Стандартная топология и разделяемая среда

Базовые технологии локальных сетей

Локальные сети получили распространение при появлении мини-компьютеров, сравнительно низкая стоимость которых позволила многим предприятиям и организациям устанавливать в одном здании несколько таких компьютеров. Локальные сети объединяют компьютеры одного здания или нескольких рядом расположенных зданий в единую сеть, при этом технологии локальных сетей обеспечивают экономичное соединение компьютеров за счет использования стандартных топологий и качественных кабельных систем. В результате селекции, проведенной практикой, в арсенале разработчика осталось несколько базовых технологий, на основе которых работает подавляющее большинство локальных современных сетей: Ethernet, Token Ring, FDDI.

Общая характеристика протоколов локальных сетей

Стандартная топология и разделяемая среда

При организации взаимодействия узлов в локальных сетях основная роль отводится протоколу канального уровня. Однако для того, чтобы канальный уровень мог справиться с этой задачей, структура локальных сетей должна быть вполне определенной, так, например, наиболее популярный протокол канального уровня Ethernet рассчитан на параллельное подключение всех узлов сети к общей для них среде передачи данных — отрезку коаксиального кабеля или иерархической древовидной структуре сегментов, образованных повторителями. Протокол Token Ring также рассчитан на вполне определенную конфигурацию — соединение компьютеров в виде логического кольца.

Подобный подход, заключающийся в использовании простых типовых структур кабельных соединений между компьютерами локальной сети, соответствовал основной цели, которую ставили перед собой разработчики первых локальных сетей во второй половине 70-х годов. Эта цель заключалась в нахождении простого и дешевого решения для объединения в вычислительную сеть нескольких десятков компьютеров, находящихся в пределах одного здания. Решение должно было быть недорогим, поскольку в сеть объединялись недорогие компьютеры — появившиеся и быстро распространившиеся тогда мини-компьютеры стоимостью 10000-20000 долларов. Количество их в одной организации было небольшим, поэтому предел в несколько десятков (максимум — до сотни) компьютеров представлялся вполне достаточным для практически любой локальной сети.

Для упрощения и, соответственно, удешевления аппаратных и программных решений разработчики первых локальных сетей остановились на совместном использовании кабелей всеми компьютерами сети в режиме разделения времени. Наиболее явным образом режим совместного использования кабеля проявляется в сетях Ethernet шинной топологии, где коаксиальный кабель является физически неделимым, общим для всех узлов сети. В технологиях Token Ring и FDDI отрезки кабеля, соединяющие компьютеры в логическое кольцо, также образуют единую разделяемую среду, доступ к которой в каждый момент может получить только один компьютер сети. Использование разделяемых сред (shared media) позволяет упростить логику работы сети. Действительно, поскольку в каждый момент времени выполняется только одна передача, отпадает необходимость в буферизации кадров в транзитных узлах. В сетях других типов, где отрезки кабелей, соединяющих отдельные узлы, не рассматриваются как общий разделяемый во времени ресурс, такая необходимость возникает, и для решения этой проблемы в протоколы обмена информацией вводятся весьма сложные процедуры управления потоком кадров, предотвращающие переполнение каналов связи и буферов узлов сети.

Использование в локальных сетях очень простых конфигураций (звезда, общая шина и кольцо) наряду с положительными имело и отрицательные последствия, из которых наиболее неприятными были ограничения по производительности и надежности. Наличие только одного пути передачи информации, разделяемого всеми узлами сети, в принципе ограничивало пропускную способность сети пропускной способностью этого пути (которая делилась в среднем на число компьютеров сети), а надежность сети — надежностью этого пути. Поэтому по мере повышения популярности локальных сетей и расширения их сфер применения все больше стали применяться специальные коммуникационные устройства — мосты, коммутаторы и маршрутизаторы, — которые в значительной мере снимали ограничения единственной разделяемой среды передачи данных. Базовые конфигурации в форме звезды, общей шины и кольца превратились в элементарные структуры локальных сетей, которые стало возможным соединять друг с другом более сложным образом, образуя параллельные пути между узлами.

Тем не менее внутри крупных локальных сетей по-прежнему часто используются сегменты с разделяемой средой, в которых работают все те же протоколы разделяемых единственных сред передачи данных, которые были разработаны более 15 лет назад. Хорошие скоростные и надежностные характеристики кабелей локальных сетей все еще удовлетворяют пользователей небольших компьютерных сетей и позволяют им строить сети без больших затрат только с помощью сетевых адаптеров и кабеля или концентратора. В последние несколько лет наметилось движение к отказу от разделяемых сред передачи данных в локальных сетях и переходу к применению активных коммутаторов, к которым конечные узлы присоединяются индивидуальными линиями связи. Такой подход предлагается в технологии ATM (когда она используется в локальных сетях), а также в технологиях, носящих традиционные названия с приставкой switched (коммутируемый): switched Ethernet, switched Token Ring, switched FDDI. Применяется и смешанный подход, когда конечные узлы соединяются в небольшие разделяемые сегменты с помощью повторителей, а сегменты соединяются друг с другом с помощью индивидуальных коммутируемых связей.

Существует и достаточно заметная тенденция к использованию в традиционных технологиях так называемой микросегментации, когда конечные узлы сразу соединяются с коммутатором индивидуальными каналами. Такие сети получаются дороже разделяемых или смешанных, но производительность их выше.

При использовании коммутаторов у традиционных технологий появился новый режим работы — полнодуплексиый (full-duplex). В разделяемом сегменте станции всегда работают в полудуплексном режиме (half-duplex), так как в каждый момент времени сетевой адаптер станции либо передает свои данные, либо принимает чужие, но никогда не делает это одновременно. Это справедливо для всех технологий локальных сетей, так как разделяемые среды поддерживаются не только классическими технологиями локальных сетей Ethernet, Token Ring, FDDI, но и всеми новыми — Fast Ethernet, lOOVGAnyLAN, Gigabit Ethernet.

В полнодуплексном режиме сетевой адаптер может одновременно передавать свои данные в сеть и принимать из сети чужие данные. Такой режим несложно обеспечивается при прямом соединении с мостом/коммутатором или маршрутизатором, так как вход и выход каждого порта такого устройства работают независимо друг от друга, каждый со своим буфером кадров.

Сегодня каждая технология локальных сетей приспособлена для работы как в полудуплексном, так и полнодуплексном режимах. В этих режимах ограничения, накладываемые на общую длину сети, существенно отличаются, так что одна и та же технология может позволять строить существенно различные сети в зависимости от выбранного режима работы (который зависит от того, какие устройства используются для соединения узлов — повторители или коммутаторы). Например, технология Fast Ethernet позволяет для полудуплексного режима строить сети диаметром не более 200 м, а для полнодуплексного режима ограничений на диаметр сети не существует. Поэтому при сравнении различных технологий необходимо обязательно принимать во внимание возможность их работы в двух режимах.

Несмотря на появление новых технологий, классические протоколы локальных сетей Ethernet и Token Ring по прогнозам специалистов будут повсеместно использоваться еще по крайней мере лет 5-10, в связи с чем знание их деталей необходимо для успешного применения современной коммуникационной аппаратуры. Кроме того, некоторые современные высокопроизводительные технологии, такие как Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, в значительной степени сохраняют преемственность со своими предшественниками. Это еще раз подтверждает важность изучения классических протоколов локальных сетей.