Методы доступа в ЛВС

В большинстве сетей существует единственный канал связи. С техниче­ской точки зрения это означает, что для передачи данных не используется какая-либо разновидность модулированных сигналов, что позволяет обычно организовать в одной линии несколько независимых каналов. Поэтому в ло­кальной сети в каждый конкретный момент времени друг с другом могут взаимодействовать только два сетевых адаптера.

Существует два принципиально отличающихся друг от друга типа ло­кальных сетей: с обнаружением столкновений и с передачей эстафеты.

К самым распространенным сетям с обнаружением столкновений отно­сятся сети типа Ethernet, к которым можно подключать самое разнообразное оборудование, включая компьютеры фирм Apple, IBM, DEC и их аналоги, компьютеры, работающие под управлением операционной системы UNIX и др. Если в сети не происходит передач данных (нет запросов рабочих стан­ций и ответов серверов), сигналы в ней отсутствуют. После того, как рабочая станция передала свой запрос по кабелю сети, он освобождается для других посылок. Но что произойдет, если две или более рабочих станции попытают­ся использовать сеть одновременно? Возникает так называемое столкновение {collision). Оба столкнувшихся абонента прекращают передачи, а через неко­торое время предпринимают новую попытку. Интервал времени, на который каждый из абонентов прекращает передачу, выбирается случайным образом. После перерыва один из них (любой) практически всегда начнет передавать свои посылки раньше, чем другой. Контролем за столкновениями и повтор­ными передачами "ведает" плата сетевого адаптера, поэтому эти операции никак не сказываются на работе основной программы.

Обычно на выход из столкновения система затрачивает менее одной микро­секунды. Многие считают, что причина плохой производительности сетей типа Ethernet заключается в том, что при большом количестве пользователей и интенсивном обмене в них возникает слишком много столкновений, поэто­му сокращается время полезной работы. На самом деле, более чем в 90% случаев проблемы возникают из-за низкого качества кабельных соединений и сбоев сетевых адаптеров.

В сети Ethernet данные передаются во всех направлениях со скоростью от 10 Мбит/сек. до 100 Мбит/сек. Все пакеты данных принимаются всеми компьютерами, но факт приема подтверждает только тот из них, которому данный пакет предназначен (при совпадении сетевого адреса компьютера и адреса, указанного в пакете). На рис. 28 показаны формат и поля записи пакета Ethernet.

8 6 6 2 46-1500 4

Длины полей в байтах

Рис. 28. Пакет или "кадр" сети Ethernet

Преамбула. Это поле используется для синхронизации и формирования границ кадров. Первые семь байт преамбулы представляют двоичную после­довательность 10101010, а последний байт -10101011.

Адрес получателя. В этом поле записывается адрес принимающей рабо­чей станции. У первого (левого) бита первого байта особый смысл. Если этот бит нулевой, то следующий далее адрес получателя является физическим ад­ресом, уникальным в среде Ethernet. В соответствии с принятой системой ад­ресации, первые три байта - это адрес, назначаемый группе, а последние три байта - локальный адрес устройства в группе. Если первый бит первого байта равен единице, то это означает, что кадр "широковещательный", то есть предназначен для приема несколькими станциями. В этом случае оставшаяся часть адреса получателя может относиться либо к группе логически связан­ных между собой рабочих станций, либо ко всем станциям в сети (все биты единичные).

Адрес отправителя. По этому полю идентифицируется рабочая станция, передавшая пакет данных. Первый бит первого байта всегда нулевой.

Тип кадра. В этом поле записываются два байта идентифицирующие тип протокола высшего уровня, которым был сформирован (или которым должен быть обработан) данный пакет. Если это поле используется, то в сети можно одновременно работать с несколькими протоколами высокого уровня, при­чем сообщения, подготовленные в рамках одного протокола, не будут ме­шать обменам по другим протоколам.

Данные. Содержащаяся именно в этом поле информация должна быть передана адресату.

