1. Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet
Ответ. Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet - технологии локальных сетей с разделяемой средой. Различаются скоростями передачи данных (10 Мбит/c, 100 Мбит/c, 1000 Мбит/c), максимальным диаметром (2500 м, 200 м, 200 м), другими параметрами, но принцип работы один и тот же:
· узлы сети связаны единой передающей средой;
· узел может начать свою передачу, если по сети не передаются данные другими узлами;
· после передачи пакета (длина от 64 до 1518 байт) узел выдерживает паузу перед передачей следующего (чтобы дать возможность работать другим узлам);
· передача пакета прекращается, если обнаружена коллизия;
· передача пакета повторяется через случайное время из фиксированного диапазона (от 0 до 52,4 мс).
В стандарте Gigabit Ethernet увеличена длина минимального пакета с 64 до 512 байт и, кроме того, разрешено передавать несколько пакетов подряд без пауз (общий размер - не более 8192 байт).
Ответ. Технология построения сети 10G Ethernet (10 000 Мбит/c) принципиально отличается от других Ethernet-технологий. Рабочие станции в такой сети не разделяют общую среду. Сети 10G Ethernet - это сети с коммутацией пакетов.
3. Разделяемая среда
Ответ. Разделяемая среда - это такой способ организации работы сети, при котором сообщение от одной рабочей станции достигает всех других при помощи одного общего канала связи. В качестве каналов связи традиционно используются кабели: коаксиальный, витая пара, оптоволоконный. Но может быть использована инфракрасная или радиосвязь (в том числе через спутник).
Примером общения посредством разделяемой среды может служить обычный разговор в компании вежливых людей (метафора С.А. Абрамова). Человек начинает говорить лишь тогда, когда все другие молчат. Реплику каждого человека слышат все, никто не перебивает говорящего и не вникает в смысл чужого сообщения. Никто не говорит слишком долго (не монополизирует право на разговор). Если по недоразумению говорить начинают несколько собеседников (коллизия), все умолкают, повторяя попытку через некоторое (случайное) время.
4. Терминатор
Ответ. Терминатор - это электронные заглушки на концах сегмента кабеля в разделяемых средах. Назначение терминатора - поглощение сигнала, распространяемого по кабелю.
Ответ. Кадрами в терминологии Ethernet называют пакеты, на которые разделяют передаваемое сообщение. Дробить сообщение на порции необходимо, чтобы предотвратить монополизацию разделяемой среды одной рабочей станцией.
Кадр, кроме фрагмента информации, содержит MAC-адреса отправителя и получателя, контрольную сумму (для проверки сохранности пакета в пункте получения) и другую служебную информацию.
В стандартах Ethernet и Fast Ethernet длина кадра может принимать значение от 64 до 1518 байт. В стандарте Gigabit Ethernet минимальный размер кадра увеличен до 512 байт и, кроме того, разрешается передавать несколько кадров подряд без пауз (общий размер - не более 8192 байт).
6. MAC-адрес
Ответ. MAC-адрес (M edia A ccess C ontrol - управление доступом к носителю) - 48-битное число, которое однозначно идентифицирует сетевое электронное устройство.
Уникальный MAC-адрес “зашивается” в сетевой адаптер при его изготовлении. Он не может совпадать ни с каким другим MAC-адресом в мире и не может меняться во время эксплуатации устройства.
I nstitute of E lecrical and E lectronics E ngineers - Институт инженеров электротехники и электроники).
7. Коллизия
Ответ. Коллизия - наложение сигналов от двух (или более) передающих станций в разделяемой среде передачи.
8. Ранняя коллизия
Ответ. Ранней называется такая коллизия, которую передающая станция способна распознать до окончания передачи пакета.
9. Поздняя коллизия
Ответ. Коллизия называется поздней, если она возникает после завершения передачи пакета, вызвавшего коллизию.
10. Диаметр сети
Ответ. Диаметр сети - максимальное расстояние между двумя узлами в сети, вычисляемое по совокупной длине соединяющих станции каналов связи.
Расстояние между компьютерами не всегда совпадает с длиной каналов связи. Два компьютера могут находиться по разные стороны одной стены. Физическое расстояние между ними - менее одного метра, а длина соединительного кабеля может измеряться десятками метров, если по каким-то причинам (например, музейного свойства) стену нельзя сверлить.
11. Повторитель
Ответ. Повторитель (repeater) - это простое электронное устройство (без всякого программного обеспечения), которое усиливает сигнал при передаче его из одного сегмента кабеля в другой.
На рис. 3.21 показана сеть, в которой кабель состоит из трех сегментов, соединенных двумя повторителями:
Рис. 3.21. Сеть с повторителями
12. Толстый коаксиал
Ответ. Коаксиальный кабель диаметром 0,5 дюйма (рис. 3.22).
Рис. 3.22. Коаксиальный кабель
Коаксиальный кабель устроен так же, как телевизионный кабель: в центре - медная жила (или несколько жил), затем изоляция, затем металлическая оплетка, наконец - внешний слой изоляции.
13. Тонкий коаксиал
Ответ. Коаксиальный кабель диаметром 0,25 дюйма.
14. Витая пара
Ответ. Витая пара - два изолированных (медных) проводника, скрученные один относительно другого с постоянным шагом (рис. 3.23).
Рис. 3.23. Кабель витая пара
Обычно под витой парой понимают кабель, в общей изоляционной оболочке которого расположено несколько витых пар (2 или 4).
15. Оптоволокно
Ответ. Основа оптоволоконного кабеля - нить из стекла или пластмассы, по которой передается световой луч (рис. 3.24). Оптоволоконная жила окружена непрозрачной зеркальной оболочкой. Благодаря этому свет, распространяющийся внутри волокна, испытывает полное внутреннее отражение от оболочки и не покидает волокна даже тогда, когда оно делает изгибы.
Рис. 3.24. Оптоволоконный кабель
16. 10Base-5, 10Base-2, 10Base-T, 10Base-F
Ответ. Это варианты стандарта Ethernet, основанные на свойствах физической среды передачи данных.
· 10Base-5 - коаксиальный кабель диаметром 0,5 дюйма, называемый “толстым”.
· 10Base-2 - коаксиальный кабель диаметром 0,25 дюйма, называемый “тонким”.
· 10Base-T - неэкранированная витая пара (две пары в кабеле).
· 10Base-F - волоконно-оптический кабель.
Число 10 в указанных обозначениях обозначает битовую скорость передачи в этих стандартах - 10 Мбит/с.
Ниже приводится сравнительная таблица этих стандартов.
17. 100Base-TX, 100Base-T4, 100Base-FX
Ответ. Это варианты стандарта Fast Ethernet, основанные на свойствах физической среды передачи данных (коаксиальный кабель исключен из списка разрешенных сред передачи):
· 100Base-TX - неэкранированная или экранированная витая пара (две пары в кабеле).
· 100Base-T4 - неэкранированная витая пара (четыре пары в кабеле).
· 100Base-FX - волоконно-оптический кабель (с двумя волокнами).
Число 100 в указанных обозначениях обозначает битовую скорость передачи в этих стандартах - 100 Мбит/с.
18. Трансивер
Ответ. Трансивер - это
электронное устройство, которое методом
прокалывания соединяют с толстым коаксиалом, а
при помощи витой пары (длиной до
50 м) - с сетевым адаптером. Коаксиальный кабель
диаметра 0,5 дюйма такой “толстый”, что его
сложно подсоединять непосредственно к сетевому
адаптеру компьютера (рис.
3.25).
Рис. 3.25. Сеть на толстом коаксиале с трансиверами
Трансивер - это не просто механический соединитель (как Т-образный разъем для тонкого коаксиала). Фактически трансивер - это часть сетевого адаптера, вынесенного прямо на кабель (рис. 3.26).
Рис. 3.26. Трансивер - часть сетевого адаптера, вынесенного на кабель
19. Т-образный разъем
Ответ. Этот разъем используется для подсоединения тонкого коаксиала к сетевой карте компьютера (рис. 3.27).
Рис. 3.27. Сеть на тонком коаксиале с Т-образными разъемами
20. Хаб (многопортовый повторитель, концентратор)
Ответ. Хаб (hub, буквально - ступица колеса) - сетевое устройство, объединяющее несколько узлов сети Ethernet в общий фрагмент одной разделяемой среды.
Сетевой кабель подсоединяется к хабу (рис. 3.28) при помощи портов (соединительных разъемов):
Рис. 3.28. Хаб
Устройства подключаются к хабу при помощи витой пары, коаксиального кабеля или оптоволокна. Порты хаба должны быть оборудованы соответствующими разъемами.
На рис. 3.29 показана сеть с хабом, у которого четыре порта. К каждому порту подсоединен сетевой адаптер рабочей станции.
Рис. 3.29. Сеть звезда с хабом в центре
Хаб не содержит никакого программного обеспечения (в том числе он не занимается маршрутизацией пакетов), он просто соединяет порты и усиливает сигнал, передавая его с одного порта на все остальные.
21. Правило 5–4–3
Ответ. Правило 5–4–3 - это правило построения сетей Ethernet на коаксиальном кабеле: пять сегментов, четыре повторителя, три нагруженных сегмента.
