Локальные вычислительные сети

3.5. Локальные вычислительные сети

Локальной вычислительной сетью (ЛВС) называют совместное подключение нескольких отдельных компьютеров к единому каналу передачи данных. Понятие ЛВС (англ. LAN – Lokal Area Network) относится к географически ограниченным ( территориально или производственно) аппаратно-программным комплексам, в которых несколько компьютерных систем связаны между собой с помощью соответствующих средств коммуникаций.

ЛВС предоставляет возможность одновременного использования программ и баз данных несколькими пользователями, а также возможность взаимодействия с другими рабочими станциями, подключенными к сети. Посредством ЛВС в систему объединяются персональные компьютеры, расположенные на многих удаленных рабочих местах, которые используют совместно оборудование, программные средства и информацию. Рабочие места сотрудников перестают быть изолированными и объединяются в единую систему.

Важнейшей характеристикой ЛВС является скорость передачи информации. В идеале, при посылке и получении данных через сеть время отклика должно быть почти таким же, как если бы они были получены от ПК пользователя, а не из другого места сети. Это требует передачи данных со скоростью 10 Мбит/с и выше. Реально достигаются следующие скорости:

· Коаксиальный кабель – 10 ¸ 50 Мбод;

· Витая пара – до 10 Мбод;

· Специальная витая пара 5 категории – до 100 Мбод;

· Оптическое волокно — до 1Гбод;

· Телефонная линия — от 2400 бод до 56 кбод;

Рекомендуемые материалы

· Спутник 10000 компьютеров одновременно и скорость около 1 Мбод.

Компоненты ЛВС: сетевые устройства и средства коммуникаций.

В ЛВС реализуется принцип модульной организации, который позволяет строить сети различной конфигурации с различными функциональными возможностями. Основными компонентами, из которых строится сеть, являются следующие:

передающая среда – коаксиальный кабель, телефонный кабель, витая пара, оптоволоконный кабель, радиоэфир и др.;

рабочие станции – ПК, АРМ или собственно сетевая станция. Если рабочая станция подключена к сети, для нее могут не потребоваться ни винчестер, ни флоппи-диски. Однако, в этом случае необходим сетевой адаптер – специальное устройство для дистанционной загрузки операционной системы из сети;

платы интерфейса – сетевые платы для организации взаимодействия рабочих станций с сетью;

серверы – отдельные компьютеры с программным обеспечением, выполняющие функции управления сетевыми ресурсами общего доступа;

сетевое программное обеспечение.

Рассмотрим некоторые из перечисленных компонентов сети более подробно.

Серверы

Сеть может иметь один или несколько серверов. Различные серверы могут использоваться для управления работой сети (серверы сети), хранения информации в виде файлов (файл-серверы), поиска и извлечения информации из баз данных (серверы баз данных), рассылки информации (почтовые серверы), сетевой печати (серверы печати) и др. Диски серверов доступны со всех остальных рабочих станций сети, если у пользователей есть соответствующие полномочия.

Взаимодействие сервера с рабочими станциями происходит примерно по следующей схеме. По мере необходимости рабочая станция отправляет серверу запрос на выполнение каких либо действий: прочитать данные, напечатать документ, передать электронное письмо и т.п. Сервер выполняет затребованное действие и выдает подтверждение.

Передающая среда

Передающие среды характеризуются скоростью и дальностью передачи информации и надежностью.

В качестве средств коммуникации в ЛВС чаще всего используются витая пара, коаксиальный кабель, оптоволоконные линии. При выборе передающей среды необходимо учитывать следующие показатели:

· скорость передачи информации;

· дальность передачи информации;

· защищенность передачи информации;

· надежность передачи информации;

· стоимость монтажа и эксплуатации.

Одновременное выполнение требований, предъявляемых к передающей среде, является трудно разрешимой задачей. Так, например, большая скорость передачи данных часто ограничена предельно допустимым расстоянием надежной передачи данных, при обеспечении необходимого уровня защиты передаваемых данных. Стоимость средств коммуникации сказывается на возможности наращивания и расширения сети.

Рассмотрим подробнее свойства некоторых передающих сред.

Витая пара

Витое двухжильное проводное соединение (twisted pair), наиболее дешевое среди передающих сред. Позволяет передавать информацию со скоростью до 10 Мбит/с, легко наращивается, помехозащищенность низкая. Длина кабеля не превышает 1000 м при скорости передачи 1 Мбит/с. Для повышения помехозащищенности информации используют экранированную витую пару, помещенную в оболочку, аналогичную экрану коаксиального кабеля. Цена такой пары близка к цене коаксиального кабеля.

