Способы комплексирования

Для расширения кольцевых ЛВС используются двух- и трехуровневые кольцевые структуры (рис. 27.2). В этом случае сеть строится из нескольких кольцевых подсетей, а каждой из которых передача данных происходит в обычном порядке. Для объединения подсетей используется дополнительное кольцо, содержащее коммутационные узлы КУ (switcher), через которые кольца нижнего уровня подсоединяются к кольцевому каналу более высокого уровня. КУ принимают кадры, адресованные узлам других колец, и направляют их в соответствующие коммутационные узлы для передачи адресату. Коммутация кадров производится по таблицам маршрутизации, хранимым в памяти КУ. За счет иерархических кольцевых структур можно существенно увеличить число станций, входящих в сеть, причем средняя задержка незначительно увеличивается. К тому же при преобразовании кольцевой структуры в оптимальную двух- или трехкольцевую повышается надежность сети.

Комплексирование моноканальных сетей в сеть более высокого уровня может производиться с помощью межканальных станций МКС (рис. 27.3), соединяющих два канала. Межканальная станция выполняет функции, аналогичные функциям узла связи в сетях передачи данных. Она селектирует передаваемые по моноканалу кадры, выделяя из них те, которые адресованы абонентам, подключенным к выходному каналу станции, принимает выделенные кадры, хранит их в буферной памяти в передает в выходной канал, связывающий МКС с адресатами. При этом необходимость в коммутации кадров отсутствует, поскольку МКС имеет только одно выходное направление. Межканальная станция, связывающая два моноканала одного типа, называется мостом (bridge). Если сопрягаемые сети находятся на значительном расстоянии, для связи между ними можно использовать линию передачи данных. В этом случае сопряжение сетей производится с помощью двух МКС, связанных линией передачи данных, — длинного моста. Межканальная станция длинного моста преобразует протокол моноканала в протокол передачи данных, например, HDLC, и обратно.

Многоканальная сеть может быть однородной, включающей в себя моноканалы одного типа, а также неоднородной и объединять сети с магистральной и кольцевой структурой и разными протоколами управления физическим каналом, доступом к каналу и информационным каналом. В последнем случае, кроме селекции и управления каналами, необходимо преобразование протоколов информационных каналов. Для этих целей используется интерфейсная система, иначе называемая шлюзом (gate). Интерфейсная система строится на базе ГВМ, реализующей функции преобразования протоколов. К ГВМ подключаются адаптеры для сопряжения ЭВМ с моноканалами. С помощью интерфейсной си­стемы возможно сопряжение ЛВС и СПД с использованием, например, IP-про­токола, т.е. объединение локальных и глобальных вычислительных сетей, включая Интернет-сеть.

Разработка ЛВС началась в 70-х годах. К настоящему времени создано большое число вариантов ЛВС, отличающихся типом передающей среды, пропускной способностью моноканала, структурой и назначением. Типичные области применения ЛВС — системы административного управления и электронного документооборота (учрежденческие, корпоративные), автоматизации проектирования и технологической подготовки производства, автоматизации научных исследований, промышленные системы (системы управления технологическими процессами и производством) и бортовые. К последним предъявляются требования повышенной надежности при работе в условиях сильных электромагнитных помех и, возможно, в широком диапазоне температур окружающей среды.

Ниже описываются четыре реализации ЛВС, наиболее ярко представляющие основные аспекты организации локальных сетей.

Сеть «Ethernet»

Эта сеть разработана в середине 70-х годов фирмой «Ксерокс» (США), и ее архитектура используется в качестве типовой фирмами DEC и «Интел», производящими ЭВМ и другое сетевое и электронное оборудование. Основное назначение сети — системы административного управления и электронного документооборота (учрежденческие, корпоративные).

Сеть имеет магистральную структуру. В качестве передающей среды используется коаксиальный кабель, передача данных по которому выполняется со скоростью 10…1000 Мбит/с. Сеть может объединять до 1024 систем при максимальном расстоянии между ними 2,5 км.

Структура сети представлена на рис. 28.1. В простейшем варианте (рис. 28.1,а) сеть состоит из сегмента (длиной до 500 м) коаксиального кабеля, к которому может подключаться до 100 приемопередатчиков, обслуживающих системы. Кабель приемопередатчика состоит из четырех витых пар для передачи, приема данных, передачи сигналов столкновения и питания. Максимальная длина кабеля приемопередатчика 50 м.

