Сети ЭВМ и средства телекоммуникаций

       

Сети ЭВМ и средства телекоммуникаций


1

ОБЩИЙ ПРИНЦИП РАБОТЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СЕТИ

 

1.1 Распределенные системы обработки данных

К распределенным системам обработки данных относят вычислительные системы, функции которых состоят в выполнении требуемых актов обработки данных: ввода, хранения, преобразования и вывода. Примерами таких вычислительных систем являются системы для решения научных, инженерно-технических, планово-экономических задач, а также в качестве автоматизированных систем управления предприятиями, технологического оборудования и техническими объектами.

Поскольку основным признаком распределенных вычислительных систем является наличие нескольких центров обработки данных, то к  ним относят многомашинные вычислительные комплексы, мультипроцессорные вычислительные системы и вычислительные сети.

Многомашинный вычислительный комплекс - это  несколько связанных между собой  компьютеров (каждый из которых работает под управлением собственной операционной системы), а также программные и аппаратные средства связи компьютеров, которые обеспечивают работу всех компьютеров комплекса как единого целого.

Мультипроцессорные системы – это компьютеры, в которых имеется несколько процессоров, каждый из которых может относительно независимо от остальных выполнять свою программу. В мультипроцессоре существует общая для всех процессоров операционная система, которая оперативно распределяет вычислительную нагрузку между процессорами. Взаимодействие между отдельными процессорами организуется через оперативную паять.

Вычислительные сети – это совокупность связанных между собой нескольких компьютеров, разнесенных в пространстве. Связь между компьютерами осуществляется  с помощью специальных периферийных устройств – сетевых адаптеров, соединенных относительно протяженными каналами связи. Взаимодействие между компьютерами сети происходит за счет передачи сообщений через сетевые адаптеры и каналы связи. С помощью этих сообщений один компьютер обычно запрашивает доступ к ресурсам другого компьютера.
Такими ресурсами могут быть как данные, хранящиеся на диске, так и разнообразные периферийные устройства – принтеры, модемы и др. Разделение локальных ресурсов каждого компьютера между пользователями сети – основная цель создания вычислительной сети.

 

1.2 Принцип работы глобальной вычислительной сети



Из общей теории систем понятие системы трактуется как совокупность связанных между собой элементов в единое целое для достижения определенной цели. Здесь под целью понимается совокупность результатов, определяемых назначением системы.

Система, состоящая из одной или нескольких ЭВМ и набора программ, обеспечивающих выполнение возложенных на систему функций, называется вычислительной системой (ВС). Состав ВС можно представить в виде совокупности аппаратной и программной частей (рис.1).

 

Рис.1

В состав оборудования может входить одна или несколько ЭВМ, которые выполняют функцию ввода, хранения, преобразования и вывода информации. Прикладные программы представляют алгоритмы выполнения функций, реализация которых возлагается на систему, т.е. задают порядок преобразования исходных данных в совокупность результатов, для производства которых предназначена ВС. Управляющие программы обеспечивают необходимый порядок взаимодействия прикладных программ между собой и с оборудованием ВС.

Система нескольких ЭВМ, объединенных между собой каналами связи,  разнесенных в пространстве и выполняющих функцию приема/передачи информации, называется вычислительной сетью.

Обобщенная структурная схема вычислительной сети представлена на рис. 2.

Вычислительную сеть можно представить в виде двух взаимосвязанных подсетей: сети передачи данных (СПД) и сети ЭВМ.

СПД - совокупность технических средств для передачи данных между ЭВМ, которые  состоят из линий связи и узлов связи (У). Узел связи - совокупность средств коммутации и передачи данных в одном пункте. Узел связи принимает данные, поступающие по каналам связи, и передает данные в каналы ведущие к абонентам.


Узел связи реализуется на основе коммутационной ЭВМ и аппаратуры передачи данных. Коммутационная ЭВМ управляет приемом и передачей данных и , в частности, выбирает целесообразный путь передачи данных (в другой терминологии - маршрутизатор или коммутатор). СПД можно считать ядром вычислительной сети, обеспечивающим физическое объединение ЭВМ и других устройств.

Рис.2

Сеть ЭВМ - совокупность ЭВМ, объединенных сетью передачи данных. Сеть ЭВМ включает в себя главные и терминальные ЭВМ. Главная ЭВМ (ГВМ) выполняет задания абонентов сети (пользователей) и содержит основные программные ресурсы. Терминальные ЭВМ - пользовательские персональные ЭВМ (ПЭВМ), а также интеллектуальные терминалы, включающие монитор со встроенным процессором, обеспечивающим локальную обработку данных - редактирование текстов, отображение данных, хранение небольшого объема данных и др. Под терминальными ЭВМ понимаются устройства ввода графической информации, речи, изображения и устройства вывода аналогичной информации.

 

 

1.3  Прием/передача информации в вычислительной сети

Наиболее популярно принцип приема/передача информации можно объяснить на примере работы почты. Любой человек, отправляя письмо  из одного города в другой, вначале на чистом листе (твердом носителе информации) пишет текст сообщения, а затем лист вкладывает в конверт, имеющий стандартные размеры, и заклеивает его. На лицевой стороне записывает в строго отведенных местах и в заданной последовательности адрес пункта назначения абонента, которому предназначено письмо, и адрес отправителя. Здесь же указывается индекс почтового отделения получателя и указывается срочность (приоритет) доставки письма, т.е. доставка АВИА, заказное с увидомлением, простое или с доплатой. Подготовленное письмо (пакет сообщения) опускается в почтовый ящик, после чего процесс дотавки сообщения возлагается на административную службу ПОЧТЫ.


Службы почты выполняют строго заданные функции на каждом этапе доставки сообщения до адресата. Так на первом этапе письма из почтовых ящиков доставляются в почтовые отделения, где затем происходит сортировка их по направлениям (географическое местоположение). Сформированные блоки писем транспортируются  (авиацией, железной дорогой или другим транспортом) до почтовых отделений абонентов, которые указаны на конверте. Далее, в приемных почтовых пунктах письма сортируются по адресам и доставляются почтальонами абонентам. Алгоритм работы почтовой службы, ее структура и функции полностью положены в основу любой вычислительной сети. Отличие заключается в терминологии и в форме представления информации. Действительно, узел связи - почтовое отделение, сеть передачи данных - транспортные линии, по которым осуществляется доставка сообщений.

             Контроль состояния вычислительной сети и управление ее функционированием обеспечивается административной системой, включающей в себя ЭВМ (сервер), терминальное оборудование и программные средства, с помощью которых производится включение и выключение сети и ее компонентов, контролируется работоспособность сети, устанавливается режим  функционирования компонентов, систем и сети в целом, учитывая объем услуг, предоставляемых абонентам сетью, и т.д.

 

1.4 Эффект сетевой обработки данных

Основной эффект от объединения ЭВМ в вычислительную сеть - это полная доступность ресурсов сети для пользователей. Пользователи, подключенные к сети, имеют доступ ко всем главным ЭВМ, входящим в сеть. Пользователям доступно программное обеспечение, имеющееся в сети, и базы данных, размещенные в ЭВМ сети, что позволяет оперативно использовать программы и базы данных. Информационные связи между пользователями позволяют решать задачи моделирования сложных систем, выполнять проектные работы, опирающиеся на распределенные между многими ЭВМ программное обеспечение и базы данных. Вычислительные сети позволяют повысить уровень ЭВМ, программного обеспечения и баз данных.


Во-первых, вычислительная сеть обслуживает большое количество пользователей-профессионалов, обращающихся к  базам данных типа  Autocad, PCAD, LabViJ…, и непрофессионалов, обращающихся к гуманитарным базам данных (экономика, политика, общение, маркетинг, реклама, творчество и т.д.). Во-вторых, с точки зрения загрузки оборудования вычислительной сети, создаваемой всеми пользователями сети, значительно снижается стоимость обработки данных, по сравнению с  одним пользователем, имеющим полный комплект оборудования.

1.5 Характеристики вычислительной сети

Основные характеристики вычислительной сети - операционные возможности, время доставки сообщений, производительность и стоимость обработки данных.

Операционные возможности сети - перечень основных действий по обработке данных. Главные ЭВМ (серверы), входящие в состав сети, обеспечивают пользователей всеми традиционными видами обслуживания: средствами автоматизации программирования, доступом к пакетам прикладных программ, доступом к базам данных и т.д. Дополнительно вычислительная сеть предоставляет следующие виды услуг:

-            удаленный ввод заданий - выполнение заданий, поступающих с любых терминалов, на любой рабочей станции (сервере) в пакетном или диалоговом режиме;

-         передачу файлов между абонентами сети;

-            доступ к удаленным файлам - обработку файлов, хранимых в удаленных ЭВМ;

-         защиту данных и ресурсов от несанкционированного доступа;

-            передачу текстовых, речевых и видео сообщений между абонентами;

-         выдачу справок об информационных и программных ресурсах;

-            распределенную обработку - параллельное выполнение задачи несколькими ЭВМ.

Время доставки сообщений определяется как статистическое среднее времени от момента передачи сообщения в сеть до момента получения сообщения адресатом.



Цена обработки данных формируется с учетом стоимости средств, используемых для ввода/вывода, передачи, хранения и обработки данных. На основе цен рассчитывается стоимость обработки данных, которая зависит от объема используемых ресурсов вычислительной сети (количества передаваемых данных, процессорное время), а также режима передачи и обработки данных.

2 ЛОКАЛЬНЫЕ  ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СЕТИ

В общем случае под локальной вычислительной сетью (ЛВС) понимают такую сеть, в которой все оборудование узлов сети (рабочие станции и периферийные устройства), объединяемое физическими линиями, размещается в пределах небольшой территории, ограниченной одним или несколькими помещениями, на расстоянии не более чем 1 - 2 км друг от друга. Такая сеть является более специализированной по классу решаемых задач (банковская, государственного учреждения), однако часто требует обмена и протокольной совместимости с другими локальными или глобальными (корпоративными) сетями.

В ЛВС наиболее эффективное средство связи между системами, объединяемыми в сеть, - последовательный интерфейс. В последовательных интерфейсах в качестве передающей среды используются коаксиальные кабели, витые пары, волоконно-оптические кабели, которые обеспечивают высокую пропускную способность до 100 Мбит/сек и более. При использовании таких каналов связи строятся различные конфигурации вычислительных сетей (топологии ЛВС). Наиболее распространенные конфигурации -  звездная, кольцевая, шинная и деревовидная.

 

2.1 ТОПОЛОГИИ  ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СЕТИ

  2.1.1 Топология типа «звезда»

 

Концепция топологии сети в виде звезды пришла из области больших ЭВМ, в которой головная машина получает и обрабатывает все данные с периферийных устройств как активный узел обработки данных. Вся информация  между двумя рабочими станциями проходит через центральный узел сети (см.


рис.3).

Сети с такой топологией строятся, как правило, на базе метода коммутации каналов. В этом случае перед началом передачи информации абонент-инициатор передачи (вызывающий узел) запрашивает у центрального узла установление физического или логического соединения с абонентом-партнером (вызываемом узлом). После установления соединения соответствующий физический или логический путь монопольно используется абонентами-партнерами для обмена информацией. По окончании обмена один из абонентов запрашивает у центрального узла разъединения.

Кабельное соединение довольно простое, так как каждая рабочая станция связана с узлом. Затраты на прокладку кабелей высокие, особенно когда центральный узел географически расположен не в центре топологии

При расширении вычислительной сети подобной топологии к новому рабочему месту необходимо прокладывать отдельный кабель из центра сети.

Производительность вычислительной сети в первую очередь зависит от производительности центрального файлового сервера, а пропускная способность сети определяется вычислительной мощностью узла и гарантируется для каждой рабочей станции. Коллизий (столкновений) в процессе передачи данных не возникает.

           Топология в виде звезды является наиболее быстродействующей из всех топологий вычислительных сетей, поскольку передача данных между рабочими станциями проходит через центральный узел (при его хорошей производительности) по отдельным линиям, используемым только этими станциями.

Однако при данной топологии он может быть узким местом вычислительной сети. В случае выхода из строя центрального узла нарушается работа всей сети.

В настоящее время файловым серверам уделяется особое внимание с точки зрения надежности его работы, а так как для данной топологии характерна простота управления обменом информации и механизмом против несанкционированного доступа, топология типа «звезда» находит широкое распространение при проектировании ЛВС.

2.1.2  Кольцевая топология

 

При кольцевой топологии сеть не имеет явно выраженного центрального узла (сервера), а рабочие станции связаны одна с другой по кругу ( см.


рис. 4 ). Сообщения в подобной топологии циркулируют по кругу в строго заданном направлении. Рабочая станция посылает сообщение заданному адресату, предварительно получив из кольца запрос (маркер). Пересылка сообщений в подобной топологии является эффективной, так как большинство сообщений можно отправлять "в дорогу" по каналу связи одно за другим.

Каждая рабочая станция может выполнять функции сервера, а банки данных могут быть распределены между станциями.

Основная проблема при кольцевой топологии заключается в том, что каждая рабочая станция должна активно участвовать в пересылке информации, и в случае выхода из строя хотя бы одной из них вся сеть парализуется. Неисправности в кабельных соединениях локализуются легко. Подключение новой рабочей станции требует выключения сети, так как во время установки кольцо должно быть разомкнуто.



                                               Рис. 3

Специальной формой кольцевой топологии является логическая кольцевая сеть. Физически она монтируется как соединение звездных топологий. Отдельные звезды включаются с помощью специальных  коммутаторов         ( англ. Hub - концентратор).

 В зависимости от числа рабочих станций и длины кабеля между рабочими станциями применяют активные или пассивные концентраторы ("хабы"). Активные концентраторы дополнительно содержат усилитель для подключения от 4 до 16 рабочих станций. Пассивный концентратор является исключительно разветвительным устройством (максимум на три рабочие станции). Каждой рабочей станции присваивается соответствующий ей адрес, по которому передается управление (от старшего к младшему и от самого младшего к самому старшему). Разрыв соединения происходит только для нижерасположенного (ближайшего) узла вычислительной сети, так что лишь в редких случаях может нарушаться работа всей сети.



                                                  Рис. 4



2.1.3 Шинная топология

В сетях с шинной топологией все рабочие станции подключаются к одному каналу связи (коммуникационному пути) с помощью премопередатчиков ( см. рис. 5 ).

Рабочие станции могут непосредственно вступать в контакт с любой рабочей станцией, имеющейся в сети, и могут быть подключены или отключены без нарушения функционирования всей вычислительной сети. Канал оканчивается с двух сторон пассивными терминаторами, которые поглощают передаваемые сигналы, поскольку по своей природе передача в такой сети является широковещательной (длинные линии – из курса теоретические основы электротехники).

Каждая рабочая станция подключается к шине непосредственно к соединителям кабельных секций (тройниковые соединители) либо с помощью специальной врезки, которая просто прокалывает коаксиальный кабель до контакта с центральным проводником.



Рис. 5

 

Поскольку один общий канал связи (шина) разделяется между всеми абонентами сети, такие сети называются также моноканальными.

Пропускная способность и задержка в шинных сетях определяется большим числом параметров: методом доступа, полосой пропускания канала связи, числом узлов связи, длиной сообщений и др.

В данной топологии банки данных, также как и в сетях с кольцевой топологией, могут распределяться между рабочими станциями (станции ресурсов).

2.1.4 Деревовидная топология

 

В локальной сети такого типа используется комбинация ранее рассмотренных типов топологий: “кольцо-звезда” либо “шина-звезда”. Сеть типа “кольцо-звезда” представлена на рис. 6.

Сервера подключены к шине сети через контроллер, а к каждому серверу подсоединены звездно рабочие станции. Сети такого типа применяются там, где невозможно непосредственное применение базовых сетевых структур в чистом виде.

Сети такой топологии обладают преимуществом каждой в отдельности типом сети («кольцо» и «звезда»). И дополнительно удобны при административном управлении сетью.

Недостаток такого типа в том, что выход из строя участка канала связи сети парализует работу группы абонентов этого участка.



Сравнительные характеристики различных топологий локальных сетей представлены в табл. 1.



Рис. 6

                                                                                                                    Таблица 1

    Характеристики



                                 Топология

    Звезда

   Кольцо

    шина

  дерево

Сложность интерфейса

малая

малая

 малая/

 средняя

средняя

Наращиваемость

малая

средняя

высокая

высокая

Надежность

средне/

высокая

высокая

высокая

высокая

Стоимость подключения

высокая

средняя

низкая

низкая

Работа в реальном времени

очень

хорошая

хорошая

плохая

средняя

Разводка кабеля

хорошая

удовлетворительная

хорошая

хорошая

3 МНОГОУРОВНЕВАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ПРИЕМ/ПЕРЕДАЧЕЙ ИНФОРМАЦИИ В ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ

 

Любая организация локальной вычислительной сети должна удовлетворять следующим основным требованиям:

1)            открытости, т.е. возможности включения дополнительных серверов, рабочих станций, узлов и линий связи без изменения технических и программных средств сети;

2)            гибкости - сохранения работоспособности при изменении структуры в результате выхода из строя рабочих станций, линий и узлов связи, доступность изменения типов ЭВМ и линий связи, а также возможность работы любых серверов с рабочими станциями различных типов;

3)            эффективности - обеспечения требуемого качества обслуживания абонентов при минимальных затратах.

Указанные требования реализуются за счет модульного принципа организации управления в сети по многоуровневой схеме, в основе которой лежат понятия процесса, уровня управления, интерфейса и протокола.

Процесс - это динамический объект, реализующий целенаправленный акт обработки даннах.

Прикладной процесс - выполнение прикладной программы или обрабатывающей программы  операционной системы ЭВМ, а также рабочей станции, работающей в сети.



Системный процесс - выполнение программы (алгоритма), реализующей вспомогательную функцию, связанную с обеспечением прикладных процессов ( организация связи между абонентами, печать в сетевом режиме и др.)

Необходимо отметить, что в вычислительной сети все процессы сводятся к обмену сообщениями, которые передаются по каналам, создаваемыми средствами сети.

Промежуток времени , в течение которого взаимодействуют процессы, называется сеансом (см. сеансовый протокол).

3.1 Уровни управления вычислительной сетью

 

Рассматривая вычислительную сеть как совокупность систем (рабочих станций), связанных между собой некоторой передающей средой (проводной связью, волоконно-оптической или радиосвязью), обеспечивающей обмен сообщений между рабочими станциями, она должна управляться по определенному  международному стандарту.

Все работы по стандартизации связи между рабочими станциями (ЭВМ) базируются на рекомендациях таких организаций, как:

- Международный консультативный комитет по телеграфии и телефонии - МККТТ;

 -  Европейская ассоциация производителей ЭВМ - ЕАПЭ  (ЕСМА);

 - Институт инженеров электроники и радиоэлектроники США - ИИЭР (IEEE).

Для обеспечения открытости, гибкости и эффективности сети управление процессами организуется по многоуровневой схеме, приведенной на рис. 7.

7

7

7

  Прикладной

6

6

6

  Представления

5

5

5

  Сеансовый

4

4

4

  Транспортный

3

3

3

  Сетевой

2

2

2

  Канальный

1

1

1

  Физический

<




Передающая среда

Рис. 7

В рамках  семиуровневой модели управления для каждого уровня определены стандарты протокола (аппаратные и программные средства), реализующие заданные для данного уровня функции обработки и передачи данных. Взаимодействие прикладных процессов между уровнями управления удобно рассматривать, начиная с нижнего.

Уровень 1 - физический - реализует управление каналом связи (передающая среда), что сводится к подключению и отключению канала связи и формированию сигналов, представляющих передаваемые данные, а также определяет электрические и механические характеристики ЛВС (локальной вычислительной сети). Спецификации этого уровня содержат следующие данные:

-         особенности схемы приема/передачи сигналов;

-         техника модуляции и кодирования/декодирования;

-         частоты передачи и напряжения сигналов;

-         характеристики механического присоединения;

-         характеристики среды (канала) передачи данных.

 Уровень 2 - канальный - организует службу доставки пакетов сообщений от одной рабочей станции до другой. Здесь реализуются следующие служебные функции:

-                 кадровая синхронизация, т.е. определение начальных и конечных точек пакета сообщения;

-                 адресация, т.е. определение того, какой узел должен принять сообщение;

-                 обнаружение ошибок, т.е. определение ошибочных битов в сообщении;

-                 контроль подключения приемопередатчиков к физическому каналу;

-                 реализация метода доступа к каналу связи в соответствии с требуемыми спецификациями.

Уровень 3 - сетевой - определяет маршруты следования информации от узла одной сети к узлу другой сети (при обменах ЛВС - глобальная сеть - ЛВС).

Уровень 4 - транспортный - реализует независимую и надежную передачу сообщений переменной длины, дублировать их или передавать в непоследовательном порядке (см. транспортный протокол). Кроме того, здесь должна выполняться служба сегментации ( разбиение сообщений на пакеты) и служба сборки пакетов в сообщения.



Уровень 5 - сеансовый - организует сеансы связи на период взаимодействия процессов передачи данных в заданный момент времени и обеспечивается синхронизация диалога между рабочими станциями. Сеансовые соединения устанавливаются по запросу одного из абонентов сети и разъединяются либо по запросу абонента, либо по заранее установленному времени.

 Уровень 6 - представления - осуществляет преобразование информации из одного формата в другой, что включает упаковку и распаковку данных, изменение набора символов, интерпретацию графических команд в шифровку данных.

Уровень 7 - прикладной - управляет подпрограммами сетевых директив, что включает идентификацию абонентов, выбор режима обслуживания и установки связи ( администрирование в сети).

Число уровней и распределение функций между ними существенно влияет на сложность сетевой операционной системы и эффективность сети. Семиуровневая система управления является основой разработки вычислительных сетей и определяет ее архитектуру. При разработке специализированных сетей (управление общественным транспортом, водоснабжением, торговлей и  т.п.) формальной процедуры выбора числа уровней не существует и определяется уровнем квалификации разработчика.

3.2 Структура сообщения

 

Многоуровневая организация управления процессами прием/передачи информации в сети порождает необходимость строить сообщения таким образом, чтобы формат и содержание его соответствовало последовательности уровней, на которых выполняются соответствующие функции. Данные, передаваемые в форме сообщения, снабжаются заголовком и концевиком, в которых содержится информация, необходимая для обработки сообщения на соответствующем уровне: указатели типа сообщения, адреса отправителя, получателя, канала, порта и т.д.  Данная процедура аналогична процессам работы почтовой службы. Информация в виде письменного сообщения, отраженная на бумаге, помещается в конверт, на котором указывается адрес получателя письма (код города, почтового отделения), адрес отправителя, приоритет доставки сообщения (спецпочта, авиа, простое).


Отличие состоит в форме представления информации - традиционный текстовый вид либо код в двоичном представлении. Пример структуры сообщения для сети приведен на рис. 8.

Код начала сообщения

Адрес получателя

Адрес источника

Команды управления в сети

Данные

Контольная сумма

Код конца сообщения

Рис. 8

3.3 Интерфейсы и протоколы сети

 

3.3.1 Интерфейсы

 

 Для реализации функций управления передачей данных используются технические и программные средства. Как правило, уровни 1-й и 2-й реализуются в основном техническими средствами: на уровне 1 используются электронные схемы, а на уровне 2 - программируемые контроллеры или микропроцессоры. На уровнях 3 - 7 используются программные средства, образующие сетевую операционную систему вычислительной сети. Взаимодействие между уровнями одной системы производится на основе соглашения - интерфейса, определяющего структуру данных и способ (алгоритм) обмена данными между соседними уровнями. Уровни управления 1 и 2 связываются между собой и с уровнем 3 посредством схемных интерфейсов - интерфейсных шин. Порядок взаимодействия между уровнями управления 3 - 7 определяется программными интерфейсами - совокупностью процедур

F1(U1), …., FN (UN),

где F1,…., FN - наименования процедур, реализуемых J-м уровнем управления, и U1,…, UN - множество формальных параметров соответствующих процедур.

3.3.2 Протоколы

 

Гибкость организации и простота реализации сетей достигается за счет того, что обмен сообщениями допускается только между процессами одного уровня (процесс - это динамический объект, реализующий целенаправленный акт обработки данных).

Процедура взаимодействия процессов на основе обмена сообщениями называется протоколом. Для процессов каждого уровня используется свой протокол.

Протоколы имеют следующие особенности, отличающие их от интерфейсов:

1)    параллелизм взаимодействующих процессов;

2)            взаимную неопределенность состояния процессов, связанную с отсутствием у каждого из них полной информации о состоянии другого процесса;



3)            отсутствие однозначной зависимости между событиями и действиями, выполняемыми при их наступлении;

4)    отсутствие полной гарантии доставки сообщений.

При описании протокола принято выделять его логическую и процедурную характеристики. Логическая характеристика протокола - структура (формат) и содержание (семантика) сообщений. Логическая характеристика задается перечислением типов сообщений и их смысла. Правила выполнения действий, предписанных протоколом взаимодействия, называются процедурной характеристикой протокола. Процедурная характеристика протокола может представляться в различной математической форме: операторными схемами алгоритмов, автоматными моделями, сетями Петри и др.

Таким образом, логика организации вычислительной сети в наибольшей степени определяется протоколами, устанавливающими как тип и структуру сообщений, так и процедуры их обработки - реакцию на входящие сообщения и генерацию собственных сообщений.

Число уровней управления и типы используемых протоколов определяют архитектуру вычислительной сети.

3.4 Организация доставки сообщений  в сети

Сеть передачи данных см. рис. 2 обеспечивает связь между абонентами путем установления соединений, проходящих через узлы и линии связи. Производительность сети во многом зависит от производительности узлов связи и пропускной способности линий связи, а также от способа организации каналов связи между абонентами и способа передачи данных по каналам.

3.4.1 Коммутация каналов, сообщений и пакетов

 

 Установление связи между абонентами может обеспечиваться тремя способами: коммутацией каналов, сообщений и пакетов.

Коммутация каналов обеспечивает выделение физического канала для прямой передачи данных между абонентами. Процесс коммутации канала и передачи данных изображен на рис. 9.

Абонент аi передает сообщение абоненту аj через узлы сети передачи данных A,B,C,D, соединяясь по так называемой процедуре "проключения" канала, т.е.


последовательного соединения через определенные промежутки времени каждого узла друг с другом до тех пор, пока не соединится с абонентом aj. Процедура соединения представлена временной диаграммой на рис. 9.   Коммутация каналов подобна процедуре соединения абонентов по междугородней телефонной сети. Так, абонент аi с индивидуального телефона набирает вначале код междугороднего телефона 08 (адрес узла А), затем через некоторое время (занят - не занят) набирает код города, к примеру, 095 (узел B), выходит на междугороднюю станцию ( г. Москвы), а затем через номер АТС (к примеру,  927 - узел С) выходит на  номер телефона абонента аj (к примеру, 927-43-47). Абонент aj поднимает трубку телефона (факс, модем  либо сам абонент) и предупреждает абонента об установлении связи ("алло"). С этого момента начинается передача информации  от абонента ai к абоненту aj.

Коммутация сообщений

производится путем передачи сообщения, содержащего заголовок и данные, по маршруту, определяемому узлами сети. Процедура передачи аналогична процедуре пересылке письма по почте. В заголовке сообщения указывается адрес абонента aj - получателя сообщения (на конверте письма - адрес получателя). Сообщение, генерируемое отправителем - абонентом ai (на конверте - адрес отправителя) принимается узлом А (почтовый ящик) и хранится в памяти узла (почта из ящика изымается 3 раза в сутки). Узел А обрабатывает заголовок сообщения и определяет маршрут передачи сообщения, ведущий к узлу В (изъятое сообщение из почтового ящика обрабатывается в почтовом отделении, где по адресу (код города) определяется маршрут, ведущий к узлу В, в зависимости от приоритета, т.е. марки на конверте (Авиа или Ж.Д.). Узел В (самолет или почтовый вагон) принимает сообщение, размещая его в памяти (багажном отделении), а по окончании приема обрабатывает заголовок и выводит сообщение из памяти в линию связи (отправка по маршруту самолетом или поездом, к примеру Томск - Москва, ведущему к следующему узлу. Процесс приема, обработки и передачи сообщения повторяется последовательно всеми узлами на маршруте от абонента ai до абонента aj.



Коммутация пакетов

производится  путем разбивки сообщения на пакеты, каждый из которых имеет один и тот же заголовок и строго заданный объем данных (посылку, отправляемую по почте, разбиваем на бандероли либо письмо на телеграммы) рис.9. Передача данных при коммутации пакетов происходит так же, как и при коммутации сообщений, но данные разделяются на последовательность пакетов ограниченной длины (например, по 1024 бит). 

ai
 
aj
 

                                                                                             

   

В вычислительных сетях коммутация пакетов - основной способ передачи данных. Это обусловлено тем, что коммутация пакетов приводит к малым задержкам при передаче данных через сеть передачи данных (СПД), а также следующими обстоятельствами.

Во-первых, способ коммутации каналов требует, чтобы все соединительные линии, из которых формируется канал, имели одинаковую пропускную способность, что крайне ужесточает требования к структуре СПД. Коммутация сообщений и пакетов позволяет передавать данные по линиям связи с любой пропускной способностью.

Во-вторых, представление данных пакетами создает наилучшие условия для мультиплексирования потоков данных - разделения времени работы канала для  одновременной передачи нескольких потоков данных.

На рис. 10   представлена временная диаграмма, иллюстрирующая принцип мультиплексирования потоков данных.

 

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

<


a1 

   

2.1

2.2

a2

3.1

a3

1.1

2.1

2.2

1.2

1.3

3.1

1.4

1.5

Рис. 10

На первых трех осях изображены потоки данных (пакетов), генерируемых абонентами а1, а2, а3. Двойная нумерация пакетов на рисунке означает номер абонента и номер пакета в потоке. Канал используется для обслуживания трех абонентов путем разделения во времени, т.е. поочередного представления канала абонентам. Благодаря этому эффективно используются линии связи, соединяющие узлы связи и ЭВМ с СПД, и одна линия связи обеспечивает одновременную работу многих взаимодействующих абонентов. Эффективность коммутации пакетов несколько снижается из-за размножения заголовков, сопровождающих каждый пакет, но эти потери  окупаются за счет эффекта мультиплексирования сильно пульсирующих потоков данных, характерных для вычислительных сетей.

В-третьих, малая длина пакетов позволяет выделять для промежуточного хранения передаваемых данных меньшую емкость памяти, чем требуется для сообщений. Кроме того, использование пакетов упрощает задачу управления потоками данных, поскольку для приема потока пакетов в узлах связи нужно резервировать меньшую память, чем для приема потоков сообщений.

В-четвертых, надежность передачи данных по линиям связи невелика (особенно по Российским телефонным линиям). Типичная линия связи обеспечивает передачу данных с вероятностью искажений 10-4 - 10-6 ошибок на бит. Чем больше длина передаваемого сообщения, тем больше вероятность того, что оно будет искажено помехами. Пакеты, имея незначительную длину, в большей степени гарантированы от искажений, чем сообщения. К тому же искажение исключается путем перезапроса данных (метод квитирования). В современных модемах используется адаптируемый (приспосабливающийся) принцип анализа помехозащищенности. При увеличении уровня помех длина пакета сокращается с 1024 бит до 34 или

 16 бит/сек.

3.4.2 Дейтаграммные и виртуальные каналы

 

В СПД с коммутацией пакетов используются два способа передачи данных между абонентами: дейтаграммный и виртуальный канал.

Дейтаграммный способ - передача данных как отдельных, не связанных между собой пакетов. При этом пакеты, поступая в СПД, передаются ею как независимые объекты, в результате чего каждый пакет может следовать любым возможным маршрутом и совокупность пакетов поступает  к получателю в любом порядке, т.е.


пакет, отправленный первым, может прибыть в пункт последним. При дейтаграммном способе не гарантируется ни очередность поступления пакетов получателю, ни надежность доставки пакетов. Передача дейтаграммным способом напоминает работу почты, когда информация пересылается как совокупность почтовых отправлений, например пачками писем.

Виртуальный канал - передача данных в виде последовательностей связанных в цепочки пакетов (аналогия - железнодорожный состав). Основное свойство виртуального канала  - сохранение порядка поступления пакетов. Это означает, что отсутствие одного пакета в пункте назначения исключает возможность поступления всех последующих пакетов. Организация  виртуального канала между двумя рабочими станциями равносильна выделению им дуплексного канала, по которому данные передаются в их естественной последовательности.

Дейтаграммный способ позволяет передавать данные без предварительных процедур установления соединений. Виртуальный канал организуется с помощью специальных процедур установления соединения, аналогичных по цели набору номера телефона абонента. При этом в системе телефонной связи коммутируется соединение между абонентами, которое по окончании разговора распадается на составные части, в дальнейшем используемые для установления других соединений. Таким же образом создается виртуальный канал, который после организации используется для передачи  данных между абонентами, обеспечивая связь в двух направлениях. По окончании сеанса связи канал ликвидируется и используемые им ресурсы возвращаются для установления новых виртуальных соединений.

Передача данных через виртуальный канал обходится дороже, чем дейтаграммным способом. Однако большое число пользователей вычислительных сетей считают необходимым сохранение последовательности пакетов для упрощения прикладных программ. Поэтому виртуальные каналы рассматриваются как эффективное средство при распределенной обработке данных и способ передачи данных на основе виртуального канала реализуется в подавляющем большинстве вычислительных сетей.



Дейтаграммный способ позволяет эффективно реализовать "электронную почту".

4. ПРОТОКОЛЫ УПРАВЛЕНИЯ КАНАЛАМИ И СЕТЬЮ ПЕРЕДАЧИДАННЫХ

В рамках архитектуры открытых систем, рекомендованной Международной организацией по стандартизации (МОС), средства для взаимодействия пользователя со средствами передачи данных определяются рекомендациями Х25, разработанной консультативным комитетом по телефонии и телеграфии (МККТТ).

Схема организации управления передачей данных в СПД изображена на рис. 11.

 На ней представлены две ЭВМ, сопряжение которых с остальными системами обеспечиваются средствами уровней 1 - 3, и два узла связи, в которых выделены средства управления передачей данных по сети. Управление каналами реализуется, как правило, техническими средствами уровня 1. Сопряжение с техническими средствами определяется интерфейсом Х21. Взаимодействие уровней управления 2 и 3 с одноименными уровнями управления других систем обеспечивается протоколами HDLC и Х25 соответственно.

ЭВМ

                 Интерфейс  Х25

      ЭВМ

          

            4

                       УС                                          УС

 

            4



            3

  Х25

3

   Х25

3

 Х25        

            3



2

HDLC

2       2

  HDLC

2        2

HDLC

2



Х21                   

   Х21                               

Х21Х21

Х21

               Х21

<


1

1

 1

1

 1

        1   

Рис. 11  Управление передачей данных

4.1        Физический уровень

Физический уровень обеспечивает перенос потока двоичных сигналов {Xi}, в виде которых представляются передаваемые данные, через физическую среду, соединяющие компьютеры сети. В качестве  физической среды, как правило, используются проводные каналы связи (телефонный кабель, коаксиальный кабель, оптоволоконный кабель) и радиоканалы.

При передаче данных в аналоговой форме по тем же каналам связи последовательность бит {Xi} на входе канала преобразуется в устройствах модуляции/демодуляции (модемах) в аналоговые сигналы Si(t), параметры которых согласованы с параметрами физической среды (физического канала). Принимаемые на выходе аналогового канала сигналы преобразуются в последовательность бит {Yi}, которая может отличаться от передаваемой последовательности из-за взаимодействия помех  {Pi}. Модемы в совокупности с физическим каналом образуют дискретный канал связи

(рис. 12).

В случае использования цифровых каналов связи преобразование последовательностей бит в аналоговые сигналы не производится. При этом вместо модемов используют линейные контроллеры, обеспечивающие сопряжение компьютера с физическим каналом.

Понятие физического уровня, его назначение и выполняемые функции определены в рекомендации МККТТ Х.200 и стандарте ISO 7498. В соответствии с ними физический уровень выполняет сервисные функции для канального уровня. Его назначением является обеспечение механических, электрических, функциональных и процедурных средств для установления, поддержания и разъединения физических соединений с целью передачи последовательности бит между объектами канального уровня. Физический уровень  также определяет особенности схем приема/передачи сигналов (оптический, электрический или радиосигнал), частоты и уровни напряжения сигналов,  технику модуляции, виды кодирования и декодирования сигналов.

