару, оптоволокно чи радіохвилі.

Суть конкурентного методу доступу полягає в наступному. Комп'ютер у мережі Ethernet може передавати дані по мережі, якщо мережа вільна, тобто якщо ніякий інший комп'ютер у даний момент не займається обміном інформації. Тому важливою частиною технології Ethernet є процедура визначення приступності середовища.

Час монопольного використання середовища одним вузлом обмежується часом передачі одного кадру. Кадр — це одиниця даних, якими обмінюються комп'ютери в мережі Ethernet. Кадр має фіксований формат і поряд з полем даних містить різну службову інформацію, наприклад адресу одержувача й адресу відправника.

Мережа Ethernet влаштована так, що при попаданні кадру в поділюване середовище передачі даних усі мережні адаптери одночасно починають приймати цей кадр. Усі вони аналізують адресу призначення, що розташовується в одному з початкових полів кадру, і, якщо ця адреса збігається з їх власною адресою, кадр поміщається у внутрішній буфер мережного адаптера. У такий спосіб комп'ютер-адресат одержує призначені йому дані.

У мережах Ethernet реалізовані досить прості алгоритми доступу до середовища, адресації і передачі даних. Простота логіки роботи мережі веде до спрощення і, відповідно, здешевленню мережних адаптерів і їхніх драйверів. З цієї ж причини адаптери мережі Егіетеї мають високу надійність.

 

1.2 Вибір топології ЛМ

 

У першу чергу необхідно вибрати спосіб організації фізичних зв'язків, тобто топологію. Під топологією обчислювальної мережі розуміється конфігурація графа, вершинам якого відповідають комп'ютери мережі (іноді й інше устаткування, наприклад концентратори), а ребрам — фізичні зв'язки між ними. Комп'ютери, підключені до мережі, часто називають станціями чи вузлами мережі.

Зауважимо, що конфігурація фізичних зв'язків визначається електричними з'єднаннями комп'ютерів між собою і може відрізнятися від конфігурації логічних зв'язків між вузлами мережі. Логічні зв'язки являють собою маршрути передачі даних між вузлами мережі й утворюються шляхом відповідного настроювання комунікаційного устаткування.

Вибір топології електричних зв'язків істотно впливає на багато характеристик мережі. Наприклад, наявність резервних зв'язків підвищує надійність мережі і надає можливість балансування завантаження окремих каналів. Розглянемо деякі топології, що найбільш часто зустрічаються. Повнозв’язана топологія відповідає мережі, у якій кожен комп'ютер мережі зв'язаний із всіма іншими. Незважаючи на логічну простоту, цей варіант виявляється громіздким і неефективним. Дійсно, кожен комп'ютер у мережі повинен мати велику кількість комунікаційних портів, достатніх для зв'язку з кожним із інших комп'ютерів мережі. Для кожної пари комп'ютерів повинна бути виділена окрема електрична лінія зв'язку. Повнозв’язані топології застосовуються рідко, тому що не задовольняють жодному з наведених вище вимог. Частіше цей вид топології використовується в багатомашинних комплексах чи глобальних мережах при невеликий кількості комп'ютерів.

 

Рис. 1 Структура мережі типу «Шина»

У цьому випадку (рис. 1) комп'ютери підключаються до одного коаксіального кабелю. Передана інформація може поширюватися в обидва боки. Застосування загальної шини знижує вартість проводки, уніфікує підключення різних модулів, забезпечує можливість майже миттєвого звертання до всіх станцій мережі. Повнозв’язана топологія Таким чином, основними перевагами такої схеми є дешевизна і простота розведення кабелю по приміщеннях. Недолік топології “загальна шина” полягає в її низькій надійності: будь- який дефект кабелю чи якого-небудь з численних роз’ємів цілком паралізує всю мережу. Іншим недоліком є її невисока продуктивність, тому що при такому способі підключення в кожен момент часу тільки один комп'ютер може передавати дані в мережу.