Коаксиальный кабель

Коаксиальный кабель применяется для связи на расстояния до нескольких километров, имеет хорошую помехозащищенность при средней цене. Скорость передачи информации от 1 до 10 Мбит/с, в некоторых случаях достигает 50 Мбит/с. Коаксиальный кабель может использоваться для широкополосной передачи информации.

Широкополосный коаксиальный кабель.

Такой коаксиальный кабель слабо восприимчив к помехам, легко наращивается, однако имеет высокую цену. Скорость передачи информации достигает 500 Мбит/с. Для передачи информации на расстояние более 1,5 км в базисной полосе частот необходим репитер (усилитель), при этом расстояние устойчивой передачи увеличивается до 10 км. Для ЛВС с топологией шина или дерево кабель должен иметь на конце терминатор (согласующий резистор).

Еthernet - кабель

Толстый Ethernet

Коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом (thick Ethernet. или желтый кабель (yellow cable)). Использует 15-контактное стандартное включение. Максимально допустимое расстояние передачи без репитера не превышает 500 м, а общая длина сети Ethernet – 3000 м. Толстый Ethernet, вследствие магистральной топологии использует на конце лишь один терминатор. По параметрам помехозащищенности является дорогой альтернативой обычному коаксиальному кабелю.

Тонкий Ethernet

Коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 ом (thin Ethernet) и скоростью передачи информации 10⁷ бит/с, более дешевый, чем толстый Ethernet.

ЛВС с кабелем thin Ethernet характеризуются низкой стоимостью, минимальными затратами при наращивании и не требуют дополнительного экранирования. Кабель присоединяется к сетевым платам рабочих станций с помощью тройниковых соединителей (T-connectors) с малогабаритными байонетными разъемами (СР-50). При соединении сегментов thin Ethernet требуются репитеры. Расстояние между рабочими станциями без репитеров не может превышать 300 м, а общая длина сети – 1000 м.

Оптоволоконный кабель

Наиболее дорогостоящей передающей средой для ЛВС является оптоволоконный кабель, называемый также стекловолоконным кабелем. Скорость передачи информации по нему достигает нескольких гигабит в секунду при допустимой длине более 50 км. Помехозащищенность оптоволоконного кабеля очень высокая, поэтому ЛВС на его основе применяются там, где возникают электромагнитные помехи и требуется передача информации на большие расстояния без использования репитеров. Сети устойчивы против подслушивания, так как техника ответвлений в оптоволоконных кабелях очень сложна. Обычно ЛВС на основе оптоволоконного кабеля строятся по звездообразной топологии.

Характеристики типовых передающих сред приведены в таблице.

Топология ИВС

Топология, т.е. конфигурация соединения элементов в ЛВС, привлекает к себе внимание в большей степени, чем другие характеристики сети. Это связано с тем, что именно топология во многом определяет самые важные свойства сети, такие, например, как надежность и производительность.

Существуют разные подходы к классификации топологий ЛВС. Согласно одному из них конфигурации локальных сетей делят на два основных класса: широковещательные и последовательные.

В широковещательных конфигурациях каждый ПК передает сигналы, которые могут быть восприняты остальными ПК. К таким конфигурациям относятся общая шина, дерево (соединение нескольких общих шин с помощью репитеров), звезда с пассивным центром. Преимущества конфигураций этого класса – простота организации сети.

В последовательных конфигурациях каждый физический подуровень передает информацию только одному ПК. К таким конфигурациям относятся звезда с интеллектуальным центром, кольцо, иерархическое соединение, снежинка. Основное достоинство – простота программной реализации соединения.

Для предотвращения коллизий в передаче информации чаще всего применяется временной метод разделения, согласно которому каждой подключенной рабочей станции в определенные моменты времени предоставляется исключительное право на использование канала передачи информации. Поэтому требования к пропускной способности сети при повышенной нагрузке, т.е. при вводе новых рабочих станций, снижаются.

В различных топологиях реализуются различные принципы передачи информации. В широковещательных это селекция информации, в последовательных – маршрутизация информации.

В ЛВС с широкополосной передачей информации рабочие станции получают частоту, на которой они могут отправлять и получать информацию. Пересылаемые данные модулируются на соответствующих несущих частотах. Техника широкополосных сообщений позволяет одновременно транспортировать в коммуникационной среде довольно большой объем информации.

Звездообразная топология.

Топология сети в виде звезды с активным центром унаследована из области мэйнфреймов, где головная машина получает и обрабатывает все данные с терминальных устройств как активный узел обработки данных. Вся информация между периферийными рабочими станциями проходит через центральный узел вычислительной сети.