Рис.12
 



Физический уровень предоставляет канальному уровню следующие услуги:

-         физические соединения;

-         физические блоки данных службы;

-         оконечные точки физических соединений;

-         организацию передачи последовательностей бит;

-         оповещение о неисправности физического уровня;

-         определение качества представляемых услуг.

Рассмотрим предоставляемые физическим уровнем услуги и выполняемые функции подробнее. На рис. 13  представлена схема подключения компьютеров в локальной сети.

                         

Рис. 13

Компьютеры подключены к среде передачи с помощью двунаправленных блоков доступа – приемопередатчиков (трансиверов). Упрощенная структурная схема трансивера представлена на рис. 14.

Приемопередатчики располагаются в непосредственной близости от основного кабеля, причем с адаптером имеется гальваническая развязка (5-8- элементы гальванической развязки). Это необходимо в случае выхода из строя адаптера, чтобы не замкнуть на землю кабель сети. В качестве развязки используется трансформатор, конденсатор или оптрон.

Управление соединением физических каналов передачи данных является услугой, предоставляемой объектам канального уровня, и может предоставляться по их запросу. Также по требованию канального уровня устанавливаются и разъединяются физические соединения.

Физический уровень обеспечивает перенос физического блока данных от объекта до потребителя, сохраняя при этом идентичность данных как в дуплексном, так и полудуплексном режиме  синхронной или асинхронной передачи.

На физическом уровне можно выделить два вида физических соединений: двухточечное и многоточечное. Двухточечное соединение обеспечивает связь только двух объектов сети, может иметь две оконечные точки физического соединения (к примеру, два абонента осуществляют взаимосвязь по городской  телефонной связи с использованием модемов). Многоточечное соединение связывает более двух абонентов, т.е. это локальная вычислительная сеть.

На физическом уровне обеспечивается доставка бит в том же порядке, в котором они были получены.



В случае возникновения неисправности внутри физического уровня последний сообщает об этом объекту канального уровня.

В качестве параметров качества физического уровня используются следующие характеристики:

-         частота появления ошибок;

-          доступность услуги;

-         скорость передачи;

-         транзитная задержка.

Объектами стандартизации на физическом уровне являются четыре группы характеристик: механические; электрические; функциональные; процедурные.

4.1.1 Механические характеристики

Механические характеристики физического уровня определяют организацию сопряжения (интерфейса) ООД (оконечное оборудование данных) с АКД (аппаратура канала данных), т.е. с физическими средствами соединения (реальной физической средой). Непосредственное сопряжение устанавливается при помощи соединителей различных типов, к которым подключается кабель, обеспечивающий гальваническую связь ООД с АКД.

В части механических характеристик протоколов физического уровня определяются: конструктивное исполнение соединителей; тип крепления; способы фиксации и крепления соединителей; схемы расположения контактов; соответствие цепей обмена контактам соединителя (разъема). К примеру, стандарт ISO 4903 “Передача данных. 15 – контактный разъем стыка между ООД и АКД и расположение номеров их контактов”, который соответствует рекомендациям X.21, X.22.

4.1.2 Электрические характеристики

В качестве носителя информации могут выступать различные формы физической природы – электрические, электромагнитные (радио), оптические, а прием и передача с компьютера реализуется на базе  электронной техники, обмен на стыке с физической средой осуществляется  электрическими сигналами. Поэтому необходимо учитывать совместимость  сигналов с физической средой, а это определяется международными рекомендациями и национальными стандартами.





Рис. 14 Упрощенная схема трансивера:

  1-приемник, 2-передатчик, 3-детектор коллизий, 4-управление выходом, 5-выход данных, 6- выход управления, 7- вход данных, 8-выход управления

Главное в этих рекомендациях - должны отмечаться характеристики уровней мощности, уровней напряжения, период сигналов, частота сигналов (скорость передачи данных), фаза, оптический диапазон и т.п. К примеру, рекомендация МККТТ V.11/X.27 “Электрическая характеристика симметричных цепей стыка, предназначенных для общего использования в устройствах передачи данных на интегральных схемах”, которая обеспечивает передачу со скоростью до 100 Кбит/с (длина кабеля до 1000 м) и приведена в табл. 2.

                                                                                                        Таблица 2

Наименование параметра

 Значение  параметра

Скорость передачи данных.

Значащее напряжение, В, на входе приемника при состоянии:

“0”, или “Включено”;

“1”, или “Выключено”;

Напряжение генератора на нагрузке

3,9 Ком, В

        < 100 Кбит/с;

>   +0,3;

<   -0,3;

>4 и < 6

  

4.1.3 Функциональные характеристики



Соединение абонентов локальной вычислительной сети устанавливается через стык ООД/АКД, который строится так, чтобы функционирование ООД не зависело от вида АКД и используемого канала связи. В процессе установления связи между абонентами идет обмен служебной информацией, связанной с управлением и синхронизацией. После установления соединения стык обеспечивает обмен данными. По окончании обмена данными ООД может через стык разъединить соединение. Функциональные характеристики физического уровня определяют тип, число и назначение соединительных цепей стыка ООД/АКД.

Организация работы физических каналов регламентируется несколькими стандартами МККТТ. Стандарт V24 определяет порядок передачи данных через выделенный телефонный (аналоговый) канал. Порядок передачи данных через цифровые каналы определяется стандартом X21.


В настоящее время имеются различные модификации стандартов, однако их суть практически  не меняется. Рассмотрим наиболее широко используемый стандарт в вычислительных сетях – стандарт X21. На рис. 15    представлен интерфейс стандарта X21, который определяет состав и функции линий интерфейса, определяемые стандартом X24, электрические характеристики для каждой линии – стандартами X26 и X27, а разъем- стандартом  МОС 4903.

Интерфейс состоит из восьми соединительных линий. Отдельную группу составляют следующие четыре линии: G и Ga – заземления, S – синхронизация битов и В – синхронизация байтов. Последняя не является обязательной. Остальные четыре предназначены для передачи данных и сигналов управления: Т - передачи битов данных в АКД;  R – приема битов данных из АКД;  С – управления АКД со стороны ООД;  I- индикации установления соединения и прекращения связи.

                                  

ООД



                   

       G

       Ga

        T

       R

       C

       I

       S

       B

         

 

АКД



      

АКД



X21

ООД



                                                                                   

Рис. 15

4.1.4 Процедурные характеристики

 

Процедурные характеристики физического уровня определяют последовательность изменений состояний цепей интерфейса ООД/АКД, т.е. определяют логику взаимодействия объектов на физическом уровне.

Основные рекомендации МККТТ, определяющие процедурные характеристики физического уровня:

V.24 – “Перечень определений цепей стыка между ООД и АКД” определяет функции каждой цепи и взаимосвязь между цепями для ООД, взаимодействующих с модемами;

X.21 – “Стык между ООД и АКД для синхронной передачи по сетям обмена данными общего пользования”;



Х.21 бис – “ Использование ООД, рассчитанного на сопряжение с синхронными модемами, удовлетворяющими рекомендациям серии V на сетях обмена данными общего пользования”.

Функциональные характеристики даны в рекомендации Х.24, где процедуры даны в виде диаграмм состояний. Принято, что цепи C и I могут находиться в состоянии “Включено” или  “Выключено”. ООД или АКД указывают на состояние, в котором они находятся, посылкой сигналов “0”  или “1” по цепи  T или R  одновременно с соответствующим сигналом в цепи С или I.  Эти состояния указывают, к примеру, “ООД готов” при сигналах Т=1,  “С – выключено” либо “АКД готов” при R=1, “I – выключено”. Аналогично формируются сигналы “Запрос вызова”, “Передача данных”, “Готов”, “Разъединение”.

   4.2 Канальный уровень

 

Протокол канального уровня (HDLC) организует службу доставки пакетов сообщений от одной рабочей станции до другой. Здесь реализуются  функции, обеспечивающие кадровую синхронизацию, выявляются  ошибки в передаваемых данных, обеспечивается контроль подключения приемопередатчиков к физическому каналу. В качестве единицы данных используется так называемый кадр. Структура  кадра, используемая протоколом HDLC, установлена стандартом МОС 3309 и представлена на рис. 16.

 

1                 8 1            16(24)                                      1                16   1               8

 

   флаг

 Управление

   На уровне

      канала

 

        Данные

Контрольная

   сумма

     флаг

                                                                 Рис. 16



Кадр рассматривается как последовательность байтов, начало и конец которой обеспечиваются флагами – двоичными кодами 01111110. Кадр несет в себе управляющую информацию, данные и контрольную сумму. Контрольная сумма  используется для контроля передаваемой информации. При передаче данных формируется контрольная сумма, которая включается в кадр. При приеме кадра вновь вычисляется контрольная сумма. Она сравнивается со значением контрольной суммы кадра и, если они равнозначны, принятый кадр считается корректным. В противном случае фиксируется искажение принятого кадра. Область управления содержит идентификатор типа кадра, код команды или ответа, посылаемого в кадре, номер N(S) передаваемого и номер N(R) запрашиваемого или подтверждаемого (подтверждаемых) кадра. Основной формат области управления показан на рис. 17.

Протоколом HDLC  определены три типа кадров: информационный 

I- кадр, служебный контролирующий (супервизорный) S – кадр и  служебный (ненумерованный) управляющий U – кадр.

Информационный кадр содержит информационную область для передачи данных пользователя источника. Длина информационной области в соответствии с документами МОС может быть любой, однако сверху она ограничена предельной длиной используемого помехоустойчивого  (n, k) кода. В байте управления информационного кадра указываются номера

N(S) = 0, 1, …, 7 и N(R)  = 0, 1, …, 7 передаваемого и принимаемого кадров. Бит 5 поля управления называется битом запроса в командах и битом окончания в ответах. Когда станция получает команду с битом запроса P =1, она обязана сформировать ответ с битом окончания F = 1. Супервизорный кадр используется для выполнения функций, связанных с упорядоченной, надежной передачей информации пользователя от одной станции к другой в режиме информационного обмена. N(R ) – номер принимаемого кадра, значение s – биты, используемые для кодирования контрольных функций.

 

Тип кадра

  Порядок передачи битов области

        управления в канал

 8

 7

 6

 5

 4

 3

 2

 1

 

I - кадр

   

N(R)

P/R

N(S)

0

 

S – кадр

N(R)

P/R

s

s

0

1

 

 U - кадр

u

u

u

P/R

u

u

1

1

<


Рис. 17

Служебный (ненумерованный) управляющий кадр предназначен для установления соединений и разъединения, завершения соответствующих режимов передачи кадров информации и для передачи информации о результате выполнения этих действий. Значения u – биты, используемые для кодирования управляющих функций.

Для каждой структуры кадра протоколом HDLC определены два формата: основной и расширенный. Эти два формата различаются лишь размерами и структурой области управления. Основной – с нумерацией кадров по модулю 8, а расширенный  - с нумерацией по модулю 128. В первом формате номера кадров принимают значения 0, 1, …,7 и представляются в полях N(S) и N(R)  байта управления. Во втором – поле управления кадра состоит из двух байт и номера  кадров могут принимать значения от 0 до 127. Расширенный формат применяется в протяженных каналах связи, в которых может находиться большое число передаваемых кадров.  

Как уже упоминалось, на канальном уровне используются команды и ответы для управления установлением связи между абонентами, переключением режимов работы приема/передачи, а также для контроля за прохождением процесса передачи информации между абонентами. Для выполнения этих функций  используются 22 типа команд (К) и ответов (О), которые представлены в табл. 3.

Передача данных организуется следующим образом. Первичная станция устанавливает режим работы канала посылкой команды “Установить режим …”  кадра типа 6 –11, содержащего адрес вторичной станции.

                                                                                                                    Таблица 3

N п/п

Наименование

 

Функция

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

Информационный

Супервизорные

Готовность к приему

Неготовность к приему

Отказ

Селективный отказ

Ненумерованные

Установить режим нормальных ответов

Установить расширенный режим ответов

Установить режим асинхронных ответов

Установить режим расширенных асинхронных ответов

Установить сбалансированный асинхронный режим

Установить сбалансированный асинхронный расширенный режим

Разъединить

Установить режим инициализации

Запрос режима инициализации

Запрос передачи

Сброс

Информационный

Обмен идентификаторами

Подтверждение

Режим без разъединения

Запрос разъединения

Отказ от кадра

К/О

К/О

К/О

К/О

К/О

К

К

К

К

К

К

К

К

О

К

К

К/О

К/О

О

О

О

К/О

<


После посылки кадра станция запускает тайм – аут, по истечении которого команда будет повторена, если не поступит ответ от вторичной станции. Вторичная станция при неготовности к работе отвечает кадром «Режим разъединения» либо посылает ответ по готовности «Подтверждение». При установке режима номера передаваемого и принимаемого кадров N(S) и N(R)  обеих станций полагаются равными нулю. Прием кадра «Подтверждение» завершает процедуру установки режима и инициализации канала.

Первичная станция передает данные в виде информационных кадров. Передаваемые кадры снабжаются порядковыми номерами N(S), последовательно увеличиваемыми на единицу. Копии кадров сохраняются в первичной станции до получения подтверждения в приеме кадров. При основном режиме нумерации без подтверждений могут быть переданы не более 7 кадров. Вторичная станция проверяет корректность принятых кадров по значению контрольной суммы и сравнивает номер принятого кадра N(S) с ожидаемым. Если кадр не искажен и последовательность кадров не нарушена, он поступает на следующий уровень обработки, номер ожидаемого кадра увеличивается на единицу и выдается команда «Готовность к приему», содержащая номер N(R) следующего ожидаемого кадра. Эта команда воспринимается первичной станцией как подтверждение о приеме информационных кадров с номерами до N(R). Поток кадров может быть приостановлен вторичной станцией путем передачи кадра «Неготовность к приему». Передача может быть продолжена посылкой команды кадра «Готовность к приему».

Протокол HDLC обеспечивает четыре способа восстановления информационных кадров. Основной способ – использование тайм-аута. Когда супервизорные подтверждают прием информационных кадров, таймер перезапускается на величину тайм-аута.  Номер N(R), полученный вторичной станцией, подтверждает прием всех кадров с номерами , меньшими N(R). Если тайм-аут закончился, то первичная станция начинает повторную передачу кадров, прием которых подтвержден. Для повышения эффективности использования канала предусмотрена посылка отрицательных квитанций – супервизорных кадров «Отказ» и «Селективный отказ». Если принятый кадр искажен из-за ошибки, обнаруженной с помощью контрольной суммы, вторичная станция , не дожидаясь окончания тайм-аута, посылает отрицательную квитанцию «Отказ», содержащую номер ожидаемого кадра N(R), и ждет поступления информационного кадра с этим   номером.


При этом все поступающие кадры с большими номерами игнорируются принимающей станцией. Эффективность использования канала еще более повышается за счет повышения селективной браковки. В этом случае станция, ожидавшая кадр N(R)  и получившая кадр N(R) +1, принимает его и последующие кадры, извещая передающую станцию супервизорным кадром «Селективный отказ» с потерей кадра N(R). В ответ на команду «Селективный отказ» передающая станция повторно передает потерянный кадр. Отрицательные квитанции «Отказ» и «Селективный отказ» не исключают необходимость в тайм-ауте, поскольку квитанции  могут быть потеряны в канале. Четвертый способ восстановления кадров, основанный на использовании бита запроса – окончания  P/F,  здесь не рассматривается.

 Для  разъединения связи между  станциями используется команда «Разъединить», подтверждаемая ответом  «Подтверждение».

Кроме описанных кадров, протокол HDLC использует следующие ненумерованные кадры. Кадр «Ненумерованный информационный» используется для передачи данных, защищаемых только контрольной суммой и не восстанавливаемых при потере кадра. Кадры этого типа применяются, например, при передаче изображений, когда потеря кадра, несущего в себе строку изображения, не оказывает существенного влияния на конечный результат. Кадр «Установить режим инициализации» обеспечивает повторную инициализацию канала, произведенную раннее командой «Установить режим….».  В отличие от последней кадр «Установить режим инициализации» запускает специальные процедуры, реализованные в конкретных  вариантах  станций. Кадр «Запрос режима инициализации» посылается вторичной станцией для запроса от первичной станции команды «Установить режим инициализации». Команда и ответ «Обмен идентификаторами» используются между станциями информацией о реализованных в них технических возможностях. Команда «Сброс» используется для повторной инициализации передачи потока данных. Вторичная  станция запрашивает разрешение на разъединение с помощью кадра «Запрос разъединения».  Реагируя на этот кадр, первичная станция ликвидирует соединение в установленном порядке.


Станция, находящаяся в режиме разъединения, не может устанавливать соединение, передавать и принимать информацию и отвечает на поступающие команды кадром «Режим разъединения».

В сетях передачи данных могут использоваться иные протоколы информационного канала, отличающиеся структурой кадра и составом процедур управления взаимодействием станций и передачей данных. Для разделения данных на кадры используются различные схемы.  В протоколе HDLC  выделяется флагами 01111110, отличающими начало и конец кадра. Эта схема предполагает использование бит-стаффинга для обеспечения прозрачности канала. Дело в том, что байт типа 01111110 может встречаться в данных после флага и если не принимать специальных мер, то данная последовательность битов может быть воспринята аппаратурой как флаг, сигнализирующий об окончании кадра, что приведет к ошибкам при передаче кадров. Процедура бит-стаффинг состоит в следующем. После передачи заголовка 01111110 все данные, поступающие за заголовком, проверяются  на наличие в них шести подряд следующих единиц. Если в данных встречается такая последовательность, то после пятой единицы в данные вставляется 0. При приеме данных выполняется обратная процедура: в комбинациях 1111101 удаляются 0, в результате чего данные принимают прежний вид.

Другая схема построения кадра – указание в заголовке кадра длины поля данных. В этом случае приемник воспринимает n байтов, следующих за заголовком, как данные, вложенные в кадр. В протоколе двоичной синхронной связи BSC кадр формируется парами специальных знаков начала и окончания кадра. При передаче данных станция анализирует последовательность символов и, если встречается пара символов, тождественных окончанию кара, разделяет эти символы, вставляя между ними первый из них.  При приеме кадра выполняется обратное преобразование данных.

4.2.1 Управление доступом к каналам связи

Управление передачей кадров реализуется следующим образом см. рис.18.

Из ЭВМ в блок сопряжения с интерфейсом перед началом передачи кадра заносится адрес начала области оперативной памяти (в которой хранится пакет), а также длина пакета а битах.


Блок сопряжения считывает из оперативной памяти первое слово пакета, которое передается в буфер вывода и затем в преобразователь параллельного кода в последовательный, содержащий регистр для хранения одного слова. После освобождения буфера вывода в него передается следующее слово. Передача кадра начинается с посылки в передатчик последовательности начала кадра (01111110), формируемой специальным генератором. Вслед за ней через схему бит-стаффинга, обеспечивающую прозрачность физического канала, выводится последовательность битов, составляющих пакет. При этом преобразователь параллельного кода в последовательный по окончании передачи хранимого в нем слова загружается очередным словом из буфера вывода, а в последний вводится новое слово пакета, считываемое из оперативной памяти. Процесс продолжается до тех пор, пока не будет передано заданное число битов, что отмечается сигналом Х4, формируемым счетчиком длины. При передаче данных определяется контрольная сумма, которая передается вслед за данными, после чего на передатчик выводится последовательность конца кадра (01111110), формируемая передатчиком ПКК.

Готовность адаптера к приему кадра обеспечивается передачей адреса оперативной памяти, выделенной для размещения принимаемого пакета из блока сопряжения в ЭВМ. Сигналы с приемника обрабатываются блоком управления следующим образом. Распознаватель последовательности начала кадра формирует сигнал Х1, отмечающий начало пакета, передаваемого в кадре. Последующие биты, поступающие из приемника, обрабатываются схемой удаления бит-стаффинга и поступают на распознаватель адреса, сравнивающий адрес получателя с собственным адресом адаптера. Совпадение адресов отмечается сигналом Х3, определяющим принадлежность передаваемого кадра данному адаптеру. Принимаемые биты поступают на преобразователь последовательного кода в параллельный.

Сформированное преобразователем слово передается в буфер ввода, из которого оно записывается в соответствующую ячейку оперативной памяти. Биты, составляющие пакет, формируются на счетчике длины и обрабатываются генератором контрольной суммы.


Счетчик фиксирует длину принятого пакета и формирует сигнал Х4, если длина пакета превосходит предельно допустимую. При обнаружении ошибки в пакете генератор контрольной суммы вырабатывает сигнал Х5. Прием  кадра и передача содержащегося в нем пакета в оперативную память заканчивается при поступлении последовательности конца кадра, что отмечается сигналом Х2.

Блок сопряжения с интерфейсом ЭВМ по окончании передачи и приема кадра передает в ЭВМ слово состояния адаптера, содержащее необходимую информацию о ходе передачи и приема кадра.

 

Рис. 18

 

4.3 Сетевой уровень

Сетевой уровень предоставляет транспортному уровню набор услуг, главными из которых являются сквозная передача данных между пользователями (все функции маршрутизации и ретрансляции выполняются на сетевом уровне) и глобальное адресование пользователей. Разнообразие услуг, используемых сетевым уровнем, а именно технических и программных средств, протокольных и алгоритмических решений, определяет сетевую службу.

Сетевая служба выполняет следующие функции для пользователя:

а) установление сетевого соединения с другим пользователем для передачи данных;

б) принятие соглашения между пользователями сетевой службы относительно качества обслуживания для каждого сетевого соединения;

в) прозрачная передача данных при сетевом соединении;

д) средство, с помощью которого сетевое соединение может быть возвращено в определенное состояние, и взаимодействие двух пользователей службы синхронизовано с использованием службы повторной установки;

е) в некоторых случаях – средство подтверждения приема данных;

ж) безусловное разъединение сетевого соединения либо пользователями, либо поставщиками сетевой службы;

з) предварительное согласование параметров качества обслуживания пользователем – передатчиком и поставщиком сетевой службы.

Качество обслуживания описывается его параметрами. Информация о параметрах качества обслуживания, задаваемых пользователями сетевой службы, используется поставщиком службы для выбора протокола, определения маршрута, распределения ресурсов.



Параметры качества отражены рабочими характеристиками сетевой службы, которые представлены в табл. 4.

Для установления сетевого соединения между абонентами необходима общесетевая система адресации, которая устанавливает порядок соединений в сети через базовую СПД см. рис.2. Организуя связь между абонентами, СПД (сеть передачи данных) должна по адресу получателя, указанному в заголовке пакета, определить путь передачи пакета – маршрут. Эта функция реализуется алгоритмами маршрутизации, под управлением которых работают узлы связи СПД. Система адресации, алгоритмы маршрутизации в целом определяют организацию процессов передачи данных и являются частью протоколов канального, сетевого и транспортного уровней.

 

4.3.1 Адресация и маршрутизация пакетов

 

Для организации связи между процессами приема/передачи информации необходима общесетевая система адресации, устанавливающая порядок именования отправителей и получателей данных - абонентов базовой СПД (сети передачи данных), а также соединений в вычислительной сети. Организуя связь между абонентами, СПД должна по адресу получателя, указанному в заголовке пакета, определить путь передачи пакета – маршрут.

Эта функция реализуется алгоритмами маршрутизации, под управлением которых работают узлы связи СПД. Кроме того, в СПД должен использоваться механизм управления сетью, обеспечивающий на низших уровнях согласование скорости передачи пакетов с пропускной способностью каналов связи и скоростью приема абонента, а на высшем уровне - согласование нагрузки с пропускной способностью СПД. Система адресации, алгоритм маршрутизации и управления СПД и вычислительной сетью в целом определяют организацию процессов передачи данных и являются частью протоколов информационного канала, сетевого и транспортного уровней.

                                                                                                                    Таблицa 4

 

Фаза

Рабочая характеристика

Скорость

Достоверность/надежность

Установление сетевого соединения.

Передача данных.

Разъединение сетевого соединения

Задержка установления сетевого соединения.

Пропускная способность; транзитная задержка.

Задержка разъединения сетевого соединения

Вероятность отказа при установлении сетевого соединения (неправильное соединение/отказ).

Коэффициент необнаруженных ошибок (искажение, дублирование/потеря).

Вероятность отказа при передаче.

Вероятность отказа при

 разъединении сетевого соединения

<


 

4.3.2 Способы адресации

 Передача данных в вычислительных сетях обеспечивается соответствующими процедурами, основные параметры которых - имена объектов, между которыми производится обмен данными (программы, пользователи, наборы данных, терминалы и др.). Такими объектами в первую очередь являются процессы - прикладные и системные. В каждой из систем может быть использован собственный способ именования объектов. Действительно, для специализированной сети по управлению автоматизированными станками требуется более упрощенная система адресации по сравнению с адресацией в глобальной (IP) сети. Однако для любой вычислительной сети (локальной, корпоративной или глобальной) необходима единая схема присвоения имен  объектам. Эти схемы базируются на следующих способах адресации: иерархическом кодировании, распределении адресов и отображении адресов.

Иерархическое кодирование - способ построения имен (адресов) объектам путем присоединения к локальным именам имен систем, которым принадлежит объект. Имя, порождаемое путем иерархического кодирования, имеет следующий вид: A.B…Q.R, где A - имя системы, B - имя подсистемы в системе A и R - имя объекта в подсистеме Q, входящей в ранее указанную подсистему. По такому способу строятся почтовые адреса, состоящие из названия страны, города, почтового отделения, улицы, дома и т.д., междугородние телефонные номера, в которых к номеру абонента местной телефонной сети добавляется телефонный номер города.

Распределение адресов состоит в присвоении постоянных адресов лишь отдельным процессам, которые выдают разрешение на доступ к системе, выделяя для доступа временные адреса. Например, в сети может использоваться четырехзначная  адресация  с помощью номеров от 0001 до 9999 включительно. Каждой системе выделяется необходимое подмножество адресов: системе А – адреса от 0001 до 0999, системе B – от 1000 до 1099, системе C – от 1100 до 1299 и т. д. Для доступа к этим системам выделяются  постоянные адреса, например 0001 для системы А, 1000 для системы B, 1100 для системы C и т. д. Когда в системе А инициируется процесс X, ему присваивается общесетевой адрес, например 0750. Процесс из системы А

обращается к процессу с локальным именем Y, реализуемому системой В, по адресу 1000.


Система В с помощью процесса 1000 выделяет процессу Y неиспользуемый адрес, например 1021, и в дальнейшем взаимодействие процессов с локальными адресами X и Y протекает на основе общесетевых адресов 0750 и 1021 соответственно, с которыми оперирует базовая СПД. По окончании взаимодействия эти адреса становятся свободными и в дальнейшем присваиваются другим активным процессам.

Отображение адресов – присвоение каждому абоненту общесетевого адреса.  Адреса преобразуются (отображаются) каждой системой в локальные имена.  Например, если производится обращение по адресу 256207, то сеть соответствующей процедурой направляет обращение в соответствующую систему, а последняя преобразует адрес 256207 в локальное имя Y адресуемого абонента.

В настоящее время приняты подробные стандарты на способы адресации абонентов СПД. Имеющиеся протоколы, разработанные различными организациями, устанавливают, как правило, только длину полей пакета, в пределах которого размещаются адреса. Международным консультативным комитетом по телеграфии и телефонии разработана рекомендация X.121 по международной системе адресации для сетей общего пользования, форматы которых приведены на рис. 19.

Международный префикс

Код идентификации сети данных

Национальный

Терминальный номер

Международный префикс

Цифровой код страны

Национальный

Номер

Рис. 19

В СПД с коммутацией пакетов абоненты обозначаются полным международным номером, национальным номером или номером в сети.



К примеру, адрес сети E - mail  имеет вид (рис.20)

               iwanow  @ cctpu.    Edu.    Ru

 

                                                               код страны  

                                                     тип сети  

                                      код сети

                      номер объекта

Рис. 20

.

  Адрес межсетевого протокола (адрес  IP)  для  узла является  логическим  адресом  -  он  не   зависит   от аппаратуры или конфигурации сети и имеет  одну  и  ту же форму независимо от типа сети. Это четырехбайтное  (32 бита) числовое значение,  которое  идентифицирует  как  сеть, так и локальный узел (компьютер или другое  устройство) в   данной   сети.   Четырехбайтовый   адрес   IP     обычно представляется  десятичными  числами   (каждый   байт), разделяемыми  точками,  например,  129.47.6.17.  Иногда адреса представляются шестнадцатеричными цифрами.

Адрес  IP  отображается  в  физический   адрес   с использованием протокола разрешения  адресов  (ARP)  на широковещательных  сетях,  таких,  как  Ethernet,  Token Ring, ARCnet. Когда узел должен  послать  пакет  IP,  он должен  определить,  какой  физический  адрес   в   сети соответствует адресу получателя IP, заданному в  пакете IP. Для нахождения  физического  адреса  узел  посылает широковещательный  пакет  ARP,  содержащий   адрес   IP получателя. После этого  ожидается ответ от  узла с данным адресом

IP- получателя.  Узел  с  этим  адресом посылает свой  физический  адрес  назад  запрашивающему узлу.

4.3.3  Маршрутизация пакетов

 

 Пакеты данных поступают в сеть передачи данных (СПД), имея в своем заголовке адрес порта назначения. Узел связи СПД, в который поступил пакет, должен по адресу порта назначения определить маршрут передачи пакета - выходную линию связи, в которую нужно передать пакет. При передаче данных по виртуальному каналу маршрутизация выполняется единственный раз, когда устанавливается виртуальное соединение. При передаче данных в форме дейтаграмм маршрутизация выполняется для каждого отдельного пакета.

Выбор маршрутов в узлах связи СПД производится по алгоритму маршрутизации - правилу назначения выходной линии связи на основе данных, содержащихся в заголовке пакета, и данных, представляющих состояние узла связи и, возможно, СПД в целом. Эффективность алгоритма маршрутизации характеризуется следующими показателями: 1) временем доставки пакетов; 2) нагрузкой, создаваемой на сеть потоками пакетов, поступающих в сеть и распределяемых по линиям и узлам связи;



3) затратами ресурсов в узлах связи, в первую очередь - затратами памяти и времени процессора коммутационной ЭВМ. Основной целью алгоритма маршрутизации является непрерывное продвижение пакетов от источников к адресатам. При этом алгоритм стремится выбрать наиболее подходящее направление передачи пакета - с минимальным временем доставки или наиболее полным использованием пропускной способности СПД.

Классификация алгоритмов маршрутизации производится в зависимости от направленности передачи пакетов и способов представления данных о топологии и нагрузке сети и представлена на рис. 20.

Простая маршрутизация - способ маршрутизации, не изменяющийся при изменении топологии и состояния СПД. Простая маршрутизация обеспечивается разными алгоритмами, типичными из которых являются алгоритмы случайной и лавинной маршрутизации.

Случайная маршрутизация - передача пакета из узла в любом, случайным образом выбранном направлении, кроме направления, по которому пакет поступил в узел. Пакет, совершая "блуждания" по сети, с конечной вероятностью когда-либо достигает адресата. Очевидно, что случайная маршрутизация неэффективна ни по времени доставки пакетов, ни по использованию пропускной способности сети.

Лавинная маршрутизация - передача пакета из узла во всех направлениях, кроме того, по которому поступил пакет. При этом, если узел связан с n другими узлами СПД, пакет передается в n-1 направлениях, т.е. размножается. Очевидно, что хотя бы одно направление обеспечит доставку пакета за минимальное время, т.е. лавинная маршрутизация гарантирует малое время доставки, однако это достигается за счет резкого ухудшения использования пропускной способности сети из-за загрузки ее большим числом пакетов.

Маршрутизация по предыдущему опыту - передача пакета в направлении, выбираемом на основе анализа потока, проходящего через узел. При этом пакеты, поступая в сеть, снабжаются адресами получателя и источника и счетчиком числа пройденных узлов.

МАРШРУТИЗАЦИЯ

<


ПРОСТАЯ

ФИКСИРОВАННАЯ

АДАПТИВНАЯ

 СЛУЧАЙНАЯ

   ЛАВИННАЯ

ПО ПРЕДЫДУЩЕМУ      ОПЫТУ

ОДНОПУТЕВАЯ

МНОГОПУТЕВАЯ

   ЛОКАЛЬНАЯ

РАСПРЕДЕЛЕН

НАЯ

ЦЕНТРОЛИЗОВАННАЯ

        ГИБРИДНАЯ

                                          Рис. 20

Пакет, который пришел в узел со значением счетчика 1, определяет соседний узел; пакет со значением счетчика 2 определяет узел, находящийся на расстоянии двух шагов, и т.д. Эти данные позволяют установить топологию сети и на ее основе построить таблицу для выбора маршрута. Этот способ маршрутизации позволяет узлам приспосабливаться к изменению топологии сети, однако процесс адаптации протекает медленно и неэффективно.

Фиксированная маршрутизация - способ выбора направления передачи по таблице маршрутизации, устанавливающей направление передачи для каждого узла назначения. Таблицы маршрутизации определяют кратчайшие пути от узлов к адресатам и вводятся в узлы связи, например, от управляющего центра сети. Для слабо загруженных сетей этот способ маршрутизации дает хорошие результаты, но его эффективность падает по мере увеличения нагрузки на сеть. При отказе линий связи необходимо менять таблицу маршрутизации. Для этого можно, например, размещать в каждом узле связи набор таблиц маршрутизации, подготовленный на случай отказа одной из линий связи. При возникновении отказа по узлам сети рассылается управляющий пакет, содержащий сведения об отказе, реагируя на который, узлы меняют таблицы маршрутизации путем выбора соответствующих таблиц из хранимого набора. Очевидно, что разработать способ фиксированной маршрутизации, обеспечивающий работоспособность сети при отказе многих линий, является чрезвычайно трудной задачей. К тому же фиксированная маршрутизация не позволяет адаптироваться к изменениям нагрузки, что, в общем, приводит к значительным задержкам пакетов в СПД. Фиксированная маршрутизация может строиться на основе единственного пути передачи пакетов между двумя абонентами. Такой способ называется однопутевой маршрутизацией. Его недостаток - неустойчивость к отказам и перегрузкам. Для повышения устойчивости в таблицах указывается несколько возможных путей передачи пакета и вводится правило выбора целесообразного пути.


Такой способ называется многопутевой маршрутизацией.

Адаптивная маршрутизация - способ выбора направления передачи, указывающий изменение состояниЯ СПД. При адаптивной маршрутизации узлы СПД принимают решение о выборе маршрутов, реагируя на разного рода данные об изменении топологии и нагрузки. В идеальном случае каждый узел сети для принятия решения должен располагать полной информацией о текущем состоянии всех остальных узлов, о топологии сети и длине очередей к каждому направлению в каждом узле. Однако, как показали исследования, даже  в этом идеальном случае задержки в СПД лишь немногим меньше, чем при фиксированной маршрутизации, таблица которой определяет кратчайшие пути в сети и не изменяется при колебаниях нагрузки. Дело в том, что оптимальные маршруты, формируемые на основе самой свежей информации о распределении  нагрузки, становятся неоптимальными в последующие моменты времени, когда пакеты еще не достигли адресатов. Когда, например, сильно загруженные узлы получают информацию о том, что некоторая часть сети загружена слабо, они одновременно направляют пакеты в эту часть сети, создавая в сети, может быть, худшую ситуацию, чем предшествующая. Таким образом, алгоритмы адаптивной маршрутизации не обеспечивают оптимальности маршрутов. Однако выбор даже не оптимального, а близкого к нему маршрута приводит к значительному уменьшению времени доставки, особенно при пиковых нагрузках, а также к некоторому увеличению пропускной способности сети. Поэтому адаптивная маршрутизация получила широкое применение в вычислительных сетях и в первую очередь - в сетях с большим числом узлов связи (10 и более).

Локальная адаптивная маршрутизация основана на использовании информации, имеющейся в отдельном узле СПД. Эта информация включает в себя: 1) таблицу маршрутизации, определяющую все направления передачи пакетов; 2) данные о текущем состоянии выходных каналов (работают или не работают); 3) длину очередей пакетов, ожидающих по выходным каналам. Информация о состояниях других узлов сети не используется.


Таблицы маршрутизации указывают кратчайшие маршруты, проходящие через минимальное число узлов и обеспечивающие передачу пакета в узел назначения за минимальное время.

