Сети ЭВМ

Сети ЭВМ

Содержание

Устройства объединения сетей

Повторитель (repeater)

Физическая структуризация сетей ЭВМ

Особенности использования оборудования 100Base-T в сетях Fast Ethernet

Заключение

Список литературы

Устройства объединения сетей

Устройства объединения сетей ЭВМ обеспечивают связь между сегментами локальных сетей, отдельными ЛВС и подсетями любого уровня. Эти устройства в самом общем виде могут быть отнесены к определенным уровням эталонной модели взаимодействия открытых систем.

Существуют следующие классы устройств для объединения сегментов ЛВС и сетей:

·        Повторители (repeater) объединяют сети на физическом уровне;

·        Мосты (bridges) и коммутаторы (switches) объединяют сети на канальном уровне и используют функциональные возможности физического уровня. Мосты выполняются на основе компьютера, оснащенного соответствующим ПО. Отличие коммутаторов от мостов в том, что они реализуют свои функции аппаратными средствами и поэтому обладают значительно более высоким быстродействием;

·        Марштуризаторы (routers) объединяют сети на сетевом уровне и используют функциональные возможности уровней 1 и 2;

·        Шлюзы или межсетевые интерфейсы (gateways) объединяют сети на прикладном уровне и используют функциональные возможности всех нижележащих уровней

Рис. 1 Устройства объединения сетей

Повторитель (repeater)

На физическом уровне пакет представляет собой цуг импульсов, распространяющихся по коаксиальному кабелю, скрученной паре или оптическому волокну. За счет дисперсии, частичным отражениям от точек подключения и поглощению в среде импульсы в пакете "расплываются" и искажаются (ухудшается отношение сигнал/шум), это является одной из причин ограничения длин кабельных сегментов.

К примеру, в сетях с тонким коаксиальным кабелем или 10Base2 длина шины (т. е. общая длина всех сегментов кабеля) не может превышать 185 м. Для преодоления этого ограничения на размеры сети и увеличения протяженности сети на тонком коаксиальном кабеле до 925 м были созданы повторители для передачи данных в сетях Ethernet.

Повторитель как правило представляет собой "неинтеллектуальное" устройство со следующими характеристиками:

·              повторитель регенерирует сетевые сигналы, позволяя передавать их дальше;

·              повторители используются обычно в линейных кабельных системах, таких как Ethernet;

·              повторители работают на физическом уровне - нижнем уровне стека протоколов; протоколы высокого уровня не используются;

·              повторители применяются обычно в одном здании;

·              связанные повторителем сегменты становятся частью одной и той же сети и имеют один и тот же сетевой адрес;

·              каждый узел в сетевом сегменте имеет свой собственный адрес; узлы в расширенных сегмента не могут иметь те же адреса, что и узлы существующих сегментов, так как становятся частью одного сетевого сегмента.

Основная функция повторителя (repeater), как это следует из его названия, - повторение сигналов, поступающих на его порт. Повторитель представляет собой довольно простое устройство, работающее на физическом уровне (или на уровне 1 модели OSI) и выполняющее функцию усиления сигнала, проходящего в той среде, к которой он подключен. Сигнал входит на повторитель с одного из его портов, затем усиливается и заново синхронизируется, и, наконец, в усиленной форме ретранслируется через все остальные порты. В стандартных повторителях есть лишь два порта, но на более современных или многопортовых повторителях портов может быть больше.

В сети на тонком коаксиальном кабеле можно создавать до пяти сегментов с помощью четырех повторителей; в то же время лишь в трех из этих сегментов могут располагаться рабочие станции. Оставшиеся два сегмента используются исключительно для увеличения протяженности сети и не могут содержать рабочие станции. Это ограничение, связанное с повторителями в сетях Ethernet, получило название правила 5-4-3; своему существованию оно обязано задержкам прохождения сигнала при избыточной протяженности сети. По мере разростания сети время прохождения сигнала из одного конца в другой увеличивается; из-за этого рабочая станция X в одной части сети может испытывать трудности при определении того, когда рабочая станция Y, находящаяся в другой части сети, осуществляет передачу - в результате возрастает частота коллизий. При возникновении сбоев в работе сети на тонком коаксиальном кабеле с использованием повторителей имеет смысл переместить сервер или серверы, находящиеся в данной сети, ближе к середине ее сегментов. Делать это не обязательно, но благодаря этому любой рабочей станции для установления соединения с сервером нужно пройти не более двух повторителей; в результате небольшие сбои в сети, вероятно, исчезнут.

