Компьютерные сети и сетевые технологии

Расчет волновых сопротивлений кабелей и учет выражения (2) определяет в стандарте Ethernet максимальную длину сегмента (максимально возможное расстояние между компьютерами в сети), а также количество компьютеров в сегменте. Сегментом сети называется обособленная (физически или логически) группа компьютеров. В таблице 1 параметры сети Ethernet для основных используемых кабелей.

Таблица 1

В том случае, если сеть состоит из большого числа сегментов, они объединяются между собой с помощью специальных устройств, называемых концентраторами. Концентратор имеет несколько входов (портов), к которым подключаются компьютеры или другие концентраторы, и один выход.

2. Методика расчета конфигурации сети Ethernet

При конфигурировании сети Ethernet между конечными компьютерами разрешается использовать не более 4 концентраторов, 5 отрезков кабелей и 3- х нагруженных сегментов. Нагруженным сегментом называется концентратор с подключенными к нему компьютерами. Не нагруженным сегментом называется концентратор только с подключенными к нему другими концентраторами.

Это правило носит название «правило 5-4-3».

Важным показателем работоспособности сети является коэффициент загрузки сегмента сети S:

(5)

где P -- количество компьютеров в сегменте сети

mi -- количество кадров в секунду, отправляемых в сеть i-м узлом;

f -- максимально возможная пропускная способность сегмента, равная, как было указано выше 14880 кадр/с.

Имитационное моделирование сети Ethernet и исследование её работы с помощью анализаторов протоколов показали, что при коэффициенте загрузки S>0,5 начинается быстрый рост числа коллизий и, соответственно, увеличивается время ожидания доступа к сети.

Рекомендуемая величина коэффициента загрузки S для сети, использующих стандарт Ethernet, должна быть:

S0,3 (6)

Экспериментальные данные показали, что каждый из компьютеров передаёт в сеть в среднем от 500 до 1000 кадров в секунду. Таким образом, коэффициент загрузки сегмента равен:

(7)

После расчета коэффициент загрузки сети Ethernet рассчитываются значения PDV, удовлетворяющего условию:

PDV 575 (8)

а также сокращения межкадрового интервала PVV (Path Variability Value):

PVV 49 (9)

Указанные значения являются экспериментальными и получены для различных физических сред стандарта Ethernet.

Общее значение PDV равно сумме всех значений PDVi на каждом участке, а значение PDVi равно сумме задержек, вносимой i- базой сегмента и задержкой, вносимой кабелем:

Аналогичным образом сокращение межкадрового интервала равно:

PVV = PVVi (12)

причем в расчет не включается правый сегмент. В таблице 2 приведены значения затуханий, для расчета PDV вносимые элементами сети в битовых интервалах bt. Интервалы bt приведены в таблице уже умноженные на 2, т.к. высчитывается двойное время оборота сигнала (по определению PDV)

Таблица 2

В таблице 3 приведены значения затуханий, для расчета PDV

Таблица 3

В таблицах используются понятия левый сегмент, правый сегмент и промежуточный сегмент. Кроме затуханий, вносимых физическими линиями связи, подключенные к концентраторам , сегменты вносят собственные задержки, называемые базами.

Пример:

Рассчитаем сеть, представленную на рис. 3. Передающий компьютер находится в левом сегменте. Сигнал проходит через промежуточные сегменты и доходит до принимающего компьютера, который находится в правом сегменте. Количество компьютеров в каждом сегменте обеспечивает коэффициент загрузки S< 0,3.

Пусть физические среды и расстояние между концентраторами следующие

Решение

1) Проверка выполнения «правила 4-5 -3»

Сеть содержит 4 концентратора, 5 отрезков кабелей и 3 нагруженных сегмента (концентраторы 1,2,4). «Правило 4-5-3» выполняется

a) Расчет PDV

- левый сегмент PDV1 = 15,3 + 90 х 0,113 = 25,47

- промежуточный сегмент 1-2 PDV2 = 46,5 + 130 х 0,1026 = 59,84

- промежуточный сегмент 2-3 PDV3 = 33,5 + 1000 х 0,1= 133,50

- промежуточный сегмент 3-4 PDV4 = 46,5 + 200 х 0,0866 = 63,82

- правый сегмент PDV5 = 165 + 100 х 0,113 = 176,30

Таким образом, PDV сети равно:

Значение рассчитанного PDV меньше допустимой величины. Это значит, что сеть является работоспособной по критерию времени двойного оборота сигнала.