Рис. 28.1. Варианты ЛВС

В варианте на рис. 28.1,б сегменты объединяются в магистраль с помощью ретрансляторов, подключаемых к приемопередатчикам. Между любыми двумя системами не может быть более двух ретрансляторов. Пример сложной конфигурации представлен на рис. 28.1,в. Для связи удаленных сегментов используется ретранслятор длинной линии, предельная длина которой может достигать 1 км. При любой конфигурации расстояние между системами не должно превышать 2,5 км.

Сеть имеет трехуровневую организацию. Верхний уровень — прикладной — объединяет функции и средства обработки данных и ввода-вывода сообщений. Канальный и физический уровни обеспечивают доступ к моноканалу и передачу по нему сообщений. Функции двух нижних уровней реализуются приемопередатчиком и сетевым адаптером, который в этой сети называется абонентской станцией. Приемопередатчик установлен непосредственно на коаксиальном кабеле и служит для формирования сигналов, приема сигналов из канала и выявления столкновений. С помощью кабеля к приемопередатчику подсоединяется плата контроллера — абонентской станции, которая реализует доступ к моноканалу, передачу и прием сообщений, а также сопряжение с интерфейсом ЭВМ — шиной ввода-вывода. ЭВМ выполняет прикладные функции, функции управления передачей данных между взаимодействующими процессами (абонентами), а также часть функций по управлению информационным каналом.

Передаваемые по каналу данные представляются в манчестерском коде. Для исключения потерь первых битов кадра передача предваряется последовательностью из 64 бит:

1010101010101010 . . . 10101011 .

Последовательность 1010...10 — это серия сигналов с частотой 5 МГц. Код «11», завершающий последовательность, отмечает момент начала кадра. Приемник включается в работу при обнаружении последовательности 1010...10 и после поступления кода «11» начинает прием битов кадра. После исчезновения сигналов в канале кадр считается принятым и начинается его обработка.

Способ доступа к каналу – свободный с проверкой несущей и столкновений. Контроллер проверяет наличие сигналов в канале и после исчезновения несущей начинает передачу кадра в канал с задержкой 9,8 мкс. Задержка создает межкадровый интервал, в течение которого аппаратура контроллеров восстанавливает свое исходное состояние и может принимать очередной кадр. В том случае, если при передаче приемопередатчик выявляет столкновение, контроллер прекращает передачу кадра и «подкрепляет» столкновение, передавая в канал помеху в виде последовательности из 32…48 бит. При этом системе разрешается сделать еще 15 попыток передачи кадра. Если все 16 попыток оказались неудачными, выдается сигнал об ошибке.

Рис. 28.2. Формат кадра ЛВС «Ethernet»

Формат кадра сети «Ethernet» представлен на рис. 28.2. Адреса разделяются на три типа; физические, групповые и широковещательные. Физический – адрес, однозначно определяющий систему сети. Групповой адрес определяет группу систем. Широковещательный адрес относится ко всем системам сети. Тип адреса кодируется в первом бите адреса приемника: 0 – физический, 1 – групповой или широковещательный адрес. Последний кодируется единицами во всех 48 разрядах поля адреса приемника. Источник идентифицируется своим физическим адресом, представляемым во втором ноле кадра. Поле типа кадра идентифицирует команды и ответы. Контроль правильности передаваемых дан­ных осуществляется с помощью 32-разрядного циклического кода.

Сеть «Cambridge Ring» (CR, Кембриджское кольцо)

Сеть разработана в Кембриджском университете в 1979 г. Аппаратура выпускается под названием Роlynet. Сеть имеет кольцевую структуру. Сетевые адаптеры соединяются кабелем, состоящим из двух экранированных пар витых проводов. Обе пары используются для передачи сигналов. Значение 1 передается сигналами сразу по двум парам, значение 0 — сигналом по одной паре. Эти же пары используются для питания; цепи разных пар имеют различные потенциалы. Расстояние между соседними адаптерами не должно превышать 100 м, чтобы скорость передачи данных по моноканалу была не менее 10 Мбит/с при использовании достаточно простых приемопередатчиков.