Пропускная способность сети определяется вычислительной мощностью центрального узла и гарантируется для каждой рабочей станции. Коллизий, т.е. столкновений в передаче данных не возникает.

Кабельное соединение топологии относительно простое, постольку поскольку каждая рабочая станция связана с центральным узлом, однако затраты на прокладку линий связи высокие, особенно когда центральный узел географически расположен не в центре топологии.

При расширении ЛВС невозможно использовать ранее выполненные кабельные связи: к новой рабочей станции необходимо прокладывать отдельный кабель от центрального узла сети.

Звездообразная топология при хорошей производительности центрального узла является одной из наиболее быстродействующих топологий ЛВС, поскольку передача информации между рабочими станциями происходит по выделенным линиям, используемым только этими рабочими станциями. Частота запросов на передачу информации от одной станции к другой невысокая по сравнению с другими топологиями.

       

Рис 1. Топология в виде звезды

Производительность ЛВС звездообразной топологии в первую очередь определяется параметрами центрального узла, который выступает в качестве сервера сети. Он может оказаться узким местом сети. В случае выхода из строя центрального узла нарушается работа сети в целом.

В ЛВС с центральным узлом управления можно реализовать оптимальный механизм защиты от несанкционированного доступа к информации.

Кольцевая топология.

В кольцевой топологии сети рабочие станции ЛВС связаны между собой по кругу. Последняя рабочая станция связана с первой, т.е. коммуникационная связь замыкается в кольцо.

Прокладка линий связи между рабочими станциями может оказаться довольно дорогостоящей, особенно если территориально рабочие станции расположены далеко от основного кольца.

Сообщения в кольце ЛВС циркулируют по кругу. Рабочая станция посылает по определенному адресу информацию, предварительно получив из кольца запрос. Передача информации оказывается достаточно эффективной, так как сообщения можно отправлять одно за другим. Так, например, можно сделать кольцевой запрос на все станции. Продолжительность передачи информации увеличивается пропорционально количеству рабочих станций, входящих в ЛВС.

Рис. 2. Кольцевая топология

Главная проблема кольцевой топологии состоит в том, что каждая рабочая станция должна участвовать в передаче информации, и в случае выхода из строя хотя бы одной из них вся сеть парализуется. Неисправности в кабельной системе локализуются легко.

Расширение сети с кольцевой топологией требует остановки работы сети, так как кольцо должно быть разорвано. Специальных ограничений на размер ЛВС не существует.

Особой формой кольцевой топологии является логическое кольцо.

Физически она монтируется как соединение звездных топологий. Отдельные звезды включаются с помощью специальных коммутаторов (англ. Hub -концентратор), которые по-русски также иногда называют “хаб”. В зависимости от числа рабочих станций и длины кабеля между рабочими станциями применяют активные или пассивные концентраторы. Активные концентраторы дополнительно содержат усилитель для подключения от 4 до 16 рабочих станций. Пассивный концентратор является исключительно разветвительным устройством (максимум на три рабочие станции). Управление отдельной рабочей станцией в логической кольцевой сети происходит так же, как и в обычной кольцевой сети. Каждой рабочей станции присваивается соответствующий ей адрес, по которому передается управление (от старшего к младшему и от самого младшего к самому старшему). Разрыв соединения происходит только для нижерасположенного (ближайшего) узла вычислительной сети, так что лишь в редких случаях может нарушаться работа всей сети.

Шинная топология

В ЛВС с шинной топологией основная передающая среда (шина) – общая для всех рабочих станций. Функционирование ЛВС не зависит от состояния отдельной рабочей станции, т.е. рабочие станции в любое время могут быть подключены к шине или отключены от нее без нарушения работы сети в целом.

Рис. 3. Шинная топология

Однако в простейшей сети Ethernet с шинной топологией в качестве передающей среды используется тонкий Ethernet-кабель с тройниковым соединителем (T-коннектором), поэтому расширение такой сети требует разрыва шины, что приводит к нарушению функционирования сети. Более дорогостоящие решения предполагают установку вместо T-коннекторов пассивных штепсельных коробок.

Поскольку расширение ЛВС с шинной топологией можно проводить без прерывания сетевых процессов и разрыва коммуникационной среды, отвод информации из ЛВС и, соответственно, прослушивание информации осуществляются достаточно легко, вследствие чего защищенность такой ЛВС низкая.

Характеристики топологий вычислительных сетей приведены в таблице.

Древовидная топология.

