Современные сетевые технологии для локальных сетей

1.Современные сетевые технологии для локальных сетей

Под локальной сетью (ЛВС, LAN) обычно подразумевают объединение компьютеров, расположенных в ограниченном пространстве. Локальные сети можно объединять в более крупные сети, такие как CAN (группа зданий), MAN (город), WAN (широкомасштабная сеть), GAN (глобальная сеть). При построении современных сетей (и вообще создании коммуникационной инфраструктуры зданий) используется концепция СКС (структурированных кабельных систем). Существуют несколько стандартов на построение этих систем -- ISO/IEC 11801 (международный), EN 50173:1995 (Европа), ANSI/TIA/EIA-568-A (США), но принцип в них заложен один и тот же. Каждое рабочее место должно быть оборудовано телекоммуникационным разъемом (ТР), соединенным горизонтальным кабелем (не более 90 м) с распределительным пунктом (РП) этажа. 10 метров отводятся для подключения компьютеров и оборудования к ТР. Все РП этажей соединяются вертикальными кабелями (рекомендуется не более 500 м) с РП здания и составляют магистральную подсистему здания. Ну и, наконец, все РП зданий соединяются кабелями длиной до 1500 м с РП комплекса и образуют магистральную систему комплекса.

Существует большое количество технологий: Ethernet, FDDI, Token Ring, ARCNet, ATM, UltraNet и другие. Технология Ethernet была разработана в 1973 году исследовательским центром в Пало-Альто. Изначально сеть обеспечивала скорость передачи данных около 3 Мбит/с. В 1980 году на ее основе появилась спецификация IEEE 802.3, в которой скорость была уже немалой (для того времени) -- 10 Мбит/с. В 1983 г. IEEE утвердило стандарт 10Base5, использующий в качестве среды передачи данных коаксиальный кабель, a в 1990 г. -- стандарт 10Base-T, использующий витую пару. В зависимости от стандарта могут (должны) использоваться такие сетевые топологии, как «шина» (Bus) или «звезда» (Star). При использовании общей шины все устройства подключаются к одному кабелю, на концах которого расположены терминаторы. Поломка общего кабеля или терминатора приводит к выходу из строя всей сети, к тому же нельзя без специальных приборов сразу определить место повреждения кабеля, что может повлечь относительно длительную неработоспособность всей сети. Необходимо, переключая терминатор, методом последовательных приближений искать это место. К плюсам, пожалуй, можно отнести только небольшую длину необходимого для прокладки сети кабеля. Существует правило построения сетей, использующих топологию «общая шина» (так называемое правило «5-4-3»). Оно гласит, что для построения могут быть использованы не более чем 5 сегментов сети, которые могут быть объединены не более чем четырьмя репитерами и при этом рабочие станции могут быть подключены не более чем к трем сегментам (из пяти).

В сетевой топологии «звезда» используется сетевой концентратор (хаб), к которому отдельным кабелем подключается каждая рабочая станция. При выходе из строя одного из кабелей доступ к сети теряет только подключенный этим кабелем компьютер, а остальная часть сети продолжает работать. Правда, сам хаб тоже может выйти из строя, но опыт показывает, что при использовании качественного концентратора это произойдет не скоро. Для этой сетевой топологии можно сформулировать аналог правила «5-4-3»: каскадно могут быть объединены не более чем 4 концентратора и дерево соединенных концентраторов должно быть построено таким образом, чтобы в цепочке между двумя любыми станциями находилось не более четырех концентраторов.

Ethernet представляет архитектуру сетей с разделяемой средой и широковещательной передачей, т. е. сетевой пакет посылается сразу на все узлы сегмента сети. Поэтому для приема адаптер должен принимать все сигналы, а уже потом отбрасывать ненужные, если они предназначались не ему. Перед началом передачи данных адаптер прослушивает сеть. Если в данный момент сеть кем-то используется, то адаптер задерживает передачу и продолжает прослушивание. В Ethernet может произойти ситуация, когда два сетевых адаптера, обнаружив «тишину» в сети, начинают одновременно передавать данные. В этом случае происходит коллизия, и адаптеры начинают передачу заново через небольшой случайный промежуток времени. На сегодняшний день Ethernet обеспечивает три скорости передачи данных -- 10 Мбит/c, 100 Мбит/с (Fast Ethernet) и 1000 Мбит/с (Gigabit Ethernet). Существует еще 1Base5 Ethernet (1 Мбит/с), но он практически не применяется.