То есть разрешается использовать в сети не более 4 повторителей и, соответственно, не более 5 сегментов кабеля. Причем только 3 сегмента из 5 могут быть нагруженными (с подключенными рабочими станциями). Между нагруженными сегментами должны быть ненагруженные. Максимальная конфигурация сети показана на рис. 3.30.
Рис. 3.30. Максимальная конфигурация сети с повторителями
22. Правило 4 хабов
Ответ. Правило 4 хабов - это правило построения сети (или подсети) с одним доменом коллизий: максимальное количество хабов между любыми двумя станциями не должно быть больше четырех. Сеть на рис. 3.31 удовлетворяет этому требованию.
Рис. 3.31. Сеть, удовлетворяющая правилу 4 хабов
Если при построении сети используются и повторители, и хабы, то при проверке правила 4 хабов повторитель приравнивается к хабу (фактически повторитель и есть хаб с двумя портами). Сеть на рис. 3.32 тоже удовлетворяет правилу 4 хабов:
Рис. 3.32. Сеть, удовлетворяющая правилу 4 хабов
Когда сеть при помощи коммутаторов или маршрутизаторов разбита на несколько доменов коллизий, правило 4 хабов работает независимо в каждом домене, но не относится ко всей сети в целом (рис. 3.33).
Рис. 3.33. В сети 1 - один домен коллизий, в сети 2 - два.
23. Коммутатор (мост, переключатель)
Ответ. Коммутатор (рис. 3.34) - сетевое устройство, которое, подобно хабу, соединяет несколько узлов сети Ethernet, но в отличие от хаба разбивает сеть своими портами на несколько отдельных доменов коллизий.
Рис. 3.34. Коммутатор
Происходит так потому, что коммутатор в отличие от хаба не транслирует полученный пакет на другие порты, если получатель находится на том же самом порту, с которого получен пакет.
Коммутатор, кроме электроники, содержит программное обеспечение, которое управляет его работой, в частности, автоматически строит таблицу маршрутизации.
24. Домен коллизий
Ответ. Домен коллизий - фрагмент сети с общей разделяемой средой.
Сеть, построенная на общей шине, содержит единый домен коллизий (рис. 3.35).
Рис. 3.35. Сеть на общей шине
Повторители, соединяющие фрагменты коаксиального кабеля, не разделяют сеть на домены коллизий - разделяемая среда по-прежнему одна (рис. 3.36).
Рис. 3.36. Сеть с повторителями
Сеть, построенная только на повторителях и хабах, представляет собой единый домен коллизий (рис. 3.37).
Рис. 3.37. Сеть с повторителями и хабами
Коммутаторы и маршрутизаторы делят сеть на независимые домены коллизий (рис. 3.38).
Рис. 3.38. В сети 1 - один домен коллизий, в сети 2 - два.
25. Таблица маршрутизации
Ответ. Таблица маршрутизации - таблица коммутатора (или маршрутизатора), в которой строки определяют порты, на которых находятся источники сетевых пакетов.
Пусть сеть имеет вид, изображенный на рис. 3.39.
Рис. 3.39. Пример сети с коммутатором
26. Маршрутизатор (роутер)
Ответ. Маршрутизатор - сетевое устройство, которое, подобно коммутатору, соединяет (коммутирует) узлы сети в том случае, когда это необходимо для передачи пакета.
Маршрутизаторы - более сложные устройства по сравнению с коммутаторами. Они более надежно изолируют трафики отдельных частей сети и, главное, способны работать в сети с ячеистой топологией, обеспечивая выбор наиболее рационального маршрута. В то время как повторители, хабы и коммутаторы способны работать только в сети с единственным маршрутом между любыми двумя узлами (например, в сети с иерархической структурой).
27. Сеть с разделяемой средой
Ответ. Сеть с разделяемой средой - это сеть, в которой каждый узел получает все, что передается по сети; передачу выполняет только один узел, остальные ждут паузы для начала собственной передачи. Если в сети возникает коллизия, узлы начинают повторную передачу испорченного пакета через случайный промежуток времени из фиксированного интервала.
28. Сеть с коммутацией пакетов
Ответ. Сеть с коммутацией пакетов - это сеть, в которой пакеты не “разбрасываются” по всей сети, а целенаправленно “проталкиваются” от узла к узлу по направлению к пункту назначения. За продвижение пакетов в такой сети отвечают маршрутизаторы. Они определяют соседний узел, в который нужно передвинуть пакет для приближения его к пункту назначения.
1. Как работает сеть с разделяемой средой?
Ответ. В сетях с разделяемой средой работа выполняется по следующему алгоритму:
1. Если в сети “тишина”, можно начать передачу пакета.
2. Если обнаружена коллизия, нужно прекратить передачу.
3. Через случайную паузу нужно повторить передачу испорченного пакета.
2. Почему в сети с разделяемой средой сообщение для передачи разделяется на пакеты (кадры)?
Ответ. Разделение сообщения на пакеты предотвращает монополизацию общей среды одним узлом. После передачи пакета узел должен сделать паузу, которой может воспользоваться другой узел и начать свою передачу.
3. Как рабочая станция узнает, что передаваемый по сети пакет предназначен для нее?
Ответ. Каждый пакет, кроме фрагмента передаваемого сообщения, содержит MAC-адрес получателя. Рабочие станции сравнивают адрес из пакета со своим собственным адресом и в случае совпадения принимают пакет полностью.
4. Кто и когда назначает MAC-адреса устройствам, входящим в Ethernet-сеть?
Ответ. Уникальный MAC-адрес “зашивается” в сетевой адаптер при его изготовлении. Он не может совпадать ни с каким другим MAC-адресом в мире и не может меняться во время эксплуатации устройства.
Распределением MAC-адресов между производителями оборудования занимается международная некоммерческая организация IEEE (I nstitute of E lecrical and E lectronics E ngineers - Институт инженеров электротехники и электроники).
5. Протокол Ethernet запрещает начинать передачу, если в сети присутствует сигнал. Почему же в разделяемых средах возникают коллизии?
Ответ. Сигнал распространяется по среде с конечной скоростью и может не успеть дойти до станции, которая начинает передачу, решив, что сеть свободна. Возникает коллизия.
6. Является ли коллизия исключительной ситуацией в сети с разделяемой средой?
Ответ. В сети с разделяемой средой коллизия является обычной рабочей ситуацией.
7. За счет какого приема протокол Ethernet обеспечивает работоспособность сети, несмотря на коллизии?
Ответ. При обнаружении коллизии станции должны прекратить передачу. Прием, который обеспечивает работоспособность сети, - случайная пауза для возобновления передачи пакета, испорченного коллизией.
8. Почему ранняя коллизия не приводит к потерям пакетов?
Ответ. Коллизия, которую передающая станция обнаруживает до окончания передачи пакета, называется ранней. Станция своевременно фиксирует неудачную передачу и возобновляет ее через случайную паузу. Испорченный пакет посылается заново.
9. Почему поздняя коллизия приводит к потерям пакетов?
Ответ. Коллизия, которая возникает после окончания передачи пакета, называется поздней. Пакет уже передан в сеть, ответственность за него снята с передающей станции, но коллизия искажает пакет и станция назначения получает его испорченным (или не получает вовсе, если в пакете искажен MAC-адрес получателя).
10. Что является главной причиной ограничения диаметра сети в сети с разделяемой средой?
Ответ. Главная причина, по которой ограничивают диаметр сети с разделяемой средой, - предотвращение поздних коллизий. Чем длиннее сеть, тем больше времени нужно сигналу для ее прохождения, тем больше вероятность поздних коллизий (коллизий, возникших после того, как пакет полностью передан в сеть передающей станцией).
11. Как можно вычислить максимальный диаметр сети с разделяемой средой?
Ответ. Для предотвращения поздних коллизий диаметр сети ограничивают величиной, при которой время передачи пакета наименьшей длины было бы больше удвоенного времени прохождения сигнала по всей длине кабеля.
Диаметры сетей для разных стандартов Ethernet указываются с большим запасом (более чем в три раза).
Оценим максимальный диаметр сети Ethernet.
Исходные данные:
Скорость передачи данных:
Vd = 10 Мбит/c = 107 бит/c
Скорость сигнала: Vs = 300 000 км/с = 3 * 108 м/с
Длина минимального пакета:
Lm = 64 байта = 512 бит
Определим время передачи пакета:
T = Lm / Vd = 512/107 (сек.)
Определим расстояние, которое пройдет сигнал по кабелю за это время:
S = Vs * T = 3 * 108 * 512 / 107 = 3 * 10 * 512 = 15 360 (м)
Удвоенная длина кабеля должна быть меньше этого значения, то есть кабель должен быть короче:
15 360 / 2 = 7680 м.
По стандарту Ethernet максимальный диаметр сети не должен превышать 2500 м. Видим, что стандарт указывает значение более чем с трехкратным запасом.
12. Почему в расчетах максимального диаметра учитывается удвоенное время прохождения сигнала по всей длине сетевого кабеля?
