4. Аппаратура компьютерных сетей

Аппаратура сетей — узлы и средства их соединения — определяется выбранной сетевой архитектурой. В данном разделе приводятся сведения о наиболее популярных архитектурах локальных и глобальных сетей.

4.1 Компоненты сети

Кабельный сегмент сети — цепочка отрезков кабелей, электрически соединенных друг с другом.

Логический сегмент сети, или просто сегмент — группа узлов сети, имеющих непосредственный доступ друг к другу на уровне пакетов канального уровня. В интеллектуальных хабах Ethernet группы портов могут объединяться в логические сегменты для изоляции их трафика от других сегментов в целях повышения производительности и защиты.

Кабельная сеть — совокупность кабельных сегментов и узлов, связанных между собой повторителями. Для архитектуры Ethernet узлы, подключенные к кабельным сегментам, соединенным повторителями, а также узлы, соединенные простейшими хабами (многопортовыми повторителями), принадлежат к одной кабельной сети.

Интерсеть — совокупность кабельных сетей, связанных между собой мостами или маршрутизаторами.

Сеть IPX — кабельная сеть в совокупности с принятым типом фрейма, имеющая собственный IPX-номер (4-байтный идентификатор), уникальный в интерсети. В одной кабельной сети Ethernet может существовать две различные сети IPX с собственными номерами, различающиеся применяемым типом фрейма (802.2 и 802.3).

Кабельный центр — хаб (Hub) — устройство физического подключения нескольких сегментов или лучей.
Интеллектуальный хаб (Intelligent Hub) имеет специальные средства для диагностики и управления, что позволяет оперативно получать сведения об активности и исправности узлов, отключать неисправные узлы и т. д. Стоимость существенно выше, чем у обычных.
Активный хаб (Active Hub) усиливает сигналы, требует источника питания.
Peer Hub — хаб, исполненный в виде платы расширения PC, использующей только источник питания PC. Распространен в сетях ARCnet.
Пассивный хаб (Passive Hub) только согласует импедансы линий (в сетях ARCnet).
Standalone Hub — самостоятельное устройство с собственным источником питания (обычный вариант).

Концентратор - более сложный хаб, обычно с возможностью соединения сетей различных архитектур.
Четкой границы между хабами и концентраторами нет, и те и другие могут являться повторителями, мостами или маршрутизаторами.

Повторитель (Repeater) — устройство для соединения сегментов одной сети, обеспечивающее промежуточное усиление и формирования сигналов. Оперирует на физическом уровне модели OSI. Позволяет расширять сеть по расстоянию и количеству подключенных узлов.
Мост (Bridge) — средство передачи пакетов между сетями (локальными), оперирует на двух нижних уровнях модели OSI, для протоколов сетевого уровня прозрачен. Осуществляет фильтрацию пакетов, не выпуская из сети пакеты для адресатов, находящихся внутри сети, а также переадресацию — передачу пакетов в другую сеть в соответствии с таблицей маршрутизации или во все другие сети при отсутствии адресата в таблице. Таблица маршрутизации обычно составляется в процессе самообучения по адресу источника приходящего пакета. Мосты классифицируются по нескольким признакам:
По уровню протокола:

• MAC-Layer Bridges работают на подуровне управления доступом к среде, позволяют связывать сети одинаковой архитектуры (с одинаковыми форматами пакетов).
• LLC-Layer Bridges работают на подуровне управления логической связью, позволяют связывать сети с различными архитектурами (Ethernet — Token Ring — Arcnet).

По алгоритму трассировки:

• Transparent routing (прозрачный) — мост сам определяет трассу для каждого пакета, запоминая местоположение всех узлов. Используется в сетях Ethernet.
• Source Routing — трасса пакета вводится в адресную часть самим источником пакета. Используется в Tokeng Ring.

По отношению к серверу::

• внутренний мост (Internal Bridge) — часть программного обеспечения сервера, обеспечивающая пересылку пакетов между сегментами, подключенными к разным сетевым адаптерам.
• внешний мост (External, Stand-alone Bridge) — отдельное устройство.

По расстоянию между соединяемыми сетями:

• локальный мост (local Bridge) соединяет рядом расположенные локальные сети.
• удаленный мост (Remote Bridge) соединяет географически разнесенные локальные сети через средства телекоммуникации (выделенные или коммутируемые телефонные линии и т. д.). Телекоммуникация является узким местом моста, для повышения производительности возможно параллельное использование нескольких каналов связи.

Маршрутизатор (Router) — средство обеспечения связи между узлами различных сетей, оперирует на сетевом уровне модели OSI, использует сетевые (логические) адреса. Сети могут находиться на значительном расстоянии, и путь, по которому передается пакет, может проходить через несколько маршрутизаторов. Сетевой адрес интерпретируется как иерархическое описание местоположения узла. Маршрутизаторы поддерживают протоколы сетевого уровня: IP, IPX, X.25, IDP. Мультипротокольные маршрутизаторы (более сложные и дорогие) поддерживают несколько протоколов одновременно для гетерогенных сетей. Brouter (Bridging router) — комбинация моста и маршрутизатора, оперирует как на сетевом, так и на канальном уровне.
Основные характеристики маршрутизатора:

• тип: одно- или многопротокольный, LAN или WAN, Brouter;
• поддерживаемые протоколы;
• пропускная способность;
• типы подключаемых сетей;
• поддерживаемые интерфейсы (LAN и WAN);
• количество портов;
• возможность управления и мониторинга сети.