Существенным недостатком сети Ethernet является способ передачи данных. Так как сетевой пакет посылается сразу на все станции в сети, то при увеличении количества станций начинает расти количество коллизий, и пропускная способность сети резко снижается. Чтобы устранить этот недостаток, используются коммутаторы (switch, свитч), которые запоминают сетевые адреса рабочих станций и фильтруют трафик, посылая принятые данные только той станции, для которой они предназначены и только в тот момент, когда ее сетевой порт открыт.

Названия стандартов Ethernet расшифровываются следующим образом. Первый элемент -- скорость передачи данных в Мбит/с. Второй элемент: Base -- немодулированная передача, Broad -- использование широкополосного кабеля с частотным уплотнением каналов. В третьем элементе число означает максимальную длину кабеля (хотя здесь есть противоречие со стандартом 1Base5, там длина кабеля -- 250 м), а буква -- одно из следующих сокращений: Т -- две витые пары, Т4 -- 4 витые пары, F -- оптоволокно. Например, 10Base-T означает, что данные передаются по двум витым парам при помощи немодулированной передачи со скоростью до 10 Мбит/с.

10Base2 («тонкий» Ethernet). Предусматривает использование тонкого (около 6 мм) коаксиального кабеля с сопротивлением 50 Ом. 10Base2 использует внутренние трансиверы, встроенные в схему контроллера, а рабочие станции подключаются к кабелю при помощи Т-коннекторов. Отрезки кабеля, соединяющие соседние станции, подключаются к Т-коннекторам при помощи BNC-разъемов. Чтобы соединить два отрезка кабеля, используются I-коннекторы. Из-за своей дешивизны эта технология была довольно популярной, но в нынешнее время вытесняется более скоростными стандартами. Преимущества: простота в установке; дешевизна.

10Base-T. Среда передачи -- неэкранированная витая пара (UTP) категории 3 или выше. Причем для соединения устройств задействуются две пары: на прием и передачу данных. Сетевая топология -- «звезда». Максимальная длина кабеля между устройствами -- 100 м. Максимальная длина сегмента сети -- 500 м. Под сегментом здесь понимается расстояние от рабочей станции до первоначального концентратора. Для расширения сети хабы могут каскадно соединяться друг с другом, образуя древовидную топологию с единственным хабом в вершине. Преимущества: надежность и удобство, обусловленное применением топологии «звезда». Недостатки: необходим концентратор и большое количество кабеля.

10Base-F. Этот стандарт представляет собой несколько вариантов построения оптоволоконной сети. Основными преимуществами использования этого стандарта являются плюсы использования, собственно, самого оптоволоконного кабеля, такие как нечувствительность к электромагнитным помехам, передача на большие расстояния и защита данных. Существуют две разновидности 10Base-F -- 10Base-FL и 10Base-FB.
10Base-FL предназначен для соединения станций с концентратором, 10Base-FB предназначен для магистрального соединения повторителей. Эти два стандарта не совместимы между собой. Дешевизна оборудования 10Base-FL позволила ему обогнать по распространенности волоконно-оптические сети других стандартов.

После того, как стандарт 10Base-T стал преобладающим, определив среду передачи строящихся сетей -- медную витую пару, развитие технологии пошло в направлении увеличения скорости передачи данных. Стали появляться стандарты, обеспечивающие скорость передачи данных 100 Мбит/с. 100Base-T 100Base-T имеет две разновидности реализации -- 100Base-TX и 100Base-T4, из которых наиболее распространенным стандартом для скорости 100 Мбит/с является 100BaseTX, получивший название Fast Ethernet.

100Base-T4. отличается от предыдущего использованием четырех пар кабеля категории 3 или выше вместо двух и применяется в основном в старых сетях, построенных на UTP класса 3.