 

 

Рис. 2 Структура мережі типу «Зірка»

Топологія “зірка” (рис. 2). У цьому випадку кожен комп'ютер підключається окремим кабелем до загального пристрою - концентратору, що знаходиться в центрі мережі. Головна перевага цієї топології- значно більша надійність. Будь-які несправності з кабелем стосуються лише того комп'ютера, до якого цей кабель приєднаний, і тільки несправність концентратора може вивести з ладу всю мережу. Крім того, концентратор може відігравати роль інтелектуального фільтра інформації, що надходить від вузлів у мережу, і при необхідності блокувати заборонені адміністратором передачі.

До недоліків топології “зірка” відноситься більш висока вартість мережного устаткування через необхідність придбання концентратора. Крім того, можливості щодо нарощування кількості вузлів у мережі обмежуються кількістю портів концентратора. Іноді має сенс будувати мережу з використанням декількох концентраторів, ієрархічно з'єднаних між собою зв'язками типу “зірка”. В даний час “ієрархічна зірка” є самим розповсюдженим типом топології зв'язків як у локальних, так і глобальних мережах.

У мережах з кільцевою конфігурацією (рис. 3) дані передаються по кільцю від одного комп'ютера до іншого, як правило, в одному напрямку. Якщо комп'ютер розпізнає дані як “свої”, то він копіює їх собі у внутрішній буфер. У мережі з кільцевою топологією необхідно приймати спеціальні заходи, щоб у випадку виходу з ладу чи відключення будь-якої станції не перервався канал зв'язку між іншими станціями. Кільце являє собою дуже зручну конфігурацію для організації зворотного зв'язку — дані, зробивши

повний оберт, повертаються до вузла-джерела. Тому цей вузол може контролювати процес доставки даних адресату.

Часто ця властивість кільця використовується для тестування зв’язності мережі і пошуку вузла, що працює некоректно. Для цього в мережу посилаються спеціальні тестові повідомлення.

 

Рис. 3 Структура мережі типу «Кільце».

У той час як невеликі мережі, як правило, мають типову топологію “зірка”, “кільце” чи “загальна шина”, для великих мереж характерна наявність довільних зв'язків між комп'ютерами. У таких мережах можна виділити окремі довільно зв'язані фрагменти (підмережі), що мають типову топологію, тому їх називають мережами зі змішаною топологією. Переваги та недоліки наведені в табл.3

Таблиця 3. Порівняльні характеристики топології мереж

Топологія	Переваги	Недоліки
«Шина»	Ощадлива витрата кабелю. Порівняно недороге і нескладне у використанні середовище передачі даних. Простота побудови. Мережа легко розширюється	При значних обсягах трафіка зменшується пропускна здатність мережі. Важко локалізувати проблеми. Вихід з ладу кабелю припиняє роботу багатьох користувачів.
«Зірка»	Мережу легко модифікувати, додаючи нові комп'ютери. Централізований контроль і керування. Вихід з ладу одного комп'ютера не впливає на працездатність мережі	Вихід з ладу центрального вузла виводить з ладу всю мережу
«Кільце»	Усі комп'ютери мають рівний доступ. Кількість користувачів не створює значного впливу на продуктивність	Вихід з ладу одного комп'ютера може вивести з ладу всю мережу. Важко локалізувати проблеми. Зміна конфігурації мережі вимагає зупинки всієї мережі

1.3 Склад і характеристика ЛМ

 

У мережах з невеликою (10...ЗО) кількістю комп’ютерів найчастіше використовується одна з типових топологій — загальна шина, кільце чи зірка. Усі перераховані топології мають властивість однорідності, тобто всі комп'ютери в такій мережі мають однакові права у відношенні доступу до інших комп'ютерів (за винятком центрального комп'ютера при з'єднанні«зіркою»). Така однорідність структури робить простою процедуру нарощування числа комп'ютерів, полегшує обслуговування й експлуатацію мережі.

Однак при побудові великих мереж однорідна структура зв'язків перетворюється з переваги в недолік. У таких мережах використання типових структур породжує різні обмеження, найважливішими з який є:

• обмеження на довжину зв'язку між вузлами;

• обмеження на кількість вузлів у мережі;

• обмеження на інтенсивність трафіка, породжуваного вузлами мережі.