Шлюз (Gateway) — средство соединения существенно разнородных сетей, оперирующее на верхних (5-7) уровнях модели OSI. В отличие от повторителей, мостов и маршрутизаторов, прозрачных для пользователя, присутствие шлюза заметно. Шлюз выполняет преобразование форматов и размеров пакетов, преобразование протоколов, преобразование данных, мультиплексирование. Обычно реализуется на основе компьютера с большим объемом памяти. Примеры шлюзов:

• Fax: обеспечивает доступ к удаленному факсу, преобразуя данные в факс-формат;
• E-mail: обеспечивает почтовую связь между локальными сетями. Шлюз обычно связывает MHS, специфичный для сетевой операционной системы с почтовым сервисом по X.400;
• Internet: обеспечивает доступ к глобальной сети Internet;
• Mainframe: подключает локальную сеть к большим машинам. Выделение одного компьютера под шлюз позволяет любой станции эмулировать терминал (3270) без установки дополнительных интерфейсных карт.

Узел сети (Node) — компьютер с сетевым интерфейсом (выступающий в роли рабочей станции, сервера или в обеих ролях), принтер или другое разделяемое устройство с сетевым интерфейсом.
Физическая топология сети — расположение узлов и соединений: шина (Bus), кольцо (Ring), звезда (Star), сетка (Mesh), дерево (Tree) и т. д.
Логическая топология определяет потоки данных.
В логической шине информация одновременно доступна для всех узлов, подключенных к одному сегменту. Реальное считывание производит только тот узел, которому адресуется данный пакет. Реализуется на физической топологии шины, звезды, дерева или сетки. Метод доступа — вероятностный (Probabilistic), основанный на прослушивании сигнала в шине.
В логическом кольце информация передается последовательно от узла к узлу. Каждый узел принимает пакеты только от предыдущего и посылает только последующему узлу по кольцу. Узел транслирует все пакеты и обрабатывает те, которые адресованы ему. Реализуется на физической топологии кольца или звезды с внутренним кольцом в концентраторе. Метод доступа — детерминированный (Deterministic), базирующийся на сетевом адресе узла.

4.2 Сетевые архитектуры

Сетевая архитектура соответствует реализации физического и канального уровня модели OSI и определяет кабельную систему, кодирование сигналов, скорость передачи, формат сетевых кадров (фреймов), топологию и метод доступа. Каждой архитектуре соответствуют свои компоненты — кабели, разъемы, интерфейсные карты, кабельные центры и т. д.
Первое поколение архитектур обеспечивало низкие и средние скорости передачи: LocalTalk — 230 кбит/с, ARCnet — 2.5 Мбит/с, Ethernet — 10 Мбит/с и Token Ring — 16 Мбит/с. Исходно они были ориентированы на электрические кабели (Copper-based).
Второе поколение — FDDI (100 Мбит/с), ATM (155 Мбит/с и выше), Fast Ethernet (100 Мбит/с) в основном ориентировано на оптоволоконный кабель (Fiber-based).
В локальных и широкомасштабных сетях применяются различные сетевые технологии, выбор которых зависит от многих факторов. Решающими факторами являются следующие:

• требования к пропускной способности сети и скорости отклика;
• расположение узлов, расстояния и условия прокладки коммуникаций;
• требования надежности и конфидециальности связи;
• ограничения на стоимость аппаратуры и коммуникаций.

Наиболее распространенными решениями для локальных сетей являются архитектуры Ethernet и Token Ring, нередко еще используется ARCnet, для Macintosh характерно использование Apple Talk и Ether Talk.
Для широкомасштабных сетей высокоэффективным, но пока весьма дорогостоящим решением является применение FDDI, ATM, ISDN, BISDN.
Для удаленных коммуникаций применяются протоколы PPP, SLIP, обеспечивающие связь по телефонным каналам через модемы, а также сети с протоколом X.25.