CRC. В этом поле записываются 4 байта остатка контрольной суммы, вычисленного по методу CRC-32. С целью обнаружения ошибки передачи при приеме рабочая станция снова по тому же методу вычисляет остаток контрольной суммы для пакета и сравнивает результат с переданным в поле CRC.

Сеть Token Ring. Одной из распространенных сетей с передачей эста­феты является сеть типа Token Ring.

Сеть с передачей эстафеты можно рас­сматривать как кольцо. Топология сети может быть любой, но кадры инфор­мации всегда передаются по кругу от одной рабочей станции к другой, рис. 29.

Рабочая станция передает кадр в устройство многостан­ционного доступа

MSAU, кото­рое перенаправляет его в Рис. 29. Сеть с передачей эстафеты сле­дующую станцию.

В свободной сети рабочие станции передают друг другу "эстафетную палоч­ку". Эстафета представляет со­бой трехбайтное сообщение, оз­начающее, что сеть свободна. Сеть становится занятой тогда, когда рабочая станция принима­ет эстафету и превращает ее в кадр данных, в котором содержится передаваемое станцией сообщение. Кадр переходит от адаптера к адаптеру до тех пор, пока не доберется до станции – получателя, которая принимает кадр для обработки и подтверждает его прием, вставляя в кадр строго определенные биты. После этого кадр данных продолжает свой путь по сети до тех пор, пока не доберется до своего отправителя. Станция-отправитель, в случае правильного его приема, освобождает сеть, снова превращает кадр в эстафету и запускает ее по кругу. Сеть с передачей эстафеты устроена так, что столкновения в ней исключены.

Отправитель кадра, до тех пор, пока тот не обойдет всю сеть и не вер­нется назад, передает в сеть пустые символы. Типичная задержка в кольце со скоростью передачи данных 4 Мбит/сек. составляет от 50 до 100 символов, то есть ничтожно мала даже при 100 или 200 рабочих станциях. В сетях со ско­ростью передачи 16 Мбит/сек. рабочая станция, являющаяся отправителем, запускает новую эстафету сразу же после передачи своего кадра с сообщени­ем. Последующие станции передают кадр дальше по сети, но сразу после пе­редачи могут сами передавать свой кадр с новой эстафетой. Если бы можно было заглянуть в такую сеть, то можно было бы увидеть, как за каждым ка­дром информации бегут эстафеты, а следом - другие кадры данных вместо длинного хвоста пустых символов.

Определенным рабочим станциям и файл-серверам можно назначить приоритеты для того, чтобы они могли чаще получать доступ к сети.

Иногда некоторые станции ошибаются и теряют эстафету. Поэтому одна из рабочих станций обязательно выполняет роль активного наблюдателя, то есть она несет дополнительную ответственность за управление кольцом. Эта станция обеспечивает синхронизацию в кольце, при необходимости "запускает" новые эстафеты, а при определенных обстоятельствах формирует диагностические кадры. Активный наблюдатель выбирается при инициализации сети, и им может стать любая рабочая станция.

За исключением волоконно-оптических систем, сети Token Ring являются самыми дорогими. Расходы на такую сеть оправдываются только при интенсивных обменах и большом количестве рабочих станций, когда количество столкновений в сети начинает превышать разумные пределы. Такие сети создаются в крупных фирмах, особенно в тех случаях, когда в качестве основных используются большие компьютеры (мейнфреймы).

Кадры Token Ring. В стандарте сети определены три формата пакетов сообщений: эстафета, кадр информации и код прерывания.

Эстафета состоит всего из трех байт и содержит три поля по байту каждое. Поле SD – начальный ограничитель располагается в начале эстафеты, а также в начале каждого кадра, передаваемого по сети. В этом поле передаются не только двоичные единицы и нули, но и уникальные последовательности электрических сигналов, характерные только для начального ограничителя, и которые нельзя ни с чем перепутать.