100 Base-FX. В качестве среды передачи этот стандарт использует многомодовый оптоволоконный кабель. Ограничение длины сегмента сети -- 412 метров при использовании полудуплексного режима и 2 км -- при использовании полнодуплексного. Для 100-Мбит/с стандартов уже не хватало первых четырех категорий кабеля «витая пара». Поэтому были разработаны кабели категорий 5, 6 и 7. Кабель 5-й категории был стандартизован для диапазона до 100 МГц. Он работает с такими протоколами, как Fast Ethernet (100 Мбит/с), 100VG-AnyLAN (100 Мбит/с), ATM (155 Мбит/с) и Gigabit Ethernet (1000 Мбит/с) и сегодня является самым распространенным видом кабеля. Кабель 6-й категории работает с частотами до 200 МГц. Создан для поддержки работы высокоскоростных протоколов на отрезках большей длины, чем при использовании кабеля пятой категории. Недавно появился кабель 7-й категории. Такой кабель может работать с частотой до 600 МГц. Создан для тех же целей, что и кабель шестой категории, но обладает значительно более высокой стоимостью.

С каждым днем объем передаваемых в сети данных возрастает, и хотя 100 Мбит/с -- немалая скорость передачи данных, но к середине девяностых для магистральных каналов ее перестало хватать. Поэтому в 1996 г. начались работы по стандартизации сетей Ethernet со скоростью передачи данных 1000 Мбит/с, которые называют Gigabit Ethernet. Был образован Gigabit Ethernet Alliance, в который вошли 11 компаний: 3Com, Bay Networks, Cisco, Compaq, Granite Systems, Intel, LSI Logic, Packet Engines, Sun, UB Networks и VLSI Technology. Спецификации Gigabit Ethernet (все стандарты используют «звезду» в качестве сетевой топологии): 1000Base-LX. Использует трансиверы на длинноволновом лазере; Среда передачи -- одномодовый и многомодовый оптоволоконный кабель; Ограничение длины сегмента -- 550 м для многомодового и 3 км для одномодового кабеля. 1000Base-SX. Трансиверы на коротковолновом лазере; Среда передачи -- многомодовый оптический кабель; Ограничения длины сегмента -- 300 м для кабеля с диаметром оптического проводника 62,5 мкм и 550 м для кабеля с диаметром проводника 50 мкм. 1000Base-CX. Используется экранированная витая пара категории 6; Ограничение длины сегмента -- 25 м. 1000Base-T. Среда передачи -- неэкранированная витая пара категории 6; Ограничение длины сегмента -- 100 м.

ARCnet (Attached Resource Computer Network) -- архитектура сетей с разделяемой средой и широковещательной передачей, была разработана компанией Datapoint в середине 70-х годов. Метод доступа -- маркерный, топология -- комбинация «звезды» и шины. Скорость передачи данных составляет 2,5 Мбит, хотя есть адаптеры и на другие скорости.
В качестве среды передачи ARCnet может использовать коаксиальный кабель с сопротивлением 93 Ом, но возможно применение кабеля 50-110 Ом, витой пары и оптоволоконного кабеля. Единственное применение этой технологии в современных сетях -- соединение далеко расположенных друг от друга сетей, так как ARCnet позволяет использовать кабели длиной до 610 м. Использовать эту технологию в других случаях бессмысленно из-за малой пропускной способности.

Token Ring (маркерное кольцо) -- архитектура сетей с кольцевой логической топологией и методом доступа с передачей маркера. В 1970 году эта технология была разработана компанией IBM, а после стала основой стандарта IEEE 802.5. Когда используется этот стандарт, данные (логически) всегда передаются последовательно от станции к станции по кольцу, хотя физическая реализация этого стандарта не «кольцо», а «звезда». При использовании Token Ring в сети постоянно циркулирует пакет (по кольцу), называемый маркером. При приеме пакета станция может удерживать его в течение некоторого времени или передать далее. В центре «звезды» находится MAU -- хаб с портами подключения каждого узла. Для подключения используются специальные разъемы, чтобы обеспечить замкнутость кольца Token Ring даже при отключении узла от сети. Существует несколько вариантов разводки сетей на основе Token Ring. Облегченный вариант обеспечивает подключение до 96 станций к 12 хабам с максимальным удалением от хаба -- 45 м. Стационарная разводка обеспечивает подключение до 260 станций и 33 хабов с максимальным расстоянием между устройствами до 100 м, но при использовании оптоволоконных кабелей расстояние увеличивается до 1 км.
Основное преимущество Token Ring -- заведомо ограниченное время обслуживания узла (в отличие от Ethernet), обусловленное детерминированным методом доступа и возможностью управления приоритетом.