Ethernet

Ethernet — архитектура сетей с разделяемой средой и широковещательной передачей (все узлы получают пакет одновременно) и методом доступа CSMA/CD. Стандарт определен документом IEEE802.3. Физическая топология — шина для коаксиала, звезда — для витой пары, двухточечное соединение — для оптоволокна. Существуют следующие 10 Мбит/с стандарты Ethernet.
10Base5 — Thick (толстый) Ethernet. Синонимы: ThickNet, Yellow (желтый кабель), Standard Ethernet. Классический вариант, введенный в 60-х годах, использует толстый коаксиальный кабель RG-8 или RG-11 с посеребренной центральной жилой и двойной экранной оплеткой. Кабель имеет волновое сопротивление 50 Ом и малое затухание. Для подключения каждого узла на кабель устанавливается трансивер, от которого к адаптеру идет кабель-спуск длиной до 50 м. Толстый кабель сложен в монтаже, его аксессуары теперь весьма дороги (комплект, состоящий из трансивера со спуском, стоит около $150). Основное преимущество — высокая помехозащищенность и напряжение изоляции трансивера. Применяется для прокладки базовых сегментов (Backbone).
10Base2 — Thin (тонкий) Ethernet. Синонимы: ThinNet, CheaperNet (дешевая сеть). Популярный вариант, использует тонкий коаксиальный кабель RG-58, имеющий волновое сопротивление 50 Ом, среднее затухание и помехозащищенность. Широко применяется для подключения станций и прокладки базовой сети между хабами. Пока самый дешевый вариант сети.
10BaseT — Twisted-pair Ethernet — на неэкранированной витой паре 3-5 категории;
Топология — звезда, в центре которой находится хаб, обеспечивающая ряд преимуществ по сравнению с шиной:

• к каждому узлу подходит только один гибкий кабель.
• повреждение одного лучевого кабеля приводит к отказу соединения только одного узла.
• несанкционированное "прослушивание" пакетов в сети затруднено.

Является перспективной альтернативой тонкому Ethernet во многих случаях.
10BaseF — несколько вариантов сети на оптоволоконном кабеле. Обычно используется как двухточечная связь на большие расстояния. Среда передачи — две нитки одномодового или многомодового оптоволокна. Оптоволоконная аппаратура при основном своем недостатке — высокой цене — имеет ряд преимуществ:

• нечувствительность к электрическим и электромагнитным помехам;
• гальваническая развязка узлов на любое требуемое напряжение;
• исчисляемое километрами расстояние передачи без повторителей и тысячами километров — с промежуточными ретрансляторами;
• высокая степень конфиденциальности каналов связи;
• широкополосность каналов.

Конструктивно оптический трансивер — FOIRL, FIRL (Fiber-Optic Inter-Repeater Link) — представляет собой устройство чуть больше спичечного коробка, подключаемое непосредственно к DIX-разъему AUI-адаптера. Оконечные отрезки волоконного кабеля заводятся в специальные оптические разъемы, соединяя выход передатчика Tx на одном конце со входом приемника Rx на другом конце. Некоторые модели хабов уже имеют порты с оптическими разъемами.

Возможны следующие 100 Мбит/с версии Ethernet: 100BaseTX , 100BaseT4, 100BaseFX. Среда передачи для 100BaseTX (наиболее распространенный Fast Ethernet) — две неэкранированные витые пары (UTP) категорий 3, 4 или 5; для 100BaseT4 — четыре пары UTP категории 5 или экранированные витые пары STP (Shielded Twisted Pair); для 100BaseFX — оптоволоконный кабель. Несмотря на высокую цену, аппаратура на 100 мбит/с находит все более широкое применение там, где 10 мбит/с является уже узким местом.

1Base5 — StarLAN Ethernet — старый вариант на витой паре и 10Broad36 — сеть на широкополосном 75-омном коаксиальном кабеле — упомянем только для исторической справки.

Таблица 4.1. Топологические характеристики популярных разновидностей Ethernet

Switched Ethernet (коммутирующий) — развитие технологии Ethernet, направленное на повышение производительности сети. В этом случае управление доступом к среде практически переносится с узлов в центральное коммутирующее устройство, обеспечивающее установление виртуальных выделенных каналов между парами портов — источниками и получателями пакетов. От узлов-передатчиков коммутирующий хаб почти всегда готов принять пакет либо в свой буфер, либо практически без задержки передать его в порт назначения (коммутация "на лету" — On-the-fly).

Повторители и хабы Ethernet

Повторители в сетях Ethernet на коаксиале используются как средства преодоления ограничений длины кабеля и количества подключенных узлов (по электрическим характеристикам). Классический повторитель с внутренними терминаторами включается между концами соседних сегментов. Повторитель с внешними терминаторами может подключаются к T-коннекторам (или трансиверам) в произвольных местах сегментов.
Хабы в архитектуре Ethernet являются обязательными соединительными элементами сети на витой паре и средствами расширения топологических, функциональных и скоростных возможностей для любых сред передачи.
Для любой разновидности Ethernet с шинной топологией существует ограничение, называемое "правилом 5-4-3": не более пяти сегментов могут соединяться в одну сеть не более чем четырьмя повторителями, причем для подключения активных узлов (станций и серверов) возможно использование не более трех из этих сегментов. Многопортовые повторители позволяют существенно расширять топологические возможности в пределах этих ограничений, а применение хабов-мостов преодолевает это ограничение, поскольку разные порты моста относятся к различным сетям (имеющим и собственные сетевые адреса).
Некоторые порты хабов могут иметь набор разъемов BNC, RJ-45, AUI, обеспечивая выбор среды передачи. К порту хаба можно подключать как отдельный узел, так и другой хаб или сегмент коаксиала. Хабы с набором разнотипных портов позволяют объединять сегменты сетей с различными кабельными системами.