Наприклад, технологія Ethernet на тонкому коаксіальному кабелі дозволяє використовувати кабель довжиною не більш 185 м, до якого можна підключити не більш ЗО комп'ютерів. Однак, якщо комп'ютери інтенсивно обмінюються інформацією між собою, іноді приходиться знижувати кількість підключених до кабелю комп’ютерів до 20, а то і до 10, щоб кожному комп'ютеру діставалася прийнятна частка загальної пропускної здатності мережі.

Для зняття цих обмежень використовуються спеціальні методи структуризації мережі і спеціальне структуроутворююче устаткування — повторювачі, концентратори, мости, комутатори, маршрутизатори. Устаткування такого роду також називають комунікаційним, тому що за його допомогою окремі сегменти мережі взаємодіють між собою.

 

1.4 Фізична структуризація мережі

Найпростіший з комунікаційних пристроїв — повторювач {repeater) — використовується для фізичного з'єднання різних сегментів кабелю локальної мережі з метою збільшення загальної довжини мережі. Повторювач передає сигнали, що приходять з одного сегмента мережі, в інші її сегменти. Він дозволяє перебороти обмеження на довжину ліній зв'язку за рахунок поліпшення якості переданого сигналу — відновлення його потужності й амплітуди, поліпшення фронтів і т.п.

Повторювач, що має кілька портів і з'єднує кілька фізичних сегментів, часто називають концентратором (concentrator) чи хабом (hub). Ці назви (hub — основа, центр діяльності) відбивають той факт, що в даному пристрої зосереджуються всі зв'язки між сегментами мережі.

Концентратори характерні практично для всіх базових технологій локальних мереж — Ethernet, ArcNet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, 100 VG-Any LAN.

В роботі концентраторів будь-яких технологій багато загального — вони повторюють сигнали, що прийшли з одного зі своїх портів, на інших своїх портах. Різниця полягає в тому, на яких саме портах повторюються вхідні сигнали. Так, концентратор Ethernet повторює вхідні сигнали на усіх своїх портах. А концентратор Token Ring повторює вхідні сигнали, що надходять з певного порту, тільки на одному порті — на тім, до якого підключений наступний у кільці комп'ютер.

Комп'ютери цієї мережі одержують доступ до кабелів кільця за рахунок передачі один одному спеціального кадру — маркера, причому цей маркер також передається послідовно від комп'ютера до комп'ютера в тому ж порядку, у якому комп'ютери утворюють фізичне кільце, тобто комп'ютер А передає маркер комп'ютеру В, комп'ютер В - комп'ютеру С і т. д.

 

1.5 Логічна структуризація мережі

 

Фізична структуризація мережі корисна в багатьох відношеннях, однак у ряді випадків неможливо обійтися без логічної структуризації мережі. Найбільш важливою проблемою, яка не розв'язується шляхом фізичної структуризації, залишається проблема перерозподілу переданого трафіка між різними фізичними сегментами мережі. У великій мережі природним образом виникає неоднорідність інформаційних потоків: мережа складається з безлічі підмереж робочих груп, відділів, філій підприємства й інших адміністративних утворень. Усе це не могло не вплинути на розподіл інформаційних потоків. І незалежно від того, у якій пропорції розподіляються внутрішні трафіки, для підвищення ефективності роботи мережі неоднорідність інформаційних потоків необхідно враховувати.

Логічна структуризація мережі - це процес розбивки мережі на сегменти з локалізованим трафіком.

Для логічної структуризації мережі використовуються такі комунікаційні пристрої, як мости, комутатори, маршрутизатори і шлюзи. Міст (bridge) поділяє середовище передачі інформації мережі на частини (часто які називають логічними сегментами), передаючи інформацію з одного сегмента в інший тільки в тому випадку, якщо така передача дійсно необхідна, тобто якщо адреса комп'ютера призначення належить іншій підмережі. Тим самим міст ізолює трафік однієї підмережі від трафіку іншої, підвищуючи загальну продуктивність передачі даних у мережі. Локалізація трафіку не тільки заощаджує пропускну здатність, але і зменшує можливість несанкціонованого доступу до даних, тому що кадри не виходять за межі свого сегмента і їх складніше перехопити зловмиснику.