Так как повторители работают на физическом уровне, они могут устранять помехи и усиливать принимаемый сигнал, но исправление поврежденного сигнала является для них невыполнимой задачей. Кроме того, повторители не имеют возможности определять направление передачи данных: таким образом, такие устройства не способны обеспечить разделение сетей на множество коллизионных доменов. Впрочем, в непритязательности повторителей заключаются и определенные преимущества - так, повторитель можно установить в сети, практически (или совсем) не меняя ее конфигурацию. Нужны лишь источник питания и кабель - и, в соответствии со своим названием, повторитель будет повторять все, что получит.

Повторитель воспринимает входные импульсы, удаляет шумовые сигналы и передает вновь сформированные пакеты в следующий кабельный сегмент или сегменты. Никакого редактирования или анализа поступающих данных не производится. Задержка сигнала повторителем не должна превышать 7,5 тактов (750 нсек для обычного Ethernet). Повторители могут иметь коаксиальные входы/выходы, AUI-разъемы для подключения трансиверов или других аналогичных устройств, или каналы для работы со скрученными парами.

Схема сетевого повторителя

Все входы/выходы повторителя с точки зрения пакетов эквивалентны. Если повторитель многовходовый, то пакет пришедший по любому из входов будет ретранслирован на все остальные входы/выходы повторителя. Чем больше кабельных сегментов объединено повторителями, тем больше загрузка всех сегментов. При объединении нескольких сегментов с помощью повторителя загрузка каждого из них становится равной сумме всех загрузок до объединения. Это справедливо как для коаксиальных кабельных сегментов, так и для повторителей, работающих со скрученными парами (хабы - концентраторы). Некоторые повторители контролируют наличие связи между портом и узлом (link status), регистрируют коллизии и затянувшиеся передачи (jabber - узел осуществляет передачу дольше, чем это предусмотрено протоколом), выполняют согласование типа соединения (autonegotiation). В этом случае они обычно снабжены SNMP-поддержкой. Jabber-функция. Каждому узлу сети Ethernet отводится определенное время, в течение которого он должен передать кадр. В нормальных условиях, когда нет коллизий, кадр максимальной длины 1518 байт передается рабочей станцией в течение 1,2 мс. Затем в течение времени межкадрового интервала линия остается свободной. При сильной загруженности сегмента (большое число станций пытаются передавать одновременно, и велико число коллизий) время, в течение которого линия может быть занята, сильно возрастает. Если такой загруженный сегмент подключен к одному из портов повторителя и инициирует длительный сигнал без замолкания (jabber signal - дословно, болтовня), то повторитель прекратит ретрансляцию данных и коллизий из этого сегмента в другие сегменты, таким образом полностью исключив перегруженный сегмент. Для этой цели концентратор поддерживает специальную jabber-функцию. Стандартом установлено не конкретное время срабатывания, а окно приема непрерывного сигнала от 20 до 150 мс, при котором концентратор должен исключать "плохой" сегмент. Jabber-функция - полезное свойство повторителя, на основе которой последний может исключать как перегруженный коллизионный сегмент, так и неисправный сегмент, или неисправную станцию, которые передают длительный сигнал, и, тем самым, предоставляет возможность работать пользователям, подключенным к другим портам.

Физическая структуризация сетей ЭВМ

Построение сетей ЭВМ с небольшим (10-30) количеством абонентских систем чаще всего осуществляется на основе одной из типовых топологий -общая шина, кольцо, звезда или полносвязная сеть. Все перечисленные топологии обладают свойством однородности, то есть все компьютеры абонентских систем в такой сети имеют одинаковые права в отношении информационного взаимодействия друг с другом (за исключением центрального компьютера присоединении звезда). Такая однородность структуры значительно упрощает процедуру наращивания общего числа абонентских систем, облегчает обслуживание и эксплуатацию сети ЭВМ. Однако увеличение количества абонентских систем в сети сверх указанного количества приводит к существенному снижению пропускной способности каналов связи и общей эффективности функционирования сети. Одним из основных направлений разрешения указанной проблемы является применение методов структуризации больших сетей ЭВМ.