Адаптеры Ethernet

Ethernet в настоящее время является самой распространенной сетевой архитектурой. Современные мини- и суперминикомпьютеры, а также большие ЭВМ (Maiframes), обычно имеют встроенные адаптеры с AUI-разъемами. Ряд современных системных плат PC имеет встроенный адаптер с разъемом RJ-45. Каждый адаптер имеет свой уникальный 6-байтный физический адрес (MAC-Address), зашитый в одну из микросхем. Области адресов поделены между фирмами-производителями. Некоторые адаптеры и драйверы позволяют изменять адрес, при этом ответственность за его уникальность в сети перекладывается на администратора.

Сетевые адаптеры или сетевые интерфейсные карты (Network Interface Card, NIC) для PC, выпускаемые многими производителями в широком ассортименте, различаются поддерживаемыми средами передачи, типом системной шины (ISA, EISA, MCA, PCI, реже VLB), архитектурой и производительностью. Для блокнотных ПК существуют адаптеры Ethernet в стандарте PCMCIA (PC CARD). Выпускаются также адаптеры, подключаемые к стандартному LPT-порту PC ("Paraport"), их главное преимущество — отсутствие потребностей в системных ресурсах (порты, прерывания и т. п.) и легкость подключения без вскрытия компьютеров — оборачивается и существенным недостатком — при обмене они очень сильно загружают процессор.

ARCnet

ARCnet (Attached Resource Computer Network — компьютерная сеть соединенных ресурсов) — архитектура сетей с разделяемой средой и широковещательной передачей. Метод доступа маркерный (Token passing), логическая топология — шина, физическая — комбинация шины и звезды (дерево). Скорость передачи 2,5 Мбит/с.

Кабель коаксиальный RG-62 с волновым сопротивлением 93 Ом, возможно применение кабеля с волновым сопротивлением 50-110 Ом и соответствующими терминаторами. Кабельные петли (кольца через хабы) недопустимы. Мало распространенные варианты — неэкранированная витая пара и скорость 20-100 Мбит/с.

Адаптеры: высокоимпедансные (Bus), низкоимпедансные (Star) и переключаемые, использующиеся в различных топологиях. Каждому адаптеру в сети при инсталляции назначают свой уникальный восьмибитный адрес, задающийся переключателями в диапазоне 1-254. Потребляемые системные ресурсы аналогичны адаптерам Ethernet.

Хабы: активные (с усилением сигнала) от 4 до 64 портов, применяются в высоко- и низкоимпедансных сетях; пассивные четырехпортовые резистивные согласователи импедансов применяются только для низкоимпедансных сетей.

Терминаторы: устанавливаются на концах шинных сегментов и неиспользуемых портах пассивных хабов.

Высокоимпедансные сети. Максимальная длина сегмента 305 м, узлы подключаются через BNC T-коннекторы, ответвления недопустимы, минимальное расстояние между узлами 1 м, допускается до 8 узлов в сегменте. Используются только активные хабы. Сегменты должны заканчиваться терминатором или активным хабом (адаптером).

Низкоимпедансные сети. Активный хаб может соединяться кабелем с адаптером (610 м), активным хабом (610 м) или пассивным хабом (30 м). Пассивный хаб может стоять только между активными узлами. На неиспользуемые порты пассивных хабов должны, а активных — могут устанавливаться терминаторы.

Смешанные сети строятся по вышеприведенным правилам. Общие ограничения: максимальное затухание в кабеле на частоте 5 МГц — 11 дБ, задержка распространения сигналов между узлами до 30 мкс.

Основные преимущества ARCnet перед Ethernet, обеспечивавшие его былую популярность: низкая стоимость схем присоединения (по сравнению с CSMA/CD), меньшая критичность к кабелю, более гибкая топология, легкость диагностики сети при звездообразной топологии, менее резкая (по сравнению с Ethernet) чувствительность пропускной способности к количеству и активности узлов сети.

Недостатки: малоэффективное использование и без того низкой пропускной способности канала из-за избыточности кода и административных пакетов. Реальная производительность, даже для небольших сетей не превышающая 65% от максимальной, с увеличением числа узлов падает. Однобайтное ограничение на адрес создает неудобства при объединении сетей. Ошибочное задание совпадающих адресов локализуется исключительно методом последовательного отключения узлов. Малый размер фрейма (252 байта данных в оригинальном варианте и 508 байтов в расширенном) трудно стыкуем с вышестоящими уровнями (Novell IPX передает пакет длиной 576 байт).

В настоящее время аппаратура ARCnet практически не выпускается, но поддерживается всеми продуктами Novell.

Token Ring

Token Ring (маркерное кольцо) — архитектура сетей с кольцевой логической топологией и детерминированным методом доступа с передачей маркера. Стандарт определен документом IEEE802.5, но IBM — основной проводник этой архитектуры — использует несколько отличающуюся спецификацию.