Распределенная адаптивная маршрутизация основана на использовании информации, получаемой от соседних узлов сети, может быть реализована следующим образом. Каждый узел сети формирует таблицы маршрутов ко всем узлам назначения, минимизирующие задержки в сети, причем для каждого маршрута указывается фактическое время передачи пакета в узел назначения. До начала работы сети это время оценивается исходя из топологии сети. В процессе работы сети узлы регулярно обмениваются с соседними узлами таблицами задержки. После обмена каждый узел пересчитывает задержки с учетом поступивших данных и длины очередей в самом узле. Полученные значения используются для выбора маршрутов: пакет ставится в очередь к маршруту, который характеризуется минимальным временем доставки. Обмен таблицами задержки производится периодически или когда обнаруживаются существенные изменения задержки из-за изменения очередей на передачу или состояния линий связи в результате отказа. Естественно, что периодический обмен таблицами задержки значительно увеличивает загрузку сети, а асинхронный - снижает. Однако в каждом случае загрузка остается весьма существенной и к тому же сведения об изменении состояния узлов медленно распространяются по сети. Так, при обмене с интервалом

 2/3 секунды время передачи данных составляет несколько секунд, и в этот период узлы направляют пакеты по старым путям, что может создать перегрузку в районе вышедших из строя компонентов сети.

Централизованная адаптивная маршрутизация основана на использовании информации, получаемой от центра маршрутизации. При этом каждый узел сети формирует сообщения о своем состоянии - длине очередей, работоспособности линий связи, и эти сообщения передаются в центр маршрутизации. Последний на основе полученных данных формирует таблицы маршрутизации, рассылаемые всем узлам сети.


Неизбежные временные задержки при передаче данных в центр маршрутизации, формировании и рассылке таблиц приводят к потере эффективности централизованной маршрутизации, особенно в ситуациях, когда нагрузка сильно пульсирует. Поэтому централизованная маршрутизация по эффективности не превосходит локальную адаптивную, а, кроме того, отличается специфичным недостатком - потерей управления сетью при отказе центра маршрутизации.

Гибридная адаптивная маршрутизация основана на использовании таблиц, периодически рассылаемых центром маршрутизации, в сочетании с анализом длины очередей в узлах. Если таблица маршрутизации, сформированная для узла связи центром, определяет единственное направление передачи пакета, то пакет передается именно в этом направлении. Если же таблица определяет направленя, то узел выбирает направление в зависимости от текущих значений длины очередей - по алгоритму локальной адаптивной маршрутизации. Гибридная маршрутизация компенсирует недостатки централизованной и локальной: маршруты, формируемые центром, являются устаревшими, но соответствуют глобальному состоянию сети; локальные алгоритмы являются "близорукими", но обеспечивают своевременность решений.

 

 

 

4.3.4 Протокол Х.25 

 Рекомендация МККТТ Х.25 определяет связь между оконечным оборудованием данных (ООД) и аппаратурой канала данных (АКД) для оконечных устройств, работающих в пакетном режиме и подсоединенным к сетям передачи данных общего пользования посредством выделенных каналов.

Рекомендация Х.25 определяет два основных вида обслуживания коммутации пакетов, а именно постоянные виртуальные каналы и коммутируемые виртуальные соединения. Для обеспечения одновременной работы постоянных виртуальных каналов и виртуальных соединений используются логические каналы. Каждому виртуальному соединению присваивается групповой номер логического канала и номер логического канала. Максимальное допустимое число каналов определяется длиной номера канала и составляет 15 групп по 255 каналов в каждом.



Каждый пакет Х. 25 состоит по меньшей мере из трех байтов. Общий формат пакета приведен на рис. 21.

Идентификатор общего формата

Групповой номер логического канала

Номер логического канала

Тип пакета

Дополнительная управляющая информация или данные

Байт 1


Байт 2

Байт 3

   

Рис. 21

 В табл. 5 приведен перечень идентификаторов общего формата.

Бит 8 идентификатора общего формата используется в пакетах данных как бит идентификатор, задающий два различных уровня передаваемых данных, которые в рекомендациях  Х.25 не регламентируются.

Групповой номер логического канала (биты 4…1 в первом байте и номер логического канала - второй байт) содержится в каждом пакете, кроме пакетов повторного пуска, диагностики и регистрации,  которые имеют нулевое значение.

В третьем байте каждого пакета содержится идентификатор типа пакета, кодирование которого производится  в соответствии с табл.5. 

Таблица 5    

Тип пакета

Модуль последовательной нумерации

Байт 1

Биты

 8       7     6      5

Установление соединения

8

128

0

0

X

Х  

 0

 1

 1

  0

Завершение соединения, управление потоком, повторная установка, повторный пуск, диагностика, регистрация

8

128

0

0

  0

0

0

1

  1

0

Данные

8

128

х

х

х

х

0

1

1

0

Идентификатор общего формата при расширении

0

0

1

1

Зарезервирован для других применений

*

 *

0

 0

<


Протокол Х. 25 позволяет организовать взаимодействие между службами сети через совокупность виртуальных каналов, которые создаются  в соответствии с процедурами, определенными протоколом Х.25. Эти процедуры реализуются с использованием пакетов, перечисленных в табл. 6.

Виртуальное соединение между абонентами сети организуется следующим образом см. рис. 22. Вызывающий абонент передает в сеть по свободному логическому каналу пакет «Запрос соединения», содержащий адрес вызываемого абонента. Вызываемый абонент может не принять запрос на соединение. В этом случае он передает пакет «Запрос разъединения», в котором в качестве причины разъединения может быть указано «Номер занят». После этого вызываемый абонент не может использовать логический для получения пакета «Подтверждение разъединения». Если сеть не может установить соединение с вызываемым абонентом, вызывающему абоненту посылается пакет «Указание разъединения», содержащий причину разъединения: нереализуемый вызов, номер занят, неразрешенный вызов, перегрузка сети и т.д. Если вызываемый абонент принимает запрос на соединение, он передает пакет «Согласие на соединение», после чего сеть посылает вызывающему абоненту пакет «Подтверждение на соединение». Этим оканчивается фаза установления соединения между абонентами. Начиная устанавливать соединение, вызывающий абонент запускает таймер. Если в течение тайм-аута не поступил пакет «Подтверждение соединения», абонент передает пакет «Запрос разъединения», после чего процедура установления соединения может повториться.



Рис. 22

После установления соединения начинается фаза передачи пакетов данных. Протокол Х.25 допускает использование значений длины поля данных: 16, 32, 64, 128, 256, 512 и 1024 байт.

Для ликвидации и сброса всех постоянных и временных виртуальных соединений, установленных с абонентом, используется процедура рестарта, инициируемая абонентом с помощью пакета «Запрос рестарта» и сетью с помощью пакета «Указание рестарта».

При этом  ликвидируются соединения, относящиеся ко всем логическим каналам абонента, и стираются все пакеты, передаваемые через эти соединения. Для восстановления потерянных пакетов используются средства более высокого уровня иерархии.

Для передачи срочных данных используются ненумеруемые пакеты «Прерывание от сети» и «Прерывание от абонента», несущие в себе один байт данных о причине прерывания. Эти пакеты доставляются получателю независимо от состояния передачи нумерованных пакетов – даже тогда, когда пакеты данных не принимаются.

Получение этих пакетов подтверждается соответствующими пакетами-квитанциями.


При использовании однонаправленных  логических каналов абонент может запросить повторную передачу пакета с помощью пакета «Отказ», несущего в себе номер пакета N(R), начиная с которого нужно провести повторную передачу. По окончании передачи постоянные виртуальные каналы закрываются и происходит разъединение в порядке, определенном на рис. 22. 

4.3.5 Принципы межсетевого взаимодействия

Межсетевым взаимодействием называется взаимодействие осуществляемыми системами, относящимися к разным сетям передачи данных. Межсетевое взаимодействие осуществляется в интересах взаимного использования вычислительных, информационных и связных ресурсов разных сетей. Для обеспечения межсетевого взаимодействия общего пользования  (сетей Х.25) в соответствии с рекомендациями МККТТ Х.75 используется протокол межсетевого уровня - IP. Основным назначением IP является передача от источников к адресатам блоков данных. Кроме того, модуль IP  выполняет процедуры маршрутизации данных.

В общем виде формат заголовка межсетевого пакета данных может быть представлен на рис. 23.

Поле «Версия» указывает версию межсетевого протокола. Для протокола IP равно 0100.

Поле ДМЗ – длина межсетевого заголовка - указывает длину заголовка в 32-битовых словах. Тем самым одновременно указывается начало данных.

Поле «Вид обслуживания» является средством указания абстрактных параметров требуемого качества обслуживания. Например, некоторые подсети предоставляют услуги по приоритетной обработке. В этом случае высокоприоритетные пакеты обрабатываются как более важные по сравнению с другими пакетами (как правило, в условиях перегрузки в подсеть принимаются пакеты с приоритетом выше некоторого порогового).

Поле «Общая длина» указывает длину пакета в октетах, включая межсетевой заголовок с данными.

Поле «Идентификатор» проставляется отправителем и предназначено для сборки пакетов в сообщения.

Поля «Флаги» и «Смещение фрагмента» обеспечивают коррекцию последовательности сборки пакетов в сообщения.



                                                                                                                   Таблица 6

  Наименование при передаче в направлении

Сеть – абонент  (от АКД к ООД)

Абонент – сеть (от ООД к АКД)

Установление соединения и разъединение

 Входящий запрос соединения                        Запрос соединения

Подтверждение соединения                            Согласие на соединение

Указание разъединения                                   Запрос разъединения

Подтверждение разъединения                        Подтверждение разъединения

от сети                                                                от абонента

Данные и прерывание

Данные от сети                                                  Данные от абонента

Прерывание от сети                                          Прерывание от абонента

Подтверждение прерывания                            Подтверждение прерывания

от  сети                                                               от абонента

Управление потоком и сброс

Готовность сети к приему                                Готовность абонента к приему

Неготовность сети к приему                            Неготовность абонента к приему

-                                                                    Отказ

Указание сброса                                                Запрос сброса

Подтвержденье сброса сетью                         Подтверждение сброса абонентом

Рестарт (повторный пуск)

Указание рестарта                                              Запрос рестарта

Подтверждение рестарта сетью                        Подтверждение рестарта

                                                                              абонентом

Версия

ДМЗ

Вид обслуживания

Общая длина

 

Идентификатор

Флаги

Смещение фрагмента

  

Время жизни

Протокол

Контрольная сумма заголовка

 

Адрес отправителя

Адрес получателя

Дополнительные услуги

 

Заполнитель

<


Рис. 23

Поле « Время жизни» указывает максимальное время, в течение которого пакет сообщения может находиться в сети. Если это поле достигает нулевого значения, пакет должен быть уничтожен.

Поле «Протокол» указывает протокол следующего уровня, используемый при обработке порции данных сообщения.

Поле «Контрольная сумма заголовка» содержит контрольную сумму межсетевого заголовка. Поскольку некоторые поля заголовка изменяются в процессе передачи (например, «Время жизни»), это поле пересчитывается и проверяется в каждой точке обработки межсетевого заголовка.

Поле «Дополнительные услуги» используется, к примеру, для обеспечения процедур безопасности.

 4.4 Транспортный уровень

Протокол транспортного уровня предназначен для сквозной передачи данных через сеть между оконечными пользователями – абонентами сети. Основными функциями транспортного протокола являются разбиение сообщения или фрагментов сообщения  на пакеты, передача пакетов через сеть, сборка пакетов в сообщения. Передача пакетов может осуществляется с повышением достоверности, т. е. каждый пакет закрывается проверочной суммой, если сеть не обеспечивает приемлемый коэффициент ошибок, а также с нумерацией и повторной передачей пакетов, если сетевой уровень не обеспечивает надежную упорядоченную доставку пакетов.

Набор процедур протокола зависит как от требований верхнего уровня к передаче данных, так и от характеристик сетевого уровня. Сетевой уровень может поддерживать службу передачи пакетов, ориентированную на соединение, т. е. с упорядоченной доставкой пакетов, или дейтаграммный режим. Транспортная служба также может быть ориентирована на соединение или нет. Ориентированная на соединение транспортная служба поддерживает между пользователями виртуальный канал. При этом служба обеспечивает установление транспортного соединения между пользователями и согласование качества предоставляемых услуг, передачу блоков данных службы без ограничения их длины и содержимого, управление темпом обмена, передачу срочных данных, разъединения транспортного соединения. Процедуры, реализуемые транспортным протоколом приведены в табл. 7.

Развитие сетей особенно с повышенной степенью надежности передачи данных привело к созданию протокола TCP (Transmission Control Protocol ), который ориентирован совместно с межсетевым протоколом IP (Internetwork Protocol)  на работу через совокупность различных сетей.

Протокол транспортного уровня выполняет управление последовательностью и целостностью передаваемых сообщений, обнаружение ошибок и их восстановление, укрупнение передаваемых сообщений, управление потоками сообщений, предоставление приоритета, разборку сообщений на пакеты и сборку сообщений из пакетов, выдачу подтверждений о принятых сообщениях.



Основным объектом данных, с которым оперирует транспортный уровень, является сообщение. В управляющей части сообщения см. рис.23 указываются номер сообщения, тип сообщения, приоритет, код доступа, адрес назначения,  адрес источника, длина сообщения в байтах, признак глобального процесса. Все сообщения разбиваются на пакеты. Каждый пакет, в свою очередь, также имеет управляющую часть, в которой указывается то же, что и в первых семи полях управляющей части сообщения, и дополнительно номер пакета.

                                                                                                                    Таблица 7

Класс

Наименование

Функция

Установление соединения и разъединение

Ожидание.

Соединение.

Согласие.

Отказ.

Отмена.

Разъединение.

Разрыв.

Подготовка к установле-

нию соединения. Уста-

нвление соединения.

Согласие на установ- ление соединения.

Отказ в установлении соединения.

Отмена ожидания

Разъединение

Неуправляемый разрыв соединения

Передача данных

Передача.

Прием.

Отмена передачи.

Отмена приема.

Выдача сообщения для удаленного процесса.

Готовность к приему сообщения.

Отмена передачи.

Отмена готовности к приему.

Синхронизация

Прерывание.

Прием прерывания.

Рестарт

Передача прерывания.

Готовность к приему прерывания.

Повторный старт

Дейтаграммная служба

Передача дейтаграммы.

Прием дейтаграммы

Передача дейтаграммы.

Готовность к приему дейтаграммы

Переключение

Переключение

Изменение адреса местного процесса

<


. Управляющая часть пакета занимает 23 байта, и обеспечивает возможность передачи пакета одного сообщения по различным маршрутам, и гарантирует защиту от потерь пакета или его вставку в другое сообщение при сборке.

На индекс типа сообщения отводится один байт. Первый бит данного поля определяет признак посылки сообщения: первичная или повторная, а последующие шесть бит определяют тип сообщения. Сообщения делятся на семь типов:

-                 информационное сообщение, имеющее текстовую часть длиной n, где n<256 пакетов;

Номер сообщения

Тип сообщения

Приоритет

Код досту

па

Адрес назначения

Адрес источ

ника

Длина сообщения в пакетах

Длина сообщения в байтах

Признак глобального процесса

Текстовая часть

2

1

0,5+0,5

1

8

8

1

2

0,5

а)

Номер пакета

Номер сообщения

Тип сообщения

Приоритет

Код

доступа

Адрес назначения

Адрес источника

Длина сообщения в пакетах

Текстовая часть

1

2

1

0,5+0,5

1

8

8

1

б)

Рис. 23     Структура заголовков сообщения и пакета:

а – формат сообщения; б – формат пакета

-                 сборочное сообщение, состоящее из двух коротких сообщений, направляемых в один адрес, и не превышающее длины пакета (как правило, одно - служебное и другое - информационное сообщения);

-                 супервизорное сообщение, предназначенное транспортному уровню и определяющее подтверждение получения сообщения или его пакетов адресатам;

-                 циркулярное – сообщение, предназначенное некоторым или всем абонентам, причем его адресацию производят административные процессы центров управления сетью;

-                 управляющее сообщение, предназначенное сетевому уровню, например новая таблица маршрутизации;

-                 управляющее сообщение, предназначенное транспортному уровню со стороны административного процесса;

-         сообщение в режиме «почтовый ящик».

Если сообщение получено типом «почтовый ящик», то каждая машина имеет возможность производить сборку сообщения, адресованного персональному абоненту.


Сообщение посылается конечному адресату по его готовности к работе по запросу.

На индекс приоритета, для которого отводится  0,5 + 0,5 байта отводится четыре типа приоритета:

-         сообщение особой важности и супервизорное сообщение;

-                 короткое сообщение, составленное не более чем из четырех пакетов;

-         ординарное сообщение (больше четырех пакетов);

-         сообщение  типа «факс».

Для контроля возможности входа в сеть соответствующего более высокого уровня иерархии или выхода из сети  ЭВМ (корпоративной), а также для контроля доступных ресурсов абонентов по передаче данных предлагается оснастить каждый пакет и сообщение кодом доступа. Последний представляет собой шифр, генерируемый системой и имеющий смысл почтовой марки. Целесообразно использовать четыре типа кода доступа: A, B, C, D,

 где А – обеспечивает разрешение на передачу пакетов и сообщений между любыми узлами сети;

В – передачу внутри региона (области), включая доступ к базовому центру обработки и коммутации пакетов;

С – внутри крупного объединения, т. е. между абонентами второго, третьего и четвертого уровня иерархии сети;

D – в локальной сети, объединяющей абонентов третьего и четвертого уровней иерархии.

Все четыре кода доступа формируются по указанию администрации сети и рассылаются по абонентам в виде циркулярного сообщения. Код доступа есть системная битовая строка, недоступная пользователям. Так как смена кода доступа в компьютере сети происходит асинхронно, то в целях бесперебойного функционирования задается интервал времени t, в течение которого  в компьютере действуют два (существующий и принимаемый на замену) кода доступа.

Адрес назначения и адрес источника кодируются одним или нескольким байтами (рис.24).



Адрес назначения

Адрес источника

1

L/G

DDDDDDDDD

1

S/R

SSSSSSSSSS

Рис. 24

Первый разряд байта адреса называется битом расширения адреса. Когда его значение равно 1, байт адреса  является последним. Если бит расширения равен 0, адрес продолжается в следующем байте кадра. Например, двухбайтовый адрес назначения имеет следующую структуру:

0  L/G   DDDDDDDDD   1  DDDDDDDDD,

 а двухбайтовый адрес источника –

0       C/R  SSSSSSSSS  1  SSSSSSSSS,

где   D и S – биты адреса.

Второй бит адреса источника  L/G – идентификатор типа адреса; L/G=0 обозначает индивидуальный адрес, а  L/G =1 – групповой адрес. Групповой адрес относится к совокупности систем. Бит C/R  адреса источника используется для обозначения команд и ответов: C/R=0 – команда;  C/R=1 – ответ. Адрес источника может быть только индивидуальным.

Поле длины сообщения в пакетах необходимо для контроля пакетной сборки сообщения на приемном конце. Для контроля передачи и сборки сообщения в заголовке имеется поле, определяющее объем данных (в байтах) в последнем пакете сообщения.

С точки зрения распределенной обработки данных ЭВМ может рассматриваться как иерархическая система, состоящая из некоторого множества процессов. Верхний уровень иерархии составляют глобальные процессы, образованные подсистемами резидентской части операционной системы ЭВМ. К таким процессам относятся мониторы управления заданиями (подсистема запрос/ответ), управление данными, управление диалоговым взаимодействием и административный процесс, реализующий управление и системетрию в ЭВМ и сети ЭВМ. Все глобальные процессы в современной  ЭВМ существуют постоянно, и для обращения к ним достаточно задать с помощью оператора языка управления обработкой информации имя (признак) процесса и набор входных параметров. На входе каждого глобального процесса имеется своя очередь поступивших сообщений. Для того, чтобы транспортному уровню направить сообщение в очередь нужному глобальному процессу, и существует в заголовке сообщения признак глобального процесса.


Имеют место четыре признака: режим запрос/ответ, диалоговый режим, управление данными, административный процесс.

4.5 Протоколы верхних уровней

 

На основе процедур транспортного интерфейса строятся протоколы взаимодействия процессов, позволяющие реализовать такие прикладные функции, как доступ терминалов к процессам, удаленный ввод заданий, передачу файлов, распределенную обработку, электронную почту и др. Эти функции реализуются за счет взаимодействия минимум двух процессов, выполняемых одной или разными ЭВМ вычислительной сети, и соответствующих протоколов: виртуального терминала, удаленного ввода заданий, передачи файлов и др.

Протоколы высокого уровня устанавливают стандартные для вычислительной сети способы (процедуры) выполнения прикладных функций. Необходимость стандартизации способов вызвана неоднородностью вычислительной сети – разнотипностью ЭВМ, операционных систем и терминалов. Реализация соответствующих протоколов в отношении организации и логического подключения портов к процессам возлагается на средства сеансового уровня управления, а в отношении сопряжения разнородных процессов – на средства представительского уровня – службу представления данных. Важнейшая функция представления данных – сделать возможным сопряжение разнотипных терминалов с программами, т.е. порожденными ими процессами.

В качестве терминалов  (источников данных) могут выступать клавиатуры, сканеры, устройства голосового ввода  и пр., а в качестве терминалов  (устройств вывода) графические мониторы, печатающие устройства и пр. При всем многообразии типов ЭВМ, операционных систем и программ должно быть возможнj взаимодействие каждой программы с терминалом любого типа. Аналогичные проблемы возникают при вводе заданий в ЭВМ, оснащенные различными операционными системами, каждая из которых работает со специфичным языком управления заданиями; при перемещении файлов между различными ЭВМ, функционирующими под управлением разных операционных систем; при распределенной обработке данных, выполняемой несколькими программами, находящимися в разных ЭВМ сети.



Сеансовая служба с установлением соединения обеспечивает средства организации и синхронизации обмена данными между пользователями, в частности:

а) средства установления сеансового соединения с другим пользователем, обмена данными по этому соединению и его освобождения;

б) средства согласования правил использования признаков для обмена данными, синхронизации и освобождения соединения, а также организации обмена данными в полудуплексном и дуплексном режимах;

в) средства установления точек синхронизации в диалоге, а в случае ошибок, -  восстановление диалога с согласованной точки синхронизации;

г) средства прерывания диалога и его последующего восстановления с заранее согласованной точки.

Что касается признака сеансового соединения, который динамически назначается в каждый момент времени только одному пользователю сеансовой службы, он принимает четыре типа признака: данных; освобождения; вспомогательной синхронизации и главной синхронизации/деятельности. Признак всегда находится в одном из следующих состояний:

-                 доступности, в котором всегда назначен одному пользователю (что дает ему право использовать соответствующую службу) и не назначен другому пользователю (что не дает ему права пользоваться службой, но он может приобрести это право в дальнейшем);

-                 недоступности ни одному пользователю, причем в этом случае они не имеют права использовать службу.

Для структуризации обмена данными пользователи сеансовой службы могут вводить главные точки синхронизации, которые разбивают процесс обмена данными на единицы диалога. При этом процесс передачи в пределах некоторой единицы диалога не зависит от передач в рамках других единиц диалога, а каждая главная точка синхронизации подтверждается явно.

Для структуризации обмена данными внутри единицы диалога используются вспомогательные точки синхронизации, которые могут подтверждаться, а могут и не подтверждаться.



Логически различные части работы называются периодами деятельности. Каждый такой период состоит из одной или нескольких единиц диалога. В каждый момент времени в рамках одного сеансового соединения допускается использование только одного периода деятельности, но в течение одного сеансового соединения могут существовать несколько последовательных периодов. Кроме того, период деятельности может распространяться на несколько сеансовых соединений, может быть прерван и возобновлен во время того же или следующего сеансового соединения.

Служба уровня представления данных обеспечивает стандартные способы взаимодействия процессов при решении задач в вычислительной сети и образует единый интерфейс для операционных систем и прикладных программ. Эти функции реализуются программными интерпретаторами и трансляторами, которые преобразуют данные и процедуры, соответствующие протоколам взаимодействия процессов, в форму, определяемую спецификой операционных систем и ЭВМ, используемых для организации процессов. Наиболее ярким примером является процесс преобразования графики в цифровой код при передаче данных и преобразовании из цифрового кода графического изображения при приеме данных.

5 СИСТЕМА АДМИНИСТРАТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ

Наиболее важным аспектом надежности работы любой вычислительной сети является система административного управления.

Система административного управления (САУ) вычислительной сетью (ВС) представляет собой взаимосвязанный набор служб ее администрации и программно-аппаратных средств, обеспечивающих персонал ВС информацией о ее работе и возможностью влиять на ее работу.

Основная цель САУ – удовлетворять требования пользователей прикладной области к функционированию ВС при минимальной стоимости ее эксплуатации. Очевидно, что требования к САУ сильно различаются у разных прикладных областей.

Проектирование САУ требует определения:

-         структуры и порядка работы ее служб;

-         источников и потребителей информации о работе сети;



-                 пользовательских и системных показателей качества функционирования сети;

-         протоколов и интерфейсов САУ;

-         форм и форматов отображения данных САУ;

-         набора средств САУ.

5.1 Требования к управлению вычислительной сетью

Функционирование ВС начинается с приемных испытаний и охватывает этапы ее опытной и нормальной эксплуатации, в процессе которых возможны различные изменения  конфигурации аппаратного и программного обеспечения, параметров управления. Эти изменения производят в целях настройки ВС на конкретные условия работы, удовлетворения требованиям прикладной области.

При разработке САУ стремятся:

-                 минимизировать численность обслуживающего персонала и снизить требования к его квалификации;

-                 увеличить время качественного функционирования ВС за счет прогнозирования аномальных ситуаций и быстрой диагностики;

-                 обеспечить администратора постоянной и эффективной обратной связью о функционировании  ВС с помощью измерений трафика, регистрации сбоев в аппаратном и программном обеспечении;

-                 обеспечить анализ трафика, данных о функционировании ВС, новых требований пользователей для планирования работы ВС и мероприятий по ее реконфигурации;

-                 обеспечить администратора средствами поддержки принятия решений для повышения оперативности и качества ее действий;

-                 иметь высокоразвитый и простой интерфейс с администратором, операторами;



-                 снизить накладные расходы на САУ, реализовать модульную структуру САУ, обеспечивая легкость расширения за счет добавления новых функций;

-                 обеспечить устойчивость САУ к ошибкам персонала, сбоям и отказам аппаратуры и программного обеспечения;

-                 поддерживать механизмы защиты данных, существующие в опера­ционных системах и в сетевом программном обеспечении.

Средства поддержки принятия решений в САУ должны строиться на принципах экспертных систем и содержать базу знаний о причинах возможных аномальных ситуаций при функционировании сети и о рекомен­дуемых в этих ситуациях действиях администратора.

Системы административного управления локальными и крупномасш­табными ВС имеют ряд существенных отличий. В локальных ВС, как правило:

-                 сетью управляет один администратор в узле-центре управления ВС;

-          САУ более специализирована на конкретное применение сети;

-                 требуется быстрая адаптация ресурсов сети к изменениям, связан­ным с новыми прикладными системами;

-                 требуется не только регистрация, но и прогнозирование аномальных ситуаций.

Эти отличия связаны с высокими скоростями передачи данных и ма­лой протяженностью локальных сетей.

5.2 Организационная структура САУ

Организационная структура САУ определяет состав ее служб, их зада­чи, полномочия и порядок работы. В общем случае руководству ВС в лице администратора подчиняются службы трафика, прикладной обла­сти, технического сопровождения, развития.


В их состав входят опера­торы, системные программисты и инженеры.

Основной задачей службы трафика является слежение за работой ВС, выявление и ликвидация аномальных ситуаций. Причем в ЛВС для ав­томатизации производственных процессов важно обеспечить прогнози­рование аномальных ситуаций и осуществление соответствующих меро­приятий прежде, чем аномалии скажутся на работе сети и прикладных систем. Ключом к решению этой проблемы служат функции регистра­ции событий и состояний, непрерывный сбор и анализ информации о работе ВС.

Служба прикладной области определяет, насколько ВС удовлетво­ряет требованиям прикладной области, осуществляет связь с пользовате­лями (учет их требований, информирование об услугах и ресурсах, расчеты за использование ресурсов) и поддерживает согласованный уровень обслуживания.

Служба технического сопровождения отвечает за поддержание в рабо­тоспособном состоянии аппаратного и программного обеспечения ВС, подключение новых узлов, отключение ненужных узлов и др.

Служба развития определяет степень соответствия ВС тем целям, которые ставились при ее проектировании, оценивает предложения по реконфигурации. Любые изменения в конфигурации, пропускной спо­собности или рабочей нагрузке должны оцениваться с точки зрения удов­летворения новым требованиям прикладной области, возможного влия­ния изменений на доступность, сетевые функции, затраты и производи­тельность существующей сети. Служба развития сети должна иметь дос­туп к информации службы трафика, которая позволит обнаружить пе­регруженные компоненты сети. Прогнозирование узких мест сети позво­лит своевременно предпринять действия, предотвращающие возникнове­ние аномалий.

 



5.3 Общая характеристика САУ



Архитектура САУ основана на трех компонентах (рис. 25): приклад­ной административной системе, протоколе Администратор-Агент и ад­министративной информационной базе.



Прикладная административная система (ПАС) представляет собой набор средств, с помощью которых администратор сети имеет непосред­ственный доступ к данным о работе сети, получает соответствующие отчеты и может влиять на работу сети. Диапазон возможных реализа­ций - от простого командного интерфейса до экспертной системы, тре­бующей незначительного взаимодействия с администратором.

Протокол Администратор-Агент отвечает стандарту МОС 9596/2 и регулирует взаимодействие Прикладных Процессов Системного Управ­ления

(ППСУ), находящихся в каждом узле ВС и выполняющих следу­ющие функции:

-

сбор административной информации от различных уровней управле­ния в своем узле;

-                 обмен информацией с удаленным ППСУ посредством протокола Ад­министратор-Агент;

-                  выполнение специфических для ресурсов и уровней данной системы действий.

Для реализации функций САУ ППСУ поддерживает:

а) атрибуты -

переменные, которые считываются, устанавливаются или сбрасываются администратором или средствами САУ. Они подраз­деляются на параметры конфигурации (длительности тайм-аутов, разме­ры окон, количество повторных передач и другие параметры ресурсов/ уровней), статус (текущее состояние ресурсов), статистику (обычно счетчики и их пороговые значения), содержащую данные об измере­ниях трафика или уровня ошибок за некоторый интервал времени;

-          



Рис. 25   Компоненты САУ

б) события —

асинхронно генерируемую информацию, которая пере­дается ПАС и содержит идентификатор события, значение порога и при­чины, вызывающие это событие;

в) действия,

определяемые директивами, для выполнения специфи­ческих для ресурсов и уровней элементарных административных дей­ствий (разрешение/запрещение использовать ресурсы, сброс системы, загрузку, тестирование, отключение узла и т.д.).



Протокол Администратор- Агент представляет следующие элементы услуг: инициализацию; завер­шение и разрыв соединения; оповещение о событии; чтение, установку и сравнение атрибутов; выполнение блока услуг; запрос на выполнение действия.

Административная информационная база (АИБ) представляет собой совокупность данных о работе сети, распределенную по уровням откры­той системы. Эти данные доступны прикладной системе администратора с помощью протокола Администратор-Агент.

Прикладная административная система включает следующий набор функциональных подсистем (рис. 26):

- управление конфигурацией ВС для определения и контроля физи­ческой и логической структуры сети. Оно включает установку сетевых параметров, загрузку программного обеспечения, получение дампа па­мяти, ведение базы данных конфигураций;

- контроль характеристик функционирования ВС для получения ин­формации о ее текущей работе, сбора статистики, полученной при помо­щи измерений трафика (определение нагрузки на каналы связи, задер­жек передачи сообщений, длительности отклика, частоты ошибок, произ­водительности мостов, коммутаторов, шлюзов);

- управление ошибочными ситуациями для обнаружения аномалий, возникающих в сети, и проведения мероприятий в целях восстановления стабильного функционирования сети;



Рис. 26  Прикладная административная система

- управление планированием ВС для выработки решений по ее модер­низации, развитию, а также для оценки функциональных возможностей конкретных конфигураций на этапе их испытаний.

Эти функциональные подсистемы могут размещаться в одном узле (центре управления сетью) или на различных узлах ВС.

Прикладная административная система может быть разделена на экспертную часть (Администратор-эксперт, или экспертная система) и административные средства. Эти средства обеспечивают сбор, хранение, изменение и отображение данных, а экспертная часть — принятие реше­ний на основе исходных данных, полученных от этих средств.

Во многих реализациях САУ перечисленные функциональные подсис­темы опираются на общую подсистему регистрации, сбора и обработки информации о работе сети см.


рис. 26. В этом случае исключается дубли­рование однотипных функций в других подсистемах, а общие данные могут использоваться в различных целях.

Экспертная система (ЭС) должна решать проблему оперативного про­гнозирования аномальных ситуаций. Однако реализовать подобную ЭС реального времени трудно. Поэтому ЭС, как правило, решают неоператив­ные вопросы управления.

 

 

 

5.4 Подсистема регистрации, сбора и обработки информации

Различают следующие виды информации о работе сети: состояния, события и текущие статические данные.

К информации о состояниях относится общая информация об узлах и каналах связи (версия сетевого программного обеспечения, пользова­тельская идентификация системы, число каналов и их быстродействие и т.д.); информация о ресурсах буферов; сетевых задачах; портах; числе работоспособных и (или) активных каналов и др. Информация о состоя­нии доступна САУ по запросу или из периодически получаемых служеб­ных сообщений. Карта состояния ВС может отображаться на мониторе администратора см.рис. 27.

Например, аномаль­ные состояния могут идентифицироваться различным цветом, в зависи­мости от опасности соответствующей ситуации. Администратор может вызвать на монитор отчет о полученных сообщениях из узла, где возник­ла аномалия.

События являются информацией об изменении состояний. Они могут накапливаться локально в узлах либо передаваться в центр управления сетью (ЦУС). Каждое сообщение САУ, генерируемое узлом, а также вводимые вручную команды и ответы на них могут выводиться через порты интерфейса администратора сети. Процесс, регистрирующий сооб­щения САУ в каждом узле, захватывает выводимые через эти порты сообщения, отмечает время и записывает сообщения в специальный файл    (журнал САУ). Этот журнал ведется стандартными средства­ми операционной системы.

Статистические данные представляют собой результат измерений, вы­полненных за определенные интервалы времени. Когда интервал измере­ний истекает, накопленные данные переписываются в специальную об­ласть памяти и счетчики обнуляются.


В различных реализациях эти дан­ные могут передаваться в ЦУС или узлу-монитору немедленно или по запросу.

Средства сбора статистических данных должны обладать возмож­ностью устанавливать по запросу пороги для различных показателей ка­чества функционирования ВС, таких, как максимальное время ответа, среднее время ответа, максимальное число повторных передач, макси­мальные длины очередей и т.п. Превышение порога является событием, которое может быть передано и обработано САУ. Значения порогов мо­гут быть выбраны на основании собираемых статических данных либо других исследований ВС.

Периодически (например, каждый час) мониторные средства САУ выводят через интерфейс администратора данные измерений трафика. О наиболее важных событиях, таких, как сбои аппаратного обеспечения, отключения каналов, и условиях, при которых возникли перегрузки,  администратор информируется немедленно. На основе этих данных стро­ятся следующие отчеты:

- о доступности узлов и каналов связи;

- итоговый о тревожных сообщениях о функционировании аппаратно­го и программного обеспечения;

- о числе попыток вызова узла и числе сбоев;

- о максимальном числе логических соединений на узел, канал связи или сегмент сети связи;

- об уровне использования каналов связи.



Рис. 27

В САУ составляются также ежедневные, еженедельные и ежемесячные отчеты. Отчеты в ЛВС включают следующую информацию:

- число пакетов, переданных из данного порта за данный интервал вре­мени;

- среднюю частоту ошибок (конфликты/успешные передачи) для конк­ретного узла каждый час в течение 24 часов;

- ежедневную пиковую нагрузку на сеть (канал связи) за последние 10 дней и время ее возникновения;

- распределение кадров/пакетов по классам приоритетов за определен­ные последовательные интервалы времени и др.

Подмножеством сетевого журнала является список аварийных сос­тоянии (САС). Любой пользователь, у которого возникли проблемы при работе с ВС, должен иметь возможность со своего терминала запро­сить САС.