Построение больших сетей ЭВМ, объединяющих более 30-ти абонентских систем, на основе унифицированных типовых топологических структур порождает различные ограничения, наиболее существенными из которых являются:

ограничения на длину связи между узлами;

ограничения на количество узлов в сети;

ограничения на интенсивность трафика, порождаемого узлами сети.

Например, технология Ethernet на тонком коаксиальном кабеле позволяет использовать кабель длиной не более 185 метров, к которому можно подключить не более 30 сетевых ЭВМ (рис.2). Однако, если абонентские системы интенсивно обмениваются информацией между собой, то приходится снижать число подключенных к каналу компьютеров до 10 - 20, чтобы каждой абонентской системе доставалась приемлемая доля общей пропускной способности сети.

Для снятия этих ограничений используются специальные методы структуризации сети и специальное структурообразующее оборудование - повторители, концентраторы, мосты, коммутаторы, маршрутизаторы. Такое оборудование также называют коммуникационным.

Простейшим из коммуникационных устройств является повторитель (repeater). Повторители используются для физического соединения различных сегментов кабеля локальной сети ЭВМ с целью увеличения общей длины сети. Повторитель передает сигналы, приходящие из одного сегмента сети, в другие ее сегменты. Повторитель позволяет преодолеть ограничения на длину линий связи за счет улучшения качества передаваемого сигнала - восстановления его мощности и амплитуды, улучшения фронтов и т. п.

Рис.2 Увеличение сети ЭВМ на основе повторителей

Повторитель, который имеет несколько портов и соединяет несколько физических сегментов, называется концентратором или хабом. В данном устройстве сосредоточиваются все связи между сегментами сети.

Концентраторы характерны практически для всех базовых технологий локальных сетей - Ethernet, ArcNet, Token Ring, FDDI и т.п.

В работе концентраторов различных типов и технологий много общего - они повторяют сигналы, пришедшие с одного из своих портов, на других своих портах. Разница состоит в том, на каких именно портах повторяются входные сигналы. Так, концентратор Ethernet повторяет входные сигналы на всех своих портах, кроме того, с которого сигналы поступают (рис. 3а). А концентратор Token Ring (рис. 3б) повторяет входные сигналы, поступающие с некоторого порта, только на одном порту - на том, к которому подключена следующая в кольце АС.

Рис. 3 Концентраторы технологий:

Ethernet (рис. а) и Token Ring (рис. б)

Концентратор всегда изменяет физическую топологию сети, но при этом оставляет без изменения ее логическую топологию. Под физической топологией понимается конфигурация связей, образованных отдельными частями кабеля, а под логической - конфигурация информационных потоков между компьютерами сети. Во многих случаях физическая и логическая топологии сети совпадают, однако это выполняется не всегда. Пример несовпадения физической и логической топологии. Физически компьютеры соединены по топологии общая шина, а логически - по кольцевой топологии. Физическая структуризация сети с помощью концентраторов целесообразна не только для увеличения расстояния между узлами сети, но и для повышения ее надежности. Например, если какая-либо абонентская система сети Ethernet с физической общей шиной из-за сбоя начинает непрерывно передавать данные по общему кабелю, то вся сеть выходит из строя, и для решения этой проблемы остается только один выход - вручную отсоединить сетевой адаптер этой абонентской системы от кабеля. В сети Ethernet, построенной с использованием концентратора, эта проблема может быть решена автоматически - концентратор отключает свой порт, если обнаруживает, что присоединенный к нему узел слишком долго монопольно занимает сеть. Концентратор может блокировать некорректно работающий узел и в других случаях, выполняя роль некоторого управляющего узла.

Особенности использования оборудования 100Base-T в сетях Fast Ethernet

Технология Fast Ethernet, как и все некоаксиальные варианты Ethernet'а рассчитана на подключение конечных узлов - компьютеров с соответствующими сетевыми адаптерами - к многопортовым концентраторам-повторителям или коммутаторам.

Правила корректного построения сегментов сетей Fast Ethernet включают:

·              ограничения на максимальные длины сегментов, соединяющих DTE c DTE;

·              ограничения на максимальные длины сегментов, соединяющих DTE с портом повторителя;

·              ограничения на максимальный диаметр сети;

·              ограничения на максимальное число повторителей и максимальную длину сегмента, соединяющего повторители.

Остановимся подробнее на ограничениях, связанных с соединениями с повторителями.