Следующее поле AC разделено на четыре подполя: PPP T M RRR , где PPP – биты приоритета, T – бит эстафеты, M –бит наблюдения и RRR – биты резервирования. Сетевой адаптер может назначить эстафете или кадру один из восьми приоритетов. Высший уровень приоритета – 7. Рабочая станция может превратить эстафету в кадр и войти в сеть только в том случае, если она приняла эстафету, приоритет которой ниже приоритета самой станции. Бит эстафеты T равен 1 для эстафеты и 0 – для кадра. Бит наблюдения M устанавливается в 1 станцией-наблюдателем и сбрасывается в нуль любой другой станцией, передающей эстафету или кадр. Если к активному наблюдателю пришла эстафета или кадр с единичным битом M, то это значит, что они прошли полный круг и не были обработаны ни одной рабочей станцией. Активный наблюдатель в этом случае считает, что произошел сбой в сети, прерывает передачу и запускает новую эстафету.

Биты резервирования используются совместно с битами приоритета. Рабочая станция резервирует за собой следующий доступ к сети, обозначив свой приоритет и задав соответствующие значения битам резервирования, если ее приоритет выше текущего значения этих битов. Когда рабочая станция запускает новую эстафету, она устанавливает биты приоритета в соответствии со значениями подполя RRR толькочто принятого кадра. Если в процесс передачи не вмешивается станция с более высоким приоритетом, чем у той, что задала значения битов резервирования, то она будет первой в очереди на превращение эстафеты в кадр.

Последнее поле ED - конечного ограничителя, как и поле SD, содержит уникальную комбинацию единиц и недвоичных посылок, которую нельзя спутать ни с чем. Это поле передается в конце каждой эстафеты.

Кадр информации. На рис. 30 приведен второй формат пакета, переда­-
ваемого в сети. Кадры информации могут содержать сообщения, которые се-­
тевая операционная система или программа-приложение посылают другому
компьютеру в сети. Кроме того, с их помощью иногда передаются внутрен-
ние сообщения, необходимые платам сетевых адаптеров для управле

1 1 1 DA, SA – 2 или 6 4 1 1

Длины полей в байтах

Рис. 30. Кадр информации

Кадр информации состоит из следующих полей:

· последовательность начала кадра SFS - Start Frame Sequence;

· адрес получателя информации DA - Destination Address;

· адрес отправителя информации SA - Source Address;

· поле передаваемой информации;

· контрольная кадровая последовательность FCS-Frame Check Sequence;

· последовательность конца кадра EFS - End Frame Sequence,

Все поля вместе образуют оболочку сообщения - "конверт", в который упаковываются управляющие данные (МАС-кадр) или пользовательская ин­формация (LLC-кадр). МАС-кадры предназначены для "внутреннего упот­ребления" и используются сетевыми адаптерами для управления сетью. Каж­дый кадр начинается с последовательности начала кадра, содержащей три поля: начальный ограничитель (SD), управление доступом (АС). Эти два поля аналогичны тем, что используются в эстафете.

В поле FC - управления кадром указывается тип кадра (MAC или LLC), а также которым из шести возможных МАС-кадров является данный конкрет­ный кадр: два первых бита, равные 00, указывают на МАС-кадр, а 01 - на LLC-кадр. Значения 10 и 11 зарезервированы на будущее. Следующие шесть бит указывают тип МАС-кадра:

000011 - объявление эстафеты. Если резервный наблюдатель посчитает, что активный наблюдатель вышел из строя, он начинает посылать кадры объявления эстафеты. После этого резервные наблюдатели начинают об­щаться между собой, выясняя, который из них станет новым активным на­блюдателем;

000000 - тест дублирования адреса. Посылается рабочей станцией при ее подключении к сети, если она хочет убедиться в том, что ее адрес уника­лен;

000101 - присутствие активного наблюдателя. Довольно часто передает­ся станцией-наблюдателем, чтобы сообщить другим рабочим станциям о сво­ей работоспособности;

000110 - присутствие резервного наблюдателя. Передается станцией, имеющей статус резервного наблюдателя;

000010 - аварийный кадр. Передается при появлении серьезной неис­правности, например, при обрыве кабеля или в том случае, если рабочая станция начала передачу, не дожидаясь эстафеты. Определив, какая рабочая станция передала аварийный кадр, диагностическая программа может обна­ружить место, где находится неисправность;

000100 - очистка. Передается после инициализации сети, и после опре­деления нового активного наблюдателя.