Ответ. Учитывается крайний случай, когда станции, вызвавшие коллизию, расположены на противоположных концах кабеля, и коллизия возникает в момент, когда сигнал от первой станции прошел почти всю длину кабеля (за время t).
Передающая станция обнаружит коллизию, когда искаженный сигнал вернется к ней (через то же время t).
Таким образом, для предотвращения поздних коллизий длина кабеля должна быть такой, чтобы удвоенное время прохождения сигнала по всей его длине (2t ) было меньше времени передачи пакета минимальной длины.
13. Можно ли увеличить диаметр сети, увеличив минимальную длину пакета?
Ответ. Да, конечно. Удлинение пакета (Lm ) увеличивает время его передачи (T ), а значит, увеличивает расстояние, которое пройдет сигнал по кабелю за это время:
S = Vs жT
Именно так и поступают в стандарте Gigabit Ethernet. В этом стандарте длина минимального пакета увеличена с 64 до 512 байт, что позволяет увеличить максимальный диаметр сети в 8 раз (512/64).
14. Почему для сети с разделяемой средой стандарты предусматривают ограничение на число подключаемых к ней узлов?
Ответ. При большом количестве узлов дождаться паузы в сети для начала передачи может оказаться не просто. Стандарты называют такое количество узлов, при котором сеть остается работоспособной даже при максимальной нагрузке (когда все узлы работают одновременно).
15. При помощи каких устройств можно построить Ethernet-сеть с древовидной топологией?
Ответ. Хабы, коммутаторы, маршрутизаторы.
16. Какие преимущества имеет древовидная сеть по сравнению с сетью, построенной на общей шине?
Ответ. Древовидная сеть более надежна. Вывод из строя любого узла отражается только на его потомках и не мешает работе остальной части сети (рис. 3.40).
Рис. 3.40. Вывод из строя узла отражается только на его потомках
В сети с общей шиной разрыв кабеля в любом месте приводит к краху сети в целом (рис. 3.41).
Рис. 3.41. Вывод из строя одного узла приводит к краху сети в целом
В древовидной сети на хабах (коммутаторах или маршрутизаторах) число физических соединений меньше, чем в сети с общей шиной, значит, и в силу этого надежность древовидной сети выше (для подключения к общему кабелю нужно три контактных точки, для подсоединения к хабу - две) (рис. 3.42).
Рис. 3.42. Подключение к общему кабелю и хабу
17. Говорят, что Ethernet-сеть, в которой физические соединения рабочих станций при помощи хабов образуют древовидную структуру, логически эквивалентна сети с общей шиной. Что это означает?
Ответ. Несмотря на то что физические соединения в сети с хабами образуют дерево, принципиально сеть не отличается от сети с общей шиной: хабы объединяют рабочие станции общей разделяемой средой. Поэтому говорят: топология физических связей в такой сети - дерево, логическое соединение - общая шина (одна разделяемая среда).
18. Эквивалентна ли древовидная Ethernet-сеть, в которой физические соединения рабочих станций выполнены при помощи коммутаторов, сети с общей шиной?
Ответ. Нет. Коммутаторы своими портами разбивают сеть на соответствующее число доменов коллизий: передача внутри одного домена не попадает в другие, а передачу в общей шине “слышат” все станции.
19. Эквивалентна ли древовидная сеть, в которой физические соединения рабочих станций выполнены при помощи маршрутизаторов, сети с общей шиной?
Ответ. Нет. По той же причине, что и в сети с коммутаторами. Маршрутизатор, как и коммутатор, внутренние сообщения не транслирует на всю сеть.
20. Решает ли хаб (коммутатор, маршрутизатор) проблему коллизии?
Ответ. Хаб - нет. Хаб транслирует сигнал, полученный с одного порта на все другие, то есть работа сети с хабами эквивалентна работе сети с общей шиной.
Коммутатор и маршрутизатор - частично решают, разбивая сеть на несколько доменов коллизий. Все ограничения, связанные с поздними коллизиями, применяются теперь не ко всей сети в целом (как в сети с хабами), а отдельно к каждому домену (подключенному к порту устройству).
21. Может ли сеть с хабами (коммутаторами, маршрутизаторами) иметь ячеистую структуру?
Ответ. Сеть с хабами и коммутаторами - нет. Сеть с маршрутизаторами - да.
22. Может ли сеть с хабами (коммутаторами, маршрутизаторами) иметь несколько доменов коллизий?
Ответ. Сеть с хабами - нет. Сеть с коммутаторами и маршрутизаторами - да.
23. Ethernet-сеть имеет ограничение на диаметр по причине недопущения поздних коллизий. Как, несмотря на это, построить длинную Ethernet-сеть?
Ответ. Разбить сеть на несколько доменов коллизий (при помощи коммутаторов или маршрутизаторов).
24. Расскажите алгоритм работы коммутатора.
Ответ. При включении питания коммутатор работает как обычный хаб: транслирует пакеты с одного порта на все другие. Но попутно коммутатор заносит в свою таблицу данные о соответствии адресов станций портам, с которых он получает пакеты. Таким образом, коммутатор заполняет таблицу маршрутизации и все больше изолирует порты друг от друга.
Рассмотрим подробнее алгоритм работы коммутатора на примере сети, изображенной на рис. 3.43.
Рис. 3.43. Пример иерархической сети с коммутатором в корне
В начальный момент (при включении питания) таблица маршрутизации коммутатора пуста.
Пусть узел A передает пакет для узла B. Пакет содержит не только адрес получателя, но и адрес отправителя. Когда пакет приходит на порт 1, коммутатор делает в таблице первую запись:
Теперь коммутатор ищет в таблице строчку для узла B, чтобы решить, что делать с пакетом: игнорировать, если B расположен на том же порту, что и A, или транслировать пакет в порт, к которому подключен B.
Строки с узлом B в таблице еще нет. Коммутатор вынужден работать как хаб: он транслирует пакет к неизвестному адресату на все порты, кроме того, с которого пакет получен, то есть на порты 2 и 3.
Пусть теперь узел F передает пакет для узла A.
В таблице появляется новая строка:
Коммутатор находит в таблице порт получателя и передает пакет в порт 1.
Таким образом заполняется таблица маршрутизации, и коммутатор, начав как обычный хаб, быстро обучается, повышая свою “квалификацию”.
25. В чем преимущество сетей с коммутацией пакетов перед сетями с разделяемыми средами?
Ответ. В среде с коммутацией пакетов:
· Можно использовать ячеистую структуру сети (многовариантность маршрутов). Это повышает надежность передачи: когда один маршрут выходит из строя, пакеты передвигаются по другому.
· Сообщения передаются быстрее: пакеты не транслируются по всем направлениям, а передвигаются по самому быстрому маршруту. Кроме того, не нужно перепосылать заново пакеты, испорченные коллизией (в сети нет коллизий).
· Так как пакеты не транслируются по всем направлениям, а передаются только получателю, повышается защита данных от несанкционированного использования.
26. В какой глобальной сети передача сообщений основана на принципе коммутации пакетов?
Ответ. В сети Интернет.
В каждом задании Зачетного класса отметьте все правильные высказывания.
1. Разделяемая среда:
1.1. передача пакета повторяется через случайное время после коллизии
1.2. диаметр сети не ограничен
1.3. диаметр сети ограничен
1.4. сообщение разделяется на пакеты
1.5. пакеты транслируются на все станции сети
1.6. пакеты продвигаются шаг за шагом к станции назначения
Правильные ответы: 1, 3, 4, 5.
2. Среда с коммутацией пакетов:
2.1. передача пакета повторяется через случайное время после коллизии
2.2. диаметр сети не ограничен
2.3. диаметр сети ограничен
2.4. сообщение разделяется на пакеты
2.5. пакеты транслируются на все станции сети
2.6. пакеты продвигаются шаг за шагом к станции назначения
Правильные ответы: 2, 4, 6.
3. Устройства, сохраняющие единую разделяемую среду:
3.1. терминатор
3.2. трансивер
3.3. повторитель
3.5. коммутатор
3.6. маршрутизатор
Правильные ответы: 1, 2, 3, 4.
4. Устройства, разделяющие сеть на домены коллизий:
4.1. коммутатор
4.2. маршрутизатор
4.3. терминатор
4.4. трансивер
4.5. повторитель
Правильные ответы: 1, 2.
5. Диаметр сети Ethernet:
5.1. максимальный отрезок кабеля, соединяющий две соседние станции
5.2. максимальная суммарная длина кабеля, соединяющего две станции
5.3. суммарная длина кабеля, соединяющего все станции
5.4. минимальная длина кабеля, соединяющего две станции
Правильный ответ: 2.
6. Каковы причины ограничения диаметра сети Ethernet:
6.1. не допускать в среде поздние коллизии
6.2. не допускать в среде ранние коллизии
6.3. не допускать в среде коллизии
6.4. не допускать монополизацию среды
Правильный ответ: 1.
7. Что влияет на вычисление допустимого диаметра сети Ethernet:
7.1. скорость передачи данных в среде
7.2. скорости распространения сигнала в среде
7.3. минимальная длина пакета
7.4. максимальная длина пакета
7.5. число станций в сети
Правильные ответы: 1, 2, 3.