Для устранения некоторых ошибок функционирования сети используется ГВМ-монитор. Монитор отмечает каждый проходящий кадр установкой бита 3 в единицу. Если поступает кадр с меткой монитора, равной 1, значит, система-источник по какой-то причине не освободила кадр. В этом случае очистку кадра выполняет монитор. При запуске сети монитор генерирует набор свободных кадров, число которых фиксировано и зависит от протяженности кольца. При этом учитывается, что каждый адаптер по кольцу вносит задержку 2 бита и задержка кабеля составляет 4 бита на каждые 100 м длины.

Рис. 28.4. Четырёхуровневая кольцевая структура ЛВС CFR

В сети CR реализована передача данных в режиме сеанса связи, предусматривающая передачу серии взаимосвязанных субкадров, длина которой определяется при генерации сети. Для установления сеанса связи источник формирует и передает кадр, несущий заголовок сеанса. В заголовке указывается число субкадров, передаваемых в одном кадре. Если приемник готов принять кадр с данными, он возвращает источнику кадр с заголовком сеанса и меткой «кадр принят»; в ответ источник передает адресату последовательность субкадров, образующих кадр с данными. Кадр снабжается контрольной суммой длиной 16 бит. Кроме того, в сети CR имеется узел управления именованием, содержащий специализированное программно-аппаратное устройство. Узел выполняет преобразование (отображение) логических имен в физические адреса станций и обратное преобразо­вание, благодаря чему абоненты сети могут пользова­ться произвольной системой именования, не связан­ной с физическими адресами узлов (аналог DNS-сис­темы, Domain Name System).

В настоящее время разработан и используется новый стандарт Cambridge Fast Ring (CFR, 1988 год) и его продолжение Cambridge Backbone Ring (CBR). В его основе лежит использование волоконно-опти­ческого кабеля. Пример четырёхуровневой кольцевой структуры ЛВС CFR представлен на рис. 28.4. Эти стандарты изменили структуру кадра (рис. 28.5) за счёт увеличения длины поля данных до 32 байт, увеличения адресных полей до 2 байт, а также введения циклической проверочной суммы длинной 12 бит (Cyclic Redundancy Check, CRC).

Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE) в США подготовил в 1981 г. проект стандарта локальных сетей. Проект охватывает только два нижних уровня сетевых средств — управление физическим и информационным каналом, включая управление доступом к каналу, и устанавливает протоколы уровней 1, 2.1 и 2.2 (рис. 24.3).

В основу управления информационным каналом положен протокол HDLC — стандартный протокол второго уровня, используемый в сетях передачи данных с коммутацией кадров. Формат кадра, определяемый проектом 802, представлен на рис. 28.6. Кадр обрамлен флаговыми комбинациями 01111110, используемыми на уровне управления физическим каналом. Адреса назначения и источника кодируются одним (как и на рисунке) или несколькими байтами (до семи). 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:

а двухбайтовый адрес источника —

где D (destination)и S (source) — биты адреса, принимающие значение 0 или 1.

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. Единицы во всех битах адреса назначения определяют глобальный адрес, относящийся ко всем абонентам сети. 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. Байт управления используется для обозначения типа кадра.

Применяются три типа кадров: I — информационный, С — управляющий, U — ненумерованный. Тип кадра определяется значением одного или двух первых битов поля управления. Информационные кадры служат для передачи нумерованных кадров и несут в поле управления следующие данные: N(S) – порядковый номер передаваемого кадра по модулю 8; N(R) — по­рядковый номер следующего принимаемого кадра по модулю 8; P/F — бит запроса/ответа. Кадр команды с битом запроса P/F = 1используется для обращения к системе-адресату с целью получения кадра ответа, который должен идентифицироваться битом P/F = 0. Управляющие кадры C предназначены для передачи подтверждений о приеме кадров, запросов на повторную передачу информационных кадров и на временное прекращение передачи кадров I. В кадрах С поле СС указывает функцию управления, определяемую кадром. Ненумерованные кадры U используются для реализации дополнительных функций управления передачей данных и для передачи ненумерованных кадров, данных. Область данных может содержать любое целое число байтов, а в управляющих и ненумерованных кадрах может отсутствовать. Код циклической проверочной суммы КЦС служит для проверки корректности кадра. Допускается использование 16- и 32-разрядных циклических сумм.

Рис. 28.6. Формат кадра ЛВС (проект 802)

Состав команд и ответов, переносимых кадрами разных типов, перечислен в табл. 28.1. Кадр «Запрос» используется для повторной передачи кадров типа I, начиная от кадра с номером N(R). Команда «Идентификация станции» служит для получения данных о типе системы, предельном размере принимаемого кадра и др. С помощью ответа «Отказ» система, выдавшая команду, извещается о переходе отвечающей системы в состояние, которое не может быть исправлено посредством повторной передачи.