б) расчет PVV

- левый сегмент PVV1 = 10,5

- промежуточный сегмент 1-2 PVV2 = 11

- промежуточный сегмент 2-3 PVV3 = 8

- промежуточный сегмент 3-4 PVV4 = 11

PVV = 10,5 + 11 + 8 + 11 = 40,5 < 49

Значение рассчитанного PVV меньше допустимой величины. Это значит, что сеть является работоспособной также и по критерию сокращение межкадрового интервала.

Отметим, что в случае не выполнения условий (8) , (9) необходимо менять конфигурацию сети или уменьшать длины соединительных кабелей и их типы.

При использовании в сети вместо концентраторов специальных устройств коммутаторов общие PDV и PVV сети не суммируется по всем участкам (из- за того, что коммутаторы физически разделяют сеть), а условия (8), (9) проверяется по каждому участку.

Лекция 4. Базовые технологии канального уровня (ч. 2)

1. Технология Fast Ethernet

Классический, т.е. 10 - мегабитный Ethernet в начале 90 -х годов перестал удовлетворять пользователей по своей пропускной способности. Особенно остро эта проблема встала перед сетевым сообществом, когда клиентские приложения стали требовать скоростей недоступных для сетевых адаптеров базовой технологии Ethernet.

Пользователи с большим энтузиазмом восприняли сообщения, появившиеся в 1992 году о начале работ по разработке высокоскоростного Ethernet'а, обещавшие им продление жизни привычной и недорогой технологии. Однако вскоре сетевой мир разделился на два соперничающих лагеря, что и привело в конце концов к появлению двух различных технологий - Fas tEthernet и100G-AnyLAN. Сторонники первого подхода считали, что новая технология должна в максимальной степени быть похожа во всем на Ethernet - за исключением только битовой скорости передачи данных.

Сторонники второго подхода призывали воспользоваться удобным случаем для устранения недостатков, связанных со слишком "случайным" механизмом предоставления доступа к разделяемой среде CSMA/CD, используемым в Ethernet

В 1995 году комитет IEEE принял спецификацию Fast Ethernet в качестве нового стандарта. Сетевой мир получил технологию, с одной стороны решающую самую болезненную проблему - нехватку пропускной способности на канальном уровне сети, а с другой стороны очень легко внедряющуюся в существующие сети Ethernet, которые и сегодня дают миру около 80% всех сетевых соединений.

У технологии Fast Ethernet формат кадра остался прежним при этом, однако, длина битового интервала уменьшилась в десять раз и стала равной bt= 0,01 мкс. В результате все временные параметры, определенные для технологии Ethernet, уменьшились в десять раз, а пропускная способность соответственно увеличилась также в десять раз и стала равной 100 Мбит/ с. Учитывая, что на пропускную способность сети влияют длины физических линий связи, то отличия FastEthernet от Ethernet сосредоточены в основном на физическом уровне. Для обеспечения требуемой пропускной способности рекомендуется в основном использовать неэкранированную витую пару и волоконно- оптический кабель.

При создании сегментов FastEthernet максимальный диаметр сети колеблется от 136 до 205 метров, а количество концентраторов в сегменте ограничено одним или двумя, в зависимости от типа концентратора. При использовании двух концентраторов расстояние между ними не может превышать 5 - 10 метров.

Наличие многих общих черт у технологий Fast Ethernet и Ethernet дает простую общую рекомендацию использования новой технологии: Fast Ethernet следует применять в тех организациях и в тех частях сетей, где до этого широко применялся 10 Мегабитный Ethernet, но сегодняшние условия или же ближайшие перспективы требуют в этих частях сетей более высокой пропускной способности. При этом сохраняется весь опыт обслуживающего персонала, привыкшего к особенностям и типичным неисправностям сетей Ethernet.