8. Чем коммутатор отличается от хаба:
8.1. у коммутатора больше портов
8.2. у коммутатора есть программное обеспечение, у хаба - нет
8.3. коммутатор маршрутизирует пакеты, а хаб - нет
8.4. коммутатор делит сеть на домены коллизий, а хаб - нет
8.5. коммутатор проверяет контрольную сумму пакета, а хаб - нет
Правильные ответы: 2, 3, 4.
9. Сколько в сети на рис. 3.44 доменов коллизий?
Рис. 3.44. Сколько здесь доменов коллизий?
Правильный ответ: 1.
10. Сколько в сети на рис. 3.45 доменов коллизий?
Рис. 3.45. Сколько здесь доменов коллизий?
Правильный ответ: 1.
11. Сколько в сети на рис. 3.46 доменов коллизий?
Рис. 3.46. Сколько здесь доменов коллизий?
Правильный ответ: 1.
12. Сколько в сети на рис. 3.47 доменов коллизий?
Рис. 3.47. Сколько здесь доменов коллизий?
Правильный ответ: 2.
13. Сколько в сети на рис. 3.48 доменов коллизий?
Рис. 3.48. Сколько здесь доменов коллизий?
Правильный ответ: 2.
14. Сколько в сети на рис. 3.49 доменов коллизий?
Рис. 3.49. Сколько здесь доменов коллизий?
Правильный ответ: 4.
Приводятся ответы на следующие вопросы:
q Что такое FAQ?
q Хаб - это сетевой адаптер?
q В чем разница между аналоговыми и цифровыми модемами?
q Что такое proxy-сервер?
q Как поработать в Фидо?
q Для чего перекручивают провода в кабеле “витая пара”?
1. Что такое FAQ?
Ответ. FAQ (эф эй кью) - это сокращение от F requently A sked Q uestions (часто задаваемые вопpосы). Иногда этот раздел (содержащий ответы на часто задаваемые вопросы по некоторой теме) называют ЧАВО - ЧА сто задаваемые ВО просы. Последняя аббревиатура навеяна, конечно, названием института из повести Аркадия и Бориса Стругацких “Понедельник начинается в субботу”: НИИЧАВО - Научно-Исследовательский Институт ЧАродейства и ВОлшебства.
“НИИЧАВО, - подумал я. - Научно-исследовательский институт… Чаво? В смысле - чего? Чрезвычайно Автоматизированной Вооруженной Охраны? Черных Ассоциаций Восточной Океании?”
Аркадий Cтругацкий, Борис Стругацкий
2. Хаб - это сетевой адаптер?
Ответ. Нет. Сетевой адаптер - это преобразователь сигналов между компьютером и сетью. Хаб используется для соединения сегментов кабеля в сети. Соединение хаба с компьютером выполняется через сетевой адаптер.
3. В чем разница между аналоговыми и цифровыми модемами?
Ответ. Аналоговый модем преобразует компьютерные сигналы в звуковые (до 4 КГц) и передает их по обычным телефонным сетям. Можно услышать, как во время передачи такой модем жужжит и шипит.
Аналоговые модемы широко распространены благодаря сравнительно низкой стоимости и простоте подключения.
Максимальная скорость передачи данных с помощью аналогового модема ограничена 56 Кбит/с.
Во время соединения по аналоговому модему телефон становится недоступным для обычного разговора.
Цифровые модемы используют для передачи данных на частоте, гораздо выше звуковых частот (от 4 КГц до 1–2 МГц), что позволяет достигать скоростей передачи данных до нескольких Мбит/с.
Так как низкие частоты не используются, то это позволяет вести телефонный разговор, не прерывая соединение по цифровому модему.
Для работы с цифровыми модемами на АТС (А втоматической Т елефонной С танции) должно быть установлено специальное оборудование. В этом надо убедиться при покупке цифрового модема.
Для разделения сигналов телефона и
модема обычно приходится устанавливать
дополнительный частотный делитель: сплиттер
,
или частотный микрофильтр
.
В некоторых случаях это требует переделки
телефонной проводки.
В настоящее время цифровые модемы работают по нескольким стандартам: ADSL, VDSL, SHDSL и др. Эти технологии имеют общее название xDSL (DSL расшифровывается как D igital S ubscriber L ine - цифровая абонентская линия).
4. Что такое proxy-сервер?
Ответ. Proxy-сервер (пишут и по-русски - “прокси-сервер”) - это программное обеспечение на сервере, которое выступает посредником между клиентом сервера и Интернетом.
Смысл посредничества: сохранять (накоплять) запрашиваемую из Интернета информацию на локальном диске.
При каждом запросе клиента прокси-сервер сначала ищет информацию у себя на диске, и только если там ее нет, начинает работать с Интернетом.
Прокси-сервер ускоряет обслуживание клиента и удешевляет ее: информация с локального диска поставляется, как правило, даром.
5. Как поработать в Фидо?
Ответ. В Фидо существует строгая иерархия пользователей: сетевой координатор, хаб, нод, пойнт.
· Пойнт. Самый низший уровень. Может пользоваться почтовой сетью, конференциями (группы новостей), запрашивать файлы с любой станции Фидо.
· Нод (или нода ). Аналог провайдера в Интернете. Нод, к которому прикреплен пойнт, является для этого пойнта боссом .
· Хаб. Координатор, курирующий большую группу нодов.
· Сетевой координатор. Курирует работу подсети Фидо: города, региона, страны, континента. Сетевые координаторы также связаны между собой иерархической зависимостью.
Для подключения к сети Фидо нужно найти “фидошника”, который рекомендовал бы вас своему боссу и помог бы настроить программы для работы с сетью Фидо.
6. Для чего перекручивают провода в кабеле “витая пара”?
Ответ. Скручивание проводов снижает влияние помех на сигналы, передаваемые по такому кабелю.
Сигнал с пары проводов считывается, как разность потенциалов (напряжений) на них.
Помеха создает на проводах добавочные потенциалы, но так как провода в витой паре равномерно перекручены, на каждом из них возникают примерно одинаковые добавочные напряжения, и они взаимно гасятся при вычитании в приемном устройстве.
Пусть передаваемый по проводам сигнал создает на них потенциалы в 6 и 4 вольта. Принимающая станция считывает разность потенциалов 2 вольта при передаче без помех (рис. 3.50).
Рис. 3.50. Передача без помех
Рис. 3.51. Передача с помехой по нескрученной паре проводов
На проводах обычного кабеля помеха создает разные дополнительные потенциалы в зависимости от их удаленности от источника помехи (рис. 3.51). В итоге приемник фиксирует разность потенциалов на 4 вольта больше (сигнал искажен).
Рис. 3.52. Передача с помехой по витой паре
1. Компьютерные сети от простого к сложному
Описание с сайта. Данный сайт создан для того, чтобы рассказать вам, что такое сеть, как ее построить и как обслуживать. Я попытаюсь объяснить, что вам для этого потребуется, какие имеются подходы к построению сети. Здесь приведены различные примеры сетей: от небольших (2 компьютера) до сетей масштаба предприятия. Все, что здесь представлено, взято из моего личного опыта по построению и администрированию сетей.
2. История Интернета в России
www.nethistory.ru
Описание с сайта. “История Интернета в России” - это исследовательский проект, целью которого является сбор и анализ информации о развитии интернет-технологий в России. Периодически на сайте публикуются интервью, анонсируются новые статьи и книги об Интернете.
3. Планета Интернет
www.netplanet.ru
Описание с сайта. “Планета Интернет” является первым в России периодическим иллюстрированным изданием, посвященным международной сети интернет. Журнал освещает события, происходящие в Сети и вокруг нее, рассматривает современные технологии, оказывающие воздействие на жизнь и культуру современного информационного общества.
Разделы и рубрики журнала: Тема номера , Новости , Интернет и бизнес , Закладки , Персона , Вопрос-ответ , Обозрение , Хакеры , На досуге , Cпортnet , Технологии , Расследование.
Еще одним параметром разделяемого канала связи является количество подключенных к нему узлов. В приведенных выше примерах к каждому каналу связи подключались только два взаимодействующих узла, точнее два интерфейса. В телекоммуникационных сетях используется и другой вид подключения, когда к одному каналу подключается несколько интерфейсов. Такое множественное подключение интерфейсов порождает топологию «общая шина». В этом случае возникает проблема организации совместного использования канала несколькими интерфейсами.
Существуют различные способы решения задачи организации совместного доступа к разделяемым линиям связи. Один из них подразумевает централизованный подход, когда доступом управляет специальное устройство – арбитр, другие – децентрализованный. Внутри компьютера проблемы разделения линий связи между различными модулями также существуют – примером является доступ к системной шине, которым управляет либо процессор, либо специальный арбитр шины. В сетях организация совместного доступа к линиям связи имеет свою специфику из-за существенно большего времени распространения сигналов по линиям связи, поэтому процедуры согласования доступа к линии связи могут занимать слишком большой промежуток времени и приводить к значительным потерям производительности сети. Именно по этой причине разделяемые между интерфейсами среды практически не используются в глобальных сетях.