Логическое кольцо реализуется на физической звезде, в центре которой находится MAU (Multistation Access Unit) — хаб с портами подключения каждого узла. Для присоединения кабелей используются специальные разъемы, обеспечивающие замыкание кольца при отключении узла от сети. При необходимости сеть может расширяться за счет применения дополнительных хабов, связанных в общее кольцо. Требование безразрывности кольца усложняет кабельное хозяйство Token Ring, использующее четырехпроводные экранированные и неэкранированные витые пары и специальные коммутационные средства.

Облегченный вариант разводки обеспечивает подключение до 96 станций к 12 восьмипортовым хабам с максимальным удалением станции от хаба не более 45 м. Длина кабеля между хабами может достигать 45 м при их суммарной длине не более 120 м.

Стационарная разводка обеспечивает подключение до 260 станций и 33 хабов с расстоянием между устройствами до 100 м при общей длине кольца хабов до 200 м.

Оптоволоконный кабель увеличивает длину сегмента до 1 км.

Информация по кольцу передается только в одном направлении по цепочке от станции к станции, скорость передачи 4 или 16 Мбит/с. Адаптер узла копирует в свой буфер только адресованные ему пакеты.

Использование системных ресурсов PC и конфигурирование адаптеров аналогичны Ethernet. Программное обеспечение кроме обычного для всех сетевых адаптеров содержит дополнительные модули-агенты как на сервере, так и на рабочей станции.

Основное преимущество Token Ring — заведомо ограниченное время ожидания обслуживания узла (в отличии от Ethernet не возрастающее при усилении трафика), обусловленное детерминированным методом доступа и возможностью управления приоритетом. Это свойство позволяет использовать Token Ring в системах реального времени. Кроме того, сети Token Ring легко соединяются с сетями на больших машинах (IBM Mainframe).

Недостатками Token Ring являются высокая стоимость оборудования и сложность построения больших сетей (WAN).

Local Talk, 100BaseVG, TCNS, Token Bus

Local Talk — сетевая архитектура фирмы Apple, штатная подсистема Macintosh. Среда передачи — витая пара, скорость 230.4 кбит/с, интерфейс RS-422, метод доступа CSMA/CA.

100BaseVG — 100 Мбит/с сеть на витой паре категории 3 (Voice-Grade TP — витая пара для голосовой телефонии). Разработана фирмами Hewlett-Packard и AT&T Microelectronics как развитие Ethernet, описывается стандартом IEEE802.12. Использует 4 пары проводов, передача в любую сторону использует все пары одновременно (Quartet Signaling). Физическая топология — звезда, метод доступа — Demand Priority, управление передачей возложено на центральные коммутационные устройства, что обеспечивает предопределенное время отклика для критичных ко времени задач.

100VG-AnyLAN (100BaseVG-AnyLAN) — расширение 100BaseVG, введенное фирмами Hewlett-Packard и IBM. Является неким гибридом Ethernet и Token Ring, поддерживая их форматы кадров (802.3 и 802.5). Кроме приоритетов доступа поддерживает 2 уровня приоритетов передачи, что позволяет использовать сеть для критичных ко времени приложений (мультимедийных, видеоконференций и др.). Среда передачи — неэкранированная витая пара 3, 4, 5 категории. Адаптеры AnyLAN совместимы с обычными адаптерами Token Ring и Ethernet.

TCNS (Thomas-Conrad Network System) — 100 Мбит/с версия ARCnet фирмы Thomas-Conrad. Среда передачи — коаксиал, витая пара IBM Type 1 STP или UTP Level 5, оптоволокно; топология — звезда. Требует специальных адаптеров, программно совместимых с обычными драйверами ARCnet. Адаптеры могут применяться для зеркальных серверов в NetWare SFT III.

Token Bus — сетевая архитектура, определенная спецификацией IEEE802.4. Среда передачи — коаксиал 75 Ом или оптоволокно, скорость 1-20 Мбит/с в зависимости от среды. Физическая топология — шина, логическая — кольцо, метод доступа — передача маркера. Поддерживается система приоритетов, обеспечивающая заданное время отклика для различных уровней. Используется в промышленности, на ней базируются различные типы протоколов промышленной автоматики, например MAP (Manufacturing Automation Protocol).

FDDI и CDDI

FDDI (Fiber Distributed Data Interface) — стандартизованная спецификация ANSI X3T9.5 для сетевой архитектуры высокоскоростной передачи данных по оптоволоконным линиям. Скорость передачи — 100 Мбит/с. Топология — кольцо (двойное), возможна гибридная: включение звездообразных или древовидных подсетей в главную сеть через концентратор. Метод доступа — маркерный с возможностью одновременного циркулирования множества кадров в кольце. Максимальное количество станций в сети — до 1000, расстояние между станциями до 2 км при многомодовом и до 45 км при одномодовом кабеле (затухание сигнала между станциями до 11 дБ), длина кольца до 100 км (может увеличиваться за счет применения более мощной аппаратуры). В некоторых случаях вторичное кольцо используется для повышения пропускной способности потенциально до 200 Мбит/с.

