Технологии локальной вычислительной сетью

Введение

Локальной вычислительной сетью принято называть сеть, все элементы которой располагаются на сравнительно небольшой территории. Такая сеть обычно предназначена для сбора, передачи и распределённой обработки информации в пределах одного предприятия или организации.

Структура ЛВС отражает в определённых пределах структуру обслуживаемой организации, а поэтому часто имеет иерархическое построение. В ЛВС применяется, главным образом, прямая передача дискретной информации, при которой цифровые сигналы, без модуляции несущей частоты (используемой для широкополосной передачи по телефонным линиям) поступают в физический канал (соединительный кабель).

Новые требования к производительности сетей, предъявляемые современными приложениями, такими как мультимедиа, распределенные вычисления, системы оперативной обработки транзакций, вызывают насущную необходимость расширения соответствующих стандартов.

Привычный десятимегабитный Ethernet, долгое время занимающий главенствующие позиции, во всяком случае, глядя из России, активно вытесняется более современными и существенно более быстрыми технологиями передачи данных.

На рынке высокоскоростных (более 100 Мбит/с) сетей, пару лет назад представленных лишь сетями FDDI, сегодня предлагается около десятка различных технологий, как развивающих уже существующие стандарты, так и основанных на концептуально новых. Среди них следует особо выделить:

      Старый добрый оптоволоконный интерфейс FDDI, а также его расширенный вариант, FDDI II, специально адаптированный для работы с информацией мультимедиа, и CDDI, реализующий FDDI на медных кабелях. Все версии FDDI поддерживают скорость обмена 100 Мбит/с.

      100Base X Ethernet, представляющую собой высокоскоростной Ethernet с множественным доступом к среди и обнаружением коллизий. Данная технология - экстенсивное развитие стандарта IEEE802.3.

      100Base VG AnyLAN, новую технологию построения локальных сетей, поддерживающую форматы данных Ethernet и Token Ring со скоростью передачи 100 Мбит/сек по стандартным витым парам и оптоволокну.

      Gigabit Ethernet. Продолжение развития сетей Ethernet и Fast Ethernet.

      ATM, технологию передачи данных, работающую как на существующем кабельном оборудовании, так и на специальных оптических линиях связи. Поддерживает скорости обмена от 25 до 622 Мбит/сек с перспективой увеличения до 2.488 Гбит/сек.

      Fibre Channel, оптоволоконную технологию с коммутацией физических соединений, предназначенную для приложений, требующих сверхвысоких скоростей. Ориентиры - кластерные вычисления, организация взаимодействия между суперкомпьютерами и высокоскоростными массивами накопителей, поддержка соединений типа рабочая станция - суперкомпьютер. Декларированы скорости обмена от 133 Мбит до гигабита в секунду (и даже более).

Заманчивы, но далеко не ясны очертания технологии FFOL (FDDI Follow on LAN), инициативы ANSI, призванной в будущем заменить FDDI с новым уровнем производительности 2.4 Гбайт/сек.

1 Технология Ethernet

Ethernet - это самый распространенный на сегодняшний день стандарт локальных сетей. Общее количество сетей, использующих в настоящее время Ethernet, оценивается в 5 миллионов, а количество компьютеров, работающих с установленными сетевыми адаптерами Ethernet - в 50 миллионов.

Когда говорят Ethernet, то под этим обычно понимают любой из вариантов этой технологии. В более узком смысле, Ethernet - это сетевой стандарт, основанный на технологиях экспериментальной сети Ethernet Network, которую фирма Xerox разработала и реализовала в 1975 году (еще до появления персонального компьютера). Метод доступа был опробован еще раньше: во второй половине 60-х годов в радиосети Гавайского университета использовались различные варианты случайного доступа к общей радиосреде, получившие общее название Aloha. В 1980 году 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.

1.1 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).

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). 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 попытки (напомним, что их не может быть больше 16), а далее диапазон остается равным [0, 210], то есть [0, 1024]. Значения основных параметров процедуры передачи кадра стандарта 802.3 приведено в таблице 1.

Таблица 1 – Основные параметры процедуры передачи кадра