В локальных же сетях разделяемые среды используются достаточно часто благодаря простоте и экономичности их реализации. Этот подход, в частности, применяется в доминирующей сегодня в локальных сетях технологии Ethernet.
Однако в последние годы стала преобладать другая тенденция – отказ от разделяемых сред передачи данных и в локальных сетях. Это связано с тем, что за достигаемое таким образом удешевление сети приходится расплачиваться производительностью.
И, тем не менее не только в классических, но и в некоторых совсем новых технологиях, разработанных для локальных сетей, сохраняется режим разделяемых линий связи. Например, разработчики технологии GigabitEthernet, принятой в 1998 году в качестве нового стандарта, включили режим разделения среды в свои спецификации наряду с режимом работы по индивидуальным линиям связи.
Типы коммутации
Среди множества возможных подходов к решению задачи коммутации абонентов в сетях выделяют два основополагающих, к которым относят коммутацию каналов икоммутацию пакетов .
Сети с коммутацией каналов имеют более богатую историю, они происходят от первых телефонных сетей. Сети с коммутацией пакетов сравнительно молоды, они появились в конце 60-х годов как результат экспериментов с первыми глобальными сетями. Каждая из этих схем имеет свои достоинства и недостатки, но по долгосрочным прогнозам многих специалистов будущее принадлежит технологии коммутации пакетов, как более гибкой и универсальной.
Коммутация каналов
Чтобы объяснить основную идею коммутации каналов, рассмотрим ее в максимально упрощенном виде. Как показано на рис., коммутационная сеть состоит из коммутаторов (S1,S2, …,S5), связанных между собой линиями связи. Каждая линия имеет одну и ту же пропускную способность.
Рис. 7. Коммутация каналов без мультиплексирования.
Рис. 8. Дополнение потока до пропускной способности линии.
Каждый абонент подключается к сети с помощью терминального устройства (Т), которое посылает в сеть данные с постоянной скоростью, причем этаскорость в точности равна пропускной способности линий. Если в какие-то периоды времени у абонента скорость информации, которую он хочет передать в сеть, оказывается меньше пропускной способности линии, то терминальное устройство продолжает питать сеть постоянным потоком данных, дополняя полезную информацию пользователя "пустыми" (незначащими) данными (см. рис.).
Так как все мы – многолетние пользователи телефонной сети, которая является наиболее распространенным представителем сетей с коммутацией каналов, то мы будем сопровождать наше объяснение примерами из области телефонии.
Установление соединения
Обмен данными начинается с предварительного установления соединения.
Пусть два абонента А и Б хотят передать друг другу некоторые данные. Прежде чем отправить в сеть данные (начать разговор) абонент А посылает запрос в коммутационную сеть, в котором указывается адрес (телефонный номер) абонента Б. Цель посылки запроса – установить соединение абонентов А и Б. информационным каналом, свойства которого подобны свойствам непрерывной линии связи: на всем своем протяжении он передает данные с одной и той же скоростью. Это означает, что в транзитных коммутаторах нет необходимости буферизировать данные бользователей.
Для создания такого канала запрос должен пройти через последовательность коммутаторов, лежащих на пути от А к Б, и удостовериться, что все необходимые отрезки пути (линии связи) в данный момент свободны. Кроме того, для успешного соединения необходимо, чтобы конечный узел Б не был занят в другом соединении. Чтобы зафиксировать соединение, в каждом из коммутаторов вдоль пути от А к Б запоминается информация о том, что соответствующая линия связи выделена соединению абонентов А и Б (зарезервирована). В каждом коммутаторе выполняется внутреннее соединение интерфейсов, соответствующих маршруту прохождения данных.
При этом возможны отказы в установлении соединения, если занят абонент Б или какая-либо линия связи. Некоторые сети могут различать эти две ситуации.
Мультиплексирование
Описанная сеть с коммутацией каналов, в которой каждая физическая линия всегда передает данные с одной и той же скоростью, работает неэффективно.
Пользователей заставляют стать неким универсальным стандартным пользователем, который всегда передает в сеть информацию с постоянной единственно разрешенной скоростью. Сегодня трудно представить такого пользователя, оснащенного различными терминальными устройствами: сотовыми телефонами, компьютерами, офисными АТС. Поэтому скорость пользовательского трафика в общем случае не совпадает с фиксированной пропускной способностью физических каналов.
Также и сама сеть в таком случае неэффективно использует свои собственные ресурсы. Для того, чтобы вероятность отказа в установлении соединения была достаточно низкой и приемлемой для пользователя, между коммутаторами нужно проложить большое количество параллельных физических линий, а это очень затратный вариант.
Чтобы повысить эффективность в сетях с коммутацией каналов, стали использовать мультиплексирование; это позволило одновременно передавать через каждый физический канал трафик нескольких логических соединений. Мультиплексирование в сетях с коммутацией каналов имеет свои особенности. Так пропускная способность каждой линии связи делится на равные части, образуя одинаковое число так называемых подканалов. Обычно линия, подключающая пользователя к сети, поддерживает меньшее число подканалов, чем линии, соединяющие коммутаторы, - в этом случае вероятность отказа уменьшается. Например, пользовательская линия может состоять из 2, 24 или 30 подканалов, а линия между коммутаторами – из 480, 1920. Наиболее распространенной скоростью цифрового подканала является сегодня скорость 64 Кбит/с, которая обеспечивает качественную цифровую передачу голоса.
На рис. 9 показана сеть с коммутацией каналов и мультиплексированием.
Рис. 9. Коммутация каналов с мультиплексированием.
Технология Ethernet принадлежит к семейству технологий локальных сетей, в которое входят также такие технологии, как TokenRing, FDDI, IEEE 802.11 и lOOVG-AnyLAN. Несмотря на определенную специфику, все эти технологии имеют единое назначение - создание локальных сетей. Поэтому полезно начать изучение Ethernet с рассмотрения общих принципов, использованных при разработке технологий LAN.
Стандартная топология и разделяемая среда
Для упрощения и, соответственно, удешевления аппаратных и программных решений разработчики первых локальных сетей остановились на совместном использовании общей среды передачи данных.
Основной принцип, положенный в основу Ethernet, - случайный метод доступа к разделяемой среде передачи данных. В качестве такой среды может использоваться толстый или тонкий коаксиальный кабель, витая пара, оптоволокно или радиоволны (кстати, первой сетью, построенной на принципе случайного доступа к разделяемой среде, была радиосеть Aloha Гавайского университета).
Роберт Меткалф осуществил идею разделяемой среды для проводного варианта технологии LAN. Непрерывный сегмент коаксиального кабеля стал аналогом общей радиосреды. Все компьютеры присоединялись к этому сегменту кабеля по схеме монтажного ИЛИ (рис.2.1), поэтому при передаче сигналов одним из передатчиков все приемники получали один и тот же сигнал, как и при использовании радиоволн.
Разделяемая среда
Рисунок 2.1 - Разделяемая среда на коаксиальном кабеле
Простые стандартные топологии физических связей (звезда у коаксиального кабеля Ethernet и кольцо у TokenRing и FDDI) обеспечивают простоту разделения кабельной среды.
Использование разделяемых сред позволяет упростить логику работы узлов сети. Действительно, поскольку в каждый момент времени выполняется только одна передача, отпадает необходимость в буферизации кадров в транзитных узлах. Транзитных узлов также нет. Соответственно, отпадает необходимость в сложных процедурах управления потоком и борьбы с перегрузками.
Основной недостаток разделяемой среды - плохая масштабируемость. Этот недостаток является принципиальным, так как независимо от метода доступа к среде ее пропускная способность делится между всеми узлами сети.
Стек протоколов локальных сетей
Технологии локальных сетей реализуют, как правило, функции только двух нижних уровней модели OSI- физического и канального (рис. 2.2). Функциональности этих уровней достаточно для доставки кадров в пределах стандартных топологий, которые поддерживают LAN- звезда (общая шина), кольцо и дерево.
Рисунок 2.2 - Соответствие протоколов LAN уровням модели OSI
Однако из этого не следует, что компьютеры, связанные в локальную сеть, не поддерживают протоколы уровней, расположенных выше канального. Эти протоколы также устанавливаются и работают на узлах локальной сети, но выполняемые ими функции не относятся к технологии LAN. Сетевой и транспортный протоколы нужны узлу локальной сети для того, чтобы взаимодействовать с компьютерами, подключенными к другим локальным сетям, путь к которым проходит, возможно, через глобальные сети. Если бы нужно было обеспечить взаимодействие компьютеров только в пределах одной локальной сети, то прикладные протоколы могли бы работать непосредственно над канальным уровнем. Но так как такое ограниченное взаимодействие не устраивает пользователей, то каждый компьютер локальной сети поддерживает полный стек протоколов, так что над канальным уровнем работает один из сетевых протоколов, например IP или IPX.
Кроме того, установка на конечных узлах LAN полных стеков протоколов, а не только физического и канального, необходима для обеспечения совместимости приложений - приложения должны корректно исполняться в любой сетевой среде, во всяком случае, не зависеть от того, является сеть односегментной локальной сетью или крупной локальной сетью, построенной на маршрутизаторах.