CDDI (Copper Distributed Data Interface), он же TPDDI — (Twisted Pair Distributed Data Interface) — чисто электрическая реализация архитектуры FDDI на витой паре. Существенно дешевле оптической реализации, длина сегмента ограничена 100 м, применяется в локальных кольцах. Официального жесткого стандарта нет, корректное взаимодействие аппаратуры различных производителей не гарантируется.

Изначальная спецификация FDDI-I обеспечивает асинхронные коммуникации с коммутацией пакетов. Существующий синхронный класс трафика FDDI-I не гарантирует поддержания длительного равномерного потока данных, необходимого для голосовой и видеопередачи. Для мультимедийных приложений реального времени возможность передачи постоянного потока введена в FDDI-II, официальное название которого HRC FDDI (Hybrid Ring Control — управление гибридным кольцом).

По умолчанию сеть работает в базовом режиме, поддерживая только коммутацию пакетов. Гибридный режим — одновременное обслуживание асинхронных передач с коммутацией пакетов и изохронных передач с коммутацией каналов — включается при необходимости.

В базовом режиме по кольцу циркулирует маркер, дающий узлам право на передачу. В гибридном режиме передача организуется в виде циклов — пакетов, непрерывно повторяющихся в течении сеанса. Каждый цикл длительностью 125 мкс обеспечивает передачу данных 128 каналов (по 96 байт на канал). Реально каждому установленному каналу выделяется полоса пропускания, кратная 64 кбит/с, в зависимости от запрашиваемой скорости, максимальная скорость канала 6.144 Мбит/с.

Очень высокая стоимость оборудования определяет круг применений FDDI:

• базовые сети (Backbone), объединяющие множество сетей;
• объединение больших и миникомпьютеров и периферии (Back-end network);
• соединение мощных рабочих станций, требующих высокоскоростного обмена (Front-end network).

Каждый порт имеет трансивер, содержащий передатчик (лазерный или светодиодный излучатель) и фотодетектор. Выходы передатчиков соседних узлов соединяются со входами приемников раздельными оптическими кабелями, образуя замкнутое кольцо. Каждому узлу кольца при конфигурировании назначается адрес и приоритет.

Для повышения надежности базовая сеть имеет два кольца с противоположным направлением передачи: первичное и вторичное. В нормальном режиме используется только первичное. В случае разрыва связи между двумя станциями крайние станции замыкают первичное кольцо с помощью вторичного.

Станции, или узлы, могут быть одинарного (SAS) или двойного (DAS) подключения. DAS (Dual-Attachment Station), они же станции класса A, имеют два трансивера и могут включаться непосредственно в базовую сеть, к первичному и вторичному кольцу. SAS (Single-Attachment Station), они же станции класса B, имеют один трансивер и включаются только в первичное кольцо. В базовую сеть они могут включаться только через концентратор, или обходной коммутатор, отключающий их в случае аварии.

Концентраторы также могут быть одинарного (SAC) или двойного (DAC) подключения. В их функции входит поддержание целостности логического кольца независимо от состояния линий и узлов, подключенных к его портам. Надежность аппаратуры и электропитания концентраторов определяет живучесть кольца. DAC (Dual-Attachment Concentrator) может подключатся к любым узлам (SAS, DAS, SAC или DAC) и обеспечивает включение станций или групп (кластеров) станций в логическое кольцо. К SAC (Single-Attachment Concentrator) могут подключаться SAS или SAC, сам он должен подключаться к DAC, являющемуся частью кольца.

FDDI определяет четыре типа портов станций:

• порт A определен только для устройств двойного подключения (DAC и DAS), его вход подключается к первичному кольцу, выход — ко вторичному;
• порт B определен только для устройств двойного подключения (DAC и DAS), его вход подключается ко вторичному кольцу, выход — к первичному;
• порт M (Master) определен для концентраторов (DAC или SAC) и соединяет два концентратора или концентратор со станцией (DAS или SAS);
• порт S (Slave) определен только для устройств одинарного подключения и используется для соединения двух станций или станции и концентратора.

Адаптеры FDDI для PC используют системные шины ISA, EISA, MCA, PCI, реже VLB; их цена может превышать цену компьютера. Адаптер может иметь один (порт S) или два (порты A и B) трансивера.

Менее дорогие адаптеры с электрическим интерфейсом (TPDDI, CDDI) используют неэкранированную витую пару 5 категории с разъемами RJ-45.

Для подключения PC, не требующих полной пропускной способности FDDI, чаще применяются концентраторы, имеющие встроенные мосты для перехода на широкодоступные сетевые архитектуры (Ethernet, Token Ring).

Кабельное хозяйство FDDI весьма сложное и специфичное. Разъемы и кабели должны вносить строго регламентированное затухание. Специфические элементы:

• оптические аттенюаторы, доводящие затухание до требуемой величины;
• Bypass Switch, Dual Bypass Switch — обходной коммутатор, одиночный или двойной — дополнительное активное устройство, включаемое между узлом и кольцом, обеспечивающее обход узла в случае его отключения или отказа. Коммутатор включает узел в кольцо только при наличии разрешающего сигнала готовности, поступающего от узла по дополнительному электрическому интерфейсному кабелю;
• Coupler — устройство разветвления или (и) объединения оптических сигналов.