Поле адреса получателя DA равно 2 или 6 байтам. Если оно равно 2 бай­там, то по первому биту можно определить, является ли адрес групповым или индивидуальным. Если поле равно 6 байтам, то первый бит аналогично пре­дыдущему определяет адрес индивидуальный или групповой. Второй бит оз­начает систему адресации - локальную или глобальную (см. аналог в Ethernet). Остальные биты представляют собой адрес рабочей станции, кото­рой предназначен кадр.

У поля адреса отправителя SA формат такой же, как у поля получателя.

В области данных могут быть записаны пользовательские данные, пред­назначенные для обработки (или сформированные) протоколом среднего уровня, например, IPX, TCP/IP или NetBIOS. Но в поле данных может содер­жаться и один из рассмотренных МАС-кадров. Длина поля данных формаль­но не ограничена, но его максимальный размер зависит от того, насколько долго одна рабочая станция может безраздельно распоряжаться сетью.

В поле контрольной кадровой последовательности FCS записывается ос­таток контрольной суммы, вычисленной по методу CRC-32. Поле использу­ется для проверки правильности передачи информации.

Поле конечного ограничителя ED. О назначении этого поля в эстафете уже говорилось. В кадре у него появляется дополнительный смысл. Помимо уникальных недвоичных сигналов, в него включены два однобитных подпо-ля. Бит промежуточного кадра (Intermediate Frame) равен 1 в том случае, ес­ли данный кадр является частью многокадровой передачи, и равен 0, если кадр является последним или единственным в цепочке. Бит обнаружения ошибки (Error Detected) при первой передаче кадра равен 0. Сетевой адаптер каждой рабочей станции при ретрансляции кадра контролирует возможные ошибки передачи (например, проверяя поле CRC). Если какой-либо из адап­теров обнаруживает ошибку, биту обнаружения ошибки присваивается зна­чение 1. Последующие сетевые адаптеры, приняв кадр с установленным в 1 битом обнаружения ошибки, просто передают его дальше. Адаптер-отправитель, получив обратно свой кадр в таком виде, пытается передать его заново.

Поле состояния кадра FS. В этом поле содержится четыре зарезервиро­ванных бита R и два подполя: бит распознавания адреса А и бит копирова­ния кадра С. Биты расположены так: A C RR A C RR.

Поскольку при вычислении CRC поле состояния кадра FS не учитывает­ся, то все подполя его для страховки дублируются. Передающая станция при формировании кадра устанавливает бит распознавания адреса (А) в нуль;

принимающая рабочая станция устанавливает этот бит в единичное состоя­ние, сообщая тем самым, что она восприняла свой адрес получателя. Бит ко­пирования (С) также сначала равен 0, но в тот момент, когда содержимое кадра копируется в память принимающей станции (когда станция принимает сообщение), он устанавливается в 1 только в том случае, если кадр принят без ошибки. Если кадр возвращается к станции-отправителю с единичными би­тами А и С, то она считает, что переданная ею информация принята успешно.

Если при возвращении кадра к станции-отправителю окажется, что бит распознавания адреса остался нулевым, это значит, что станции-получателя в сети нет - она либо выключена, либо вышла из строя.

Возможна еще одна ситуация: адрес получателя распознан, но бит копи­рования кадра не установлен в 1. Это значит, что при передаче кадра про­изошла ошибка, и адресат не принял информацию.

Если бит распознавания адреса и бит копирования установлены в 1, но бит обнаружения ошибки тоже 1, станция-отправитель делает вывод, что ошибка в передаче возникла уже после того, как кадр с информацией был ус­пешно принят.

Код прерывания. Этопоследний формат пакета сообще­ния. Он может быть послан в любой момент в любом месте потока информации и используется для прерывания или отмены текущей передачи. Код прерывания состоит только из начального SD и конечного ED ограничителей, рассмотренных раньше в первых двух форматах пакетов.