Канальный уровень локальных сетей делится на два подуровня, которые часто также называют уровнями:
· уровень управления логическим каналом (LogicalLinkControl, LLC);
· уровень управления доступом к среде (MediaAccessControl, MAC).
Функции уровня LLC обычно реализуются программно, соответствующим модулем операционной системы, а функции уровня MAC реализуются программно-аппаратно: сетевым адаптером и его драйвером.
Обобщенная задача коммутации
Если топология сети не полносвязная, то обмен данными между произвольной парой конечных узлов (абонентов) должен идти в общем случае через транзитные узлы.
Например, в сети на рис. 1 узлы 2 и 4, непосредственно друг с другом не связанные, вынуждены передавать данные через транзитные узлы, в качестве которых могут использоваться, например, узлы 1 и 5. Узел 1 должен выполнить передачу данных с интерфейса A на интерфейс B, а узел 5 — с интерфейса F на B.
Рис. 1. Коммутация абонентов через сеть транзитных узлов.
Последовательность транзитных узлов (сетевых интерфейсов) на пути от отправителя к получателю называется маршрутом
.
В самом общем виде задача коммутации — задача соединения конечных узлов через сеть транзитных узлов — может быть представлена в виде нескольких взаимосвязанных частных задач:
1. Определение информационных потоков, для которых требуется прокладывать пути.
2. Определение маршрутов для потоков.
3. Сообщение о найденных маршрутах узлам сети.
4. Продвижение - распознавание потоков и локальная коммутация на каждом транзитном узле.
5. Мультиплексирование и демультиплексирование потоков.
Определение информационных потоков
Понятно, что через один транзитный узел может проходить несколько маршрутов, например через узел 5 проходят данные, направляемые узлом 4 каждому из остальных узлов, а также все данные, поступающие в узлы 3 и 10. Транзитный узел должен уметь распознавать поступающие на него потоки данных, чтобы обеспечивать их передачу именно на те свои интерфейсы, которые ведут к нужному узлу.
Информационным потоком (data flow, data stream) называют последовательность данных, объединенных набором общих признаков, который выделяет эти данные из общего сетевого трафика.
Данные могут быть представлены в виде последовательности байтов или объединены в более крупные единицы данных — пакеты, кадры, ячейки. Например, все данные, поступающие от одного компьютера, можно определить как единый поток, а можно представить как совокупность нескольких подпотоков, каждый из которых в качестве дополнительного признака имеет адрес назначения. Каждый из этих подпотоков, в свою очередь, можно разделить на еще более мелкие подпотоки данных, например, относящихся к разным сетевым приложениям — электронной почте, копированию файлов, обращению к Web-серверу.
Понятие потока используется при решении различных сетевых задач и, в зависимости от конкретного случая, определяется соответствующий набор признаков. В задаче коммутации, суть которой — передача данных из одного конечного узла в другой, при определении потоков в роли обязательных признаков потока, очевидно, должны выступать адрес отправителя и адрес назначения данных. Тогда каждой паре конечных узлов будет соответствовать один поток и один маршрут.
Однако не всегда достаточно определить поток только парой адресов. Если на одной и той же паре конечных узлов выполняется несколько взаимодействующих по сети приложений, которые предъявляют к ней свои особые требования, поток данных между двумя конечными узлами должен быть разделен на несколько подпотоков, так чтобы для каждого из них можно было проложить свой маршрут. В таком случае выбор пути должен осуществляться с учетом характера передаваемых данных. Например для файлового сервера важно, чтобы передаваемые им большие объемы данных направлялись по каналам с высокой пропускной способностью, а для программной системы управления, которая посылает в сеть короткие сообщения, требующие обязательной и немедленной отработки, при выборе маршрута важнее надежность линии связи и минимальный уровень задержек. В таком примере набор признаков потока должен быть расширен за счет информации, идентифицирующей приложение.
Кроме того, даже для данных, предъявляющих к сети одинаковые требования, может прокладываться несколько маршрутов, чтобы за счет распараллеливания добиться одновременного использования различных каналов и тем самым ускорить передачу данных. В данном случае необходимо "пометить" данные, которые будут направляться по каждому из этих маршрутов.
Признаки потока могут иметь глобальное или локальное значение. В первом случае они однозначно определяют поток в пределах всей сети, а во втором — в пределах одного транзитного узла. Пара уникальных адресов конечных узлов для идентификации потока — это пример глобального признака. Примером признака, локально определяющего поток в пределах устройства, может служить номер (идентификатор) интерфейса устройства, с которого поступили данные. Например, узел 1 (рис. 1) может быть сконфигурирован так, что он передает все данные, поступившие с интерфейса А, на интерфейс С, а данные, поступившие с интерфейса D, на интерфейс В. Такое правило позволяет разделить два потока данных — поступающий из узла 2 и поступающий из узла 7 — и направлять их для транзитной передачи через разные узлы сети, в данном случае данные из узла 2 через узел 8, а данные из узла 7 — через узел 5.
Существует особый тип признака — метка потока
. Метка может иметь глобальное значение, уникально определяющее поток в пределах сети. В таком случае она в неизменном виде закрепляется за потоком на всем протяжении его пути следования от узла источника до узла назначения. В некоторых технологиях используются локальные метки потока, значения которых динамически меняются при передаче данных от одного узла к другому.
Определить потоки - это значит задать для них набор отличительных признаков, на основании которых коммутаторы смогут направлять потоки по предназначенным для них маршрутам.
Определение маршрутов
Определение пути, то есть последовательности транзитных узлов и их интерфейсов, через которые надо передавать данные, чтобы доставить их адресату — сложная задача, особенно когда конфигурация сети такова, что между парой взаимодействующих сетевых интерфейсов существует множество путей. Задача определения маршрутов состоит в выборе из всего этого множества одного или нескольких путей. И хотя в частном случае множества имеющихся и выбранных путей могут совпадать, чаще всего выбор останавливают на одном оптимальном 1) по некоторому критерию маршруте.
В качестве критериев выбора могут выступать, например:
номинальная пропускная способность;
загруженность каналов связи;
задержки, вносимые каналами;
количество промежуточных транзитных узлов;
надежность каналов и транзитных узлов
Заметим, что даже в том случае, когда между конечными узлами существует единственный путь, его определение при сложной топологии сети может представлять собой нетривиальную задачу.
Маршрут может определяться эмпирически ("вручную") администратором сети, который, используя различные, часто не формализуемые соображения, анализирует топологию сети и задает последовательность интерфейсов, которую должны пройти данные, чтобы достичь получателя. Среди побудительных мотивов выбора того или иного пути могут быть: особые требования к сети со стороны различных типов приложений, решение передавать трафик через сеть определенного провайдера, предположения о пиковых нагрузках на некоторые каналы сети, соображения безопасности.
Однако эвристический подход к определению маршрутов для большой сети со сложной топологией не подходит. В этом случае такая задача решается чаще всего автоматически. Для этого конечные узлы и другие устройства сети оснащаются специальными программными средствами, которые организуют взаимный обмен служебными сообщениями, позволяющий каждому узлу составить свое представление о топологии сети. Затем на основе этого исследования и математических алгоритмов определяются наиболее рациональные маршруты.
Определить маршрут — однозначно задать последовательность транзитных узлов и их интерфейсов, через которые надо передавать данные, чтобы доставить их адресату.
Оповещение сети о выбранном маршруте
После того, как маршрут определен (вручную или автоматически), следует "сообщить" о нем всем устройствам сети. Сообщение о маршруте должно нести каждому транзитному устройству примерно такую информацию: "Если придут данные, относящиеся к потоку n, то нужно передать их на интерфейс F".
Сообщение о маршруте обрабатывается транзитным устройством, в результате чего создается новая запись в таблице коммутации , в которой локальному или глобальному признаку (признакам) потока (например, метке, номеру входного интерфейса или адресу назначения) ставится в соответствие номер интерфейса, на который устройство должно передать данные, относящиеся к этому потоку.
Ниже помещен фрагмент таблицы коммутации, содержащий запись, сделанную на основании сообщения о необходимости передачи потока n на интерфейс F.
Конечно, структура сообщения о маршруте и содержимого таблицы коммутации зависит от конкретной технологии, однако эти особенности не меняют сущности рассматриваемых процессов.
Передача информации о выбранных маршрутах так же, как и определение маршрута, может осуществляться и вручную, и автоматически. Администратор сети может зафиксировать маршрут, выполнив конфигурацию устройства вручную, например, жестко скоммутировав на длительное время определенные пары входных и выходных интерфейсов (так работали "телефонные барышни" на первых коммутаторах). Он может также по собственной инициативе внести запись о маршруте в таблицу коммутации. Однако поскольку топология сети и информационных потоков может меняться (отказ или появление новых промежуточных узлов, изменение адресов или определение новых потоков), то гибкое решение задач определения и назначение маршрутов предполагает постоянный анализ состояния сети и обновление маршрутов и таблиц коммутации, что требует применения средств автоматизации.
Оповестить сеть о найденных маршрутах — это значит вручную или автоматически настроить каждый коммутатор таким образом, чтобы он "знал", в каком направлении следует передавать каждый поток.