Комутатор {switch, switching hub) за принципом обробки кадрів нічим не відрізняється від моста. Основна його відмінність від моста полягає в тому, що він є свого роду комунікаційним мультипроцесором, тому що кожен його порт оснащений спеціалізованим процесором, що обробляє кадри по алгоритму моста незалежно від процесорів інших портів.

За рахунок цього загальна продуктивність комутатора звичайно набагато вище продуктивності традиційного моста, що має один процесорний блок. Можна сказати, що комутатори — це мости нового покоління, які обробляють кадри в рівнобіжному режимі.

Обмеження, зв'язані із застосуванням мостів і комутаторів — по топології зв'язків, а також ряд інших, — привели до того, що в ряді комунікаційних пристроїв з'явився ще один тип устаткування — маршрутизатор (router). Маршрутизатори більш надійно і більш ефективно, ніж мости, ізолюють трафік окремих частин мережі один від одного.

Крім локалізації трафіка маршрутизатори виконують ще багато інших корисних функцій. Так, маршрутизатори можуть працювати в мережі із замкнутими контурами, при цьому вони здійснюють вибір найбільш раціонального маршруту з декількох можливих.

Іншою дуже важливою функцією маршрутизаторів є їхня здатність зв'язувати в єдину мережу підмережі, побудовані з використанням різних мережних технологій, наприклад, Ethernet \X.25.

Крім перерахованих пристроїв окремі частини мережі може з'єднувати шлюз {gateway). Основною причиною, з якої у мережі використовують шлюз, є необхідність об'єднати мережі з різними типами системного і прикладного програмного забезпечення, а не бажання локалізувати трафік. Проте, шлюз забезпечує і локалізацію трафіка як деякий побічний ефект.

Великі мережі практично ніколи не будуються без логічної структуризації. Для окремих сегментів і підмереж характерні типові однорідні топології базових технологій, і для їхнього об'єднання завжди використовується устаткування, що забезпечує локалізацію трафіка, — мости, комутатори, маршрутизатори і шлюзи.

 

1.6 Специфікації фізичного середовища Ethernet

 

Історично перші мережі технології Ethernet були створені на коаксіальному кабелі діаметром 0,5 дюйма. Надалі були визначені й інші специфікації фізичного рівня для стандарту Ethernet, що дозволяють використовувати різні середовища передачі даних. Метод доступу CSMA/CD і всі тимчасові параметри залишаються тими самими для будь-якої специфікації фізичного середовища технології Ethernet 10 Мбіт/с.

Фізичні специфікації технології Ethernet на сьогоднішній день включають такі середовища передачі даних.

10Base-5 - коаксіальний кабель діаметром 0,5 дюйма, що називається «товстим» коаксіалом. Має хвильовий опір 50 Ом. Максимальна довжина сегмента - 500 м. (без повторювачів).

10 Base-2 - коаксіальний кабель діаметром 0,25 дюйма, що називається «тонким» коаксіалом. Має хвильовий опір 50 Ом. Максимальна довжина сегмента - 185 м. (без повторювачів).

10Base-Т - кабель на основі неекранованої крученої пари (Unshielded Twisted Pair, UTP). Утворює зіркоподібну топологію на основі концентратора. Відстань між концентратором і кінцевим вузлом - не більш 100 м.

10 Base-F - волоконно-оптичний кабель. Топологія аналогічна топології стандарту \0Base-T. Є кілька варіантів цієї специфікації - FOIRL (відстань до 1000 м), 10 Base-FL (відстань до 2000 м), 10 Base~FB (відстань до 2000 м).

Число 10 у зазначених вище назвах позначає бітову швидкість передачі даних цих стандартів — 10 Мбіт/с, а слово Base — метод передачі на одній базовій частоті 10 МГц (на відміну від методів, що використовують кілька

несучих частот, що називаються Broadband — широкосмуговими). Останній символ у назві стандарту фізичного рівня позначає тип кабелю.