Специальное средство САУ отображает на терминале пользо­вателя перечень всех известных неисправностей в сети (например: "Раз­рыв магистрали. Узлы Е, F, ... , L недоступны", "Узел К не работает") и запрашивает у пользователя аварийное сообщение. Если пользователь столкнулся с проблемой, не указанной в САС, он может заполнить фор­му аварийного сообщения. Номера новых аварийных сообще­ний отображаются на карте состояний ВС. Поэтому оператор/администра­тор может немедленно проверить эти сообщения.

Аварийное сообщение может быть в двух состояниях — открытом и закрытом, в зависимости от того, решена соответствующая проблема или нет. Когда аварийное сообщение закрывается, САУ уведомляет   об этом пользователя, отправившего сообщение. САУ может выдавать каждый день, неделю или месяц сводки об аварийных сообщениях, их состояниях и статистику о соответствующем техническом обслуживании сети.

В подсистеме регистрации, сбора и обработки информации может храниться информация службы прикладной области пользователей. Она получается как производная следующих функций:

- регистрации и учета пользователей;

- ведения архива пользовательских наборов данных;

- загрузки и поддержания работы ПО согласно расписанию сеансов, обучения и консультации;

- составления пользовательской библиотеки эксплуатационной доку­ментации и методических рекомендаций по работе с ВС;

- реализации в узлах специфических средств и утилит, повышающих уровень обслуживания конкретной группы пользователей;

- сбора и обработки предложений по внесению различных изменений в ВС (новое ПО, средства диагностики, услуги и т.д.);

- составления расписания работы пользователей с сетью и ведения "Журнала сетевых пользователей";

- учета и анализа работы пользователей в сеансовом и локальном ре­жиме;

- учета потребляемых ресурсов: продолжительности работы за терми­налом, процессорного времени, памяти и т.п.;

-         расчета с пользователями с учетом потребляемых ресурсов и объ­емов переданной и принятой информации.



5.5 Управление конфигурацией

 

Конфигурация в контексте САУ определяется ресурсами оконечных систем и уровней протоколов ВС и их текущими состояниями, пара­метрами управления состояниями ресурсов, атрибутами взаимодей­ствия ресурсов.

Для управления конфигурацией определяются следующие функции:

1. Добавление/удаление ресурсов. В терминах данной функции опреде­ляются статические аспекты контроля и управления ресурсами: их на­личие, рабочие характеристики, взаимосвязь с другими ресурсами. Соответственно контроль связан с функцией доступности/наличия ха­рактеристик и взаимосвязей ресурсов, а управление - с действиями по установке соответствующих атрибутов. Например, описываются такие действия, как установка, монтаж и демонтаж оборудования ВС.

2. Определение/установка параметров/состояний. Данная функция оказывает непосредственное влияние на все подсистемы САУ. Установ­ка осуществляется с помощью механизма удаленной загрузки.

3. Инициация/завершение ресурсов. Очевидно, что имеющиеся ресур­сы нуждаются в приведении их в рабочее или нерабочее состояние. Это выполняется, например, с помощью загрузки программного обеспече­ния или с помощью механизма сброса. Возможны следующие три ва­рианта:

а) система, имеющая все уровни протоколов взаимодействия откры­тых систем (ВОС);

б) "усеченная" система, которая может находиться в этом состоянии временно или постоянно.

В первом случае после инициации она становится полной. Примерами постоянно усеченных систем служат системы типа мини-МАР и мосты. Усеченная система также управляется САУ;

в) система с нулевой функциональностью, не имеющая связи с САУ. В этом случае система должна обладать механизмом (локальным или удаленным) самостоятельного перехода в состояние усеченной или пол­ной системы.

4. Поддержка подсистем контроля характеристик функционирования и управления ошибочными ситуациями. Для первой подсистемы под­держка заключается, например, в определении максимальной скорости передачи данных в подсети Х (определение системной характеристики) и определении возможностей маршрутизации станции N (определение топологии сети и системной характеристики), для второй — в инициации и загрузке системы для восстановления после невосстанавливаемых другими средствами ошибок и идентификации активной системы на некотором сегменте сети как системы, с которой связаны какие-либо аномалии.



В ВС обычно реализуются следующие утилиты:

- читать параметры управления конфигурацией;

- читать все параметры САУ;

- изменить параметры управления конфигурацией;

- вызвать начальную загрузку (загружает и восстанавливает ПО уров­ней в системах, где имеются нижние два уровня);

- вызвать удаленную диагностику (вызывается прикладная диагности­рующая программа, хранящаяся в Агенте, либо специфический тест устройства, который должен быть зарегистрирован в БД конфигура­ции);

- включить/исключить узел;

- установить версию аппаратного/программного обеспечения.

В ЦУС размещается база данных конфигурации ВС, которая содержит:

- перечень оборудования ВС;

- перечень установленных и запасных плат;

- специализацию аппаратной конфигурации каждого узла;

- перечень и дислокацию программных систем и баз данных;

- структуру и характеристики кабельных связей;

-         значения основных управляющих параметров сетевого ПО и инфор­мацию о выделенных ресурсах памяти.

5.6 Контроль характеристик функционирования

Три основные группы параметров влияют на функционирование ВС:

1)                параметры заданий пользователей; 2) параметры выполнения зада­ний в оконечных системах; 3) общесистемные параметры ВС.

Параметры, относящиеся к характеристике заданий пользователей:

1) тип задания: пакетное, интерактивное, общего пользования (зада­ние, используемое несколькими пользователями одновременно, напри­мер редактор текста), экспрессное (требующее немедленного выполне­ния, например, при перезапуске задания), графическое, использующее магнитные ленты или диски;

2) требуемая память;

3) требуемое время процессора;

4) требуемое время ввода/вывода;

5) приоритет задания.

Параметры, относящиеся к выполнению заданий в оконечных систе­мах:

- параметры управления очередью заданий. Значения этих параметров определяют место задания и его продвижения в очередях;



- емкость свободной памяти, необходимой для того, чтобы задание могло начать подкачиваться в память;

- общее число заданий пользователей в оконечной системе;

- максимальные емкости требуемой оперативной и внешней памяти, которые указываются пользователем в момент представления задания.

Общесистемные параметры:

- число пользователей (в пакетном и интерактивном режимах);

- состояние сети и оконечных систем;

- интенсивность передачи файлов в сети;

- доступность сетевых ресурсов.

Пользователи специфицируют параметры, относящиеся к характерис­тикам их заданий. Параметры выполнения заданий первоначально уста­навливаются при запуске ВС в работу, но они могут быть изменены ад­министратором. Для того чтобы решения об их изменении были обосно­ваны, необходимо точно знать, как эти параметры влияют на работу ВС.



Рис. 28 Классификация измеряемых показателей функционирования

На рис. 28 приведена классификация измеряемых показателей функ­ционирования сети. Измеряемые показатели удобно описывать при помощи формального обозначения с четырьмя позициями: A/B/C/D. Здесь А, В, С и D характеризуют показатели следующим образом:

А — место регистрации: канал связи, ЭВМ в узле (тип - обрабатыва­ющий, терминальный, файловая служба, служба печати, интерфейсный, коммутирующий);

В — объект измерения: время процесса, счетчик события, длина объек­та, состояние;

С — интерпретирующая форма: флаг состояния, значение суммиру­ющего счетчика, гистограмма, непосредственное  (однократное) зна­чение;

D — способ измерений: через определенное время (по таймеру), по наступлению события, по требованию оператора.

Приведем некоторые измеряемые показатели.

Состояния канала: активен, пассивен, работает, возрастает частота ошибок, не работает.

Состояния узла: работает, не работает.

Статистика о каналах связи:

       а) счетчики событий:

- число кадров с данными: переданных, полученных, повторно и п раз переданных (п > 2), подтвержденных, неподтвержденных;



- число служебных (управляющих) кадров: переданных, полученных, повторно и п раз переданных;

- число кадров, сброшенных по следующим причинам: битовая ошибка, нарушение длины кадра, нарушение последовательности номеров кад­ров, наложение символов в приемном регистре связного устройства, отсутствие свободного буфера, сбой канала связи;

- число байт: переданных, полученных;

- число тестов: переданных канальных, с откликами, без откликов;

- число безуспешных попыток: восстановить канал в рабочее состояние, разъединить связь;

б) длины кадров и очередей: полученного кадра, переданного кадра, входящей очереди, выходящей очереди;

в) временные показатели: задержка установки соединения, задержка разъединения, длительность передачи кадра, интервал между моментами поступления кадров, интервал между моментами отправки кадров, за­держка доступа в физическую среду передачи.

Статистика об узлах:

       а) счетчики событий:

- общее число возникающих в узле сообщений;

- общее число отправленных пакетов;

- общее число отправленных транзитных пакетов;

- общее число поступивших в узел пакетов;

- общее число полученных пакетов, адресованных абонентам данного узла;

- число полученных сообщений, адресованных абонентам узла;

- число полученных управляющих пакетов;

- число отправленных управляющих пакетов;

- число пакетов, сброшенных по следующим причинам: истекло пре­дельное время пребывания в узле, истекло предельное время доставки через сеть, неправильный заголовок пакета, узел-адресат недостижим;

б) длины очередей: свободных буферов, модулей сетевого ПО;

в) временные показатели:

- длительность доставки пакета от отправителя к получателю;

- длительность доставки сообщения;

- длительность пребывания транзитного пакета в коммутаторах и шлюзах;

- задержка отклика.

На основе перечисленных показателей вычисляются значения крите­риев качества функционирования сети.

Регулярные отчеты о функционировании ВС передаются в виде спе­циальных пакетов административного управления, имеющих один и тот же идентификатор типа пакета, занимающий один байт в заголовке па­кета.


Конкретный тип административного пакета определяется допол­нительным идентификатором, который обычно находится в первом байте поля данных. Рассмотрим типичные форматы полей данных в па­кетах, несущих информацию о функционировании сети.

Накопленная статистика —

обычно это регулярный отчет, формиру­емый в узлах через определенный интервал времени, но может быть и ответом на запрос с особыми условиями накопления. Поле данных содержит дополнительный идентификатор типа пакета, адрес узла-отпра­вителя, время начала накопления статистики, интервал накопления (в минутах, секундах ) и информацию о загрузке ресурсов уз­лов, работе каналов связи (общее количество переданных символов, число переданных кадров с данными, число повторных передач и т. д.).

Одномоментная регистрация -

регулярный отчет о работе узлов или ответ на специальный запрос из ЦУС. Поле данных содержит дополни­тельный идентификатор, адрес узла-отправителя, время регистрации состояния (в часах, минутах, секундах, тиках), число свободных/заня­тых буферов для пакетов с данными, число свободных/занятых буфе­ров для служебных пакетов, длину выходной очереди пакетов в /из канала и т.д. Число одномоментных регистраций, передаваемых в одном пакете как регулярный отчет, задается заранее САУ с учетом максималь­ной длины пакетов, количества регистрируемых параметров, количест­ва каналов связи. Если одномоментные регистрации передаются по запросу из ЦУС, то их число и соответствующие моменты регистрации ука­зываются в запросе.

Трассировочный отчет (ТО) формируется на каждый поступающий в узел трассировочный пакет, помеченный специальным образом. В поле данных пакета с ТО содержатся дополнительный идентификатор типа отчета, адрес узла-отправителя отчета, момент поступления трассировоч­ного пакета в очередь узла, момент начала передачи пакета и т.д. В кон­це размещается идентификатор трассировочного пакета. Этот идентифи­катор позволяет собрать и проанализировать в ЦУС все ТО, относящиеся к одному и тому же трассировочному пакету.



Протокол административного управления сетью использует команды, передаваемые в сеть по инициативе САУ программно или администрато­ром сети со своего терминала:

- дистанционный запуск/выключение в узлах модулей измерения и формирования отчетов;

- запуск определенного механизма трассировки;

- изменение интервалов накопления статистики, интервалов между одномоментными регистрациями;

- изменение числа одномоментных регистраций в одном регуляторном отчете;

- запрос на нестандартный отчет с особыми условиями накопления или нерегламентированной одномоментной регистрацией;

-         команды для работы с БД сетеметрии.

Все переданные из ЦУС команды регистрируются и хранятся до при­хода ответа. При утере команды или ответа по истечении тайм-аута ко­манда передается повторно. Это событие регистрируется в ЦУС, а в слу­чае запроса на нестандартный отчет администратор информируется о потере. Повторение такого запроса производится по его усмотрению.

5.7 Управление пользователями

 

В системах автоматизации профессиональной деятельности людей, та­ких, как АУИС и АСНИ, одна из проблем на этапе ввода сети в эксплуа­тацию заключается в выборе первоначального множества ее пользовате­лей. В начальный период сеть может не соответствовать ожиданиям и компьютерной грамотности всех возможных пользователей. Поэтому целесообразно сначала выбрать относительно небольшую группу пользова­телей, например только аппарат управления учреждением, если автомати­зация распространяется сверху вниз, или только служащих нижнего уровня (делопроизводителей, секретарей или экспедиторов), когда авто­матизация учреждения идет снизу вверх. Однако число пользователей должно быть не слишком мало, иначе ситуация будет напоминать уста­новку телефона, по которому никто не звонит.

Затем при первой возможности необходимо увеличить число пользо­вателей. Отсутствие энтузиазма от перспективы работать с сетью у боль­шинства потенциальных пользователей — обычное явление.


Оно не долж­ но обескураживающее действовать на разработчиков и заказчика систе­мы. Цикл подготовки служащего, не имеющего навыков электронной обработки данных, для работы на сети длится от 6 до 20 мес.

Обучение пользователей работе с сетью включает разработку инструк­ций, соответствующих различным типам пользователей, и проведение за­нятий. Пользователи объединяются в группы, например, по пять человек. С каждой группой занимается один инструктор. После 30-минутных кон­сультаций целесообразно устраивать тренировочные сеансы работы с сетью. На первом этапе эксплуатации локальной сети необходимо доби­ваться того, чтобы от 20 до 50 пользователей (их число зависит от разме­ров сети и учреждения, где она работает) получили хорошую подготов­ку и могли консультировать своих коллег. После этого может использо­ваться автоматизированное обучение сетевых пользователей за экраном монитора.

Служба пользователей должна давать оперативные консультации по телефону и информировать пользователей о работоспособности отдель­ных компонентов сети. Ежемесячно необходимо устраивать семинар сетевых пользователей, на котором обсуждаются их проблемы и рас­сказывается о нововведении в сети.

В службе пользователей хранятся все вопросы пользователей с соот­ветствующими комментариями. Важно хранить также информацию о сбоях сетевых компонентов, поскольку администрации сети приходится сталкиваться с претензиями по поводу неработоспособности сети, хотя в действительности за неделю сеть выходила из строя, например, всего на несколько минут.

5.8 Реконфигурация сети

 

Изменению могут быть подвержены следующие элементы конфигу­рации сети: узлы сети, каналы связи, сетевое программное обеспечение. Подключение дополнительных (или замена) узлов сети обычно произ­водится по следующим причинам: необходимо увеличить производитель­ность обработки информации, необходимо подключить к сети оконеч­ное оборудование автономных пользователей или дополнительно инте­грировать отдельные процессы управления, необходимо увеличить распределенность процессов обработки и хранения информации в сети для повышения их надежности.



Подключение дополнительных узлов может как увеличивать, так и уменьшать трафик в сети. Например, трафик уменьшится, если вместо интерактивных терминалов, с которых пользователи взаимодействуют с мощной обрабатывающей ЭВМ, ввести новые узлы сети (персональные ЭВМ), на которых можно редактировать и отлаживать программы.

Динамика окружающей среды, в которой работает сеть, может приво­дить к перемещению оборудования между отдельными службами и даже зданиями учреждения или промышленного предприятия. Для снижения затрат, связанных с перемещением оборудования, требуется простое фи­зическое подключение устройств к сети, механизмы управления сетью должны мало зависеть от физического размещения конкретных узлов.

В некоторых сетях характеристики передачи данных для узла зави­сят от его физического размещения. Адрес узла может также зависеть от его физического расположения. Поэтому при перемещении узла его адрес изменяется, и об этом должно быть известно другим узлам.

Реконфигурация кабелей связи обычно связана с необходимостью увеличить протяженность сети (например, проложить кабель в новое помещение), возрастанием трафика в сети, увеличением надежности се­ти или требованиями установить связь с другими сетями.

После некоторого периода работы сети может возникнуть потребность в новых типах трафика, обрабатываемого сетью. Например, цифровая передача речи создает трафик, отличный от потоков диалоговых сообще­ний, которые, в свою очередь, отличаются от файлового трафика. Новый тип трафика может потребовать существенно других методов передачи и/или протоколов, т. е. внесения изменений в архитектуру работающей сети.

В свою очередь, в процессе функционирования сети могут изменяться характеристики существующих типов трафика (объемы, статистика его генерации и т.п.). Эти изменения могут потребовать увеличения произ­водительности узлов и пропускной способности каналов связи, измене­ния параметров сетевых протоколов, таких, как длительность тайм-аутов, размеры передаваемых пакетов и др.


Поэтому сетевое програм­ мное обеспечение должно допускать простую настройку этих параметров администратором сети.

Первоначально при установке многих сетей пользователи не требу­ют связи с другими сетями. Однако опыт показывает, что рано или позд­но такое требование возникает. Соответствующая реконфигурация включает изменение как в аппаратном, так и в программном обеспече­нии сети. Изменяется также система административного управления.

 

5.9 Средства административного управления

 

Система административного управления (САУ) сетью включает на­бор аппаратных и программных средств, позволяющий выполнять опи­санные выше функции: средства сетеметрии, тесты аппаратного и программного обеспечения, модели сети, программы поддержки админист­ративных решений, ориентированных на экспертные знания, реконфигуратор сети.

Существуют два подхода к анализу функционирования действующей сети. При первом из них в сети с помощью специальных мониторов (программных и/или аппаратных) регистрируются события, отражающие поведение сети в процессе ее нормальной эксплуатации. В этом случае в сети передаются реальные сообщения с данными, порождаемыми або­нентами. При втором подходе в сети имитируется работа абонентов и измерения осуществляются с использованием искусственно генериру­емых сообщений.

Эти подходы преследуют разные цели. Первый позволяет получить информацию о работе сети в режиме нормальной эксплуатации, выяс­нить, насколько сеть отвечает требованиям пользователей в конкретных условиях, и определить, какие мероприятия по реконфигурации сети целесообразно проделать.

Однако такие исследования на реальном трафике имеют и ряд недос­татков. Для реального трафика, генерируемого сетевыми абонентами, характерны резкие колебания, поэтому данные измерений функциони­рования сети за какой-то интервал времени зачастую не позволяют по­нять особенности использования сетевых ресурсов. Кроме того, такой подход практически неприемлем на этапах пусконаладки и испытаний сети до ввода ее в эксплуатацию, поскольку отсутствуют реальные поль­зователи, объекты управления, процессы управления.



Эмуляция реальных прикладных процессов при втором подходе поз­воляет избежать этих недостатков. Можно оценивать работу сети, ими­тируя определенные режимы работы абонентов, создавая наихудшие ситуации. Таким образом оцениваются и предельные возможности се­ти. В этом случае в узлах сети работают специальные программы, ими­тирующие сетевого абонента. Они порождают потоки сообщений (ис­кусственно создают нагрузку на сеть) в соответствии с определенным типом взаимодействия абонентов (параметрами обмена данными), за­даваемым экспериментатором, и выполняют мониторные функции, ре­гистрируя события, связанные с обработкой этих сообщений в сети. Та­кой эмулятор-монитор потоков сообщений позволяет также проводить верификацию математических моделей сети.

Гибкость этого средства определяется его возможностями как по эмуляции различных режимов работы сетевых абонентов и, следователь­но, условий генераций трафика, так и по эмуляции различных конфигу­раций самой сети. Это означает, что, запустив эмулятор-монитор, экспе­риментатор анализирует работу различных сетевых конфигураций, кото­рые можно построить на этой сети. Данные, собираемые в процессе ана­лиза функционирования эмулятора действующей сети, можно разделить на три типа:

- административная информация, которая содержит условия экспери­мента и статистику по выходным вероятностным параметрам для про­верки соответствия хода эксперимента условиям, заданным эксперимен­татором;

- суммарная информация, которая включает значения счетчиков различ­ных событий, средние, дисперсии и гистограммы значений регистриру­емых величин;

- детальная информация по определенному типу событий или по регист­рируемым величинам, которая может включать, например, наименьшее, наибольшее, первое, последнее, каждое k-e из регистрируемых значений определенной величины (например, времени доставки сообщения).

К средствам сетеметрии относятся:

- генераторы эхо-пакетов. Пакет, поступающий в узел-адресат, порож­дает эхо-пакет, записывает в него определенную информацию о состоя­нии узла и отсылает обратно узлу-отправителю;



- генераторы искусственных сообщений (пакетов). В каждом узле мо­ гут генерироваться искусственные сообщения детерминированной или случайной длины, которые посылаются заданным получателям. Генера­торы запускаются из ЦУС, получая при этом необходимые параметры для своей работы;

- трассировщик. По сети передается трассировочный пакет, в нем ре­гистрируются состояния, события, маршрут, временные показатели, связанные с этим пакетом, которые в виде отчета передаются в ЦУС. Пакет заданного маршрута содержит в своем информационном поле за­ранее определенный список узлов, через которые он должен пройти, и может собирать отметки времени прохождения узлов. Пакет, отмеча­ющий время, собирает значения таймеров в критических точках сетево­го ПО узлов. Пакет фиксации состояния узла содержит значения длин очередей и маршрутную информацию, зафиксированные им в конкрет­ном узле и в конкретное время;

- модуль сбора статистики. Выдает периодические отчеты о работе каж­дого узла —отчет о состоянии с периодом порядка 2—5 мин, статистичес­кие отчеты с периодом порядка 20—40 мин. Эти отчеты отсылаются в ЦУС;

- сетевой журнал. Хранит информацию о сбоях в сети, занятости ресур­сов, работе процессов прикладного уровня и др.

К средствам САУ относятся также тесты каналов, связных устройств оконечного оборудования, кольцевые тесты, пакеты программ модели­рования сети, экспертная система администратора сети, реконфигуратор сети — программный модуль, с помощью которого можно изменять структуру сети, управляющие параметры сетевого ПО. 

6 СЕТЕВЫЕ ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

 

6.1 Определение операционной системы

Операционная система в наибольшей степени определяет облик всей вычислительной системы в целом. Несмотря на это, пользователи, активно использующие вычислительную технику, зачастую испытывают затруднения при попытке дать определение операционной системе. Частично это связано с тем, что ОС выполняет две, по существу, мало связанные функции: обеспечение пользователю-программисту удобств посредством предоставления для него расширенной машины и повышение эффективности использования компьютера путем рационального управления его ресурсами.



6. 2 ОС как расширенная машина

Использование большинства компьютеров на уровне машинного языка затруднительно, особенно это касается ввода-вывода. Например, для организации чтения блока данных с гибкого диска программист может использовать 16 различных команд, каждая из которых требует 13 параметров, таких, как номер блока на диске, номер сектора на дорожке и т. п. Когда выполнение операции с диском завершается, контроллер возвращает 23 значения, отражающих наличие и типы ошибок, которые, очевидно, надо анализировать. Даже если не входить в курс реальных проблем программирования ввода-вывода, ясно, что среди программистов нашлось бы не много желающих непосредственно заниматься программированием этих операций. При работе с диском программисту-пользователю достаточно представлять его в виде некоторого набора файлов, каждый из которых имеет имя. Работа с файлом заключается в его открытии, выполнении чтения или записи, а затем в закрытии файла. Вопросы, подобные таким, как- следует ли при записи использовать усовершенствованную частотную модуляцию или в каком состоянии сейчас находится двигатель механизма перемещения считывающих головок- не должны волновать пользователя. Программа, которая скрывает от программиста все реалии аппаратуры и предоставляет возможность простого, удобного просмотра указанных файлов, чтения или записи - это, конечно, операционная система. Точно так же, как ОС ограждает программистов от аппаратуры дискового накопителя и предоставляет ему простой файловый интерфейс, операционная система берет на себя все малоприятные дела, связанные с обработкой прерываний, управлением таймерами и оперативной памятью, а также другие низкоуровневые проблемы. В каждом случае та абстрактная, воображаемая машина, с которой, благодаря операционной системе, теперь может иметь дело пользователь, гораздо проще и удобнее в обращении, чем реальная аппаратура, лежащая в основе этой абстрактной машины.

С этой точки зрения функцией ОС является предоставление пользователю некоторой расширенной или виртуальной машины, которую легче программировать и с которой легче работать, чем непосредственно с аппаратурой, составляющей реальную машину.



6. 3 ОС как система управления ресурсами

Идея о том, что ОС прежде всего система, обеспечивающая удобный интерфейс пользователям, соответствует рассмотрению сверху вниз. Другой взгляд, снизу вверх, дает представление об ОС как о некотором механизме, управляющем всеми частями сложной системы. Современные вычислительные системы состоят из процессоров, памяти, таймеров, дисков, накопителей на магнитных лентах, сетевых коммуникационной аппаратуры, принтеров и других устройств. В соответствии со вторым подходом функцией ОС является распределение процессоров, памяти, устройств и данных между процессами, конкурирующими за эти ресурсы. ОС должна управлять всеми ресурсами вычислительной машины таким образом, чтобы обеспечить максимальную эффективность ее функционирования. Критерием эффективности может быть, например, пропускная способность или реактивность системы. Управление ресурсами включает решение двух общих, не зависящих от типа ресурса задач:

- планирование ресурса, т. е. определение кому, когда, а для делимых ресурсов и в каком количестве, необходимо выделить данный ресурс;

- отслеживание состояния ресурса, т. е. поддержание оперативной информации о том, занят или не занят ресурс, а для делимых ресурсов - какое количество ресурса уже распределено, а какое свободно.

Для решения этих общих задач управления ресурсами разные ОС используют различные алгоритмы, что в конечном счете и определяет их облик в целом, включая характеристики производительности, область применения и даже пользовательский интерфейс. Так, например, алгоритм управления процессором в значительной степени определяет, является ли ОС системой разделения времени, системой пакетной обработки или системой реального времени.

6.4 Эволюция ОС

Первый период (1945 -1955). Известно, что компьютер был изобретен английским математиком Чарльзом Бэббиджем в конце XVIII века. Его "аналитическая машина" так и не смогла по-настоящему заработать, потому что технологии того времени не удовлетворяли требованиям по изготовлению деталей точной механики, которые были необходимы для вычислительной техники.


Известно также, что этот компьютер не имел операционной системы.

Некоторый прогресс в создании цифровых вычислительных машин произошел после второй мировой войны. В середине 40-х были созданы первые ламповые вычислительные устройства. В то время одна и та же группа людей участвовала и в проектировании, и в эксплуатации, и в программировании вычислительной машины. Это была, скорее, научно-исследовательская работа в области вычислительной техники, а не использование компьютеров в качестве инструмента решения каких-либо практических задач из других прикладных областей. Программирование осуществлялось исключительно на машинном языке. Об операционных системах не было и речи, все задачи организации вычислительного процесса решались вручную каждым программистом с пульта управления. Не было никакого другого системного программного обеспечения, кроме библиотек математических и служебных подпрограмм.

Второй период (1955 – 1965). С середины 50-х гг. начался новый период в развитии вычислительной техники, связанный с появлением новой технической базы - полупроводниковых элементов. Компьютеры второго поколения стали более надежными, теперь они смогли непрерывно работать настолько долго, чтобы на них можно было возложить выполнение действительно практически важных задач. Именно в этот период произошло разделение персонала на программистов и операторов, эксплуатационников и разработчиков вычислительных машин.

В эти годы появились первые алгоритмические языки, следовательно, и первые системные программы - компиляторы. Стоимость процессорного времени возросла, что потребовало уменьшения непроизводительных затрат времени между запусками программ. Появились первые системы пакетной обработки, которые просто автоматизировали запуск одной программы за другой и тем самым увеличивали коэффициент загрузки процессора. Системы пакетной обработки явились прообразом современных операционных систем, они стали первыми системными программами, предназначенными для управления вычислительным процессом.


В ходе реализации систем пакетной обработки был разработан формализованный язык управления заданиями, с помощью которого программист сообщал системе и оператору, какую работу он хочет выполнить на вычислительной машине. Совокупность нескольких заданий, как правило, в виде колоды перфокарт, получила название пакета заданий.

Третий период (1965 - 1980). В это время в технической базе произошел переход от отдельных полупроводниковых элементов типа транзисторов к интегральным микросхемам, что дало гораздо большие возможности новому, третьему, поколению компьютеров.

Для этого периода характерно также создание семейств программно-совместимых машин. Первым семейством программно-совместимых машин, построенных на интегральных микросхемах, явилась серия машин IBM/360. Построенное в начале 60-х гг. это семейство значительно превосходило машины второго поколения по критерию цена/производительность. Вскоре идея программно-совместимых машин стала общепризнанной.

Программная совместимость требовала и совместимости операционных систем. Такие операционные системы должны были бы работать и на больших, и на малых вычислительных системах, с большим и с малым количеством разнообразной периферии, в коммерческой области и в области научных исследований. Операционные системы, построенные с намерением удовлетворить всем этим противоречивым требованиям, оказались чрезвычайно сложными "монстрами". Они состояли из многих миллионов ассемблерных строк, написанных тысячами программистов, и содержали тысячи ошибок, вызывающих нескончаемый поток исправлений. В каждой новой версии операционной системы исправлялись одни ошибки и вносились другие.

Однако, несмотря на необозримые размеры и множество проблем, OS/360 и другие ей подобные операционные системы машин третьего поколения действительно удовлетворяли большинству требований потребителей. Важнейшим достижением ОС данного поколения явилась реализация мультипрограммирования. Мультипрограммирование - это способ организации вычислительного процесса, при котором на одном процессоре попеременно выполняются несколько программ.


Пока одна программа выполняет операцию ввода/вывода, процессор не простаивает, как это происходило при последовательном выполнении программ (однопрограммный режим), а выполняет другую программу (многопрограммный режим). При этом каждая программа загружается в свой участок оперативной памяти, называемый разделом.

Другое нововведение - спулинг (spooling). Спулинг в то время определялся как способ организации вычислительного процесса, в соответствии с которым задания считывались с перфокарт на диск в том темпе, в котором они появлялись в помещении вычислительного центра, а затем, когда очередное задание завершалось, новое задание с диска загружалось в освободившийся раздел.

Наряду с мультипрограммной реализацией систем пакетной обработки появился новый тип ОС - системы разделения времени. Вариант мультипрограммирования, применяемый в системах разделения времени, нацелен на создание для каждого отдельного пользователя иллюзии единоличного использования вычислительной машины.

Четвертый период (1980 - настоящее время). Следующий период в эволюции операционных систем связан с появлением больших интегральных схем (БИС). В эти годы произошло резкое возрастание степени интеграции и удешевление микросхем. Компьютер стал доступен отдельному человеку, и наступила эра персональных компьютеров. С точки зрения архитектуры персональные компьютеры ничем не отличались от класса миникомпьютеров типа PDP-11, но вот цена у них существенно отличалась. Если миникомпьютер дал возможность иметь собственную вычислительную машину отделу предприятия или университету, то персональный компьютер сделал это возможным для отдельного человека.

Компьютеры стали широко использоваться неспециалистами, что потребовало разработки "дружественного" программного обеспечения, это положило конец кастовости программистов.

На рынке операционных систем доминировали две системы: MS-DOS и UNIX. Однопрограммная однопользовательская ОС MS-DOS широко использовалась для компьютеров, построенных на базе микропроцессоров Intel 8088, а затем 80286, 80386 и 80486.


Мультипрограммная многопользовательская ОС UNIX доминировала в среде "неинтеловских" компьютеров, особенно построенных на базе высокопроизводительных RISC-процессоров.

В середине 80-х стали бурно развиваться сети персональных компьютеров, работающие под управлением сетевых или распределенных ОС.

В сетевых ОС пользователи должны быть осведомлены о наличии других компьютеров и должны делать логический вход в другой компьютер, чтобы воспользоваться его ресурсами, преимущественно файлами. Каждая машина в сети выполняет свою собственную локальную операционную систему, отличающуюся от ОС автономного компьютера наличием дополнительных средств, позволяющих компьютеру работать в сети. Сетевая ОС не имеет фундаментальных отличий от ОС однопроцессорного компьютера. Она обязательно содержит программную поддержку для сетевых интерфейсных устройств (драйвер сетевого адаптера), а также средства для удаленного входа в другие компьютеры сети и средства доступа к удаленным файлам, однако эти дополнения существенно не меняют структуру самой операционной системы.

6.5 Классификация ОС

Операционные системы могут различаться особенностями реализации внутренних алгоритмов управления основными ресурсами компьютера (процессорами, памятью, устройствами), особенностями использованных методов проектирования, типами аппаратных платформ, областями использования и многими другими свойствами.

Ниже приведена классификация ОС по нескольким наиболее основным признакам.

6.5.1 Особенности алгоритмов управления ресурсами

От эффективности алгоритмов управления локальными ресурсами компьютера во многом зависит эффективность всей сетевой ОС в целом. Поэтому, характеризуя сетевую ОС, часто приводят важнейшие особенности реализации функций ОС по управлению процессорами, памятью, внешними устройствами автономного компьютера. Так, например, в зависимости от особенностей использованного алгоритма управления процессом операционные системы делят на многозадачные и однозадачные, многопользовательские и однопользовательские, на системы, поддерживающие многонитевую обработку и не поддерживающие ее, на многопроцессорные и однопроцессорные системы.



6.5.2 Поддержка многозадачности

  По числу одновременно выполняемых задач операционные системы могут быть разделены на два класса:

- однозадачные (например: MS-DOS, MSX) и

- многозадачные (OC EC, OS/2, UNIX, Windows 95/98).

Однозадачные ОС в основном выполняют функцию предоставления пользователю виртуальной машины, делая более простым и удобным процесс взаимодействия пользователя с компьютером. Однозадачные ОС включают средства управления периферийными устройствами, средства управления файлами, средства общения с пользователем.

Многозадачные ОС, кроме вышеперечисленных функций, управляют разделением совместно используемых ресурсов, таких, как процессор, оперативная память, файлы и внешние устройства.

6.5.3 Поддержка многопользовательского режима

 По числу одновременно работающих пользователей ОС делятся:

- на однопользовательские (MS-DOS, Windows 3.x, ранние версии OS/2);

- многопользовательские (UNIX, Windows NT).

Главным отличием многопользовательских систем от однопользовательских является наличие средств защиты информации каждого пользователя от несанкционированного доступа других пользователей. Следует заметить, что не всякая многозадачная система является многопользовательской и не всякая однопользовательская ОС является однозадачной.

Вытесняющая и не вытесняющая многозадачность. Важнейшим разделяемым ресурсом является процессорное время. Способ распределения процессорного времени между несколькими одновременно существующими в системе процессами (или нитями) во многом определяет специфику ОС. Среди множества существующих вариантов реализации многозадачности можно выделить две группы алгоритмов:

- не вытесняющая многозадачность (NetWare, Windows 3.x);

- вытесняющая многозадачность (Windows NT, OS/2, UNIX).

Основным различием между вытесняющим и не вытесняющим вариантами многозадачности является степень централизации механизма планирования процессов. В первом случае механизм планирования процессов целиком сосредоточен в операционной системе, а во втором - распределен между системой и прикладными программами.


При не вытесняющей многозадачности активный процесс выполняется до тех пор, пока он сам, по собственной инициативе, не отдаст управление операционной системе для того, чтобы та выбрала из очереди другой готовый к выполнению процесс. При вытесняющей многозадачности решение о переключении процессора с одного процесса на другой принимается операционной системой, а не самим активным процессом.

6.5.4 Поддержка многонитевости

 Важным свойством операционных систем является возможность распараллеливания вычислений в рамках одной задачи. Многонитевая ОС разделяет процессорное время не между задачами (процессами), а между их отдельными ветвями (нитями).

 

 

6.5.5 Многопроцессорная поддержка обработки

 Другим важным свойством ОС является отсутствие или наличие в ней средств поддержки многопроцессорной обработки - мультипроцессирование. Мультипроцессирование приводит к усложнению всех алгоритмов управления ресурсами.

В наши дни становится общепринятым введение в ОС функций поддержки многопроцессорной обработки данных. Такие функции имеются в операционных системах Solaris 2.x фирмы Sun, Open Server 3.x компании Santa Crus Operations, OS/2 фирмы IBM, Windows NT фирмы Microsoft и NetWare 4.1 фирмы Novell.