Продвижение — распознавание потоков и коммутация на каждом транзитном узле
Когда сеть оповещена о маршрутах, она может начать выполнять свои функции по соединению или коммутации абонентов. Для каждой пары абонентов эта операция может быть представлена совокупностью нескольких (по числу транзитных узлов) локальных операций коммутации. Отправитель должен выставить данные на тот свой порт, из которого выходит найденный маршрут, а все транзитные узлы должны соответствующим образом выполнить "переброску" данных с одного своего порта на другой, другими словами — выполнить коммутацию.
Устройство, предназначенное для выполнения коммутации, называется коммутатором (switch). Коммутатор производит коммутацию входящих в его порты информационных потоков, направляя их в соответствующие выходные порты (рис. 2).
Рис. 2. Коммутатор.
Однако, прежде чем выполнить коммутацию, коммутатор должен распознать поток. Для этого поступившие данные проверяются на предмет наличия признаков какого-либо из потоков, заданных в таблице коммутации. Если произошло совпадение, то эти данные направляются на тот интерфейс, который был определен для них в маршруте.
Термины коммутация, таблица коммутации и коммутатор в телекоммуникационных сетях могут трактоваться неоднозначно. Мы уже определили термин коммутация как процесс соединения абонентов сети через транзитные узлы. Этим же термином мы обозначаем и соединение интерфейсов в пределах отдельного транзитного узла. Коммутатором в широком смысле слова называется устройство любого типа, способное выполнять операции переключения потока данных с одного интерфейса на другой. Операция коммутации может быть выполнена в соответствии с различными правилами и алгоритмами. Некоторые способы коммутации и соответствующие им таблицы и устройства получили специальные названия (например, маршрутизация, таблица маршрутизации, маршрутизатор). В то же время за другими специальными типами коммутации и соответствующими устройствами закрепились те же самые названия - коммутация, таблица коммутации и коммутатор - которые здесь используются в узком смысле, например коммутация и коммутатор локальной сети. В телефонных сетях, которые появились намного раньше компьютерных, также используется аналогичная терминология, коммутатор является здесь синонимом телефонной станции. Из-за солидного возраста и гораздо большей (пока) распространенности телефонных сетей, чаще всего в телекоммуникациях под термином "коммутатор" понимают именно телефонный коммутатор.
Коммутатором может быть как специализированное устройство, так и универсальный компьютер со встроенным программным механизмом коммутации, в этом случае коммутатор называется программным. Компьютер может совмещать функции коммутации данных, направляемых на другие узлы, с выполнением своих обычных функций конечного узла. Однако во многих случаях более рациональным является решение, в соответствии с которым некоторые узлы в сети выделяются специально для выполнения коммутации. Эти узлы образуют коммутационную сеть , к которой подключаются все остальные. На рис. 3 показана коммутационная сеть, образованная из узлов 1, 5, 6 и 8, к которой подключаются конечные узлы 2, 3, 4, 7, 9 и 10.
Рис. 3. Коммутационная сеть.
Мультиплексирование и демультиплексирование
Как уже было сказано, прежде чем выполнить переброску данных на определенные для них интерфейсы, коммутатор должен понять, к какому потоку они относятся. Эта задача должна решаться независимо от того, поступает ли на вход коммутатора только один поток в "чистом" виде, или "смешанный" поток, который объединяет в себе несколько потоков. В последнем случае к задаче распознавания добавляется задача демультиплексирования.
Задача демультиплексирования (demultiplexing) — разделение суммарного агрегированного потока, поступающего на один интерфейс, на несколько составляющих потоков.
Как правило, операцию коммутации сопровождает также обратная операция — мультиплексирование
.
Задача мультиплексирования (multiplexing) — образование из нескольких отдельных потоков общего агрегированного потока, который можно передавать по одному физическому каналу связи.
Операции мультиплексирования/демультиплексирования имеют такое же важное значение в любой сети, как и операции коммутации, потому что без них пришлось бы все коммутаторы связывать большим количеством параллельных каналов, что свело бы на нет все преимущества неполносвязной сети.
На рис. 4 показан фрагмент сети, состоящий из трех коммутаторов. Коммутатор 1 имеет пять сетевых интерфейсов. Рассмотрим, что происходит на интерфейсе 1. Сюда поступают данные с трех интерфейсов — int 3, int.4 и int.5. Все их надо передать в общий физический канал, то есть выполнить операцию мультиплексирования. Мультиплексирование представляет собой способ обеспечения доступности имеющихся физических каналов одновременно для нескольких сеансов связи между абонентами сети.
Рис. 4. Операции мультиплексирования и демультиплексирования потоков при коммутации.
Существует множество способов мультиплексирования потоков в одном физическом канале, и важнейшим из них является разделение времени. При этом способе каждый поток время от времени (с фиксированным или случайным периодом) получает в свое распоряжение физический канал и передает по нему данные. Очень распространено также частотное разделение канала, когда каждый поток передает данные в выделенном ему частотном диапазоне.
Технология мультиплексирования должна позволять получателю такого суммарного потока выполнять обратную операцию — разделение (демультиплексирование) данных на составляющие потоки. На интерфейсе int.3 коммутатор выполняет демультиплексирование потока на три составляющих подпотока. Один из них он передает на интерфейс int. 1, другой на int.2, а третий на int.5. А вот на интерфейсе int.2 нет необходимости выполнять мультиплексирование или демультиплексирование — этот интерфейс выделен одному потоку в монопольное пользование. В общем случае на каждом интерфейсе могут одновременно выполняться обе задачи — мультиплексирование и демультиплексирование.
Частный случай коммутатора (рис. 5а), у которого все входящие информационные потоки коммутируются на один выходной интерфейс, где мультиплексируются в один агрегированный поток и направляются в один физический канал, называется мультиплексором (multiplexer, mux) . Коммутатор (рис. 5б), который имеет один входной интерфейс и несколько выходных, называется демультиплексором .
Рис. 5.5. Мультиплексор (а) и демультиплексор (б).
Разделяемая среда передачи данных
Еще один параметр, характеризующий использование разделяемых каналов связи — количество узлов, подключенных к такому каналу. В приведенных выше примерах к каналу связи подключались только два взаимодействующих узла, точнее — два интерфейса. В телекоммуникационных сетях используется и другой вид подключения, когда к одному каналу подключается несколько интерфейсов. Такое множественное подключение интерфейсов порождает уже рассматривавшуюся выше топологию "общая шина", иногда называемую также шлейфовым подключением. Во всех этих случаях возникает проблема согласованного использования канала несколькими интерфейсами. Ниже на рисунках показаны различные варианты разделения каналов связи между интерфейсами.
Рис. 6. Два однонаправленных физических канала.
В случае на рис. 6 коммутаторы К1 и К2 связаны двумя однонаправленными физическими каналами, то есть такими каналами, по которым информация может передаваться только в одном направлении. В этом случае передающий интерфейс является активным , и физическая среда передачи находится целиком и полностью под его управлением. Пассивный интерфейс только принимает данные. Проблемы разделения канала между интерфейсами здесь нет. Заметим, однако, что задача мультиплексирования потоков данных в канале при этом сохраняется. На практике два однонаправленных канала, реализующие в целом дуплексную связь между двумя устройствами, обычно считаются одним дуплексным каналом, а два интерфейса одного устройства рассматриваются как передающая и принимающая части одного и того же интерфейса.
Рис. 7. Один полудуплексный канал.
На рисунке 7 коммутаторы К1 и К2 связаны каналом, который может передавать данные в обе стороны, но только попеременно. При этом возникает необходимость в механизме согласования доступа интерфейсов К1 и К2 к такому каналу. Обобщением этого варианта является случай, показанный на рис. 8, когда к каналу связи подключается несколько (больше двух) интерфейсов, образуя общую шину.
Рис. 8. Схема "общая шина"
Совместно используемый несколькими интерфейсами физический канал называют разделяемым1) (shared). Часто используется также термин "разделяемая среда" (shared media) передачи данных. Разделяемые каналы связи используются не только для связей типа коммутатор-коммутатор, но и для связей компьютер-коммутатор и компьютер-компьютер.
Существуют различные способы организации совместного доступа к разделяемым линиям связи. В одних случаях используют централизованный подход, когда доступом управляет специальное устройство — арбитр, в других — децентрализованный. Внутри компьютера проблемы разделения линий связи между различными модулями также существуют — примером может служить доступ к системной шине, которым управляет либо процессор, либо специальный арбитр шины. В сетях организация совместного доступа к линиям связи имеет свою специфику из-за существенно большего времени распространения сигналов по линиям связи. Из-за этого процедуры согласования доступа к линии связи могут занимать слишком много времени и приводить к значительному снижению производительности сети.
Несмотря на все эти сложности, в локальных сетях разделяемые среды используются очень часто. Этот подход, в частности, реализован в широко распространенных классических технологиях Ethernet, Token Ring, FDDI. В глобальных сетях разделяемые между интерфейсами среды практически не используются. Это объясняется тем, что большие временные задержки при распространении сигналов вдоль протяженных каналов связи приводят к слишком длительным переговорным процедурам доступа к разделяемой среде, сокращая до неприемлемого уровня долю полезного использования канала связи на передачу данных абонентов.