Волоконно-оптический интерфейс.Волоконно-оптический интерфейс (FDDI - Fiber Distributed Data Interface) был создан в институте ANSI значи­тельно позже, чем были разработаны протоколы Ethernet и Token Ring. В ка­честве передающей среды используется волоконно-оптический кабель с про­пускной способностью около 100 Мбит/сек. Разработчики FDDI старались сделать его максимально соответствующим стандарту Token Ring. FDDI от­личается более высокой скоростью передачи информации на значительно большие расстояния.

Между способами управления эстафетой в сетях FDDI и Token Ring су­ществуют два основных отличия. В Token Ring новая эстафета "запускается" только тогда, когда переданный кадр возвращается обратно к станции-отправителю. В FDDI новая эстафета формируется передающей рабочей станцией сразу же после окончания передачи кадра информации. В стандарте FDDI не используются подполя приоритета и резервирования, которые пре­дусмотрены в Token Ring и нужны для распределения системных ресурсов. Вместо этого все подключенные рабочие станции подразделяются на две группы: асинхронные, то есть такие, для которых моменты доступа к сети не имеют значения, и синхронные, для которых требования к интервалам време­ни между передачами очень жесткие.

Формат кадра FDDI очень похож на кадры Token Ring. В кадре сети FDDI, точно так же, как и в сети Token Ring, могут быть переданы управ­ляющие (подуровня MAC) или пользовательские (подуровня LLC) данные.

Синхронизация передач осуществляется полем преамбулы, поле управления кадром определяет, как будет обрабатываться кадр (синхронно или асин­хронно), является кадр MAC- кадром или LLC-кадром (тогда определяется его тип), определяется длина адреса кадра: 16 или 48 бит. Остальные поля практически совпадают с полями кадра Token Ring.

Интерфейс ATM.Это совершенно новый способ передачи информации в компьютерных сетях. Протокол обмена информацией в режиме ATM на физическом уровне абсолютно не похож на прежние. Основная идея заклю­чается в том, что данные упаковываются в ячейки стандартного размера по 53 байта, снабженные идентификаторами типа данных (текст, видеоизобра­жения, звук, графика и др.). Наличие идентификатора позволяет "интеллек­туальным" распределительным устройствам сортировать данные по их типам и следить за тем, чтобы последовательные ячейки передавались адресату в нужном порядке. Скорость передачи информации может достигать 660 Мбит/сек.

Сети IntraNet.В заключение следует отметить, что в последнее время очень многие корпоративные сети стали использовать технологии WWW. Та­кие сети называют IntraNet. Программы для просмотра Web - страниц сети Интернет - Web-браузеры обеспечивают доступ к самой разной информации: базам данных, трехмерной графике, текстовым документам и т.д. Это сни­жает затраты на обучение сотрудников, уменьшает эксплуатационные расхо­ды и позволяет легко подсоединять свои сети к сети Интернет. Кроме того, иногда Интернет используют как транспорт между отдельными частями рас­пределенной большой корпоративной сети.

Для обеспечения безопасности используются специальные программы или программно-аппаратные комплексы - брандмауэры. Через них проходит весь поток данных между внутрикорпоративной сетью или ее частью и Ин­тернет. При этом брандмауэр проверяет допустимость пакетов данных, нали­чие полномочий на передачу тех или иных данных через Интернет и т.д.

В то же время пользователь Интернет может получить доступ к ресурсам других сетей благодаря наличию межсетевых шлюзов. Шлюз – это средство межсетевого взаимодействия, размещенное между ЛВС и более крупной системой, например, мейнфреймом или большой сетью с коммутацией пакетов, использующей другие коммуникационные протоколы. Шлюз представляет собой комбинацию программных и аппаратных (включая собственные процессоры и память) средств, используемых для преобразования протоколов. Как правило, шлюз работает медленнее, чем мост или маршрутизатор.

Лекция 24