ATM

ATM (Asynchronous Transfer Mode) — технология коммутации пакетов, формирующая ядро Broadband ISDN (BISDN), обеспечивающая передачу цифровых, голосовых и мультимедийных данных по одним и тем же линиям. Первоначально скорость передачи была определена 155 Мбит/с, затем 662 Мбит/с и планируется до 2.488 Гбит/с. ATM используется как в локальных, так и в глобальных сетях, с успехом применяется для связи локальных сетей, сильно удаленных друг от друга.

• Линии связи — оптические, локальные или длинные. Длинные линии могут быть выделенными (арендуемыми) или коммутируемыми.
• Обеспечение параллельной передачи. Каждый узел может иметь выделенное соединение с любым другим узлом.
• Работа всегда на максимальной скорости.
• Использование пакетов фиксированной длины — ячеек (Cell) по 53 байта.
• Коррекция ошибок и маршрутизация на аппаратном уровне (частично благодаря фиксированному размеру ячеек).
• Одновременная передача данных, видеоинформации и голоса. Фиксированный размер ячеек обеспечивает равномерность голосового потока.
• Легкость балансирования загрузки: коммутируемость пакетов позволяет при необходимости повышения пропускной способности установить множество виртуальных цепей между передатчиком и приемником.

Интерфейс пользователя UNI (User Network Interface) определен ATM-форумом и допускает различные типы физического интерфейса:

• SONET (OC-3, STS-3 или STM-1 в терминологии CCITT), 155,52 Мбит/с;
• DS3, 44,736 Мбит/с;
• 100 Мбит/с с кодированием 4B/5B;
• 155 Мбит/с с кодированием 8B/10B.

Все эти интерфейсы используют оптоволокно, разрабатываются варианты стандартов на витой паре (UTP-3).

Для различных видов информации (голос, видеоинформация и данные), передаваемой с помощью ATM, определены следующие классы сервисов:

• класс A используется для передачи с постоянной скоростью потока данных (Constant Bit Rate, CBR), обеспечивает эмуляцию коммутированного канала, подходит для голосовых данных;
• класс B используется для передачи с переменной скоростью потока данных (Variable Bit Rate, VBR), например, для видеоконференций;
• класс C используется для передачи данных с установлением соединения;
• класс D используется для передачи данных без установления соединения.

Для каждого класса сервиса определяются протокольные блоки данных, PDU (Protocol Data Unit), которые являются блоками данных для ячеек. Каждый PDU содержит 48 октетов (групп по 8 бит), используемых для заголовка, концевика и собственно данных (Payload в терминологии ATM).

Первые 5 октетов ячейки составляют заголовок ATM. В него входят 4 бита общего управления потоком, 8 бит идентификатора виртуального пути, VPI (Virtual Path Identifier), 16 бит идентификатора виртуального канала, VCI (Virtual Channel Identifier), 3 бита указателя типа данных (Payload Type), 1 бит CLP (Cell Loss Priority) и 8 бит HEC (Header Error Control). Бит CLP определяет возможность отбрасывания данной ячейки в случае напряженного уровня трафика.

В ATM различают 3 плана (группы деятельности):

• план управления, на котором устанавливаются и обслуживаются вызовы и соединения;
• план пользователей, на котором происходит обычный обмен данными;
• план менеджмента, координирующий все три плана и управляющий ресурсами.

Потоки данных от различных типов сервисов (голос, видеоинформация, данные и ячейки от ATM-станций) обрабатываются сервисами соответствующих классов и "расфасовываются" в 48-октетные PDU, которые заключаются в ячейки и мультиплексируются в поток ячеек для передачи. Ячейки содержат идентификаторы виртуальных каналов и путей, которые используются для достижения адресата назначения. ATM-коммутатор использует информацию идентификаторов для направления ячеек в соответствующий порт. Поток ячеек кодируется и передается через физическую среду передачи ATM-сети. На приемной стороне производятся обратные преобразования и потоки данных передаются на выход соответствующими сервисами.

В настоящее время технология ATM является прогрессивной и быстро развивающейся, аппаратура разрабатывается и выпускается большим числом производителей, ведутся работы по обеспечению ее совместимости. В ближайшие годы ожидается резкое удешевление этой пока еще очень дорогой техники.

4.3 Модемы и факс-модемы

Модем (модулятор-демодулятор) служит для передачи информации на большие расстояния, недоступные локальным сетям.

Модемы обеспечивают телекоммуникации (обмен данными) по выделенным и коммутируемым телефонным линиям.

Факс-модемы позволяют передавать и принимать факсимильные изображения, совместимы с обычными факс-машинами.

Голосовые модемы (Voice Modem) преобразуют звуковое сообщение в файл данных, аудиосигнал сжимается по методу ADPCM (Adaptive Differential Pulse Code Modulation). Сообщение может передаваться по электронной почте или в диалоге реального времени (InterPhone??) и воспроизводиться голосовым модемом через внутренний динамик (телефонную трубку) или через мультимедийные средства (Sound Blaster).