Многопроцессорные ОС могут классифицироваться по способу организации вычислительного процесса в системе с многопроцессорной архитектурой: асимметричные ОС и симметричные ОС. Асимметричная ОС целиком выполняется только на одном из процессоров системы, распределяя прикладные задачи по остальным процессорам. Симметричная ОС полностью децентрализована и использует весь пул процессоров, разделяя их между системными и прикладными задачами.

Выше были рассмотрены характеристики ОС, связанные с управлением только одним типом ресурсов - процессором. Важное влияние на облик операционной системы в целом, на возможности ее использования в той или иной области оказывают особенности и других подсистем управления локальными ресурсами - подсистем управления памятью, файлами, устройствами ввода/вывода.



Специфика ОС проявляется и в том, каким образом она реализует сетевые функции: распознавание и перенаправление в сеть запросов к удаленным ресурсам, передачу сообщений по сети, выполнение удаленных запросов. При реализации сетевых функций возникает комплекс задач, связанных с распределенным характером хранения и обработки данных в сети: ведение справочной информации о всех доступных в сети ресурсах и серверах, адресация взаимодействующих процессов, обеспечение прозрачности доступа, тиражирование данных, согласование копий, поддержка безопасности данных.

6.6 Особенности аппаратных платформ

На свойства операционной системы непосредственное влияние оказывают аппаратные средства, на которые она ориентирована. По типу аппаратуры различают операционные системы персональных компьютеров, мини-компьютеров, мейнфреймов, кластеров и сетей ЭВМ. Среди перечисленных типов компьютеров могут встречаться как однопроцессорные варианты, так и многопроцессорные. В любом случае специфика аппаратных средств, как правило, отражается на специфике операционных систем.

Очевидно, что ОС большой машины является более сложной и функциональной, чем ОС персонального компьютера. Так в ОС больших машин функции по планированию потока выполняемых задач, очевидно, реализуются путем использования сложных приоритетных дисциплин и требуют большей вычислительной мощности, чем в ОС персональных компьютеров. Аналогично обстоит дело и с другими функциями.

Сетевая ОС имеет в своем составе средства передачи сообщений между компьютерами по линиям связи, которые совершенно не нужны в автономной ОС. На основе этих сообщений сетевая ОС поддерживает разделение ресурсов компьютера между удаленными пользователями, подключенными к сети. Для поддержания функций передачи сообщений сетевые ОС содержат специальные программные компоненты, реализующие популярные коммуникационные протоколы, такие как IP, IPX, Ethernet и другие.

Многопроцессорные системы требуют от операционной системы особой организации, с помощью которой сама операционная система, а также поддерживаемые ею приложения могли бы выполняться параллельно отдельными процессорами системы.


Параллельная работа отдельных частей ОС создает дополнительные проблемы для разработчиков ОС, так как в этом случае гораздо сложнее обеспечить согласованный доступ отдельных процессов к общим системным таблицам, исключить эффект гонок и прочие нежелательные последствия асинхронного выполнения работ.

Другие требования предъявляются к операционным системам кластеров.

Кластер - слабо связанная совокупность нескольких вычислительных систем, работающих совместно для выполнения общих приложений, и представляющихся пользователю единой системой. Наряду со специальной аппаратурой для функционирования кластерных систем необходима и программная поддержка со стороны операционной системы, которая сводится в основном к синхронизации доступа к разделяемым ресурсам, обнаружению отказов и динамической реконфигурации системы. Одной из первых разработок в области кластерных технологий были решения компании Digital Equipment на базе компьютеров VAX. Недавно этой компанией заключено соглашение с корпорацией Microsoft о разработке кластерной технологии, использующей Windows NT. Несколько компаний предлагают кластеры на основе UNIX-машин.

Наряду с ОС, ориентированными на совершенно определенный тип аппаратной платформы, существуют операционные системы, специально разработанные таким образом, чтобы они могли быть легко перенесены с компьютера одного типа на компьютер другого типа, так называемые мобильные

ОС. Наиболее ярким примером такой ОС является популярная система UNIX. В этих системах аппаратно-зависимые места тщательно локализованы, так что при переносе системы на новую платформу переписываются только они. Средством, облегчающим перенос остальной части ОС, является написание ее на машинно-независимом языке, например, на С, который и был разработан для программирования операционных систем.

6.7 Особенности областей использования

Многозадачные ОС подразделяются на три типа в соответствии с использованными при их разработке критериями эффективности:

- системы пакетной обработки (например, OC EC),



- системы разделения времени (UNIX, VMS),

- системы реального времени (QNX, RT/11).

Системы пакетной обработки

предназначались для решения задач в основном вычислительного характера, не требующих быстрого получения результатов. Главной целью и критерием эффективности систем пакетной обработки является максимальная пропускная способность, т.е. решение максимального числа задач в единицу времени. Для достижения этой цели в системах пакетной обработки используется следующая схема функционирования: в начале работы формируется пакет заданий, каждое задание содержит требование к системным ресурсам; из этого пакета заданий формируется мультипрограммная смесь, т.е. множество одновременно выполняемых задач. Для одновременного выполнения выбираются задачи, предъявляющие отличающиеся требования к ресурсам, так, чтобы обеспечивалась сбалансированная загрузка всех устройств вычислительной машины; так, например, в мультипрограммной смеси желательно одновременное присутствие вычислительных задач и задач с интенсивным вводом-выводом. Таким образом, выбор нового задания из пакета заданий зависит от внутренней ситуации, складывающейся в системе, т.е. выбирается "выгодное" задание. Следовательно, в таких ОС невозможно гарантировать выполнение того или иного задания в течение определенного периода времени. В системах пакетной обработки переключение процессора с выполнения одной задачи на выполнение другой происходит только в случае, если активная задача сама отказывается от процессора, например, из-за необходимости выполнить операцию ввода/вывода. Поэтому одна задача может надолго занять процессор, что делает невозможным выполнение интерактивных задач. Таким образом, взаимодействие пользователя с вычислительной машиной, на которой установлена система пакетной обработки, сводится к тому, что он приносит задание, отдает его диспетчеру-оператору, а в конце дня, после выполнения всего пакета заданий, получает результат. Очевидно, что такой порядок снижает эффективность работы пользователя.



Системы разделения времени

призваны исправить основной недостаток систем пакетной обработки - изоляцию пользователя-программиста от процесса выполнения его задач. Каждому пользователю системы разделения времени предоставляется терминал, с которого он может вести диалог со своей программой. Так как в системах разделения времени каждой задаче выделяется только квант процессорного времени, ни одна задача не занимает процессор надолго и время ответа оказывается приемлемым. Если квант выбран достаточно небольшим, то у всех пользователей, одновременно работающих на одной и той же машине, складывается впечатление, что каждый из них единолично использует машину. Ясно, что системы разделения времени обладают меньшей пропускной способностью, чем системы пакетной обработки, так как на выполнение принимается каждая запущенная пользователем задача, а не та, которая "выгодна" системе, и, кроме того, имеются накладные расходы вычислительной мощности на более частое переключение процессора с задачи на задачу. Критерием эффективности систем разделения времени является не максимальная пропускная способность, а удобство и эффективность работы пользователя.

Системы реального времени

применяются для управления различными техническими объектами, такими, например, как станок, спутник, научная экспериментальная установка, или технологическими процессами, такими, как гальваническая линия, доменный процесс и т.п. Во всех этих случаях существует предельно допустимое время, в течение которого должна быть выполнена та или иная программа, управляющая объектом, в противном случае может произойти авария: спутник выйдет из зоны видимости, экспериментальные данные, поступающие с датчиков, будут потеряны, толщина гальванического покрытия не будет соответствовать норме. Таким образом, критерием эффективности для систем реального времени является их способность выдерживать заранее заданные интервалы времени между запуском программы и получением результата (управляющего воздействия). Это время называется временем реакции системы, а соответствующее свойство системы - реактивностью.


Для этих систем мультипрограммная смесь представляет собой фиксированный набор заранее разработанных программ, а выбор программы на выполнение осуществляется, исходя из текущего состояния объекта или в соответствии с расписанием плановых работ.

Некоторые операционные системы могут совмещать в себе свойства систем разных типов, например, часть задач может выполняться в режиме пакетной обработки, а часть - в режиме реального времени или в режиме разделения времени. В таких случаях режим пакетной обработки часто называют фоновым режимом.

6.8 Особенности методов построения

При описании операционной системы часто указываются особенности ее структурной организации и основные концепции, положенные в ее основу.

К таким базовым концепциям относятся:

- Способы построения ядра системы - монолитное ядро или микроядерный подход. Большинство ОС использует монолитное ядро, которое компонуется как одна программа, работающая в привилегированном режиме и использующая быстрые переходы с одной процедуры на другую, не требующая переключения из привилегированного режима в пользовательский и наоборот. Альтернативой является построение ОС на базе микроядра, работающего также в привилегированном режиме и выполняющего только минимум функций по управлению аппаратурой, в то время как функции ОС более высокого уровня выполняют специализированные компоненты ОС - серверы, работающие в пользовательском режиме. При таком построении ОС работает более медленно, так как часто выполняются переходы между привилегированным режимом и пользовательским, зато система получается более гибкой - ее функции можно наращивать, модифицировать или сужать, добавляя, модифицируя или исключая серверы пользовательского режима. Кроме того, серверы хорошо защищены друг от друга, как и любые пользовательские процессы.

- Построение ОС на базе объектно-ориентированного подхода дает возможность использовать все его достоинства, хорошо зарекомендовавшие себя на уровне приложений, внутри операционной системы, а именно аккумуляцию удачных решений в форме стандартных объектов, возможность создания новых объектов на базе имеющихся с помощью механизма наследования, хорошую защиту данных за счет их инкапсуляции во внутренние структуры объекта, что делает данные недоступными для несанкционированного использования извне, структурированность системы, состоящей из набора хорошо определенных объектов.



- Наличие нескольких прикладных сред дает возможность в рамках одной ОС одновременно выполнять приложения, разработанные для нескольких ОС. Многие современные операционные системы поддерживают одновременно прикладные среды MS-DOS, Windows, UNIX (POSIX), OS/2 или хотя бы некоторого подмножества из этого популярного набора. Концепция множественных прикладных сред наиболее просто реализуется в ОС на базе микроядра, над которым работают различные серверы, часть которых реализуют прикладную среду той или иной операционной системы.

- Распределенная организация операционной системы позволяет упростить работу пользователей и программистов в сетевых средах. В распределенной ОС реализованы механизмы, которые дают возможность пользователю представлять и воспринимать сеть в виде традиционного однопроцессорного компьютера. Характерными признаками распределенной организации ОС являются наличие единой справочной службы разделяемых ресурсов, единой службы времени; использование механизма вызова удаленных процедур (RPC) для прозрачного распределения программных процедур по машинам; многонитевой обработки, позволяющей распараллеливать вычисления в рамках одной задачи и выполнять эту задачу сразу на нескольких компьютерах сети, а также наличие других распределенных служб.

6.9 Выбор сетевой операционной системы

Проанализируем три популярные сетевые операционные системы: Microsoft Windows NT 4.0, Novell NetWare 4.x, Linux Red Hat 6.0 по следующим критериям:

- Ценовая оценка.

- Функциональные возможности.

- Надежность.

- Системное управление.

- Производительность.

- Требования к аппаратному обеспечению.

6.9.1 Ценовая оценка

Novell NetWare 4.x  - это проверенное временем сетевое решение, которое предоставляет возможность более эффективно управлять сетями возрастающей сложности, осуществлять контроль над ними и снижать затраты на их.

Цена продукта составляет $1,100.

Microsoft Windows NT 4.0 поставляется без telnet сервера, SMTP сервера (email), дисковых квот, news сервера, DNS сервера (многие администраторы NT вынуждены искать решения третьих фирм для DNS.[3]



Цена подобного решения на основе Windows NT 4.0 составит $4,636.

Linux Red Hat 6.0– операционная система, предназначенная для оборудования различных типов, но главным образом для компьютеров РС на основе процессора Intel. Эта система проектировалась и создавалась сотнями программистов всего мира. Первоначальной целью было создание разновидности UNIX, которая была бы независимой от какого-либо коммерческого программного обеспечения, защищенного авторским правом, и которой могло бы пользоваться огромное число пользователей.

Linux усиливает свои позиции в коммерческой среде. Исторически сложилось, что крупные компании избегали бесплатное ПО из-за непонятного стереотипа, что: все бесплатное не может быть хорошим. Недавняя тенденция среди некоторых компаний – это использовать эту рентабельную ОС. Hewlett-Packard использовала Linux вместо своей HP-UX UNIX ОС при разработке новой архитектуры своего процессора PA-RISC.[3]

Цена коммерческого Linux Red Hat'а всего лишь $49.95.

Ориентируясь на реальную цену, Linux будет, несомненно, лучшим вариантом решения

                                                                      Таблица 8

Продукт

Цена



Novell NetWare 4.x



$1,100

Microsoft Windows NT 4.0



$4,636

Linux Red Hat 6.0



$49,95

6.9.2 Функциональные возможности



Microsoft Windows NT 4.0 может соединяться с множеством различных типов компьютеров, защищать уязвимые данные, проверять авторизованного пользователя, но раз зашедший в сеть NT пользователь все, что он может,- это получить доступ к файлам или принтерам, запустить специальные приложения, состоящие из двух частей, т.е. приложения клиент/сервер.

Когда пользователь заходит на Linux сервер, то он может запускать любое приложение (если ему это разрешено), перенося тем самым нагрузку со своей рабочей станции. Это относится и к графическим приложениям, так как X-сервер- это стандартное ПО для ОС Linux.

Для большинства e-mail стал необходимым средством общения, и многие компании имеют свои собственные внутренние/внешние e-mail системы.


Для Microsoft Windows NT 4. 0 придется покупать отдельное ПО для установки своего e-mail сервера. ОС Linux Red Hat поставляется с программой, называемой Sendmail.

Любой системный/сетевой администратор по опыту знает, что существует два основных момента, на которые следует обратить основное внимание при установке файлового сервера или заведения нового сетевого пользователя: безопасность, или пароли и права на файлы, и квоты для ограничения дискового пространства для новых или существующих пользователей или групп. Хотя NT обеспечивает простейшую безопасность по паролю, она имеет безопасность на уровне доступа к файлам. NT не содержит механизмов для ограничения дискового пространства для пользователей. Linux и Netware, наоборот, содержат ПО для обеспечения такого контроля.

Linux включает языки написания скриптов (например, такие, как Bourne Shell, Korn Shell, C Shell, Perl) и так называемый "cron" для выполнения команд по установленному графику через заданные интервалы (каждые n минут, каждые n часов, раз в неделю, раз в месяц и т.д.). Высокоуровневые языки сценариев + cron = мощное средство для системного администрирования, подобного которому нет в Microsoft NT Server 4.0.

Простота настройки и возможность настраивать сервер без перезагрузки- это еще один аспект функциональности.

Linux поддерживает загружаемые модули устройств. Это означает, что можно загрузить Linux и перенастроить поддержку аппаратного и программного обеспечения, не перегружая систему. Это относится и к Novell NetWare.

Windows NT не содержит этого. Даже незначительные изменения в конфигурации Windows NT требуют перезагрузки для вступления изменений в силу. Изменив IP- адрес шлюза-маршрутизатора (default gateway),  потребуется перезагрузка. Нельзя изменить тип модема, используемого для установления PPP соединения, без перезагрузки для обновления системы. Ни одно из этих ограничений не существует в Linux.

Следовательно, Linux с поддержкой загружаемых модулей по существу, больше подходит для сервера, так как для изменения конфигурации не требуется перезагрузка системы.



Linux принадлежит к семейству операционных систем Unix. А это зрелая, технически лучшая группа операционных систем с проверенной рекордной производительностью, надежностью и безопасностью в серверной среде. За практически тридцатилетний период непрерывной разработки, часто выполняемой добровольцами, верящим и в то дело, которым занимаются, была создана группа ОС и чрезвычайно мощные, сделанные под определенные нужды многопроцессорные серверные системы, имеющие производительность, равной которой еще нет в аппаратуре Intel, которые не только отвечают запросам сегодняшних вычислительных потребностей, но и во многих случаях превышают их.

 

 

 

6.9.3 Надежность

В современном мире надежность, как правило, гораздо важнее скорости. Хотя производительность чаще всего зависит от аппаратной, она все таки связана с надежностью, где большое влияние оказывает выбор ОС. Даже если операционная система обладает большей функциональностью, лучше масштабируется и очень проста в управлении, какая польза от этих преимуществ, если сервер, выполняющий финансовые транзакции в реальном времени, часто падает, вызывая неприемлемые простои?

Любой специалист информационных систем, работающий в среде Windows NT, имеет личное знакомство с постыдным "Blue Screen of Death" ("Синий Экран Смерти"), ситуацией, при которой обычный системный экран полностью пропадает, заменяясь полным экраном шестнадцатеричных чисел на синем фоне. Единственный способ выйти из этой ситуации- это отключить питание машины и перезагрузиться.

У NetWare на экран выдается сообщение об аварийном завершении работы, и сервер перестает работать. Сбои происходят в основном из-за следующих ситуаций:

- некорректной работы приложений, которые не являются продуктом Novell;

- аппаратных сбоев;

- неоптимально сконфигурированного сервера.

UNIX'овый эквивалент "синего экрана" называется "kernel panic." В основном UNIX - серверы падают из-за определенных обстоятельств, но это очень редкие случаи.


Любое приложение, вызывающее проблемы, в среде UNIX обычно дает знать через какое-то время, иногда в виде общего падения производительности системы, давая администратору достаточно времени для выявления причины проблемы, исправления ее и остановки/перезапуска процесса (очень редко всей машины!), вызывающего проблему.

Если ни одна из этих ситуаций не возникает, тогда период работоспособного состояния UNIX-системы может измеряться годами. NT, однако, не может похвастаться такими периодами непрерывной работы.

Одни операционные системы являются более защищенными платформами для Web-серверов, нежели другие. Однако существует основное правило: чем большей мощностью и гибкостью обладает операционная система, тем больше она страдает от нападений.

Уязвимыми являются, в частности, UNIX-системы с большим количеством встроенных серверов, сервисов, языков создания сценариев и интерпретаторов, в которых могут найтись лазейки для хакеров. Компьютеры Macintosh и системы, работающие под Microsoft Windows, меньше подвержены взлому. Однако между удобством и безопасностью этих систем существует взаимосвязь.

Система UNIX, управляемая опытным UNIX-администратором, скорее всего, будет более надежна, чем Microsoft Windows, установленная новичком.

6.9.4 Системное управление



Многопользовательская архитектура UNIX поддерживает удаленный доступ на нескольких уровнях, включающих возможность захода в символьную сессию через telnet, редактирования конфигурационных файлов, запуска GUI- средств через сетевую систему X Window, и с некоторых пор через Java- версии средств системного управления.

NetWare также поддерживает удаленный доступ через Remote Console, является почти полным эквивалентом терминала сервера.

Удаленное управление NT обычно включает либо установку локальных специальных программ, которые по мнению Microsoft будут проще из-за больших размеров NT и схожести с основными Windows версиями, либо надежду на многоуровневое ПО системного администрирования от Microsoft или третьих фирм, никаких функций, даже ничего похожего по эффективности администрирования распределенных UNIX-систем.



6.9.5 Производительность



Учитывая, что ядра этих UNIX' ов специально откомпилированы таким образом, чтобы включать только те модули, которые нужны администратору, то Linux могут работать гораздо эффективнее NT. Собственно, любая ОС, требующая меньше ресурсов, будет производительнее более раздутой операционной системы. UNIX для функционирования не требуется графический интерфейс пользователя. NT требуется. Любой знает, что графика требует невероятных количеств дискового пространства и памяти.

Linux по мощности равен UNIX и Windows NT, но требует значительно меньших ресурсов.

NetWare как файловый сервер является лучшим среди других сетевых операционных систем.

По некоторым оценкам Linux - вторая по популярности операционная система, применяемая в Internet в самых разных качествах - от брандмауэра до Web-сервера. В состав стандартной поставки Linux входит Web-сервер Apache, на сегодняшний день один из наиболее широко используемых серверов.

6.9.6 Требования к аппаратному обеспечению

 

Сравним требования основных (применяемых на IBM совместимых компьютерах) операционных систем.

Из табл. 9 видно, что из многозадачных систем Linux имеет самые низкие требования к ресурсам. Правда когда вы устанавливаете X Window (систему, обеспечивающую графический интерфейс и похожую на Windows) требования сразу повышаются. ОЗУ рекомендуется не меньше 8МБ, HD - 100МБ.

                                                                                                      Таблица 9



    Процессор



Разрядность



          HD



 ОЗУ



  Novell      NetWare



     Intel 80386SX



      32



    50MB (мин)



   8MB



       Windows NT



       Pentium



      32



     150MB



  32MB



Linux



     Intel 80386SX



      32



     15MB (мин)



   4МВ



<




Но Linux - система, в отличие от Windows NT, Novell NetWare, может работать и без X Windows. Это значит, что в случаях, когда вам не нужен графический интерфейс, вы можете или работать на более простой и дешевой машине, или компьютер сможет больше ресурсов выделять для выполнения ваших задач. Поскольку Linux более компактен, он и имеет более высокое быстродействие. Это очень просто - ему надо меньше кода загружать с жесткого диска в ОЗУ, большая часть его кода может работать находясь в кэше и т.д.

Утверждают также, что возможно сосуществование практически без конфликтов NT и Novell. В действительности истинная причина такого совместного существования -  Novell производительнее NT в области распределения файлов и принтеров. В UNIX каждый может сделать Microsoft-совместимое коллективное использование файлов и принтеров, причем пользователи могут и не знать, что эти сервисы находятся на UNIX- сервере. Для них для всех это будет NT - сервер. В Linux для этого используется ПО, называемое Samba, которое поставляется со всеми дистрибутивами.

Quinn P. Coldiron, менеджер информационного отдела университета печати в Небраске, пишет о своем опыте работы с Novell, Windows NT и Linux:

"После выполнения утренних обязанностей обычно мы запускаем полное резервное копирование Cats [система исполнения заказов и инвентаризации], которое обычно занимало около двух часов на Netware - сервере. Linux- машина справлялась с этой работой за 45 минут, выигрывая немногим более часа от времени закрытия. Этот выигрыш во времени еще сопровождался снижением требований к аппаратуре, так как Linux - сервер работал всего лишь с 32 Мб ОЗУ и IDE жесткими дисками, в то время как Netware-сервер имел 8 Мб ОЗУ и SCSI диски. Увеличение скорости сказалось также и на ежедневной работе. Я получаю почти ежедневные сообщения, что система,похоже, стала работать быстрее и более стабильно.”

Итак, на основании проведенного анализа операционных систем, учитывая рассмотренные критерии, можно предположить, что для Web - сервера необходимо выбрать ОС Linux.

Преимущество Linux перед другими системами состоит в том, что на сегодня это единственная бесплатная операционная система, способная поддерживать многозадачный и многопользовательский режимы на компьютерах IBM PC и совместимых с ними. Нет надобности обновлять все свои программы каждые несколько лет, выкладывая за это непомерные деньги – многие прикладные программы для Linux можно получить через Internet бесплатно. Более того, через Internet можно бесплатно получить и все исходные тексты самой системы Linux, что дает возможность самому модифицировать и расширять эту систему по своему вкусу.



Преимущества операционной системы Linux заключается в ее широких возможностях и гибкости. Это результат того, что в систему встроено множество возможностей, готовых к использованию сразу после загрузки.

ОС Linux надежна. Период работоспособного состояния может измеряться годами.

Linux имеет самые низкие требования к ресурсам, по сравнению с другими операционными системами, а в следствии этого она более производительна.

 

7 СРЕДСТВА ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ В ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ

При организации взаимодействия узлов в локальных сетях основная роль отводится протоколу канального уровня. Однако для того, чтобы канальный уровень мог справиться с этой задачей, структура локальных сетей должна быть вполне определенной, так, например, наиболее популярный протокол канального уровня - Ethernet - рассчитан на параллельное подключение всех узлов сети к общей для них шине - отрезку коаксиального кабеля. Протокол Token Ring также рассчитан на вполне определенную конфигурацию связей между компьютерами - соединение в кольцо.

Подобный подход, заключающийся в использовании простых структур кабельных соединений между компьютерами локальной сети, являлся следствием основной цели, которую ставили перед собой разработчики первых локальных сетей во второй половине 70-х гг. Эта цель заключалась в нахождении простого и дешевого решения для объединения нескольких десятков компьютеров, находящихся в пределах одного здания, в вычислительную сеть. Решение должно было быть недорогим, потому что в сеть объединялись недорогие компьютеры - появившиеся и быстро распространившиеся тогда миникомпьютеры стоимостью в 10 000 - 20 000 долларов. Количество их в одной организации было небольшим, поэтому предел в несколько десятков (максимум - до сотни) компьютеров представлялся вполне достаточным для роста практически любой локальной сети.

Для упрощения и соответственно удешевления аппаратных и программных решений разработчики первых локальных сетей остановились на совместном использовании кабелей всеми компьютерами сети в режиме разделения времени.


Наиболее явным образом режим совместного использования кабеля проявляется в сетях Ethernet, где коаксиальный кабель физически представляет собой неделимый отрезок кабеля, общий для всех узлов сети. Но и в сетях Token Ring и FDDI, где каждая соседняя пара компьютеров соединена, казалось бы, своими индивидуальными отрезками кабеля, эти отрезки не могут использоваться компьютерами, которые непосредственно к ним подключены, в произвольный момент времени. Эти отрезки образуют кольцо, доступ к которому как к единому целому может быть получен только по вполне определенному алгоритму, в котором участвуют все компьютеры сети. Использование кольца как общего разделяемого ресурса упрощает алгоритмы передачи по нему кадров, так как в каждый конкретный момент времени кольцо используется только одним компьютером.

Такой подход позволяет упростить логику работы сети. Например, отпадает необходимость контроля переполнения узлов сети кадрами от многих станций, решивших одновременно обменяться информацией. В глобальных сетях, где отрезки кабелей, соединяющих отдельные узлы, не рассматриваются как общий ресурс, такая необходимость возникает, и для решения этой проблемы в алгоритмы обмена информацией вводятся весьма сложные процедуры, предотвращающие переполнение каналов связи и узлов сети.

Использование в локальных сетях очень простых конфигураций (общая шина и кольцо) наряду с положительными имело и негативные стороны, из которых наиболее неприятными были ограничения по производительности и надежности. Наличие только одного пути передачи информации, разделяемого всеми узлами сети, в принципе ограничивало пропускную способность сети пропускной способностью этого пути (к тому же разделенной на число компьютеров сети), а надежность сети - надежностью этого пути. Поэтому по мере повышения популярности локальных сетей и расширения их сфер применения все больше стали применяться специальные коммуникационные устройства - мосты и маршрутизаторы,  которые в значительной мере снимали ограничения единственной разделяемой среды передачи данных.


Базовые конфигурации в форме общей шины и кольца превратились в элементарные структуры локальных сетей, которые можно теперь соединять друг с другом более сложным образом, образуя параллельные основные или резервные пути между узлами.

Тем не менее внутри базовых структур по-прежнему работают все те же протоколы разделяемых единственных сред передачи данных, которые были разработаны более 15 лет назад. Это связано с тем, что хорошие скоростные и надежностные характеристики кабелей локальных сетей удовлетворяли в течение всех этих лет пользователей небольших компьютерных сетей, которые могли построить сеть без больших затрат только с помощью сетевых адаптеров и кабеля. К тому же колоссальная инсталляционная база оборудования и программного обеспечения для протоколов Ethernet и Token Ring способствовала тому, что сложился следующий подход - в пределах небольших сегментов используются старые протоколы в их неизменном виде, а объединение таких сегментов в общую сеть происходит с помощью дополнительного и достаточно сложного оборудования.

В последние несколько лет наметилось движение к отказу от использования в локальных сетях разделяемых сред передачи данных и переходу к обязательному использованию между станциями активных коммутаторов, к которым конечные узлы присоединяются индивидуальными линиями связи. В чистом виде такой подход предлагается в технологии ATM (Asynchronous Transfer Mode), а смешанный подход, сочетающий разделяемые и индивидуальные среды передачи данных, используется в технологиях, носящих традиционные названия с приставкой switching (коммутирующий): switching Ethernet, switching Token Ring, switching FDDI.

Но, несмотря на появление новых технологий, классические протоколы локальных сетей Ethernet и Token Ring, по прогнозам специалистов, будут повсеместно использоваться еще по крайней мере лет 5 - 10, в связи с чем знание их деталей необходимо для успешного применения современной коммуникационной аппаратуры.

7.1 Структура стандартов IEEE 802.1 - 802.5



В 1980 г. в институте IEEE был организован "Комитет 802 по стандартизации локальных сетей", в результате работы которого было принято семейство стандартов IEEE 802.х, которые содержат рекомендации для проектирования нижних уровней локальных сетей.


Позже результаты его работы легли в основу комплекса международных стандартов ISO 8802-1...5. Эти стандарты были созданы на основе очень распространенных фирменных стандартов сетей Ethernet, ArcNet и Token Ring. (Помимо IEEE в работе по стандартизации протоколов локальных сетей принимали участие и другие организации. Так, для сетей, работающих на оптоволокне, американским институтом по стандартизации ANSI был разработан стандарт FDDI, обеспечивающий скорость передачи данных 100 Мб/с. Работы по стандартизации протоколов ведутся также ассоциацией ECMA (European Computer Manufacturers Association), которой приняты стандарты ECMA-80, 81, 82 для локальной сети типа Ethernet и впоследствии стандарты ECMA-89, 90 по методу передачи маркера.)

Стандарты семейства IEEE 802.x охватывают только два нижних уровня семиуровней модели OSI - физический и канальный. Это связано с тем, что именно эти уровни в наибольшей степени отражают специфику локальных сетей. Старшие же уровни, начиная с сетевого, в значительной степени имеют общие черты как для локальных, так и для глобальных сетей.

Специфика локальных сетей нашла также свое отражение в разделении канального уровня на два подуровня:

- подуровень управления доступом к среде (Media Access Control, MAC);

- подуровень логической передачи данных (Logical Link Control, LLC).

MAC-уровень появился из-за существования в локальных сетях разделяемой среды передачи данных. Именно этот уровень обеспечивает корректное совместное использование общей среды, предоставляя ее в соответствии с определенным алгоритмом в распоряжение той или иной станции сети. После того, как доступ к среде получен, ею может пользоваться следующий подуровень, организующий надежную передачу логических единиц данных - кадров информации. В современных локальных сетях получили распространение несколько протоколов MAC-уровня, реализующих различные алгоритмы доступа к разделяемой среде. Эти протоколы полностью определяют специфику таких технологий как Ethernet, Token Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN.



Уровень LLC отвечает за достоверную передачу кадров данных между узлами, а также реализует функции интерфейса с прилегающим к нему сетевым уровнем. Для уровня LLC также существует несколько вариантов протоколов, отличающихся наличием или отсутствием на этом уровне процедур восстановления кадров в случае их потери или искажения, т.е. отличающихся качеством транспортных услуг этого уровня.

Протоколы уровней MAC и LLC взаимно независимы: каждый протокол MAC-уровня может применяться с любым типом протокола LLC-уровня и наоборот.

Стандарт IEEE 802 содержит несколько разделов:

- В разделе 802.1 приводятся основные понятия и определения, общие характеристики и требования к локальным сетям.

- Раздел 802.2 определяет подуровень управления логическим каналом LLC.

- Разделы 802.3 - 802.5 регламентируют спецификации различных протоколов подуровня доступа к среде MAC и их связь с уровнем LLC:

o

стандарт 802.3 описывает коллективный доступ с опознаванием несущей и обнаружением конфликтов (Carrier sense multiple access with collision detection - CSMA/CD), прототипом которого является метод доступа стандарта Ethernet;

o        стандарт 802.4 определяет метод доступа к шине с передачей маркера (Token bus network), прототип - ArcNet;

o        стандарт 802.5 описывает метод доступа к кольцу с передачей маркера (Token ring network), прототип - Token Ring.

Для каждого из этих стандартов определены спецификации физического уровня, определяющие среду передачи данных (коаксиальный кабель, витая пара или оптоволоконный кабель), ее параметры, а также методы кодирования информации для передачи по данной среде.

Все методы доступа используют протоколы уровня управления логическим каналом LLC, описанным в стандарте 802.2.

В основу протокола LLC положен протокол HDLC (High-level Data Link Control Procedure), широко использующийся в территориальных сетях.

 

7.2 Стандарты технологии Ethernet



В 1980 г. фирмы DEC, Intel и Xerox совместно разработали и опубликовали стандарт Ethernet версии II для сети, построенной на основе коаксиального кабеля.


Поэтому стандарт Ethernet иногда называют стандартом DIX по заглавным буквам названий фирм.

На основе стандарта Ethernet DIX был разработан стандарт IEEE 802.3, который во многом совпадает со своим предшественником, но некоторые различия все же имеются. В то время, как в стандарте IEEE 802.3 различаются уровни MAC и LLC, в оригинальном Ethernet оба эти уровня объединены в единый канальный уровень. В Ethernet определяется протокол тестирования конфигурации (Ethernet Configuration Test Protocol), который отсутствует в IEEE 802.3. Несколько отличается и формат кадра, хотя минимальные и максимальные размеры кадров в этих стандартах совпадают.

В зависимости от типа физической среды стандарт IEEE 802.3 имеет различные модификации - 10Base-5, 10Base-2, 10Base-T, 10Base-F.

Для передачи двоичной информации по кабелю для всех вариантов физического уровня технологии Ethernet используется манчестерский код.

Все виды стандартов Ethernet используют один и тот же метод разделения среды передачи данных - метод CSMA/CD.



7.3  Метод доступа CSMA/CD



В сетях Ethernet используется метод доступа к среде передачи данных, называемый методом коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий (carrier-sense-multiply-access with collision detection, CSMA/CD). Этот метод используется исключительно в сетях с общей шиной (к которым относятся и радиосети, породившие этот метод). Все компьютеры такой сети имеют непосредственный доступ к общей шине, поэтому она может быть использована для передачи данных между любыми двумя узлами сети. Простота схемы подключения - это один из факторов, определивших успех стандарта Ethernet. Говорят, что кабель, к которому подключены все станции, работает в режиме коллективного доступа (multiply-access,MA).

Все данные, передаваемые по сети, помещаются в кадры определенной структуры и снабжаются уникальным адресом станции назначения. Затем кадр передается по кабелю. Все станции, подключенные к кабелю, могут распознать факт передачи кадра, и та станция, которая узнает собственный адрес в заголовках кадра, записывает его содержимое в свой внутренний буфер, обрабатывает полученные данные и посылает по кабелю кадр-ответ.


Адрес станции-источника также включен в исходный кадр, поэтому станция- получатель знает, кому нужно послать ответ.

При описанном подходе возможна ситуация, когда две станции одновременно пытаются передать кадр данных по общему кабелю см. рис. 29. Для уменьшения вероятности этой ситуации непосредственно перед отправкой кадра передающая станция слушает кабель (т.е. принимает и анализирует возникающие на нем электрические сигналы), чтобы обнаружить, не передается ли уже по кабелю кадр данных от другой станции. Если опознается несущая (carrier-sense, CS), то станция откладывает передачу своего кадра до окончания чужой передачи и только потом пытается вновь его передать. Но даже при таком алгоритме две станции одновременно могут решить, что по шине в данный момент времени нет передачи, и начать одновременно передавать свои кадры. Говорят, что при этом происходит коллизия, так как содержимое обоих кадров сталкивается на общем кабеле, что приводит к искажению информации.

Чтобы корректно обработать коллизию, все станции одновременно наблюдают за возникающими на кабеле сигналами. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется обнаружение коллизии (collision detection, CD). Для увеличения вероятности немедленного обнаружения коллизии всеми станциями сети, ситуация коллизии усиливается посылкой в сеть станциями, начавшими передачу своих кадров, специальной последовательности битов, называемой jam-последовательностью. После обнаружения коллизии передающая станция обязана прекратить передачу и ожидать в течение короткого случайного интервала времени, а затем может снова сделать попытку передачи кадра.