В сетях 100-мегагерцного Еthernet используются повторители двух классов (I и II). Задержки сигналов в повторителях класса I больше (~140нс), зато они преобразуют входные сигналы в соответствии с регламентациями применяемыми при работе с цифровыми кодами. Такие повторители могут соединять каналы, отвечающие разным требованиям, например, 100base-TX и 100base-T4 или 100base-FX. Преобразование сигнала может занимать время, соответствующее передаче нескольких бит, поэтому в пределах одного логического сегмента может быть применен только один повторитель класса I, если кабельные сегменты имеют предельную длину. Повторители часто имеют встроенные возможности управления с использованием протокола SNMP.

Повторители класса II имеют небольшие задержки (~90нс или даже меньше), но никакого преобразования сигналов здесь не производится, и по этой причине они могут объединять только однотипные сегменты. Логический сегмент может содержать не более двух повторителя класса II, если кабели имеют предельную длину, они должны быть соединены между собой кабелем не длиннее 5 метров. Повторители класса II не могут объединять сегменты разных типов, например, 100base-TX и 100base-T4. Согласно требованиям комитета IEEE время задержки сигнала jam в повторителе Fast Ethernet (TX и FX) не должно превышать 460 нсек, а для 100base-T4 0 нсек. Для повторителей класса I эта задержка не должна быть больше 1400 нсек.

Значения предельных длин сегментов для различных конфигураций сети приведены в таблице 1.

Таблица 1. Максимальные размеры логического кабельного сегмента

Таблица 2. Типовые задержки для различных устройств Fast Ethernet

Рис. 4. Возможная схема 100-мегагерцной сети Еthernet.

Из рисунка видно, что максимальная длина логического сегмента не может превышать А+Б+В = 205 метров . Предельно допустимые длины кабелей А и В приведены в таблице 3.

Таблица 3. Максимально допустимые длины кабелей для сети, показанной на рис. 4.  (Таблица взята из книги Лаема Куина и Ричарда Рассела Fast Ethernet).

локальный сеть сегмент повторитель

В сетях Fast Ethernet максимальное значение окна коллизий равно 5,12 мксек и называется временем канала (slot time). Это время в точности соответствует минимальной длине пакета в 64 байта. Для более короткого пакета коллизия может быть не зафиксирована. Окно коллизий представляет собой время от начала передачи первого бита кадра до потери возможности регистрации коллизии с любым узлом сегмента, это время равно удвоенной задержке распространения сигнала между узлами (RTT). Конфигурация сети Fast Ethernet, для которой значение окна коллизий превышает время канала, не верна. Время канала задает величину минимального размера кадра и максимальный диаметр сети. Для пояснения этих взаимозависимостей рассмотрим сеть, показанную на рис. 5.

Рис. 5.

Задержка повторителя складывается из задержек физического уровня обоих портов и собственно задержки повторителя. Задержка на физическом уровне сетевого интерфейса считается равной 250 нсек. Рассмотрим задержки сигнала для всех пар узлов (a, b и c) изображенной на рисунке сети:

Заключение

Всякая, даже гигантская сеть была когда-то маленькой. Обычно сеть начинается с одного сегмента, когда ресурсы одного сегмента исчерпаны, добавляется повторитель. Так продолжается до тех пор, пока ресурсы удлинения сегментов и каналы концентраторов закончатся и будет достигнуто предельное число повторителей в сети. Если при построении сети длина кабельных сегментов и их качество не контролировалось, возможен и худший сценарий - резкое увеличение числа столкновений или вообще самопроизвольное отключение от сети некоторых ЭВМ. Когда это произошло, администратор сети должен понять, что время дешевого развития сети закончилось - надо думать о приобретении мостов, сетевых переключателей, маршрутизаторов, а возможно и диагностического оборудования. Применение этих устройств может решить и проблему загрузки некоторых сегментов, ведь в пределах одного логического сегмента потоки, создаваемые каждым сервером или обычной ЭВМ, суммируются. Не исключено, что именно в этот момент сетевой администратор заметит, что топология сети неудачна и ее нужно изменить. Чтобы этого не произошло, рекомендуется с самого начала тщательно документировать все элементы (кабельные сегменты, интерфейсы, повторители и пр.).

Список литературы

1.       Актерский Ю.Е. Сети ЭВМ и телекоммуникации: Учебное пособие. - СПб.: ПВИРЭ КВ, 2005. - 223 с.

.        Семёнов Ю.А. (ГНЦ ИТЭФ), book.itep.ru

3.       Интернет