Однако в последние годы наметилась тенденция отказа от разделяемых сред передачи данных и в локальных сетях. Это связано с тем, что за достигаемое таким образом снижение стоимости сети приходится расплачиваться производительностью. Сеть с разделяемой средой при большом количестве узлов всегда будет работать медленнее, чем аналогичная сеть с индивидуальными линиями связи, так как пропускная способность индивидуальной линии связи достается одному компьютеру, а при совместном использовании — делится на все компьютеры сети. Часто с такой потерей производительности приходится мириться ради увеличения экономической эффективности сети. Не только в классических, но и в совсем новых технологиях, разработанных для локальных сетей, сохраняется режим разделяемых линий связи. Например, разработчики технологии Gigabit Ethernet, принятой в 1998 году в качестве нового стандарта, включили режим разделения передающей среды в свои спецификации наряду с режимом работы по индивидуальным линиям связи.
Типичными и наиболее распространенными представителями искусственной среды передачи данных являются кабели. При создании сети передачи данных выбор осуществляется из следующих основных видов кабелей: волоконно-оптический (fiber), коаксиал (coaxial) и витая пара (twisted pair). При этом и коаксиал (коаксиальный кабель), и витая пара для передачи сигналов используют металлический проводник, а волоконно-оптический кабель - световод, сделанный из стекла или пластмассы.
Совместно используемый несколькими интерфейсами физический канал называют разделяемым. Часто используют термин разделяемая среда передачи данных.
Вопрос 22.
Классификация методов доступа к разделяемой среде передачи данных.
1. Случайные методы доступа (Ethernet)
2. Детерминированные (Token bus, Token ring)
Случайные: доступ к среде осуществляется в любой момент времени не ависимо от других абонентов сети.
Детерм.: доступ к среде осуществляется только в строго определенные моменты времени при наличии разрешения.
Основным недостатком случайных методов доступа – наличие коллизий.
Основным плюсом детерминированного метода является независимость времени передачи от загрузки.
Вопрос 23.
Случайный метод доступа CSMA/CD. Алгоритм работы Эффективность.
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 применяется исключительно в сетях с логической 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. Одновременно все компьютеры сети имеют возможность немедленно (с учетом задержки распространения сигнала по физической среде) получить данные, которые любой из компьютеров начал передавать на общую шину (рис. 3.3). 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).
Рис. 3.3. Метод случайного доступа CSMA/CD
Этапы доступа к среде
Все данные, передаваемые по сети, помещаются в кадры определенной структуры и снабжаются уникальным адресом станции назначения.
Чтобы получить возможность передавать кадр, станция должна убедиться, что разделяемая среда свободна. Это достигается прослушиванием основной гармоники сигнала, которая также называется несущей частотой (carrier-sense, CS). Признаком незанятости среды является отсутствие на ней несущей частоты, которая при манчестерском способе кодирования равна 5-10 МГц, в зависимости от последовательности единиц и нулей, передаваемых в данный момент.
Если среда свободна, то узел имеет право начать передачу кадра. Этот кадр изображен на рис. 3.3 первым. Узел 1 обнаружил, что среда свободна, и начал передавать свой кадр. В классической сети Ethernet на коаксиальном кабеле сигналы передатчика узла 1 распространяются в обе стороны, так что все узлы сети их получают. Кадр данных всегда сопровождается преамбулой (preamble), которая состоит из 7 байт, состоящих из значений 10101010, и 8-го байта, равного 10101011. Преамбула нужна для вхождения приемника в побитовый и побайтовый синхронизм с передатчиком.
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, передает их вверх по своему стеку, а затем посылает по кабелю кадр-ответ. Адрес станции источника содержится в исходном кадре, поэтому станция-получатель знает, кому нужно послать ответ.
Узел 2 во время передачи кадра узлом 1 также пытался начать передачу своего кадра, однако обнаружил, что среда занята - на ней присутствует несущая частота, - поэтому узел 2 вынужден ждать, пока узел 1 не прекратит передачу кадра.
После окончания передачи кадра все узлы сети обязаны выдержать технологическую паузу (Inter Packet Gap) в 9,6 мкс. Эта пауза, называемая также межкадровым интервалом, нужна для приведения сетевых адаптеров в исходное состояние, а также для предотвращения монопольного захвата среды одной станцией. После окончания технологической паузы узлы имеют право начать передачу своего кадра, так как среда свободна. Из-за задержек распространения сигнала по кабелю не все узлы строго одновременно фиксируют факт окончания передачи кадра узлом 1.
В приведенном примере узел 2 дождался окончания передачи кадра узлом 1, сделал паузу в 9,6 мкс и начал передачу своего кадра.
Возникновение коллизии
При описанном подходе возможна ситуация, когда две станции одновременно пытаются передать кадр данных по общей среде. Механизм прослушивания среды и пауза между кадрами не гарантируют от возникновения такой ситуации, когда две или более станции одновременно решают, что среда свободна, и начинают передавать свои кадры. Говорят, что при этом происходит коллизия (collision), так как содержимое обоих кадров сталкивается на общем кабеле и происходит искажение информации - методы кодирования, используемые в Ethernet, не позволяют выделять сигналы каждой станции из общего сигнала.
ПРИМЕЧАНИЕ Заметим, что этот факт отражен в составляющей «Base(band)», присутствующей в названиях всех физических протоколов технологии Ethernet (например, 10Base-2,10Base-T и т. п.). Baseband network означает сеть с немодулированной передачей, в которой сообщения пересылаются в цифровой форме по единственному каналу, без частотного разделения.
Коллизия - это нормальная ситуация в работе сетей Ethernet. В примере, изображенном на рис. 3.4, коллизию породила одновременная передача данных узлами 3 и У. Для возникновения коллизии не обязательно, чтобы несколько станций начали передачу абсолютно одновременно, такая ситуация маловероятна. Гораздо вероятней, что коллизия возникает из-за того, что один узел начинает передачу раньше другого, но до второго узла сигналы первого просто не успевают дойти к тому времени, когда второй узел решает начать передачу своего кадра. То есть коллизии - это следствие распределенного характера сети.
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 скорейшего обнаружения коллизии всеми станциями сети станция, которая обнаружила коллизию, прерывает передачу своего кадра (в произвольном месте, возможно, и не на границе байта) и усиливает ситуацию коллизии посылкой в сеть специальной последовательности из 32 бит, называемой jam-последовательностью.
Рис. 3.4. Схема возникновения и распространения коллизии
После этого обнаружившая коллизию передающая станция обязана прекратить передачу и сделать паузу в течение короткого случайного интервала времени. Затем она может снова предпринять попытку захвата среды и передачи кадра. Случайная пауза выбирается по следующему алгоритму:
Пауза = L *(интервал отсрочки),
где интервал отсрочки равен 512 битовым интервалам (в технологии Ethernet принято все интервалы измерять в битовых интервалах; битовый интервал обозначается как bt и соответствует времени между появлением двух последовательных бит данных на кабеле; для скорости 10 Мбит/с величина битового интервала равна 0,1 мкс или 100 нс);
L представляет собой целое число, выбранное с равной вероятностью из диапазона , где N - номер повторной попытки передачи данного кадра: 1,2,..., 10.
После 10-й попытки интервал, из которого выбирается пауза, не увеличивается. Таким образом, случайная пауза может принимать значения от 0 до 52,4 мс.
Если 16 последовательных попыток передачи кадра вызывают коллизию, то передатчик должен прекратить попытки и отбросить этот кадр.
Из описания метода доступа видно, что он носит вероятностный характер, и вероятность успешного получения в свое распоряжение общей среды зависит от загруженности сети, то есть от интенсивности возникновения в станциях потребности в передаче кадров. При разработке этого метода в конце 70-х годов предполагалось, что скорость передачи данных в 10 Мбит/с очень высока по сравнению с потребностями компьютеров во взаимном обмене данными, поэтому загрузка сети будет всегда небольшой. Это предположение остается иногда справедливым и по сей день, однако уже появились приложения, работающие в реальном масштабе времени с мультимедийной информацией, которые очень загружают сегменты Ethernet. При этом коллизии возникают гораздо чаще. При значительной интенсивности коллизий полезная пропускная способность сети Ethernet резко падает, так как сеть почти постоянно занята повторными попытками передачи кадров. Для уменьшения интенсивности возникновения коллизий нужно либо уменьшить трафик, сократив, например, количество узлов в сегменте или заменив приложения, либо повысить скорость протокола, например перейти на Fast Ethernet.
Следует отметить, что метод доступа CSMA/CD вообще не гарантирует станции, что она когда-либо сможет получить доступ к среде. Конечно, при небольшой загрузке сети вероятность такого события невелика, но при коэффициенте использования сети, приближающемся к 1, такое событие становится очень вероятным. Этот недостаток метода случайного доступа - плата за его чрезвычайную простоту, которая сделала технологию Ethernet самой недорогой. Другие методы доступа - маркерный доступ сетей Token Ring и FDDI, метод Demand Priority сетей 100VG-AnyLAN - свободны от этого недостатка.