Из описания метода доступа видно, что он носит вероятностный характер, и вероятность успешного получения в свое распоряжение общей среды зависит от загруженности сети, т.е. от интенсивности возникновения в станциях потребности передачи кадров. При разработке этого метода предполагалось, что скорость передачи данных в 10 Мб/с очень высока по сравнению с потребностями компьютеров во взаимном обмене данными, поэтому загрузка сети будет всегда небольшой.


Это предположение остается часто справедливым и по сей день, однако уже появились приложения, работающие в реальном масштабе времени с мультимедийной информацией, для которых требуются гораздо более высокие скорости передачи данных. Поэтому наряду с классическим Ethernet'ом растет потребность и в новых высокоскоростных технологиях.

Метод CSMA/CD определяет основные временные и логические соотношения, гарантирующие корректную работу всех станций в сети:

- Между двумя последовательно передаваемыми по общей шине кадрами информации должна выдерживаться пауза в 9.6 мкс; эта пауза нужна для приведения в исходное состояние сетевых адаптеров узлов, а также для предотвращения монопольного захвата среды передачи данных одной станцией.

- При обнаружении коллизии (условия ее обнаружения зависят от применяемой физической среды) станция выдает в среду специальную 32-х битную последовательность (jam-последовательность), усиливающую явление коллизии для более надежного распознавания ее всеми узлами сети.

- После обнаружения коллизии каждый узел, который передавал кадр и столкнулся с коллизией, после некоторой задержки пытается повторно передать свой кадр. Узел делает максимально 16 попыток передачи этого кадра информации, после чего отказывается от его передачи. Величина задержки выбирается как равномерно распределенное случайное число из интервала, длина которого экспоненциально увеличивается с каждой попыткой. Такой алгоритм выбора величины задержки снижает вероятность коллизий и уменьшает интенсивность выдачи кадров в сеть при ее высокой загрузке.

Четкое распознавание коллизий всеми станциями сети является необходимым условием корректной работы сети Ethernet. Если какая-либо передающая станция не распознает коллизию и решит, что кадр данных ею передан верно, то этот кадр данных будет утерян, так как информация кадра исказится из-за наложения сигналов при коллизии, он будет отбракован принимающей станцией (скорее всего, из-за несовпадения контрольной суммы). Конечно, скорее всего, искаженная информация будет повторно передана каким-либо протоколом верхнего уровня, например транспортным или прикладным, работающим с установлением соединения и нумерацией своих сообщений.


Но повторная передача сообщения протоколами верхних уровней произойдет через гораздо более длительный интервал времени (десятки секунд) по сравнению с микросекундными интервалами, которыми оперирует протокол Ethernet. Поэтому если коллизии не будут надежно распознаваться узлами сети Ethernet, то это приведет к заметному снижению полезной пропускной способности данной сети. Все параметры протокола Ethernet подобраны таким образом, чтобы при нормальной работе узлов сети коллизии всегда четко распознавались. Именно для этого минимальная длина поля данных кадра должна быть не менее 46 байт (что вместе со служебными полями дает минимальную длину кадра в 72 байта или 576 бит).



Рис. 29. Схема возникновения коллизии в методе случайного доступа CSMA/CD: (tp - задержка распространения сигнала между станциями A и B).

Длина кабельной системы выбирается таким образом, чтобы за время передачи кадра минимальной длины сигнал коллизии успел бы распространиться до самого дальнего узла сети. Поэтому для скорости передачи данных 10 Мб/с, используемой в стандартах Ethernet, максимальное расстояние между двумя любыми узлами сети не должно превышать 2500 метров.

С увеличением скорости передачи кадров, что имеет место в новых стандартах, базирующихся на том же методе доступа CSMA/CD, например Fast Ethernet, максимальная длина сети уменьшается пропорционально увеличению скорости передачи. В стандарте Fast Ethernet она составляет 210 м, а в гигабитном Ethernet ограничена 25 метрами.

Независимо от реализации физической среды, все сети Ethernet должны удовлетворять двум ограничениям, связанным с методом доступа:

- максимальное расстояние между двумя любыми узлами не должно превышать 2500 м;

- в сети не должно быть более 1024 узлов.

Кроме того, каждый вариант физической среды добавляет к этим ограничениям свои ограничения, которые также должны выполняться.

Уточним основные параметры операций передачи и приема кадров Ethernet, кратко описанные выше.

Станция, которая хочет передать кадр, должна сначала с помощью MAC-узла упаковать данные в кадр соответствующего формата.


Затем для предотвращения смешения сигналов с сигналами другой передающей станции MAC-узел должен прослушивать электрические сигналы на кабеле и в случае обнаружения несущей частоты 10 МГц отложить передачу своего кадра. После окончания передачи по кабелю станция должна выждать небольшую дополнительную паузу, называемую межкадровым интервалом (interframe gap), что позволяет узлу назначения принять и обработать передаваемый кадр, и после этого начать передачу своего кадра.

Одновременно с передачей битов кадра приемно-передающее устройство узла следит за принимаемыми по общему кабелю битами, чтобы вовремя обнаружить коллизию. Если коллизия не обнаружена, то передается весь кадр, поле чего MAC-уровень узла готов принять кадр из сети либо от LLC-уровня.

Если же фиксируется коллизия, то MAC-узел прекращает передачу кадра и посылает jam-последовательность, усиливающую состояние коллизии. После посылки в сеть jam-последовательности MAC-узел делает случайную паузу и повторно пытается передать свой кадр.

В случае повторных коллизий существует максимально возможное число попыток повторной передачи кадра (attempt limit), которое равно 16. При достижении этого предела фиксируется ошибка передачи кадра, сообщение о которой передается протоколу верхнего уровня.

Для того чтобы уменьшить интенсивность коллизий, каждый MAC-узел с каждой новой попыткой случайным образом увеличивает длительность паузы между попытками. Временное расписание длительности паузы определяется на основе усеченного двоичного экспоненциального алгоритма отсрочки (truncated binary exponential backoff). Пауза всегда составляет целое число так называемых интервалов отсрочки.

Интервал отсрочки (slot time) - это время, в течение которого станция гарантированно может узнать, что в сети нет коллизии. Это время тесно связано с другим важным временным параметром сети - окном коллизий (collision window). Окно коллизий равно времени двукратного прохождения сигнала между самыми удаленными узлами сети - наихудшему случаю задержки, при которой станция еще может обнаружить, что произошла коллизия.


Интервал отсрочки выбирается равным величине окна коллизий плюс некоторая дополнительная величина задержки для гарантии:

интервал отсрочки = окно коллизий + дополнительная задержка

В стандартах 802.3 большинство временных интервалов измеряется в количестве межбитовых интервалов, величина которых для битовой скорости 10 Мб/с составляет 0.1 мкс и равна времени передачи одного бита.

Величина интервала отсрочки в стандарте 802.3 определена равной 512 битовым интервалам, и эта величина рассчитана для максимальной длины коаксиального кабеля в 2.5 км. Величина 512 определяет и минимальную длину кадра в 64 байта, так как при кадрах меньшей длины станция может передать кадр и не успеть заметить факт возникновения коллизии из-за того, что искаженные коллизией сигналы дойдут до станции в наихудшем случае после завершения передачи. Такой кадр будет просто потерян.

Время паузы после N-ой коллизии полагается равным L интервалам отсрочки, где L - случайное целое число, равномерно распределенное в диапазоне [0, 2N]. Величина диапазона растет только до 10-й попытки (напомним, что их не может быть больше 16), а далее диапазон остается равным [0, 210], т.е. [0, 1024]. Значения основных параметров процедуры передачи кадра стандарта 802.3 приведено в табл. 10.

 Учитывая приведенные параметры, нетрудно рассчитать максимальную производительность сегмента Ethernet в таких единицах, как число переданных пакетов минимальной длины в секунду (packets-per-second, pps).                                                           

                               

                                                                                                    Таблица 10

Битовая скорость

10 Мб/c

Интервал отсрочки

512 битовых интервалов

Межкадровый интервал

9.6 мкс

Максимальное число попыток передачи

16

Максимальное число возрастания диапазона паузы

10

Длина jam-последовательности

32 бита

Максимальная длина кадра (без преамбулы)

1518 байт

Минимальная длина кадра (без преамбулы)

64 байта (512 бит)

Длина преамбулы

64 бита

<


Количество обрабатываемых пакетов Ethernet в секунду часто используется при указании внутренней производительности мостов и маршрутизаторов, вносящих дополнительные задержки при обмене между узлами. Поэтому интересно знать чистую максимальную производительность сегмента Ethernet в идеальном случае, когда на кабеле нет коллизий и нет дополнительных задержек, вносимых мостами и маршрутизаторами.

Так как размер пакета минимальной длины вместе с преамбулой составляет  64+8 = 72 байта,  или 576 бит,  то на его передачу затрачивается 57.6 мкс. Прибавив межкадровый интервал в 9.6 мкс, получаем, что период следования минимальных пакетов равен 67.2 мкс. Это соответствует максимально  возможной   пропускной способности сегмента Ethernet в 14880 п/с.

7.4 Спецификации физической среды Ethernet



Исторически первые сети технологии Ethernet были созданы на коаксиальном кабеле диаметром 0.5 дюйма. В дальнейшем были определены и другие спецификации физического уровня для стандарта Ethernet, позволяющие использовать различные среды передачи данных в качестве общей шины. Метод доступа CSMA/CD и все временные параметры Ethernet остаются одними и теми же для любой спецификации физической среды.

Физические спецификации технологии Ethernet на сегодняшний день включают следующие среды передачи данных:

10Base-5 - коаксиальный кабель диаметром 0.5 дюйма, называемый "толстым" коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента - 500 метров (без повторителей).

10Base-2 - коаксиальный кабель диаметром 0.25 дюйма, называемый "тонким" коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента - 185 метров (без повторителей).

10Base-T - кабель на основе неэкранированной витой пары (Unshielded Twisted Pair, UTP). Образует звездообразную топологию с концентратором. Расстояние между концентратором и конечным узлом - не более 100 м.

10Base-F - оптоволоконный кабель. Топология аналогична стандарту на витой паре. Имеется несколько вариантов этой спецификации - FOIRL, 10Base-FL, 10Base-FB.

Число 10 обозначает битовую скорость передачи данных этих стандартов - 10 Мб/с, а слово Base - метод передачи на одной базовой частоте 10 МГц (в отличие от стандартов, использующих несколько несущих частот, которые называются broadband - широкополосными).

             7.5 Стандарт 10Base-T



Стандарт принят в 1991 г. как дополнение к существующему набору стандартов Ethernet и имеет обозначение 802.3i. Использует в качестве среды двойную неэкранированную витую пару (Unshielded Twisted Pair, UTP).


Соединения станций осуществляются по топологии "точка - точка" со специальным устройством - многопортовым повторителем с помощью двух витых пар. Одна витая пара используется для передачи данных от станции к повторителю (выход Tx сетевого адаптера), а другая - для передачи данных от повторителя станции (вход Rx сетевого адаптера). На рис. 30 показан пример трехпортового повторителя. Многопортовые повторители в данном случае обычно называются концентраторами (англоязычные термины – hub, или concentrator). Концентратор осуществляет функции повторителя сигналов на всех отрезках витых пар, подключенных к его портам, так что образуется единая среда передачи данных - моноканал (шина). Повторитель обнаруживает коллизию в сегменте в случае одновременной передачи сигналов по нескольким своим Rx- входам и посылает jam-последовательность на все свои Tx- выходы. Стандарт определяет битовую скорость передачи данных 10 Мб/с и максимальное расстояние отрезка витой пары между двумя непосредственно связанными узлами (станциями и концентраторами) не более 100 м при использовании витой пары качества не ниже категории 3.

Возможно  иерархическое  соединение  концентраторов  в дерево см. рис. 31. Для обеспечения синхронизации станций при реализации процедур доступа CSMA/CD и надежного распознавания станциями коллизий в стандарте определено максимально число концентраторов между любыми двумя станциями сети.

Общее количество станций в сети 10Base-T не должно превышать 1024. Сети, построенные на основе стандарта 10Base-T, обладают, по сравнению с коаксиальными вариантами Ethernet'а, многими преимуществами. Эти преимущества связаны с разделением общего физического кабеля на отдельные кабельные отрезки, подключенные к центральному коммуникационному устройству. И хотя логически эти отрезки по-прежнему образуют общий домен коллизий, их физическое разделение позволяет контролировать их состояние и отключать, в случае обрыва, короткого замыкания или




Сеть 10Base-T - один домен коллизий">


Рис. 30. Сеть 10Base-T - один домен коллизий:

Tx - передатчик, Rx – приемник

неисправности сетевого адаптера на индивидуальной основе. Это обстоятельство существенно облегчает эксплуатацию больших сетей Ethernet, так как концентратор обычно автоматически выполняет такие функции, уведомляя при этом администратора сети о возникшей проблеме.



7.6 Стандарт 10Base-F



Стандарт 10Base-F использует в качестве среды передачи данных оптоволокно. Функционально сеть стандарта 10Base-F состоит из тех же элементов, что и сеть стандарта 10Base-T - сетевых адаптеров, многопортового повторителя и отрезков кабеля, соединяющих адаптер с портом повторителя. Как и при использовании витой пары, для соединения адаптера с повторителем используется два оптоволокна - одно соединяет выход Tx адаптера со входом Rx повторителя, а другое - вход Rx адаптера с выходом Tx повторителя.

Стандарт FOIRL (Fiber Optic Inter-Repeater Link) - это первый стандарт комитета 802.3 для использования оптоволокна в сетях Ethernet. Он гарантирует длину оптоволоконной связи между повторителями до 1 км при общей длине сети не более 2500 м. Максимальное число повторителей - 4.     Стандарт 10Base-FL предназначен для соединения конечных узлов с концентратором и работает с сегментами оптоволокна длиной не более 2000 м при общей длине сети не более 2500 м. Максимальное число повторителей - 4.



Рис. 31. Повторители (концентраторы)

Стандарт 10Base-FB предназначен для магистрального соединения повторителей. Он позволяет иметь в сети до 5 повторителей при максимальной длине одного сегмента 2000 м и максимальной длине сети 2740 м. Повторители, соединенные по стандарту 10Base-FB, постоянно обмениваются специальными последовательностями сигналов, отличающимися от сигналов кадров данных, для обнаружения отказов своих портов. Поэтому концентраторы стандарта 10Base-FB могут поддерживать резервные связи, переходя на резервный порт при обнаружении отказа основного с помощью тестовых специальных сигналов. Концентраторы этого стандарта передают как данные, так и сигналы простоя линии синхронно, поэтому биты синхронизации кадра не нужны и не передаются.


Стандарт 10Base- FB поэтому называют также синхронный Ethernet. Стандарты 10Base-FL и 10Base-FB не совместимы между собой.

7.7 Методика расчета конфигурации сети Ethernet



Для того чтобы сеть Ethernet, состоящая из сегментов различной физической природы, работала корректно, необходимо, чтобы выполнялись три основных условия:

- Количество станций в сети не превышает 1024 (с учетом ограничений для коаксиальных сегментов).

- Удвоенная задержка распространения сигнала (Path Delay Value, PDV) между двумя самыми удаленными друг от друга станциями сети не превышает 575 битовых интервалов.

- Сокращение межкадрового расстояния (Interpacket Gap Shrinkage) при прохождении последовательности кадров через все повторители не более, чем на 49 битовых интервалов (напомним, что при отправке кадров станция обеспечивает начальное межкадровое расстояние в 96 битовых интервалов).

Соблюдение этих требований обеспечивает корректность работы сети даже в случаях, когда нарушаются простые правила конфигурирования, определяющие максимальное количество повторителей и максимальную длину сегментов каждого типа.

Физический смысл ограничения задержки распространения сигнала по сети уже пояснялся - соблюдение этого требования обеспечивает своевременное обнаружение коллизий.

Требование на минимальное межкадровое расстояние связано с тем, что при прохождении кадра через повторитель это расстояние уменьшается. Каждый пакет, принимаемый повторителем, ресинхронизируется для исключения дрожания сигналов, накопленного при прохождении последовательности импульсов по кабелю и через интерфейсные схемы. Процесс ресинхронизации обычно увеличивает длину преамбулы, что уменьшает межкадровый интервал. При прохождении кадров через несколько повторителей межкадровый интервал может уменьшиться настолько, что сетевым адаптерам в последнем сегменте не хватит времени на обработку предыдущего кадра, в результате чего кадр будет просто потерян. Поэтому не допускается суммарное уменьшение межкадрового интервала более чем на 49 битовых интервалов.


Величину уменьшения межкадрового расстояния при переходе между соседними сегментами обычно называют в англоязычной литературе Segment Variability Value, SVV, а суммарную величину уменьшения межкадрового интервала при прохождении всех повторителей - Path Variability Value, PVV. Очевидно, что величина PVV равна сумме SVV всех сегментов, кроме последнего.

Расчет PDV



Для упрощения расчетов обычно используются справочные данные, содержащие значения задержек распространения сигналов в повторителях, приемопередатчиках и в различных физических средах. В табл. 10 приведены данные, необходимые для расчета значения PDV для всех физических стандартов сетей Ethernet, взятые из справочника Technical Reference Pocket Guide (Volume 4, Number 4) компании Bay Networks.      

                                                                                   Таблица 10

Тип сегмента

База левого сегмента

База промежуточного сегмента

База правого сегмента

Задержка среды на 1 м

Максимальная длина сегмента

10Base-5

11.8

46.5

169.5

0.0866

500

10Base-2

11.8

46.5

169.5

0.1026

185

10Base-T

15.3

42.0

165.0

0.113

100

10Base-FB

-

24.0

-

0.1

2000

10Base-FL

12.3

33.5

156.5

0.1

2000

FOIRL

7.8

29.0

152.0

0.1

1000

AUI (> 2 м)

0

0

0

0.1026

2+48

Поясним терминологию, использованную в этой таблице, на примере сети, изображенной на рис. 32.

Левым сегментом называется сегмент, в котором начинается путь сигнала от выхода передатчика (выход Tx) конечного узла. Затем сигнал проходит через промежуточные сегменты и доходит до приемника (вход Rx) наиболее удаленного узла наиболее удаленного сегмента, который называется правым. С каждым сегментом связана постоянная задержка, названная базой, которая зависит только от типа сегмента и от положения сегмента на пути сигнала (левый, промежуточный или правый). Кроме этого, с каждым сегментом связана задержка распространения сигнала вдоль кабеля сегмента, которая зависит от длины сегмента и вычисляется путем умножения времени распространения сигнала по одному метру кабеля (в битовых интервалах) на длину кабеля в метрах.



Общее значение PDV равно сумме базовых и переменных задержек всех сегментов сети. Значения констант в таблице даны с учетом удвоения величины задержки при круговом обходе сети сигналом, поэтому удваивать полученную сумму не нужно. 

 



Рис. 32. Пример сети Ethernet, состоящей из сегментов

различных физических стандартов

Так как левый и правый сегмент имеют различные величины базовой задержки, то в случае различных типов сегментов на удаленных краях сети необходимо выполнить расчеты дважды: один раз принять в качестве левого сегмента сегмент одного типа, а во второй раз - сегмент другого типа, а результатом считать максимальное значение PDV. В нашем примере крайние сегменты сети принадлежат к одному типу - стандарту 10Base-T, поэтому двойной расчет не требуется, но если бы они были сегментами разного типа, то в первом случае нужно было бы принять в качестве левого сегмент между станцией и концентратором 1, а во втором считать левым сегмент между станцией и концентратором 5.

Рассчитаем значение PDV для нашего примера.

Левый сегмент 1: 15.3 (база) + 100 м ґ 0.113 /м = 26.6.

Промежуточный сегмент 2: 33.5 + 1000 ґ 0.1 = 133.5.

Промежуточный сегмент 3: 24 + 500 ґ 0.1 = 74.0.

Промежуточный сегмент 4: 24 + 500 ґ 0.1 = 74.0.

Промежуточный сегмент 5: 24 + 600 ґ 0.1 = 84.0.

Правый сегмент 6: 165 + 100 ґ 0.113 = 176.3.

Сумма всех составляющих дает значение PDV, равное 568.4.

Так как значение PDV меньше максимально допустимой величины 575, то эта сеть проходит по величине максимально возможной задержки оборота сигнала, несмотря на то, что ее общая длина больше 2500 метров.

Расчет PVV



Для расчета PVV также можно воспользоваться табличными значениями максимальных величин уменьшения межкадрового интервала при прохождении повторителей различных физических сред (табл. 11 взята из того же справочника, что и предыдущая).

                                                                                                  Таблица 11



Тип сегмента

Передающий сегмент

Промежуточный сегмент

10Base-5 или 10Base-2

16

11

10Base-FB

-

2

10Base-FL

10.5

8

10Base-T

10.5

8

В соответствии с этими данными рассчитаем значение PVV для нашего примера.

Левый сегмент 1 10Base-T:

дает сокращение в 10.5 битовых интервалов.

Промежуточный сегмент 2 10Base-FL:

8.

Промежуточный сегмент 3 10Base-FB:

2.

Промежуточный сегмент 4 10Base-FB:

2.

Промежуточный сегмент 5 10Base-FB:

2.

Сумма этих величин дает значение PVV, равное 24.5, что меньше предельного значения в 49 битовых интервалов.

В результате приведенная в примере сеть по всем параметрам соответствует стандартам Ethernet.

 



8 ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТАНДАРТА TOKEN RING



Сети стандарта Token Ring, также как и сети Ethernet, используют разделяемую среду передачи данных, которая состоит из отрезков кабеля, соединяющих все станции сети в кольцо. Кольцо рассматривается как общий разделяемый ресурс, и для доступа к нему используется не случайный алгоритм, как в сетях Ethernet, а детерминированный, основанный на передаче станциями права на использование кольца в определенном порядке. Право на использование кольца передается с помощью кадра специального формата, называемого маркером или токеном.

Стандарт Token Ring был принят комитетом 802.5 в 1985 г. В это же время компания IBM приняла стандарт Token Ring в качестве своей основной сетевой технологии. В настоящее время именно компания IBM является основным законодателем моды технологии Token Ring, производя около 60% сетевых адаптеров этой технологии.

Сети  Token Ring работают с двумя битовыми скоростями - 4 Мб/с и 16 Мб/с. Первая скорость определена в стандарте 802.5, а вторая является новым стандартом де-факто, появившимся в результате развития технологии Token Ring. Смешение станций, работающих на различных скоростях, в одном кольце не допускается.

Сети Token Ring, работающие со скоростью 16 Мб/с, имеют и некоторые  усовершенствования  в алгоритме доступа по сравнению со стандартом 4 Мб/с.



8.1 Маркерный метод доступа к разделяемой среде



В сетях с маркерным методом доступа право на доступ к среде передается циклически от станции к станции по логическому кольцу. Кольцо образуется отрезками кабеля, соединяющими соседние станции. Таким образом, каждая станция связана со своей предшествующей и последующей станцией и может непосредственно обмениваться данными только с ними. Для обеспечения доступа станций к физической среде по кольцу циркулирует кадр специального формата и назначения - маркер (токен).

Получив маркер, станция анализирует его, при необходимости модифицирует и при отсутствии у нее данных для передачи обеспечивает его продвижение к следующей станции. Станция, которая имеет данные для передачи, при получении маркера изымает его из кольца, что дает ей право доступа к физической среде и передачи своих данных. Затем эта станция выдает в кольцо кадр данных установленного формата последовательно по битам. Переданные данные проходят по кольцу всегда в одном направлении от одной станции к другой.

При поступлении кадра данных к одной или нескольким станциям эти станции копируют для себя этот кадр и вставляют в этот кадр подтверждение приема. Станция, выдавшая кадр данных в кольцо, при обратном его получении с подтверждением приема изымает этот кадр из кольца и выдает новый маркер для обеспечения возможности другим станциям сети передавать данные.

На рис. 33 описанный алгоритм доступа к среде иллюстрируется временной диаграммой. Здесь показана передача пакета А в кольце, состоящем из 6 станций, от станции 1 к станции 3.

Время удержания одной станцией маркера ограничивается тайм-аутом удержания маркера, после истечения которого станция обязана передать маркер далее по кольцу.

В сетях Token Ring 16 Мб/с используется также несколько другой алгоритм доступа к кольцу, называемый алгоритмом раннего освобождения маркера (Early Token Release). В соответствии с ним 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 приближается к 80 % от номинальной.

Для различных видов сообщений передаваемым данным могут назначаться различные приоритеты.

Каждая станция имеет механизмы обнаружения и устранения неисправностей сети, возникающих в результате ошибок передачи или переходных явлений (например, при подключении и отключении станции).

Не все станции в кольце равны. Одна из станций обозначается как активный монитор, что означает дополнительную ответственность по управлению кольцом. Активный монитор осуществляет управление тайм-аутом в кольце, порождает новые маркеры (если необходимо), чтобы сохранить рабочее состояние, и генерирует диагностические кадры при определенных обстоятельствах. Активный монитор выбирается, когда кольцо инициализируется, и в этом качестве может выступить любая станция сети. Если монитор отказал по какой-либо причине, существует механизм, с помощью которого другие станции (резервные мониторы) могут договориться, какая из них будет новым активным монитором.



Рис. 33. Принцип маркерного доступа

8.2 Форматы кадров Token Ring



В Token Ring существует три различных формата кадров:

1)    маркер;

2)    кадр данных;

3)    прерывающаяся последовательность.

Маркер

Кадр маркера состоит из трех полей, каждое длиной в один байт.

·         Поле начального ограничителя появляется в начале маркера, а также в начале любого кадра, проходящего по сети. Поле состоит из уникальной серии электрических импульсов, которые отличаются от тех импульсов, которыми кодируются единицы и нули в байтах данных. Поэтому начальный ограничитель нельзя спутать ни с какой битовой последовательностью.

·         Поле контроля доступа, разделяется на четыре элемента данных:

PPP, T, M, RRR,

где PPP - биты приоритета, T - бит маркера, M - бит монитора, RRR - резервные биты.

Каждый кадр или маркер имеет приоритет, устанавливаемый битами приоритета (значение от 0 до 7, 7 - наивысший приоритет).


Станция может воспользоваться маркером, если только она получила маркер с приоритетом, меньшим, чем ее собственный, или равный ему. Сетевой адаптер станции, если ему не удалось захватить маркер, помещает свой приоритет в резервные биты маркера, но только в том случае, если записанный в резервных битах приоритет ниже его собственного. Эта станция будет иметь преимущественный доступ при последующем поступлении к ней маркера.

Схема использования приоритетного метода захвата маркера показана на рис. 34. Сначала монитор помещает в поле текущего приоритета P максимальное значение приоритета, а поле резервного приоритета R обнуляется (маркер 7110). Маркер проходит по кольцу, в котором станции имеют текущие приоритеты 3, 6 и 4. Так как эти значения меньше, чем 7, то захватить маркер станции не могут, но они записывают свое значение приоритета в поле резервного приоритета, если их приоритет выше его текущего значения. В результате маркер возвращается к монитору со значением резервного приоритета R = 6. Монитор переписывает это значение в поле P, а значение резервного приоритета обнуляет, и снова отправляет маркер по кольцу. При этом обороте его захватывает станция с приоритетом 6 - наивысшим приоритетом в кольце в данный момент времени.

Бит маркера имеет значение 0 для маркера и 1 для кадра.

Бит монитора устанавливается в 1 активным монитором и в 0 любой другой станцией, передающей маркер или кадр. Если активный монитор видит маркер или кадр, содержащий бит монитора в 1, то активный монитор знает, что этот кадр или маркер уже однажды обошел кольцо и не был обработан станциями. Если это кадр, то он удаляется из кольца. Если это маркер, то активный монитор переписывает приоритет из резервных битов полученного маркера в поле приоритета. Поэтому при следующем проходе маркера по кольцу его захватит станция, имеющая наивысший приоритет.

·         Поле конечного ограничителя - последнее поле маркера. Так же, как и поле начального ограничителя, это поле содержит уникальную серию электрических импульсов, которые нельзя спутать с данными.


Кроме отметки конца маркера, это поле также содержит два подполя: бит промежуточного кадра и бит ошибки. Эти поля относятся больше к кадру данных, который мы и рассмотрим.

Кадр данных

Кадр данных состоит из нескольких групп полей:

  • последовательность начала кадра;


  • адрес получателя;


  • адрес отправителя;


  • данные;


  • последовательность контроля кадра;


  • последовательность конца кадра.


  • Кадр данных может переносить данные либо для управления кольцом (данные MAC-уровня), либо пользовательские данные (LLC-уровня). Стандарт Token Ring определяет 6 типов управляющих кадров MAC-уровня. Поле "последовательность начала кадра" определяет тип кадра (MAC или LLC), и если он определен как MAC, то поле также указывает, какой из шести типов кадров представлен данным кадром.

    Назначение этих шести типов кадров следующее.

    ·         Чтобы удостовериться, что ее адрес уникальный, станция посылает кадр "Тест дублирования адреса", когда впервые присоединяется к кольцу.

    ·         Чтобы сообщить другим станциям, что он еще жив, активный монитор запускает кадр "Активный монитор существует" так часто, как только может.

    ·         Кадр "Существует резервный монитор" отправляется любой станцией, не являющейся активным монитором.

    ·         Резервный монитор отправляет "Маркеры заявки", когда подозревает, что активный монитор отказал. Резервные мониторы затем договариваются между собой, какой из них станет новым активным монитором. 



    Рис. 34. Приоритеты в кольце Token Ring

     

    ·         Станция отправляет кадр "Сигнал" в случае возникновения серьезных сетевых проблем, таких как оборванный кабель, или при обнаружении станции, передающей кадры без ожидания маркера.


    Определяя, какая станция отправляет кадр сигнала, диагностирующая программа может локализовать проблему.

    ·         Кадр "Очистка" отправляется после того, как произошла инициализация кольца, и новый активный монитор заявляет о себе.

    Каждый кадр (MAC или LLC) начинается с "последовательности начала кадра", которая содержит три поля:

  • Начальный ограничитель (такой же, как и для маркера).


  • Управление доступом (также совпадает для кадров и для маркеров).


  • ·         Контроль кадра (это однобайтовое поле, содержащее два подполя - тип кадра и идентификатор управления MAC: 2 бита типа кадра имеют значения 00 для кадров MAC и 01 для кадров LLC. Биты идентификатора управления MAC определяют тип кадра управления кольцом из приведенного выше списка 6-ти управляющих кадров MAC).

    Адрес получателя (либо 2, либо 6 байтов). Первый бит определяет групповой или индивидуальный адрес как для 2-х байтовых, так и для 6-ти байтовых адресов. Второй бит в 6-ти байтовых адресах говорит, назначен адрес локально или глобально.

    Адрес отправителя имеет тот же размер и формат, что и адрес получателя.

    Поле данных кадра может содержать данные одного из описанных управляющих кадров MAC или запись пользовательских данных, предназначенных для (или получаемых от) протокола более высокого уровня, такого, как IPX или NetBIOS. Это поле не имеет определенной максимальной длины, хотя существуют практические ограничения на его размер, основанные на временных требованиях к тому, как долго некоторая станция может управлять кольцом.

    Последовательность контроля кадра  используется для обнаружения ошибок, состоит из четырех байтов остатка циклически избыточной контрольной суммы, вычисляемой по алгоритму CRC-32, осуществляющему циклическое суммирование по модулю 32.

    Последовательность конца кадра состоит из двух полей: конечный ограничитель и статус кадра.

    Конечный ограничитель в кадре данных имеет дополнительное значение по сравнению с маркером. Кроме уникальной последовательности электрических импульсов, он содержит два однобитовых поля: бит промежуточного кадра и бит обнаружения ошибки.


    Бит промежуточного кадра устанавливается в 1, если этот кадр является частью многокадровой передачи, или в 0- для последнего или единственного кадра. Бит обнаружения ошибки первоначально установлен в 0; каждая станция, через которую передается кадр, проверяет его на ошибки (по коду CRC) и устанавливает бит обнаружения ошибки в 1, если она выявлена. Очередная станция, которая видит уже установленный бит обнаружения ошибки, должна просто передать кадр. Исходная станция заметит, что возникла ошибка, и повторит передачу кадра.

    Статус кадра имеет длину 1 байт и содержит 4 резервных бита и два подполя: бит распознавания адреса и бит копирования кадра. Так как это поле не сопровождается вычисляемой суммой CRC, то используемые биты дублируются в байте. Когда кадр создается, передающая станция устанавливает бит распознавания адреса в 0; получающая станция устанавливает бит в 1, чтобы сообщить, что она опознала адрес получателя. Бит копирования кадра также вначале установлен в 0, но устанавливается в 1 получающей станцией (станцией назначения), когда она копирует содержимое кадра в собственную память (другими словами, когда она реально получает данные). Данные копируются (и бит устанавливается), если только кадр получен без ошибок. Если кадр возвращается с обоими установленными битами, исходная станция знает, что произошло успешное получение. Если бит распознавания адреса не установлен во время получения кадра, это означает, что станция назначения больше не присутствует в сети (возможно, вследствие неполадок). Возможна другая ситуация, когда адрес получателя опознается, но бит копирования кадра не установлен. Это говорит исходной станции, что кадр был искажен во время передачи (бит обнаружения ошибки в конечном ограничителе также будет установлен). Если оба бита опознавания адреса и копирования кадра установлены, и бит обнаружения ошибки также установлен, то исходная станция знает, что ошибка случилась после того, как этот кадр был корректно получен.

    Прерывающая последовательность состоит из двух байтов, содержащих начальный ограничитель и конечный ограничитель.


    Прерывающая последовательность может появиться в любом месте потока битов и сигнализирует о том, что текущая передача кадра или маркера отменяется.

    Как видно из описания процедур обмена данными, в сети Token Ring на уровнях MAC и LLC применяются процедуры без установления связи, но с подтверждением получения кадров.

     

    8.3 Физическая реализация сетей Token Ring



    Стандарт Token Ring фирмы IBM предусматривает построение связей в сети как с помощью непосредственного соединения станций друг с другом, так и образование кольца с помощью концентраторов (называемых MAU - Media Attachment Unit или MSAU - Multi-Station Access Unit).

    На рис. 35 показаны основные аппаратные элементы сети Token Ring и способы их соединения.

    В приведенной конфигурации показаны станции двух типов.

    Станции С1, С2 и С3 - это станции, подключаемые к кольцу через концентратор. Обычно такими станциями являются компьютеры с установленными в них сетевыми адаптерами. Станции этого типа соединяются с концентратором ответвительным кабелем (lobe cable), который обычно является экранированной витой парой (Shielded Twisted Pair, STP), соответствующей стандартному типу кабеля из кабельной системы IBM (Type 1, 2, 6, 8, 9).

    Максимальная длина ответвительного кабеля зависит от типа концентратора, типа кабеля и скорости передачи данных. Обычно для скорости 16 Мб/с максимальная длина кабеля Type 1 может достигать 200 м, а для скорости 4 Мб/с - 600 м. Концентраторы Token Ring делятся на активные и пассивные. Пассивные концентраторы обеспечивают только соединения портов внутри концентратора в кольцо, активные- выполняют и функции повторителя, обеспечивая ресинхронизацию сигналов и исправление их амплитуды и формы. Естественно, что активные концентраторы поддерживают большие расстояния до станции, чем пассивные.

    Остальные станции сети соединены в кольцо непосредственными связями. Такие связи называются магистральными (trunk cable). Обычно связи такого рода используются для соединения концентраторов друг с другом для образования общего кольца.


    Порты концентраторов, предназначенные для такого соединения, называются портами Ring-In и Ring-Out.

    Для предотвращения влияния отказавшей или отключенной станции на работу кольца станции подключаются к магистрали кольца через специальные устройства, называемые устройствами подключения к магистрали (Trunk Coupling Unit, TCU). В функции такого устройства входит образование обходного пути, исключающего заход магистрали в MAC-узел станции при ее отключении или отказе. Обычно для этих целей в TCU используются реле, которые подпитываются постоянным током во время нормальной работы. При пропадании тока подпитки контакты реле переключаются и образуют обходной путь, исключая станцию.

    При подключении станции в кольцо через концентратор устройства TCU встраивают в порты концентратора.

    Максимальное количество станций в одном кольце - 250.

     Кроме экранированной витой пары, существуют сетевые адаптеры и концентраторы Token Ring, поддерживающие неэкранированную витую пару и оптоволокно.



    9 ВЫСОКОСКОРОСТНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ FAST ETHERNET 



    9.1  Fast Ethernet как развитие классического Ethernet'а



    Технология Fast Ethernet

    (IEEE 802.3U)

    является эволюционным развитием классической технологии Ethernet. 10-Мегабитный Ethernet устраивал большинство пользователей на протяжении около 15 лет. Однако в начале 90-х гг. начала ощущаться его недостаточная пропускная способность.