Синхронные модемы требуют две выделенные пары проводов для синхронизации и данных. Протоколы синхронного обмена:

• BSC — Binary Synchronous Communications;
• SDLC — Synchronous Data Link Control;
• HDLC — High-Level Data Link Control;

требуют установки в слот системной шины специального контроллера (достаточно дорогого).

Асинхронные модемы, подключаемые к COM-портам, позволяют использовать обычные телефонные линии, что обуславливает их широкое распространение.

Конструктивно модемы для PC выпускаются в двух исполнениях: внутренние (Internal) и внешние (External)

Внутренние модемы устанавливаются в слот системной шины, обычно эмулируют стандартный COM-порт с микросхемой 8250/16450/16550A. Адрес порта и номер IRQ задается на плате модема. Их преимущество — низкая цена, недостаток — для установки требуется вскрытие системного блока.

Внешние модемы, имеющие собственный корпус и блок питания, подключаются кабелем к 9- или 25-штырьковому разъему COM-порта. Их преимущество — для установки не требуется вскрытия системного блока; недостатки — более высокая цена, отдельное питание, дополнительное устройство на столе.

К телефонной линии модем подключается разъемом, помеченным "LINE", к телефонному аппарату — "PHONE".

Фактическими стандартами на систему команд стали системы команд модемов Hayes и USR (U.S.Robotics).

Современные модемы, используемые для коммутируемых линий, имеют средства набора номера и определения состояния линии (гудок, занято и т. п.), а также средства настройки параметров передачи. Для установления связи параметры передачи обоих модемов, участвующих в сеансе, естественно, должны совпадать.

Скоростные характеристики модемов:

• cps — скорость передачи, символов(байт)/с — параметр, интересующий конечного пользователя, определяющий эффективную скорость работы;
• bps — скорость передачи, бит/с;
• baud — количество изменений сигнала в линии за 1 секунду (бод) — этот параметр ограничен полосой пропускания линии. Для повышения эффективной скорости работы при ограниченной полосе линии применяют различные методы кодирования и модуляции, при которых bps превышает baud.

Таблица 4.2. Стандарты на модуляцию

Для коррекции ошибок и сжатия данных используются различные протоколы.

MNP — Microcom Networking Protocol — де-факто стандартный протокол корреккции ошибок и сжатия данных, введенный фирмой Microcom. Различают 9 классов MNP, определяющих различный сервис. Классы 2--4 — обеспечение безошибочной передачи, классы 5 и 7 — сжатие данных, класс 6 — расширенный сервис, класс 9 — оптимизация протокольных процедур, класс 10 — адаптация к каналам связи, класс 8 — пропущен. Старшие классы обычно включают в себя и возможности младших.

MNP-1. Асинхронный байт-ориентированный полудуплекс с минимальными требованиями к скорости процессора. Только исправление. Эффективность передачи данных 70% от обычного варианта, в модемы уже не включается.

MNP-2. Асинхронный байт-ориентированный дуплекс. Только исправление. Эффективность 84%.

MNP-3. Бит-ориентированный дуплекс с синхронной связью между модемами, асинхронный для пользователя. Эффективность 108% (254 cps при 2400 bps).

MNP-4. Адаптивная сборка пакетов (длина пакета зависит от качества линии) и сокращение избыточности (повторяющаяся служебная информация удаляется из потока данных). Эффективность 120% (до 150%).

MNP-5. Сжатие данных в реальном времени. Эффективность 150%. На сжатых (ZIP, ARJ...) файлах СНИЖАЕТ скорость.

MNP-6. Выполняет универсальное согласование связи — настройку скорости модема в диапазоне 300--9600 бод в зависимости от возможностей модема на другом конце линии. Симулирует дуплекс ("статистический дуплекс").

MNP-7. Выполняет более эффективное сжатие данных, чем MNP-5. Эффективность 300%.

MNP-9. Сокращает время на протокольные процедуры подтверждения приема сообщения и повторной передачи после ошибки.

MNP-10. Борьба с плохими линиями: множественные агрессивные попытки установления связи, адаптация размера пакета к уровням помех, согласование и динамическое изменение скорости.

MNPX. Возможность переключения протокола безошибочной передачи с MNP на LAPM и обратно.

В Hayes-модемах применяется собственный протокол исправления — Hayes V-Series.

CCITT рекомендует следующие стандарты:

V.42 — коррекция ошибок. На 20% эффективнее MNP-4. Использует стандарт LAPM (Link Access Procedure for Modems) — протокол безошибочной передачи данных по телефонным линиям.

V.42bis — сжатие данных. Включает в себя V.42 — коррекцию ошибок. На 35% эффективнее MNP-5, не пытается сжимать уже сжатые данные (многие V.42bis-модемы имеют режим MNP-5).

Протоколы исправления и сжатия реализуются программно (дешевле, но загружается CPU), или аппаратно (дороже, но эффективнее). На серверах и станциях, использующих модемы в фоновом режиме, лучше использовать модемы с аппаратной компрессией и исправлением ошибок.