Проект 802 определяет два способа доступа к моноканалу: свободный доступ с проверкой несущей и столкновений и эстафетный доступ. Способ СДПНС реализуется так же, как в сети Ethernet. Эстафетный доступ распространяется как на кольцевую, так и на магистральную структуру моноканала. В каждом случае эстафета передается последовательно от системы к системе. При этом в магистральной структуре организуется логическое кольцо за счет того, что система передает эстафету следующей системе в кадре управления, получает ответ о приёме кадра и переходит в состояние ожидания приема данных, в котором пребывает до получения эстафеты. Для поддержания работы кольца применяются специальные процедуры контроля использования моноканала, изменения структуры кольца при отказе станций и создания кольца.

Таблица 28.1.

Состав команд и ответов

Проект 802 предусматривает стандартные скорости передачи данных 1; 5, 10 и 100 Мбит/с для экранированных витых пар, коаксиального кабеля, а также 1000 Мбит/с для волоконно-оптического кабеля. В настоящее время в рамках проекта 802 разработаны и активно используются методы и способы множественного беспроводного (радио-) доступа.

Стандарт ANSI FDDI

Стандарт интерфейса (оптического разъёма, рис. 25.2) FDDI (Fiber Distributed Data Interface) был разработан комитетом X3T9.5[1] Американского национального института стандартизации (ANSI). FDDI поддерживается всеми ведущими производителями сетевого оборудования.

Оптический интерфейс FDDI используется в высокоскоростных ЛВС (100…1000 Мбит/с), а также в магистральных сетях передачи данных, и служит для подключения ЭВМ и других сетевых устройств к волоконно-оптическому каналу кольцевой и магистральной структуры. Наибольшее применение интерфейс FDDI нашел в ЛВС кольцевой структуры (в частности, Token Ring, маркерное кольцо, стандарт был разработан компанией IBM в 1970-х годах), в которых используются два волоконно-оптических кольца (основное и резервное). В обоих кольцах данные передаются в противоположных направлениях (рис. 28.7). Существуют два типа интерфейса FDDI — одномодовый и многомодовый.

Рис. 28.7. Двухкольцевая структура ЛВС FDDI

Стандарт FDDI включает четыре спецификации: Управление доступом к среде передачи (Media Access Control, MAC), Протокол физического уровня (Physical Layer Protocol, PHY), Описание среды передачи (Physical-Medium Dependent, PMD) и Управление станцией (Station Management, SMT).

Управление доступом к среде передачи описывает (ANSI X3.139-1987, ISO 9314-2):

§ доступ к среде передачи;

§ формат кадра;

§ управление маркером;

§ адресацию;

§ алгоритмы вычисления проверочной суммы;

§ способы защиты от ошибок.

Протокол физического уровня описывает (ANSI X3.148-1988, ISO 9314‑1):

· процедуры кодирования и декодирования данных;

· требования к синхронизации;

· формирования кадров и другие функции.

Описание среды передачи включает (ANSI X3.166-1989, ISO 9314-3):

¨ характеристика среды передачи, включая волоконно-оптические каналы;

¨ уровни мощности;

¨ частота ошибок на бит;

¨ оптические компоненты и соединители.

Управление станцией описывает (ANSI X3.229-1994, ISO 9314-6):

o настройку станции, подключённой к ЛВС с помощью интерфейса FDDI;

o настройку кольца;

o особенности управления кольцом, включая подключение и отключение станции;

o инициализацию;

o нейтрализацию сбоев и восстановление после нештатных ситуаций;

o планирование и сбор статистики.

* Топология — раздел математики, занимающийся изучением свойств фигур (или пространств), которые сохраняются при непрерывных деформациях, таких, например, как растяжение, сжатие или изгибание. Непрерывная деформация — это деформация фигуры, при которой не происходит разрывов (т.е. нарушения целостности фигуры) или склеиваний (т.е. отождествления ее точек). Такие геометрические свойства связаны с положением, а не с формой или величиной фигуры. В отличие от евклидовой и римановой геометрий, геометрии Лобачевского и других геометрий, занимающихся измерением длин и углов, топология имеет неметрический и качественный характер.

[1] В настоящее время комитет ANSI X3T9.5 переименован в X3T12.