    Рис. 35. Конфигурация кольца Token Ring

    Если для компьютеров на процессорах Intel 80286 или 80386 с шинами ISA (8 Мбайт/с) или EISA (32 Мбайт/с) пропускная способность сегмента Ethernet составляла 1/8 или 1/32 канала "память - диск", то это хорошо согласовывалось с соотношением объемов локальных данных и внешних данных для компьютера. Теперь же у мощных клиентских станций с процессорами Pentium или Pentium PRO и шиной PCI (133 Мбайт/с) эта доля упала до 1/133, что явно недостаточно. Поэтому многие сегменты 10-Мегабитного Ethernet'а стали перегруженными, реакция серверов в них значительно упала, а частота возникновения коллизий существенно возросла, еще более снижая номинальную пропускную способность.



    В 1992 г. группа производителей сетевого оборудования, включая таких лидеров технологии Ethernet, как SynOptics, 3Com и ряд других, образовали некоммерческое объединение Fast Ethernet Alliance для разработки стандарта на новую технологию, которая обобщила бы достижения отдельных компаний в области Ethernet-преемственного высокоскоростного стандарта. Новая технология получила название Fast Ethernet.

    Одновременно были начаты работы в институте IEEE по стандартизации новой технологии - там была сформирована исследовательская группа для изучения технического потенциала высокоскоростных технологий. За период с конца 1992 г. и по конец 1993 г. группа IEEE изучила 100-Мегабитные решения, предложенные различными производителями. Наряду с предложениями Fast Ethernet Alliance группа рассмотрела также и другую высокоскоростную технологию, предложенную компаниями Hewlett-Packard и AT&T.

    В центре дискуссий была проблема сохранения соревновательного метода доступа CSMA/CD. Предложение по Fast Ethernet'у сохраняло этот метод и тем самым обеспечивало преемственность и согласованность сетей 10Base-T и 100Base-T. Коалиция HP и AT&T, которая имела поддержку гораздо меньшего числа производителей в сетевой индустрии, чем Fast Ethernet Alliance, предложила совершенно новый метод доступа, называемый Demand Priority. Он существенно менял картину поведения узлов в сети, поэтому не смог вписаться в технологию Ethernet и стандарт 802.3, и для его стандартизации был организован новый комитет IEEE 802.12.

    В мае 1995 г. комитет IEEE принял спецификацию Fast Ethernet в качестве стандарта 802.3u, который не является самостоятельным стандартом, а представляет собой дополнение к существующему стандарту 802.3 в виде глав с 21 по 30. Отличия Fast Ethernet от Ethernet сосредоточены на физическом уровне см. рис. 36.

    Более сложная структура физического уровня технологии Fast Ethernet вызвана тем, что в ней используется три варианта кабельных систем - оптоволокно, двухпарная витая пара категории 5 и четырехпарная витая пара категории 3, причем, по сравнению с вариантами физической реализации Ethernet (а их насчитывается шесть), здесь отличия каждого варианта от других глубже: меняется и количество проводников, и методы кодирования.


    А так как физические варианты Fast Ethernet создавались одновременно, а не эволюционно, как для сетей Ethernet, то имелась возможность детально определить те подуровни физического уровня, которые не изменяются от варианта к варианту, и остальные подуровни, специфические для каждого варианта.

    Основными достоинствами технологии Fast Ethernet являются:

  • увеличение пропускной способности сегментов сети до 100 Мб/c;


  • сохранение метода случайного доступа Ethernet;


  • ·         сохранение звездообразной топологии сетей и поддержка традиционных сред передачи данных - витой пары и оптоволоконного кабеля.

    Указанные свойства позволяют осуществлять постепенный переход от сетей 10Base-T - наиболее популярного на сегодняшний день варианта Ethernet - к скоростным сетям, сохраняющим значительную преемственность с хорошо знакомой технологией: Fast Ethernet не требует коренного переобучения персонала и замены оборудования во всех узлах сети.

    Официальный стандарт 100Base-T (802.3u) установил три различных спецификации для физического уровня (в терминах семиуровневой модели OSI) для поддержки следующих типов кабельных систем:

    ·         100Base-TX для двухпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 5, или экранированной витой паре STP Type 1;

    ·         100Base-T4 для четырехпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 3, 4 или 5;

  • 100Base-FX для многомодового оптоволоконного кабеля.


  •  

    9.2 Форматы кадров технологии Fast Ethernet



    Форматы кадров технологии Fast Ethernet не отличаются от форматов кадров технологий 10-Мегабитного Ethernet'a. На рис. 37 приведен формат MAC-кадра Ethernet, а также временные параметры его передачи по сети для скорости 10 Мб/с и для скорости 100 Мб/с.

    В кадрах стандарта Ethernet-II (или Ethernet DIX), опубликованного компаниями Xerox, Intel и Digital еще до появления стандарта IEEE 802.3, вместо двухбайтового поля L (длина поля данных) используется двухбайтовое поле T (тип кадра).


    Значение поля типа кадра всегда больше 1518 байт, что позволяет легко различить эти два разных формата кадров Ethernet DIX и IEEE 802.3.

    Все времена передачи кадров Fast Ethernet в 10 раз меньше соответствующих времен технологии 10-Мегабитного Ethernet'а: межбитовый интервал составляет 10 нс вместо 100 нс, а межкадровый интервал - 0.96 мкс вместо 9.6 мкс соответственно.



    Рис. 36. Отличия стека протоколов 100Base-T от стека протоколов 10Base-T

     



    9.3 Спецификации физического уровня Fast Ethernet



    Для технологии Fast Ethernet разработаны различные варианты физического уровня, отличающиеся не только типом кабеля и электрическими параметрами импульсов, как это сделано в технологии 10 Мб/с Ethernet, но и способом кодирования сигналов, и количеством используемых в кабеле проводников. Поэтому физический уровень Fast Ethernet имеет более сложную структуру, чем классический Ethernet. Эта структура представлена на рисунке 38.

    Физический уровень состоит из трех подуровней:

                     - уровень согласования (reconciliation sublayer);

    -         независимого от среды интерфейса (Media Independent Interface, MII);



    Рис. 37. Формат MAC-кадра и времена его передачи

    - устройства физического уровня (Physical layer device, PHY).



    Рис. 38. Структура физического уровня Fast Ethernet

    Устройство физического уровня (PHY) обеспечивает кодирование данных, поступающих от MAC-подуровня для передачи их по кабелю определенного типа, синхронизацию передаваемых по кабелю данных, а также прием и декодирование данных в узле-приемнике.

    Интерфейс MII поддерживает независимый от используемой физической среды способ обмена данными между MAC-подуровнем и подуровнем PHY. Этот интерфейс аналогичен по назначению интерфейсу AUI классического Ethernet'а, за исключением того, что интерфейс AUI располагался между подуровнем физического кодирования сигнала (для любых вариантов кабеля использовался одинаковый метод физического кодирования - манчестерский код) и подуровнем физического присоединения к среде, а интерфейс MII располагается между MAC-подуровнем и подуровнями кодирования сигнала, которых в стандарте Fast Ethernet три - FX, TX и T4.


    Подуровень согласования нужен для того, чтобы согласовать работу подуровня MAC с интерфейсом MII.

    9.4 Интерфейс MII



    Существует два варианта реализации интерфейса MII: внутренний и внешний.

    При внутреннем варианте микросхема, реализующая подуровни MAC и согласования, с помощью интереса MII соединяется с микросхемой трансивера внутри одного и того же конструктива, например, платы сетевого адаптера или модуля маршрутизатора (рис. 39). Микросхема трансивера реализует все функции устройства PHY.



    Рис. 39. Сетевой адаптер с внутренним интерфейсом MII

    Внешний вариант соответствует случаю, когда трансивер вынесен в отдельное устройство и соединен кабелем MII через разъем MII с микросхемой MAC-подуровня (рис. 40). Разъем MII, в отличие от разъема AUI, имеет 40 контактов, максимальная длина кабеля MII составляет 1 метр. Сигналы, передаваемые по интерфейсу MII, имеют амплитуду 5 В.



    Рис. 40. Использование внешнего трансивера с интерфейсом MII

    Интерфейс MII может использоваться не только для связи PHY с MAC, но и для соединения устройств PHY с микросхемой повторения сигналов в многопортовом повторителе-концентраторе (рис. 41).



    Рис. 41. Повторитель со встроенными устройствами PHY

    9.5 Передача данных через MII

    MII использует 4-битные порции данных для параллельной передачи их между MAC и PHY. Канал передачи данных от MAC к PHY образован четырехбитной шиной данных, которая синхронизируется тактовым сигналом, генерируемым PHY, а также сигналом "Передача", генерируемым MAC-подуровнем.

    Аналогично канал передачи данных от PHY к MAC образован другой четырехбитной шиной данных, которая синхронизируется тактовым сигналом и сигналом "Прием", которые генерируются PHY.

    Если устройство PHY обнаружило ошибку в состоянии физической среды, то оно может передать сообщение об этом на подуровень MAC в виде сигнала "Ошибка приема" (receive error). MAC-подуровень (или повторитель) сообщают об ошибке устройству PHY с помощью сигнала "Ошибка передачи" (transmit error).


    Обычно повторитель, получив от PHY какого-либо порта сигнал "Ошибка приема", передает на все устройства PHY остальных портов сигнал "Ошибка передачи".

    В MII определена двухпроводная шина для обмена между MAC и PHY управляющей информацией. MAC-подуровень использует эту шину для передачи PHY данных о режиме его работы. PHY передает по этой шине информацию по запросу о статусе порта и линии. Данные о конфигурации, а также о состоянии порта и линии хранятся соответственно в двух регистрах: регистре управления (Control Register) и регистре статуса (Status Register).

    Регистр управления используется для установки скорости работы порта, для указания, будет ли порт принимать участие в процессе автопереговоров о скорости линии, для задания режима работы порта - полудуплексного или полнодуплексного и т.п. Функция автопереговоров (Auto-negotiation) позволяет двум устройствам, соединенным одной линией связи, автоматически, без вмешательства оператора, выбрать наиболее высокоскоростной режим работы, который будет поддерживаться обоими устройствами.

    Регистр статуса содержит информацию о действительном текущем режиме работы порта, в том числе и в том случае, когда режим выбран в результате проведения автопереговоров.

    Регистр статуса может содержать данные об одном из следующих режимов:

  • 100Base-T4;


  • 100Base-TX full-duplex;


  • 100Base-TX half-duplex;


  • 10 Mb/s full-duplex;


  • 10Mb/s half-duplex;


  • ошибка на дальнем конце линии.


  • 9.6 Физический уровень 100Base-FX - многомодовое оптоволокно



    Физический уровень PHY ответственен за прием данных в параллельной форме от MAC-подуровня, трансляцию их в один (TX или FX) или три последовательных потока бит с возможностью побитной синхронизации и передачу их через разъем на кабель. Аналогично на приемном узле уровень PHY должен принимать сигналы по кабелю, определять моменты синхронизации бит, извлекать биты из физических сигналов, преобразовывать их в параллельную форму и передавать подуровню MAC.



    Структура физического уровня 100Base- FX представлена на рис. 42.



    Рис. 42. Физический уровень PHY FX

    Эта спецификация определяет работу протокола Fast Ethernet по многомодовому оптоволокну в полудуплексном и полнодуплексном режимах на основе хорошо проверенной схемы кодирования и передачи оптических сигналов, использующейся уже на протяжении ряда лет в стандарте FDDI. Как и в стандарте FDDI, каждый узел соединяется с сетью двумя оптическими волокнами, идущими от приемника (Rx) и от передатчика (Tx).

    Между спецификациями PHY FX и PHY TX есть много общего, поэтому общие для двух спецификаций свойства будут даваться под обобщенным названием PHY FX/TX.

    9.7        Протокол Gigabit Ethernet



    Хотя переход на новые высокоскоростные технологии, такие, как Fast Ethernet и 100VG-AnyLAN, начался не так давно, уже находятся в разработке два новых проекта - технология Gigabit Ethernet и Gigabit VG, предложенные соответственно Gigabit Ethernet Alliance и комитетом IEEE 802.12.

    Интерес к технологиям для локальных сетей с гигабитными скоростями повысился в связи с двумя обстоятельствами:  во-первых, успехом сравнительно недорогих (по сравнению с FDDI) технологий Fast Ethernet и 100VG-AnyLAN, во-вторых, со слишком большими трудностями, испытываемыми технологией АТМ на пути к конечному пользователю.

    Технология АТМ обладает многими привлекательными свойствами - масштабируемой скоростью передачи данных, доходящей до 10 Гб/с, отличной поддержкой мультимедийного трафика и возможностью работы как в локальных, так и в глобальных сетях. Однако стоимость технологии АТМ и ее сложность не всегда оправданы. Вот для таких применений, в которых нужна в первую очередь высокая скорость обмена, а без других возможностей, предлагаемых АТМ, можно прожить, и предназначены активно разрабатываемые сегодня гигабитные варианты Ethernet и VG.

    За комитетом 802.12 стоит, естественно, компания Hewlett-Packard, сотрудница которой и возглавляет сегодня этот комитет.


    К энтузиастам перевода технологии VG на гигабитные скорости относятся также компании Compaq Computer, Texas Instrument и Motorola.

    В Gigabit Ethernet Alliance входят, наряду с другими, компании Bay Networks, Cisco Systems и 3Com.

    Обе группы намерены широко использовать достижения технологии Fibre Channel, уже работающей с гигабитными скоростями. Во всяком случае, Fibre Channel со своим методом кодирования 8B/10B фигурирует как один из вариантов физического уровня для оптоволоконного кабеля.

    Разрабатываемые предложения оставляют метод доступа в неизменном виде: CSMA/CD для технологии Gigabit Ethernet и Demand Priority для Gigabit VG.

    В связи с ограничениями, накладываемыми методом CSMA/CD на длину кабеля, версия Gigabit Ethernet для разделяемой среды будет допускать длину связей до 25 метров на витой паре. В связи с такими серьезными ограничениями более популярны будут, очевидно, полнодуплексные версии гигабитного Ethernet'a, работающие только с коммутаторами и допускающие расстояние между узлом и коммутатором в 500 метров - для многомодового кабеля и до 2 км - для одномодового кабеля.

    Первый проект стандарта Gigabit Ethernet был принят в 1997 г., а его окончательное принятие ожидается в конце 1998 г.

    Gigabit Ethernet Alliance предполагает, что стоимость одного порта концентратора Gigabit Ethernet в 1998 г. составит от $920 до $1400, а стоимость одного порта коммутатора Gigabit Ethernet составит от $1850 до $2800. Для технологии Gigabit VG предлагается реализовать скорость 500 Мб/с для витой пары и 1 Гб/с для оптоволокна. Предельные расстояния между узлами ожидаются следующие: для витой пары - 100 м, для многомодового оптоволокна - 500 м и для одномодового оптоволокна - 2 км.

    10 ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ FDDI



    Технология FDDI во многом основывается на технологии Token Ring, развивая и совершенствуя ее основные идеи. Разработчики технологии FDDI ставили перед собой в качестве наиболее приоритетных следующие цели:

    - Повысить битовую скорость передачи данных до 100 Мб/с.



    - Повысить отказоустойчивость сети за счет стандартных процедур восстановления ее после отказов различного рода - повреждения кабеля, некорректной работы узла, концентратора, возникновения высокого уровня помех на линии и т.п.

    - Максимально эффективно использовать потенциальную пропускную способность сети как для асинхронного, так и для синхронного трафиков.

    Сеть FDDI строится на основе двух оптоволоконных колец, которые образуют основной и резервный пути передачи данных между узлами сети. Использование двух колец - это основной способ повышения отказоустойчивости в сети FDDI, и узлы, которые хотят им воспользоваться, должны быть подключены к обоим кольцам. В нормальном режиме работы сети данные проходят через все узлы и все участки кабеля первичного (Primary) кольца, поэтому этот режим назван режимом Thru - "сквозным", или "транзитным". Вторичное кольцо (Secondary) в этом режиме не используется.

    В случае какого-либо вида отказа, когда часть первичного кольца не может передавать данные (например, обрыв кабеля или отказ узла), первичное кольцо объединяется со вторичным см. рис. 43, образуя вновь единое кольцо. Этот режим работы сети называется Wrap, т.е. "свертывание" (или "сворачивание") колец. Операция свертывания производится силами концентраторов и/или сетевых адаптеров FDDI. Для упрощения этой процедуры данные по первичному кольцу всегда передаются против часовой стрелки, а по вторичному - по часовой. Поэтому при образовании общего кольца из двух колец передатчики станций по-прежнему остаются подключенными к приемникам соседних станций, что позволяет правильно передавать и принимать информацию соседними станциями.

    В стандартах FDDI отводится много внимания различным процедурам, которые позволяют определить наличие отказа в сети, а затем произвести необходимую реконфигурацию. Сеть FDDI может полностью восстанавливать свою работоспособность в случае единичных отказов ее элементов. При множественных отказах сеть распадается на несколько несвязанных сетей.



    Кольца в сетях FDDI рассматриваются как общая разделяемая среда передачи данных, поэтому для нее определен специальный метод доступа. Этот метод очень близок к методу доступа сетей Token Ring и также называется методом маркерного (или токенного) кольца - token ring  см. рис. 44, а.



    Рис. 43. Реконфигурация колец FDDI при отказе

    Станция может начать передачу своих собственных кадров данных только в том случае, если она получила от предыдущей станции специальный кадр - токен доступа см. рис. 44, б. После этого она может передавать свои кадры, если они у нее имеются, в течение времени, называемого временем удержания токена - Token Holding Time (THT). После истечения времени THT станция обязана завершить передачу своего очередного кадра и передать токен доступа следующей станции. Если же в момент принятия токена у станции нет кадров для передачи по сети, то она немедленно транслирует токен следующей станции. В сети FDDI у каждой станции есть предшествующий сосед (upstream neighbor) и последующий сосед (downstream neighbor), определяемые ее физическими связями и направлением передачи информации. Каждая станция в сети постоянно принимает передаваемые ей предшествующим соседом кадры и анализирует их адрес назначения. Если адрес назначения не совпадает с ее собственным, то она транслирует кадр своему последующему соседу (рис. 44, в). Нужно отметить, что если станция захватила токен и передает свои собственные кадры, то на протяжении этого периода времени она не транслирует приходящие кадры, а удаляет их из сети. Если же адрес кадра совпадает с адресом станции, то она копирует кадр в свой внутренний буфер, проверяет его корректность (в основном по контрольной сумме), передает его поле данных для последующей обработки протоколу, лежащему выше FDDI уровня (например, IP), а затем передает исходный кадр по сети последующей станции (рис. 44, г). В передаваемом в сеть кадре станция назначения отмечает три признака: распознавания адреса, копирования кадра и отсутствия или наличия в нем ошибок.



    После этого кадр продолжает путешествовать по сети, транслируясь каждым узлом. Станция, являющаяся источником кадра для сети, ответственна за то, чтобы удалить кадр из сети после того, как он, совершив полный оборот, вновь дойдет до нее (рис. 44, д). При этом исходная станция проверяет признаки кадра: дошел ли он до станции назначения и не был ли при этом поврежден. Процесс восстановления информационных кадров не входит в обязанности протокола FDDI, этим должны заниматься протоколы более высоких уровней.



    Рис. 44. Обработка кадров станциями кольца FDDI:

    а – ожидание токена; б – начало передачи данных; в – повторение данных; г – получение данных станций назначения; д – удаление данных станцией источником.

    На рис. 45 приведена структура протоколов технологии FDDI в сравнении с семиуровневой моделью OSI. FDDI определяет протокол физического уровня и протокол подуровня доступа к среде (MAC) канального уровня. Как и многие другие технологии локальных сетей, технология FDDI использует протокол 802.2 подуровня управления каналом данных (LLC), определенный в стандартах IEEE 802.2 и ISO 8802.2. FDDI использует первый тип процедур LLC, при котором узлы работают в дейтаграммном режиме - без установления соединений и без восстановления потерянных или поврежденных кадров.



    Рис. 45. Структура протоколов технологии FDDI

    Физический уровень разделен на два подуровня: независимый от среды подуровень PHY (Physical) и зависимый от среды подуровень PMD (Physical Media Dependent). Работу всех уровней контролирует протокол управления станцией SMT (Station Management).

    Уровень PMD обеспечивает необходимые средства для передачи данных от одной станции к другой по оптоволокну. В его спецификации определяются:

    ·         Требования к мощности оптических сигналов и к многомодовому оптоволоконному кабелю 62.5/125 мкм.

    ·         Требования к оптическим обходным переключателям (optical bypass switches) и оптическим приемопередатчикам.



    ·         Параметры оптических разъемов MIC (Media Interface Connector), их маркировка.

    ·         Длина волны в 1300 нанометров, на которой работают приемопередатчики.

    ·         Представление сигналов в оптических волокнах в соответствии с методом NRZI.

    Спецификация TP-PMD определяет возможность передачи данных между станциями по витой паре в соответствии с методом MLT-3. Спецификации уровней PMD и TP-PMD уже были рассмотрены в разделах, посвященных технологии Fast Ethernet.

    Уровень PHY выполняет кодирование и декодирование данных, циркулирующих между MAC-уровнем и уровнем PMD, а также обеспечивает тактирование информационных сигналов. В его спецификации определяются:

  • кодирование информации в соответствии со схемой 4B/5B;


  • правила тактирования сигналов;


  • требования к стабильности тактовой частоты 125 МГц;


  • ·         правила преобразования информации из параллельной формы в последовательную.

    Уровень MAC ответственен за управление доступом к сети, а также за прием и обработку кадров данных. В нем определены следующие параметры:

  • Протокол передачи токена.


  • Правила захвата и ретрансляции токена.


  • Формирование кадра.


  • Правила генерации и распознавания адресов.


  • Правила вычисления и проверки 32-разрядной контрольной суммы.


  • Уровень SMT выполняет все функции по управлению и мониторингу всех остальных уровней стека протоколов FDDI. В управлении кольцом принимает участие каждый узел сети FDDI. Поэтому все узлы обмениваются специальными кадрами SMT для управления сетью. В спецификации SMT определено следующее:

  • Алгоритмы обнаружения ошибок и восстановления после сбоев.


  • Правила мониторинга работы кольца и станций.


  • Управление кольцом.


  • Процедуры инициализации кольца.


  • Отказоустойчивость сетей FDDI обеспечивается за счет управления уровнем SMT другими уровнями: с помощью уровня PHY устраняются отказы сети по физическим причинам, например, из-за обрыва кабеля, а с помощью уровня MAC - логические отказы сети, например, потеря нужного внутреннего пути передачи токена и кадров данных между портами концентратора.


    В  табл. 12 представлены результаты сравнения технологии FDDI с технологиями Ethernet и Token Ring.

                                                                                             Таблица 12

    Характеристика

    FDDI

    Ethernet

    Token Ring

    Битовая скорость

    100 Мб/с

    10 Мб/с

    16 Мб/c

    Топология

    Двойное кольцо деревьев

    Шина/звезда

    Звезда/кольцо

    Метод доступа

    Доля от времени оборота токена

    CSMA/CD

    Приоритетная система резервирования

    Среда передачи данных

    Многомодовое 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)

    2500 м

    1000 м

    Максимальное расстояние между узлами

    2 км (-11 dB потерь между узлами)

    2500 м

    100 м

    Максимальное количество узлов

    500 (1000 соединений)

    1024

    260- для экранированной витой пары, 72- для неэкрани

    рованной витой пары

    Тактирование и восстановление после отказов

    Распределенная реализация тактирования и восстановления после отказов

    Не определены

    Активный монитор

     



    10.1 Типы узлов и правила их соединения в сеть



    Все станции в сети FDDI делятся на несколько типов по следующим признакам:

  • конечные станции или концентраторы;


  • по варианту присоединения к первичному и вторичному кольцам;


  • ·

    по количеству MAC-узлов и соответственно MAC-адресов у одной станции.

    10.2 Одиночное и двойное присоединение к сети

    Если станция присоединена только к первичному кольцу, то такой вариант называется одиночным присоединением - Single Attachment, SA см. рис. 45,а. Если же станция присоединена и к первичному, и ко вторичному кольцам, то такой вариант называется двойным присоединением - Dual Attachment, DA см. рис. 45,б.

    Очевидно, что станция может использовать свойства отказоустойчивости, обеспечиваемые наличием двух колец FDDI, только при ее двойном подключении.

    Как видно из рис. 46, реакция станций на обрыв кабеля заключается в изменении внутренних путей передачи информации между отдельными компонентами станции.



     



    11 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕХНОЛОГИИ                 100VG-AnyLAN



    В качестве альтернативы технологии Fast Ethernet компаниями AT&T и HP был выдвинут проект новой технологии со скоростью передачи данных 100 Мб/с - 100Base-VG. В этом проекте было предложено усовершенствовать метод доступа с учетом потребности мультимедийных приложений, при этом сохранить совместимость формата пакета с форматом пакета сетей 802.3. В сентябре 1993 г. по инициативе фирм IBM и HP был образован комитет IEEE 802.12, который занялся стандартизацией новой технологии.

    Проект был расширен за счет поддержки в одной сети кадров не только формата Ethernet, но и формата Token Ring. В результате новая технология получила название 100VG-AnyLAN, т.е. технология для любых сетей (Any LAN - любые сети), имея в виду, что в локальных сетях технологии Ethernet и Token Ring используются в подавляющем количестве узлов.



    Рис. 45. Одиночное (SA) и двойное (DA) подключение станций



    Рис. 46. Реконфигурация станций с двойным подключением при обрыве кабеля

    Летом 1995 г. технология 100VG-AnyLAN получила статус стандарта IEEE 802.12.

    В технологии 100VG-AnyLAN определены новый метод доступа Demand Priority и новая схема квартетного кодирования Quartet Coding, использующая избыточный код 5В/6В.

    Метод доступа Demand Priority основан на передаче концентратору функций арбитра, решающего проблему доступа к разделяемой среде. Метод Demand Priority повышает коэффициент использования пропускной способности сети за счет введения простого, детерминированного метода разделения общей среды, использующего два уровня приоритетов: низкий - для обычных приложений и высокий - для мультимедийных.

    Технология 100VG-AnyLAN имеет меньшую популярность среди производителей коммуникационного оборудования, чем конкурирующее предложение - технология Fast Ethernet. Компании, которые не поддерживают технологию 100VG-AnyLAN, объясняют это тем, что для большинства сегодняшних приложений и сетей достаточно возможностей технологии Fast Ethernet, которая не так заметно отличается от привычной большинству пользователей технологии Ethernet.


    В более далекой перспективе эти производители предлагают использовать для мультимедийных приложений технологию АТМ, а не 100VG-AnyLAN.

    И хотя в число сторонников технологии 100VG-AnyLAN одно время входило около 30 компаний, среди которых Hewlett-Packard и IBM, Cisco Systems и Cabletron, общим мнением сетевых специалистов является констатация отсутствия дальнейщих перспектив у технологии 100VG-AnyLAN.

    11.1 Структура сети 100VG-AnyLAN

    Сеть 100VG-AnyLAN всегда включает центральный концентратор, называемый концентратором уровня 1 или корневым концентратором см. рис. 47.

    Корневой концентратор имеет связи с каждым узлом сети, образуя топологию типа звезда. Этот концентратор представляет собой интеллектуальный центральный контроллер, который управляет доступом к сети, постоянно выполняя цикл "кругового" сканирования своих портов и проверяя наличие запросов на передачу кадров от присоединенных к ним узлов. Концентратор принимает кадр от узла, выдавшего запрос, и передает его только через тот порт, к которому присоединен узел c адресом, совпадающим с адресом назначения, указанным в кадре.

    Каждый концентратор может быть сконфигурирован на поддержку либо кадров 802.3 Ethernet, либо кадров 802.5 Token Ring. Все концентраторы, расположенные в одном и том же логическом сегменте (не разделенном мостами, коммутаторами или маршрутизаторами), должны быть сконфигурированы на поддержку кадров одного типа. Для соединения сетей 100VG-AnyLAN, использующих разные форматы кадров 802.3, нужен мост, коммутатор или маршрутизатор. Аналогичное устройство требуется и в том случае, когда сеть 100VG-AnyLAN должна быть соединена с сетью FDDI или АТМ.



    Рис. 47. Структура сети 100VG-AnyLAN

    Каждый концентратор имеет один "восходящий" (up-link) порт и N "нисходящих" портов (down-link), как это показано на рис. 48.

    Восходящий порт работает как порт узла, но он зарезервирован для присоединения в качестве узла к концентратору более высокого уровня.


    Нисходящие порты служат для присоединения узлов, в том числе и концентраторов нижнего уровня. Каждый порт концентратора может быть сконфигурирован для работы в нормальном режиме или в режиме монитора. Порт, сконфигурированный для работы в нормальном режиме, передает только те кадры, которые предназначены узлу, подключенному к данному порту. Порт, сконфигурированный для работы в режиме монитора, передает все кадры, обрабатываемые концентратором. Такой порт может использоваться для подключения анализатора протоколов.

    Узел представляет собой компьютер или коммуникационное устройство технологии 100VG-AnyLAN - мост, коммутатор, маршрутизатор или концентратор. Концентраторы, подключаемые как узлы, называются концентраторами 2-го и 3-го уровней. Всего разрешается образовывать до трех уровней иерархии концентраторов.

    Связь, соединяющая концентратор и узел, может быть образована либо четырьмя парами неэкранированной витой пары категорий 3, 4 или 5 (4-UTP Cat 3, 4, 5), либо двумя парами неэкранированной витой пары категории 5 (2-UTP Cat 5), либо двумя парами экранированной витой пары типа 1 (2-STP Type 1), либо двумя парами многомодового оптоволоконного кабеля.



    Рис. 48. Круговой опрос портов концентраторами сети 100VG-AnyLAN

    Варианты кабельной системы могут использоваться любые, но ниже будет рассмотрен вариант 4-UTP, который был разработан первым и получил наибольшее распространение.

    В заключение раздела приведем табл. 13, составленную компанией Hewlett-Packard, в которой приводятся результаты сравнения этой технологии с технологиями 10Base-T и 100Base-T.

    11.2 Стек протоколов технологии 100VG-AnyLAN



    Структура стека протоколов технологии 100VG-AnyLAN согласуется с архитектурными моделями OSI/ISO и IEEE, в которых канальный уровень разделен на подуровни. Как видно из рис. 49, стек протоколов технологии 100VG-AnyLAN состоит из подуровня доступа к среде (Media Access Control, MAC), подуровня, независящего от физической среды (Physical Media Independent, PMI), и подуровня, зависящего от физической среды (Physical Media Dependent, PMD).



             

                                                                                                                                                                                                    Таблица 13

    Характеристика

    10Base-T

    100VG-AnyLAN

    100Base-T

    Топология

    -

    -

    -

    Максимальный диаметр сети

    2500 м

    8000 м

    412 м

    Каскадирование концентраторов

    Да; 3 уровня

    Да; 5 уровней

    Два концентратора максимум

    Кабельная система

    -

    -

    -

    UTP Cat 3,4

    100 м

    100 м

    100 м

    UTP Cat 5

    150 м

    200 м

    100 м

    STP Type 1

    100 м

    100 м

    100 м

    Оптоволокно

    2000 м

    2000 м

    412 м

    Производительность

    -

    -

    -

    При длине сети 100 м

    80% (теоретическая)

    95% (продемонстрированная)

    80% (теоретическая)

    При длине сети 2500 м

    80% (теоретическая)

    80% (продемонстрированная)

    Не поддерживается

    Технология

    -

    -

    -

    Кадры IEEE 802.3

    Да

    Да

    Да

    Кадры 802.5

    Нет

    Да

    Нет

    Метод доступа

    CSMA/CD

    Demand Priority

    CSMA/CD + подуровень согласования (Reconciliation sublayer)





    Рис. 49. Структура стека протоколов технологии 100VG-AnyLAN



    11.3 Функции уровня MAC



    Функции уровня МАС включают реализацию протокола доступа Demand Priority, подготовки линии связи и формирования кадра соответствующего формата.

    Метод Demand Priority (приоритетный доступ по требованию) основан на том, что узел, которому нужно передать кадр по сети, передает запрос (требование) на выполнение этой операции концентратору. Каждый запрос может иметь либо низкий, либо высокий приоритеты. Высокий приоритет отводится для трафика чувствительных к задержкам мультимедийных приложений.

    Высокоприоритетные запросы всегда обслуживаются раньше низкоприоритетных. Требуемый уровень приоритета кадра устанавливается протоколами верхних уровней, не входящими в технологию 100VG-AnyLAN, например Real Audio, и передается для отработки уровню МАС.



    Как показано на рис. 50, концентратор уровня 1 постоянно сканирует запросы узлов, используя алгоритм кругового опроса (round-robin). Это сканирование позволяет концентратору определить, какие узлы требуют передачи кадров через сеть и каковы их приоритеты.

    В течение одного цикла кругового сканирования каждому узлу разрешается передать один кадр данных через сеть. Концентраторы, присоединенные как узлы к концентраторам верхних уровней иерархии, также выполняют свои циклы сканирования и передают запрос на передачу кадров концентратору. Концентратор нижнего уровня с N портами имеет право передать N кадров в течение одного цикла опроса.



    Рис. 50. Функции уровней PMI и PMD

    Каждый концентратор ведет отдельные очереди для низкоприоритетных и высокоприоритетных запросов. Низкоприоритетные запросы обслуживаются только до тех пор, пока не получен высокоприоритетный запрос. В этом случае текущая передача низкоприоритетного кадра завершается и обрабатывается высокоприоритетный запрос. Перед возвратом к обслуживанию низкоприоритетных кадров должны быть обслужены все высокоприоритетные запросы. Для того чтобы гарантировать доступ для низкоприоритетных запросов в периоды высокой интенсивности поступления высокоприоритетных запросов, вводится порог ожидания запроса. Если у какого-либо низкоприоритетного запроса время ожидания превышает этот порог, то ему присваивается высокий приоритет.

    На рис. 50 показан пример цикла кругового опроса. Сначала предположим, что все порты передали запросы нормального приоритета и что в начальный момент времени корневой концентратор начал круговой опрос. Порядок обслуживания портов будет следующим: 1-1 (уровень 1 - порт 1), 2 -1, 2-3, 2-N, 1-3, 1-N.

    Теперь предположим, что узлы 1-1, 2-3 и 1-3 выставили высокоприоритетные запросы. В этом случае порядок обслуживания будет таким: 1-1, 2-3, 1-3, 2-1, 2-N, 1-N.

    Процедура подготовки линии Link Training "обучает" внутренние схемы концентратора и узла приему и передаче данных, а также проверяет работоспособность линии, соединяющей концентратор и узел.



    Во время подготовки линии концентратор и узел обмениваются серией специальных тестовых кадров. Данная процедура включает функциональный тест кабеля, дающий возможность убедиться в том, что кабель правильно соединяет контакты разъемов и информация может быть корректно передана между концентратором и узлом.

    Процедура подготовки также позволяет концентратору автоматически узнать информацию об узлах, подключенных к каждому порту. Кадры, получаемые концентратором от узла во время подготовки, содержат данные о типе устройства (конечный узел, концентратор, мост, маршрутизатор, анализатор протокола и т.п.), режиме работы (нормальный или монитор), адресе узла, присоединенного к данному порту.

    Процедура подготовки инициируется узлом, когда узел или концентратор впервые включаются или при первом присоединении узла к концентратору. Узел или концентратор могут потребовать выполнения процедуры подготовки при обнаружении ошибочной ситуации.

    Уровень МАС получает кадр от уровня LLC и добавляет к нему адрес узла-источника, дополняет поле данных байтами-заполнителями до минимально допустимого размера, если это требуется, а затем вычисляет контрольную сумму и помещает ее в соответствующее поле. После этого кадр передается на физический уровень.

     



    11.4 Функции уровня PMI



    Функции, не зависящие от физической среды, представленные на   рис. 50, включают квартетную канальную шифрацию, кодирование 5B/6B, добавление к кадру преамбулы, начального и конечного ограничителей и передачу кадра на уровень PMD.

    Процесс квартетного распределения по каналам состоит в последовательном делении байтов МАС-кадра на порции данных по 5 бит (квинтеты), а также в последовательном распределении этих порций между четырьмя каналами, как это показано на рис. 51.