FDDI (Fiber Distributed Data Interface) -- спецификация для сетевой архитектуры высокоскоростной передачи данных по оптоволоконным линиям. Высокая надежность, пропускная способность и допустимые расстояния, с одной стороны, и высокая стоимость оборудования, с другой, ограничивают область применения FDDI соединением фрагментов локальных сетей, построенных по более дешевым технологиям.

Технология, основанная на принципах FDDI, но с применением в качестве среды передачи медной витой пары, называется CDDI. Хотя стоимость построения сети CDDI ниже, чем FDDI, теряется очень существенное преимущество -- большие допустимые расстояния

ATM (Asynchronous Transfer Mode) -- технология, обеспечивающая передачу цифровых, голосовых и мультимедийных данных по одним и тем же линиям. Изначальная скорость передачи была 155 Мбит/с, потом 662 Мбит/с и до 2,488 Гбит/с. ATM используется как в локальных, так и в глобальных сетях. В отличие от традиционных технологий, применяемых в локальных сетях, АТМ -- технология с установлением соединения. То есть, перед сеансом передачи устанавливается виртуальный канал «отправитель-получатель», который не может использоваться другими станциями. В традиционных же технологиях соединение не устанавливается, а в среду передачи помещаются пакеты с указанным адресом. Несколько виртуальных каналов АТМ могут одновременно сосуществовать в одном физическом канале.

100VG-AnyLAN. Технология разрабатывалась в начале 90-х совместно компаниями AT&T и HP, как альтернатива технологии Fast Ethernet, для передачи данных в локальной сети со скоростью 100 Мбит/с.

Специфические нововведения 100VG-AnyLAN -- это приоритетный метод доступа и схема квартетного кодирования, использующая избыточный код.

Стандарт определяет простую систему приоритетов -- высокий, применяемый для мультимедийных приложений, и низкий, применяемый для всех остальных. В результате, коэффициент использования пропускной способности сети должен повышаться. За счет применения специального кодирования и четырех пар кабеля, сети 100VG-AnyLAN могут использовать витую пару категории 3. Естественно, могут использоваться кабели более высоких категорий, также поддерживается оптоволоконный кабель.

С точки зрения скорости передачи информации с 100VG-AnyLAN конкурирует Fast Ethernet, который при сходных скоростных характеристиках гораздо более совместим с другими реализациями Ethernet и более дешев. С точки зрения специальных возможностей для передачи мультимедийного трафика в конкуренцию вступает ATM, которая, к тому же, имеет куда большие возможности масштабирования.

UltraNet была специально создана и используется при работе с суперкомпьютерами. Технология представляет собой аппаратно-программный комплекс, способный обеспечить скорость обмена информацией между устройствами, подключенными к нему, до 1 Гбит/с и использует топологию «звезда» с концентратором в центральной точке сети. UltraNet отличается достаточно сложной физической реализацией и высокой стоимостью оборудования. Для инициализации и управления сетью UltraNet даже используются компьютеры класса Intel 386, которые подключаются к концентратору. Другими элементами сети UltraNet являются сетевые процессоры и канальные адаптеры. Также в состав сети могут входить мосты и роутеры для соединения ее с сетями, построенными по другим технологиям (Ethernet, Token Ring). В качестве среды передачи могут использоваться коаксиальный кабель и оптоволокно. Хосты, подключаемые к UltraNet, могут находиться друг от друга на расстоянии до 30 км. Возможны также соединения и на большие расстояния путем подключения через высокоскоростные каналы WAN.

Banyan VINES. Эта технология разработана компанией Banyan Virtual Network System (VINES). В качестве методов доступа к среде может использовать общеизвестные -- Ethernet, Token Ring (и другие, применяемые уже в WAN). Протоколы высокого уровня Banyan VINES довольно сильно напоминают TCP/IP, но плюс к традиционным чертам TCP/IP, имеют целый ряд дополнений, призванных улучшить, расширить, и сделать более удобным все, что можно сделать таковым.

Список используемой литературы

1. Казаков С.И. Основы сетевых технологий. - СПб: БХВ-Петербург, 2001г.

2. Олифер В.Г., Н.А. Олифер Н.А. Компьютерные сети. - СПб: Питер, 2001г.

3. Экономическая информатика / Под. ред. П.В. Конюховского и Д.Н. Колесова. - СПб.: Питер, 2001г.

4. Экономическая информатика. Учебник для вызов./ Под ред. д.э.н., проф. В.В. Евдокимова. - СПб.: Питер, 1997г.