Образуется путем различных комбинаций рассмотренных выше топологий ЛВС. Основание дерева (корень) располагается в точке, в которой собираются коммуникационные линии (ветви дерева).

Сети с древовидной структурой применяются там, где невозможно непосредственное применение базовых сетевых структур. Для подключения рабочих станций применяют устройства, называемые концентраторами.

Существует две разновидности таких устройств. Устройства, к которым можно подключить максимум три станции, называют пассивными концентраторами. Для подключения большего количества устройств необходимы активные концентраторы с возможностью усиления сигнала.

Типы построения ЛВС по методам передачи информации.

Сеть Token Ring

Этот стандарт разработан фирмой IBM. В качестве передающей среды применяются неэкранированная или экранированная витая пара или оптоволокно. Скорость передачи данных от 4 Мбит/с до 16Мбит/с. В качестве метода управления доступом рабочих станций к передающей среде используется маркерное кольцо (Тоken Ring). Основные положения метода:

¨ кольцевая топология ЛВС;

¨ рабочая станция может передавать данные, только получив маркер, т.е. разрешение на передачу информации;

¨ в любой момент времени только одна станция в сети обладает таким правом.

В ЛВС Тоkеn Ring используются три основных типа пакетов:

¨ пакет управление/данные (Data/Соmmand Frame);

¨ маркер (Token);

¨ пакет сброса (Аbort).

Пакет Управление/Данные. С помощью такого пакета выполняется передача данных или команд управления работой сети. 

Маркер. Станция может начать передачу данных только после получения такого пакета. В кольце может быть только один маркер и, соответственно, только одна станция с правом передачи данных.

Пакет Сброса. Посылка такого пакета вызывает прекращение передачи информации.

Сеть Тоkеn Ring допускает подключение компьютеров по звездообразной топологии.

Локальная сеть Arknet.

Arknet (Attached Resource Computer NETWork) – простая, недорогая, надежная и гибкая архитектура ЛВС. Разработана корпорацией Datapoint в 1977 году. Впоследствии лицензию на Аrcnet приобрела корпорация SМС (Standard Microsistem Corporation), которая стала основным разработчиком и производителем оборудования для сетей Аrcnet. В качестве передающей среды используются витая пара, коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 93 Ом и оптоволоконный кабель. Скорость передачи данных составляет 2,5 Мбит/с. При подключении устройств в применяют топологии шина и звезда. Метод управления доступом станций к передающей среде – маркерная шина (Тоken Bus). Метод предусматривает следующие правила:

¨ устройства, подключенные к сети, могут передавать данные, только получив разрешение на передачу (маркер);

¨ в любой момент времени только одна станция в сети обладает таким правом;

¨ данные, передаваемые одной станцией, доступны всем станциям сети.

Принципы работы

Передача каждого байта в Аrcnet выполняется посылкой ISU(Information Symbol Unit – единица передачи информации), состоящей из трех служебных старт/стоповых битов и восьми битов данных. В начале каждого пакета передается начальный разделитель АВ (Аlегt Вurst), который состоит из шести служебных битов. Начальный разделитель выполняет функции преамбулы пакета.

В Аrcnet определены 5 типов пакетов:

1. Пакет IТТ (Information To Transmit) – приглашение к передаче. Эта посылка передает управление от одного узла сети другому. Станция, принявшая пакет ITT, получает право на передачу данных.

2. Пакет FBE (Free Buffeг Еnquiries) – запрос о готовности к приему данных. Этим пакетом проверяется готовность узла к приему данных.

3. Пакет данных. С помощью этой посылки производиться передача данных.

4. Пакет АСК (ACKnowledgments) – подтверждение приема. Подтверждение готовности к приему данных или подтверждение приема пакета данных без ошибок, т.е. ответ на FBE и пакет данных.

5. Пакет NAK ( Negative AcKnowledgments)  неготовность к приему. Неготовность узла к приему данных в ответ на FBE или принятие пакета с ошибкой.

Рекомендация для Вас - 4.9 Параметрические запросы.

Локальная сеть Ethernet

Спецификацию Ethernet в конце семидесятых годов предложила компания Xerox. Позднее к этому проекту присоединились компании Digital Equipment Corporation (DEC) и Intel. В 1982 году была опубликована спецификация на Ethernet версии 2.0. На базе Ethernet разработан стандарт IEEE 802.3.

Основные принципы работы

¨ шинная топология на логическом уровне;

¨ все устройства, подключенные к сети, равноправны, т.е. любая станция может начать передачу в любой момент времени( если передающая среда свободна);

¨ данные, передаваемые одной станцией, доступны всем станциям сети.