    Рис. 50. Функции уровней PMI и PMD

    Каждый из 4-х каналов представляет собой одну витую пару: канал 0 - пару, образованную контактами 1 и 2, канал 1 - пару 3 - 6, канал 2 - пару 4 - 5, канал 3 - пару 7 - 8.


    Двухпарные спецификации физического уровня PMD используют затем схему мультиплексирования, преобразующую 4 канала в 2 или 1.



    Рис. 51. Распределение квинтетов по 4-м каналам

    Шифрация данных состоит в случайном "перемешивании" квинтетов данных с целью исключения комбинаций из повторяющихся единиц или нулей. Перемешивание производится с помощью специальных устройств - скремблеров. Случайные наборы цифр уменьшают излучение радиоволн и взаимные наводки в кабеле.

    Кодирование по схеме 5B/6B - это процесс отображения "перемешанных" квинтетов в заранее определенные 6-битовые коды. Этот процесс создает сбалансированные коды, содержащие равное количество единиц и нулей, что обеспечивает гарантированную синхронизацию приемника при изменениях входного сигнала.

    Кодирование 5B/6B обеспечивает также контроль за ошибками при передаче, так как некорректные квинтеты, содержащие больше трех единиц или больше трех нулей, легко обнаружить.

    На рис. 52 приведен пример квинтетов данных, зашифрованных и преобразованных в символы 5B/6B. Поскольку существует только 16 сбалансированных символов, 32 комбинации, содержащиеся в квинтете, используют для своего представления два 6-ти битных символа, используемых по очереди для соблюдения баланса постоянного тока.

    Преамбула, начальный и конечный ограничители добавляются в каждый канал для корректной передачи данных через сеть.

     



    11.5 Функции уровня PMD



    Функции зависимого от физической среды уровня PMD включают мультиплексирование каналов (только для двух витых пар или оптоволокна), копирование NRZ, операции передачи сигналов по среде и контроль статуса физической связи.



    Рис. 52. Пример шифрации и кодирования квинтетов

    Технология 100VG-AnyLAN поддерживает следующие типы физической среды:

  • четырех парную неэкранированную витую пару;


  • двух парную неэкранированную витую пару;


  • двух парную экранированную витую пару;


  • одномодовый или многомодовый оптоволоконный кабель.




  • Далее будут рассмотрены детали спецификации PMD для четырех парной неэкранированной витой пары.

    Рис. 53 иллюстрирует применения NRZ кодирования, использующего для представления единиц потенциал высокого уровня, а для представления нулей - потенциал низкого уровня.



    Рис. 53. NRZ кодирование

    Спецификация 4UTP, использующая четырех парную неэкранированную витую пару, использует тактовый генератор с частотой 30 МГц для передачи данных со скоростью 30 Мб/с по каждому из четырех каналов, что в сумме дает 120 Мб/c кодированных данных. Приемник получает кодированные данные со скоростью 30 Мб/с по каждому каналу и преобразует их в поток исходных данных со скоростью 25 Мб/с, что в результате дает пропускную способность в 100 Мб/с.

    Использованный метод представления данных в кабеле позволяет технологии 100VG-AnyLAN работать на голосовом кабеле (Voice-Grade) категории 3. Максимальная частота результирующего сигнала на кабеле не превышает 15 МГц, так как метод NRZ очень эффективен в отношении спектра сигналов. При тактовой частоте в 30 МГц частота 15 МГц генерируется только при передаче кодов 10101010, что является для спектра результирующего сигнала наихудшим случаем. При передаче других кодов частота сигнала будет ниже 15 МГц.

    Операции передачи данных на четырех парном кабеле используют как полнодуплексный, так и полудуплексный режимы (рис. 54).



    Рис. 54. Полнодуплексные и полудуплексные операции

    Полнодуплексные операции используются для одновременной передачи в двух направлениях - от узла к концентратору и от концентратора к узлу - сигнальной информации о состоянии линии. Сигнальная информация от концентратора идет по парам 1-2 и 3-6, а сигнальная информация от узла идет по парам 4-5 и 7-8.

    Полудуплексные операции используются для передачи данных от концентратора узлу и от узла концентратору по всем четырем парам.

    Сигнализация о статусе связи, осуществляемая в полнодуплексном режиме, использует два низкочастотных сигнала, обозначаемые как тон 1 (Tone 1) и тон 2 (Tone 2).

    Тон 1 генерируется путем передачи с частотой 30 МГц по очереди кодов, состоящих из 16 единиц, и кодов, состоящих из 16 нулей.


    Результирующий сигнал имеет частоту примерно 0.9375 МГц.

    Тон 2 генерируется путем передачи с частотой 30 МГц по очереди кодов, состоящих из 8 единиц, и кодов, состоящих из 8 нулей. Результирующий сигнал имеет частоту примерно 1.875 МГц.

    Взаимодействие между концентратором и узлом происходит путем параллельной передачи по двум парам комбинации из указанных двух тонов.

    В табл. 14 приведены значения возможных 4-х комбинаций тонов.

                                                                                                       Таблица 14

    Комбинация тонов

    Значение при приеме узлом

    Значение при приеме концентратором

    1 - 1

    Простой (Idle)

    Простой (Idle)

    1 - 2

    Поступление кадра

    Запрос на передачу кадра с нормальным приоритетом

    2 -1

    Зарезервировано

    Запрос на передачу кадра с высоким приоритетом

    2 - 2

    Запрос на инициализацию процедуры подготовки линии

    Запрос на инициализацию процедуры подготовки линии

    Состояние простоя означает, что концентратор или узел не имеют кадров, ожидающих передачи.

    Состояние "поступление кадра" означает, что на данный порт может быть передан кадр. Узел должен прекратить передачу сигнальных тонов по каналам 2 и 3 для того, чтобы быть готовым принять кадр.

    11.6 Тестирование кабелей в сетях 100VG-AnyLAN

    Спецификация 4-UTP 100VG-AnyLAN использует для тестирования кабеля те же параметры, что и технологии 10Base-T и Token Ring. Кроме того, кабель должен удовлетворять дополнительным требованиям - тестовую проверку должны пройти все 4 пары на частотах до 15 МГц.

    В  табл. 15 приведены параметры, по которым должен проверяться кабель для работы по спецификации 4-UTP, 100VG-AnyLAN.

     



    11.7 Пример работы сети 100VG-AnyLAN



    Рассмотрим последовательность событий в сети 100VG-AnyLAN при передаче кадра данных от одной станции другой через концентратор. Будем считать, что узел посылает в сеть один кадр данных с нормальным приоритетом. На рис. 55 приведены 6 этапов этого процесса.                                                                                                                                                                       



                                                                                         

                                                                                            Таблица 15

    Частота

    5 МГц

    10 МГц

    15 МГц

    Максимальное затухание

    11.5 dB

    11.5 dB

    13.5 dB

    Импеданс

    от 85 до 115 Ом

    от 85 до 115 Ом

    от 85 до 115 Ом

    Перекрестные наводки "пара-пара"

    30.5 dB

    26.0 dB

    22.5 dB

    Перекрестные наводки на ближнем конце пары (NEXT)

    27.5 dB

    23.0 dB

    19.5 dB

    Процесс начинается с получения МАС-уровнем конечного узла кадра данных от уровня LLC. После этого МАС-уровень добавляет к кадру адрес источника и дополняет поле данных, если сеть поддерживает формат кадров 802.3 и поле данных кадра LLC оказалось меньше 46 байт.

    На этапе 1 узел PC1 посылает в концентратор запрос нормального приоритета: тон 1 по каналу 2 и тон 2 по каналу 3.

    Во время цикла кругового опроса концентратор выбирает запрос узла PC1 на обслуживание, в результате чего он прекращает генерацию комбинации сигнальных тонов "Простой" по каналам 0 и 1, очищая линию для передачи кадра по всем четырем каналам.

     



    Рис. 55. Этапы передачи кадра данных через сеть 100VG-AnyLAN

    Затем концентратор предупреждает всех потенциальных получателей - узлы PC2 - PCn сети - о том, что им может быть направлен кадр данных. Для этого он посылает им сообщение "Поступление кадра" в форме тона 1 на канале 0 и тона 2 на канале 2 (этап 2).

    Узлы - потенциальные получатели кадра - прекращают посылку сигнальных тонов по каналам 2 и 3, очищая линию связи для передачи по всем четырем каналам кадра данных.

    Тем временем узел-источник кадра обнаруживает, что линия свободна, и передает кадр с уровня МАС на уровень PMI для подготовки его к передаче по кабелю.

    Уровень PMI распределяет данные между четырьмя каналами, шифрует квинтеты данных и кодирует квинтеты в 60-битный код 5В/6B. Добавляются преамбула, стартовый и конечный ограничители по каждому каналу.



    Уровень PMD начинает передавать кадр концентратору, используя NRZ кодирование (этап 3).

    По мере поступления данных кадра концентратор декодирует адрес назначения (этап 4).

    Затем кадр передается через соответствующий порт тому узлу, который имеет адрес, совпадающий с адресом назначения кадра (этап 5). В это же время концентратор перестает посылать сигнал "Поступление кадра" и начинает генерировать сигналы "Простой" всем остальным узлам (этап 6). Эти узлы теперь могут посылать запросы на передачу своих кадров концентратору.

     



    12  НАЗНАЧЕНИЕ ВИРТУАЛЬНЫХ СЕТЕЙ



    Кроме своего основного назначения - повышения пропускной способности связей в сети,  коммутатор позволяет локализовывать потоки информации в сети, а также контролировать эти потоки и управлять ими, используя пользовательские фильтры. Однако пользовательский фильтр может запретить передачи кадров только по конкретным адресам, а широковещательный трафик он передает всем сегментам сети. Так требует алгоритм работы моста, который реализован в коммутаторе, поэтому сети, созданные на основе мостов и коммутаторов, иногда называют плоскими  из-за отсутствия барьеров на пути широковещательного трафика.

    Технология виртуальных сетей (Virtual LAN, VLAN) позволяет преодолеть указанное ограничение. Виртуальной сетью называется группа узлов сети, трафик которой, в том числе и широковещательный, на канальном уровне полностью изолирован от других узлов сети. Это означает, что передача кадров между разными виртуальными сегментами на основании адреса канального уровня невозможна, независимо от типа адреса - уникального, группового или широковещательного. В то же время внутри виртуальной сети кадры передаются по технологии коммутации, т.е. только на тот порт, который связан с адресом назначения кадра.

    Говорят, что виртуальная сеть образует домен широковещательного трафика (broadcast domain) по аналогии с доменом коллизий, который образуется повторителями сетей Ethernet.

    Назначение технологии виртуальных сетей состоит в облегчении процесса создания независимых сетей, которые затем должны связываться с помощью протоколов сетевого уровня.


    Для решения этой задачи до появления технологии виртуальных сетей использовались отдельные повторители, каждый из которых образовывал независимую сеть. Затем эти сети связывались маршрутизаторами в единую интерсеть см. рис. 56.

    При изменении состава сегментов (переход пользователя в другую сеть, дробление крупных сегментов) при таком подходе приходится производить физическую перекоммутацию разъемов на передних панелях повторителей или в кроссовых панелях, что не очень удобно в больших сетях - много физической работы, к тому же высока вероятность ошибки.

    Поэтому для устранения необходимости физической перекоммутации узлов стали применять многосегментные повторители см. рис. 57. В наиболее совершенных моделях таких повторителей приписывание отдельного порта к любому из внутренних сегментов производится программным путем, обычно с помощью удобного графического интерфейса. Примерами таких повторителей могут служить концентратор Distributed 5000 компании Bay Networks и концентратор PortSwitch компании 3Com. Программное приписывание порта сегменту часто называют статической, или конфигурационной коммутацией.

    Однако решение задачи изменения состава сегментов с помощью повторителей накладывает некоторые ограничения на структуру сети - количество сегментов такого повторителя обычно невелико, поэтому выделить каждому узлу свой сегмент, как это можно сделать с помощью коммутатора, нереально. Поэтому сети, построенные на основе повторителей с конфигурационной коммутацией, по-прежнему основаны на разделении среды передачи данных между большим количеством узлов и, следовательно, обладают гораздо меньшей производительностью по сравнению с сетями, построенными на основе коммутаторов.



    Рис. 56. Интерсеть, состоящая из сетей, построенных на основе повторителей



    Рис. 57. Многосегментный повторитель с конфигурационной коммутацией

    При использовании технологии виртуальных сетей в коммутаторах одновременно решаются две задачи:



    ·         повышение производительности в каждой из виртуальных сетей, так как коммутатор передает кадры в такой сети только узлу назначения;

    ·         изоляция сетей друг от друга для управления правами доступа пользователей и создания защитных барьеров на пути широковещательных штормов.

    Для связи виртуальных сетей в интерсеть требуется привлечение сетевого уровня. Он может быть реализован в отдельном маршрутизаторе, а может работать и в составе программного обеспечения коммутатора.

    12.1 Типы виртуальных сетей



    Технология образования и работы виртуальных сетей с помощью коммутаторов долгое время была нестандартизована, хотя и была реализована в очень широком спектре моделей коммутаторов разных производителей. Такое положение должно скоро измениться, так как институт IEEE в апреле окончательно принял спецификации 802.1q/p, которые описывают стандартный способ построения виртуальных сетей.

    Ввиду долгого отсутствия стандартов каждый производитель разработал свою технологию построения виртуальных сетей, которая, как правило, была несовместима с технологией других производителей. Поэтому виртуальные сети проще создавать пока на оборудовании одного производителя. Исключение составляют только виртуальные сети, построенные на основе спецификации LANE (LAN Emulation), предназначенной для обеспечения взаимодействия АТМ-коммутаторов с традиционным оборудованием локальных сетей.

    Существует несколько способов построения виртуальных сетей:

  • Группировка портов.


  • Группировка МАС-адресов.


  • ·         Использование меток в дополнительном поле кадра - частные протоколы и спецификации IEEE 802.1 Q/p.

  • Спецификация LANE для АТМ-комутаторов.


  • Использование сетевого уровня.




  • 12.2 VLAN на основе группировки портов



    При создании виртуальных сетей на основе одного коммутатора обычно используется механизм группирования в виртуальные сети портов коммутатора см. рис. 58.

    Это логично, так как виртуальных сетей, построенных на основе одного коммутатора, не может быть больше, чем портов.


    Если к одному порту подключен сегмент, построенный на основе повторителя, то узлы такого сегмента не имеет смысла включать в разные виртуальные сети - все равно трафик этих узлов будет общим.



    Рис. 58. Виртуальные сети, построенные на одном коммутаторе с помощью группировки портов

    Создание виртуальных сетей на основе группирования портов не требует от администратора большого объема ручной работы - достаточно каждый порт приписать к нескольким заранее поименованным виртуальным сетям. Обычно такая операция выполняется путем перетаскивания мышью графических символов портов на графические символы сетей.



    12.3 VLAN на основе группировки МАС-адресов



    Второй способ, который используется для образования виртуальных сетей, основан на группировании МАС-адресов. При существовании в сети большого количества узлов этот способ требует выполнения большого количества ручных операций от администратора. Однако он оказывается более гибким при построении виртуальных сетей на основе нескольких коммутаторов, чем способ группирования портов.



    коммутаторах с группировкой портов">

    Рис. 59. Построение виртуальных сетей на нескольких коммутаторах с группировкой портов.

    Рис. 59 иллюстрирует проблему, возникающую при создании виртуальных сетей на основе нескольких коммутаторов, поддерживающих технику группирования портов. Если узлы какой-либо виртуальной сети подключены к разным коммутаторам, то для соединения коммутаторов каждой такой сети должна быть выделена своя пара портов. В противном случае, если коммутаторы будут связаны только одной парой портов, информация о принадлежности кадра той или иной виртуальной сети при передаче из коммутатора в коммутатор будет утеряна. Таким образом, коммутаторы с группировкой портов требуют для своего соединения столько портов, сколько виртуальных сетей они поддерживают. Порты и кабели используются при таком способе очень расточительно. Кроме того, при соединении виртуальных сетей через маршрутизатор для каждой виртуальной сети выделяется в этом случае отдельный кабель, что затрудняет вертикальную разводку, особенно если узлы виртуальной сети присутствуют на нескольких этажах (рис. 60).





    через маршрутизатор">

    Рис. 60. Соединение виртуальных сетей, построенных на группировании портов, через маршрутизатор

    Группирование МАС-адресов в сеть на каждом коммутаторе избавляет от необходимости их связи несколькими портами, однако требует выполнения большого количества ручных операций по маркировке МАС-адресов на каждом коммутаторе сети.

     



    12.4 Использование меток в дополнительном поле кадра - стандарты 802.1 Q/p и фирменные решения



    Описанные два подхода основаны только на добавлении дополнительной информации к адресным таблицам моста и не используют возможности встраивания информации о принадлежности кадра к виртуальной сети в передаваемый кадр. Остальные подходы используют имеющиеся или дополнительные поля кадра для сохранения информации и принадлежности кадра при его перемещениях между коммутаторами сети. При этом нет необходимости запоминать в каждом коммутаторе принадлежность всех МАС-адресов интерсети виртуальным сетям.

    Если используется дополнительное поле с пометкой о номере виртуальной сети, то оно используется только тогда, когда кадр передается от коммутатора к коммутатору, а при передаче кадра конечному узлу оно удаляется. При этом модифицируется протокол взаимодействия "коммутатор-коммутатор", а программное и аппаратное обеспечение конечных узлов остается неизменным. Примеров таких фирменных протоколов много, но общий недостаток у них один - они не поддерживаются другими производителями. Компания Cisco предложила использовать в качестве стандартной добавки к кадрам любых протоколов локальных сетей заголовок протокола 802.10, предназначенного для поддержки функций безопасности вычислительных сетей. Сама компания использует этот метод в тех случаях, когда коммутаторы объединяются между собой по протоколу FDDI. Однако эта инициатива не была поддержана другими ведущими производителями коммутаторов.

    Новый стандарт IEEE 802.1Q определяет изменения в структуре кадра Ethernet, позволяющие передавать информацию о VLAN по сети.



    Стандарт IEEE 802. 1p специфицирует метод указания приоритета кадра, основанный на использовании новых полей, определенных в стандарте IEEE 802.1Q.

    К кадру Ethernet добавлены два байта. Эти 16 бит содержат информацию по принадлежности кадра Ethernet к ВЛВС и о его приоритете. Говоря точнее, тремя битами кодируется до восьми уровней приоритета, 12 бит позволяют различать трафик до 4096 ВЛВС, а один бит зарезервирован для обозначения кадров сетей других типов (Token Ring, FDDI), передаваемых по магистрали Ethernet.

    Надо сказать, что добавление двух байтов к максимальному размеру кадра Ethernet ведет к возникновению проблем в работе многих коммутаторов, обрабатывающих кадры Ethernet аппаратно. Чтобы избежать их, группы по стандартизации предложили сократить на два байта максимальный размер полезной нагрузки в кадре.

    Спецификация IEEE 802.1p, создаваемая в рамках процесса стандартизации 802.1Q, определяет метод передачи информации о приоритете сетевого трафика. Стандарт 802.1p специфицирует алгоритм изменения порядка расположения пакетов в очередях, с помощью которого обеспечивается своевременная доставка чувствительного к временным задержкам трафика.

    В дополнение к определению приоритетов стандарт 802.1p вводит важный протокол GARP (Generic Attributes Registration Protocol) с двумя специальными его реализациями. Первая из них - протокол GMRP (GARP Multicast Registration Protocol), позволяющий рабочим станциям делать запрос на подключение к домену групповой рассылки сообщений. Поддерживаемую этим протоколом концепцию назвали подсоединением, инициируемым "листьями". Протокол GMRP обеспечивает передачу трафика только в те порты, из которых пришел запрос на групповой трафик, и хорошо согласуется со стандартом 802.1Q.

    Второй реализацией GARP является протокол GVRP (GARP VLAN Registration Protocol), похожий на GMRP. Однако, работая по нему, рабочая станция вместо запроса на подключение к домену групповой рассылки сообщений посылает запрос на доступ к определенной VLAN.



    Для согласования работы устройств, поддерживающих формат кадра 802.1 Q, с теми устройствами, которые не понимают этот формат, разработчики стандарта предложили делить весь трафик в сети на несколько типов.

    Трафик входного порта (Ingress Port). Каждый кадр, достигающий коммутируемой сети и идущий либо от маршрутизатора, либо от рабочей станции, имеет определенный порт-источник. На основании его номера коммутатор должен "принять решение" о приеме (или отбрасывании) кадра и передаче его в ту или иную VLAN. Решение "судьбы" кадра, осуществляемое в единственной логической точке сети, делает возможным сосуществование самых разных видов VLAN. Приняв кадр, коммутатор "прикрепляет" к нему "ярлык" (tag) VLAN. Как только кадр с "ярлыком" VLAN оказывается в сети, он становится частью проходящего (Progress) или внутреннего трафика.

    Внутренний трафик (Progress Traffic).

    Кадр с "ярлыком" коммутируется точно так же, как и без "ярлыка". Решения о его принадлежности к той или иной VLAN принимаются в пограничных элементах сети, и остальные сетевые устройства индифферентно "относятся" к тому, как именно кадр попал в сеть. Так как максимальный размер кадра Ethernet остался неизменным, то пакеты всех VLAN смогут обрабатываться традиционными коммутаторами и маршрутизаторами внутренней части сети.

    Трафик выходного порта (Egress Port). Чтобы попасть в межсетевой маршрутизатор или в оконечную рабочую станцию, кадр должен выйти за пределы коммутируемой сети. Ее выходное устройство "решает", какому порту (или портам) нужно передать пакет и есть ли необходимость удалять из него служебную информацию, предусмотренную стандартом 802.1Q. Дело в том, что традиционные рабочие станции не всегда воспринимают информацию о VLAN по стандарту 802.1Q, но сервер, обслуживающий несколько подсетей с помощью единственного интерфейса, должен ее активно использовать.

    Условное деление трафика на внутренний, а также входной и выходной порты позволяет поставщикам нестандартных реализаций VLAN создавать шлюзы для их стыковки с ВОЛВС соответствующими стандарту 802.1Q.





    12.5 Использование спецификации LANE



    Существует два способа построения виртуальных сетей, которые используют уже имеющиеся поля для маркировки принадлежности кадра виртуальной сети, однако эти поля принадлежат не кадрам канальных протоколов, а ячейкам технологии АТМ или пакетам сетевого уровня.

    Спецификация LANE вводит такое понятие, как эмулируемая локальная сеть - ELAN. Это понятие имеет много общего с понятием виртуальной сети:

    ·         ELAN строится в сети, состоящей из коммутаторов (коммутаторов АТМ);

    ·         связь между узлами одной и той же ELAN осуществляется на основе МАС-адресов без привлечения сетевого протокола;

    ·         трафик, генерируемый каким-либо узлом определенной ELAN, даже широковещательный, не выходит за пределы данной ELAN.

    Кадры различных ELAN не свешиваются друг с другом внутри сети коммутаторов АТМ, так как они передаются по различным виртуальным соединениям и номер виртуального соединения VPI/VCI является тем же ярлыком, который помечает кадр определенной VLAN в стандарте 802.1Q и аналогичных фирменных решениях.

    Если VLAN строятся в смешанной сети, где имеются не только коммутаторы АТМ, то "чистые" коммутаторы локальных сетей, не имеющие АТМ-интерфейсов, должны использовать для создания виртуальной сети один из вышеперечисленных методов, а пограничные коммутаторы, имеющие наряду с традиционными еще и АТМ-интерфейсы, должны отображать номера VLAN на номера ELAN при передаче кадров через сеть АТМ.

     





    12.6 Использование сетевого протокола



    При использовании этого подхода коммутаторы должны для образования виртуальной сети понимать какой-либо сетевой протокол. Такие коммутаторы называют коммутаторами 3-го уровня, так как они совмещают функции коммутации и маршрутизации. Каждая виртуальная сеть получает определенный сетевой адрес, - как правило, IP или IPX.

    Тесная интеграция коммутации и маршрутизации очень удобна для построения виртуальных сетей, так как в этом случае не требуется введения дополнительных полей в кадры, к тому же администратор только однократно определяет сети, а не повторяет эту работу на канальном и сетевом уровнях.


    Принадлежность конечного узла к той или иной виртуальной сети в этом случае задается традиционным способом - с помощью задания сетевого адреса. Порты коммутатора также получают сетевые адреса, причем могут поддерживаться нестандартные для классических маршрутизаторов ситуации, когда один порт может иметь несколько сетевых адресов, если через него проходит трафик нескольких виртуальных сетей, либо несколько портов имеют один и тот же адрес сети, если они обслуживают одну и ту же виртуальную сеть.

    При передаче кадров в пределах одной и той же виртуальной сети коммутаторы 3-го уровня работают как классические коммутаторы 2-го уровня, а при необходимости передачи кадра из одной виртуальной сети в другую - как маршрутизаторы. Решение о маршрутизации обычно принимается традиционным способом:  его делает конечный узел, когда видит на основании сетевых адресов источника и назначения, что кадр нужно отослать в другую сеть.

    Однако использование сетевого протокола для построения виртуальных сетей ограничивает область их применения только коммутаторами 3-го уровня и узлами, поддерживающими сетевой протокол. Обычные коммутаторы не смогут поддерживать такие виртуальные сети, и это является большим недостатком. За бортом также остаются сети на основе немаршрутизируемых протоколов, в первую очередь сети NetBIOS.

    По этим причинам наиболее гибким подходом является комбинирование виртуальных сетей на основе стандартов 802.1 Q/p с последующим их отображением на "традиционные сети" в коммутаторах 3-го уровня или маршрутизаторах. Для этого коммутаторы третьего уровня и маршрутизаторы должны понимать метки стандарта 802.1 Q.

     

    13 МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОНФИГУРАЦИИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ

     

    На выбор конфигурации ЛВС влияет большое число факторов. В об­щем случае можно сказать, что лучшая ЛВС — это та, которая удовлетво­ряет всем требованиям пользователей при минимальной стоимости ее аппаратного и программного обеспечения. Проектирование конфигура­ции ЛВС требует решения ряда задач, включающих выбор комплекса программно-аппаратных средств (КПАС) ЛВС, выбор типов сетей свя­зи в данном КПАС, трассировку кабельной сети ЛВС в зданиях и поме­щениях и др.



    Пользователи и (или) заказчики, представляющие конкретную при­ кладную область, как правило, не обладают достаточными знаниями, чтобы осуществить качественный выбор конфигурации ЛВС, поэтому им требуются "посредники" — высококвалифицированные специалисты в области проектирования конфигураций ЛВС. Входной информацией для них служат знания пользователей/заказчиков об их прикладной об­ласти.

    Современные методы теории вычислительных систем и сетей, теории и технологии экспертных систем позволяют разработать специальные программные средства, автоматизирующие процесс принятия решений проектировщиками ЛВС.

    13.1 Критерии и факторы выбора конфигурации ЛВС

     

    В процессе выбора ЛВС необходимо учитывать ряд требований при­кладной области, например: физическое расположение пользователей (оконечных систем), количество и типы оконечных систем, требования к передаче данных (типы данных, длины сообщений, среднюю и пико­вую нагрузки), требования пользователей к программным и аппарат­ным ресурсам.   Расстояния между оконечными системами, наличие несовместимых оконечных систем и требования к контролю досту­па пользователей к отдельным участкам ЛВС могут привести к не­обходимости предусматривать в составе сети различные шлюзы и мосты.

    В любой ЛВС существенным фактором является максимально дости­жимая пропускная способность сети связи. Она характеризует предел функциональных возможностей сети. Поэтому перед выбором ЛВС необходимо оценить, какая пропускная способность требуется пользова­телям данной прикладной области. Для этого надо специфицировать тип (типы) пользователей.

     

     

     

     

    13.2 Типы ользователей.

     

     Нагрузка на сеть определяется количеством и типами пользователей. Приведем классификацию типов пользовате­лей ЛВС персональных ЭВМ. Поскольку поль­зователи одного типа, в свою очередь, различаются объемом порождае­мого ими трафика, в каждом из предложенных пяти типов пользовате­лей определяются различные категории нагрузки.


    Категория с мень­ шим номером индентифицирует менее активного пользователя. Ранжи­ровка категорий основана на средней пропускной способности рабо­чей станции, составляющей 64 кбит/с (это средняя из максимальных про­пускных способностей в семи известных ЛВС). Последняя соответ­ствует категории 100.

    Тип 1. Пользователи этого типа в основном выполняют работу на своей ЭВМ (оконечной системе) и мало используют сеть. Они считы­вают данные из сети, относительно долго манипулируют ими, а затем посылают результаты для хранения на общем диске. Такой работе соот­ветствуют обработка текстов, деловая графика, работа с электронными бланками, персональными программными средствами и весьма слабое взаимодействие с общими базами данных. Категории нагрузки — от 0до 5.

    Тип 2. Пользователи чаще используют сеть, что соответствует работе с данными и генерации отчетов, требующими регулярного, но не по­стоянного взаимодействия с базами данных. Категории нагрузки – от  5 до 10.

    Тип. 3. Пользователи требуют для работы с сетью примерно столько же времени, сколько на локальную обработку на своей ЭВМ. Это рабо­ты типа сортировки, подготовки итоговых отчетов, постоянного взаимо­действия с базами данных. Категории нагрузки – от 10 до 20.

    Тип 4. Пользователи большую часть времени работают с сетью, интен­сивно взаимодействуя с базами данных, генерируя отчеты и т.п. Кате­гории нагрузки – от 20 до 40.

    Тип 5. Очень высокая загрузка сети. Примером может служить поль­зователь, в течение целого дня занимающийся компиляцией, хотя та­кая работа встречается чрезвычайно редко. Категории нагрузки – от 40 до 100.

    Зная количество пользователей определенных типов в ЛВС, можно вычислить фактор сетевой нагрузки как сумму категорий нагрузки пользователей. Для многих ЛВС известны профили зависимости произ­водительности их сети связи от сетевой нагрузки. Найденное таким образом значение производительности сети при данной сетевой нагруз­ке сравнивают с производительностью ввода/вывода ЭВМ.


    Разница этих значений может оказаться неудовлетворитель­ной (т.е. производительность данной сети существенно меньше произ­водительности отдельной ЭВМ). Тогда выбирается другая ЛВС, для которой эти значения близки.

     

     

    13.2 Последовательность проектирования

     

     Перечислим основные отличительные характеристики и факторы, влияющие на выбор КПАС ЛВС и проектирование соответствующей конфигурации:

    1. Среда передачи информации или кабельная система. Характерис­тики: частота, напряжение или мощность сигнала, затухание сигнала, помехозащищенность, защита от климатических воздействий, протя­женность без промежуточного усиления сигнала, ширина полосы частот, стоимость приобретения и установки.

    2. Метод доступа к среде.

    3. Метод передачи: моноканал или поликанал.

    4. Топология.

    5. Максимальная протяженность сети.

    6. Пропускная способность сети.

    7. Типы передаваемой информации: данные, речь, изображения.

    8. Сетевое программное обеспечение: уровни аппаратной и програм­мной реализации, функциональные возможности, требуемая емкость памяти и др.

    9. Интерфейсы: соответствие стандартам, тип интерфейса (асинхрон­ный, синхронный, последовательный, параллельный), скорость переда­чи данных между оконечной системой и контроллером (или станцией) локальной сети. Канал контроллер — оконечная система может быть реализован несколькими способами. Чаще других используются каналы с разделением памяти, с разделением порта ввода/вывода и с прямым доступом к памяти. Они перечислены в порядке убывания скорости передачи.

    10. Интерсетевое обеспечение: типы шлюзов в данном КПАС (связь с сетями Х.25, DECnet, SNA и др.), локальные и удаленные мосты, реализация, стоимость.

    11. Надежность. При рассмотрении этого фактора необходимо отве­тить на следующие вопросы:

    - Какова надежность ЛВС в целом по сравнению с надежностью ее отдельных оконечных систем?

    - Какова вероятность сбоя, выводящего из строя всю ЛВС?

    - Является ли сетевое оборудование (контроллеры, приемопере­датчики, повторители, ретрансляторы и др.) более надежным, чем око­нечные системы?



    - Какова вероятность искажений при передаче информации по среде?

    - Поддерживаются ли в данном КПАС тестовые и диагностические процедуры и каковы их возможности?

    - Указывает ли изготовитель параметры надежности сетевых компо­нентов?

    12. Защита данных: наличие мостов для изоляции графика отдельных участков ЛВС; наличие таких механизмов, как проверка прав досту­па к общим файлам, проверка паролей для доступа к отдельным око­нечным системам и др.

    13. Оконечные системы: типы оконечных ЭВМ, поддерживаемых данным КПАС, максимальное число подключений. Необходимо учиты­вать интерфейс контроллер—оконечную систему (см. п. 9).

    14. Окружающая среда: климатические и электромагнитные парамет­ры, требования к размерам и массе устройств.

    15. Расширяемость: подключение дополнительных устройств, удли­нение сети связи, развитие применений и прикладных систем.

    16. Стоимость: учет таких составляющих, как приобретение, уста­новка, обучение, эксплуатация, реконфигурация.

    17. Управление трафиком: возможность управления нагрузкой, ап­паратная или программная реализация.

    18. Административное управление: наличие специальных средств, таких, как консоль администратора, мониторы, тесты, журнал, эксперт­ная система и др. (см. гл. 8).

    19. Показатели качества функционирования: эффективная пропуск­ная способность (производительность), задержка сообщений в сети, время отклика, частота ошибок, возможность организации приорите­тов, уровень защиты данных, надежность.

    20. Документация: степень полноты и простоты документации на сеть, включающей руководства пользователя/программиста, администра­тора/оператора, спецификации интерфейсов, описание всех компонен­тов КПАС.

    21. Установка: трудоемкость трассировки кабелей, проработки соединений, установки и доступности врезок, панелей, контроллеров и других сетевых компонетов, подключения оконечных систем, прове­дение испытаний.

    22. Обучение. Оценивается программа обучения пользователей и персонала ЛВС, предлагаемая изготовителем КПАС ЛВС: место обуче­ния, продолжительность курса, оснащенность полигона, требования к начальным знаниям обучающихся, возможности и программа обуче­ния в процессе и после установки ЛВС.



    23. Сопровождение (техническое обслуживание): наличие и стои­мость специальных тестеров и мониторов, трудоемкость и быстрота внесения изменений в программное обеспечение, а также замены плат, устройств, кабелей.

    При решении задач размещения сетевого оборудования и трасси­ровки кабельной сети необходимо:

    а) учитывать особенности окружающей среды;

    б) устанавливать оборудование в местах, легкодоступных для обслу­живающего персонала;

    в) располагать интенсивно взаимодействующие компоненты ЛВС близ­ко друг от друга;

    г) использовать для изоляции графика отдельных подсистем (например, графика администрации учреждения от сети связи рабочих мест рядовых сотрудников) мосты, разделяющие сети связи подсистем;

    д) учитывать наличие или отсутствие фальшполов или специальных кабельгонов, что обеспечивает возможности трассировки кабелей в по­мещениях, и другие факторы.

    Ответы на каждый из представленных пунктов последовательности практически дает полное представление системного подхода проектирования и дополнительно административного управления вычислительной сетью.

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    14  ЗАКЛЮЧЕНИЕ

    Сетевые специалисты утверждают, что 50% технологий в области вычислительных сетей полностью устаревает за 5 лет. Довод спорный, но факт остается фактом: набор базовых технологий, представления о перспективности той или иной технологии, подходы и методы решения ключевых задач и даже понятия о том, какие задачи при создании сетей являются ключевыми – все это меняется очень быстро и часто неожиданно.

    Скорость и все большее использование новых информационных и телекоммуникационных технологий стали теперь явлением, общим для большинства стран. В будущем спутники дадут любому человеку на земном шаре возможность связаться с любым другим человеком в любой момент времени и в любом месте.


    Связь уже технически разрешима не только голосовая, но и визуальная, и это станет правилом в нашем обществе. Человек уподобится нейрону, являющемуся звеном в необъятной сети, будучи сам по себе сетью нейронов, связанных со всеми остальными изнутри или снаружи.

    Как знание аксиом в математике позволяет приходить к новым выводам, так и знание основополагающих сетевых концепций, представленных в данном учебном пособии, позволяет легко разобраться в новых, пусть даже на первый взгляд и очень сложных, сетевых технологиях.

    Содержание раздела