Основная область использования Fast Ethernet - это настольные компьютеры, сети рабочих групп и отделов, где компьютерам требуется пропускная способность выше 10 Мбит/c. Такими компьютерами чаще всего являются файловые серверы, но и современные клиентские компьютеры требуют такую же скорость.

2. Высокоскоростная технология Gigabit Ethernet

Основная идея разработчиков стандарта GigabitEthernet состоит в максимальном сохранении идей классической технологии Ethernet при достижении битовой скорости в 1000 Мб/с. В 1999 году спецификация Gigabit Ethernet была принята комитетом IEEE.

В связи с ограничениями, накладываемыми методом CSMA/CD на длину кабеля, версия Gigabit Ethernet для разделяемой среды допускала бы длину сегмента всего в 25 метров. Так как существует большое количество применений, когда нужно повысить диаметр сегмента хотя бы до 100 метров, то сейчас разработчиками предпринимаются усилия по увеличению длины сегмента с одновременным сохранением высокой скорости передачи. Все усилия в основном сосредоточены на разработке высококачественных линий связи.

В общем случае рассмотренные выше технологии Ethernet позволяют организовать сеть с иерархией скоростей: персональные компьютеры подключаются к коммутаторам сегментов со скоростью 10 Мбит/с, эти коммутаторы связываются с центральными коммутаторами по технологии Fast Ethernet, а те в свою очередь связываются между собой по Gigabit Ethernet.

3. Технология 100VG-AnyLAN

В качестве альтернативы технологии Fast Ethernet фирмы AT&T и HP выдвинули проект новой недорогой технологии со скоростью передачи данных 100 Мб/с - 100Base-VG (VoiceGrade - технология, способная работать на кабеле, предназначенном первоначально для передачи голоса).

В 1995 года технология 100VG-AnyLAN получила статус стандарта IEEE. В технологии 100VG-AnyLAN определен новый метод доступа Demand Priority с двумя уровнями приоритетов - для обычных приложений и для мультимедийных

Метод доступа Demand Priority основан на передаче концентратору функций арбитра, решающего проблему доступа к разделяемой среде. Концентратор отличается от обычных повторителей за счет того, что он опрашивает адреса присоединенных к нему узлов и поэтому не передает принятый от узла кадр на все порты, а только на тот, на который нужно (Рис. 1). Концентратор узнает порт станции назначения с помощью специальной таблице адресов, которая создается во время подключения концентратора. Среда по-прежнему разделяемая, так как концентратор за один цикл опроса портов принимает в свой буфер только один кадр, не запоминая все предыдущие. Некоторые этапы работы с приема и передачи кадров совмещаются во времени, и за счет этого ускоряется передача кадров. Метод Demand Priority повышает коэффициент использования пропускной способности сети - до 95% по утверждению компании Hewlett-Packard.

Отсутствие требования распознавания коллизий позволяет без проблем строить протяженные сегменты сети без коммутаторов, только на концентраторах - до 2-х километров между узлами на оптоволокне и до 100 метров на витой паре.

Общий диаметр сети, построенной на концентраторах, может составлять при использовании оптоволокна до 5000 м.

Технология 100VG-AnyLAN имеет меньшую популярность среди производителей коммуникационного оборудования, чем конкурирующее предложение - технология Fast Ethernet. Компании, которые не поддерживают технологию 100VG-AnyLAN, объясняют это тем, что для большинства сегодняшних приложений и сетей достаточно возможностей технологии Fast Ethernet, которая не так заметно отличается от привычной большинству пользователей технологии Ethernet.

4. Технология Token Ring

Сети Token Ring представляют собой отрезки кабелей, соединяющие все компьютеры в кольцо. Кольцо рассматривается как общий разделяемый ресурс и для доступа к нему требуется не случайный алгоритм, как в сетях Ethernet, а детерминированный, основанный на передаче компьютерам права на использование кольца в определенном порядке. Это право передается с помощью кадра специального формата, называемого маркером или токеном.. Технология Token Ring была разработана компанией IBM в 1984 год. Сети Token Ring работают на скоростях 4 Мбит/с и 16 Мбит/с и смешение разных скоростей в одном кольце не допускается.

Технология Token Ring является более сложной технологией чем Ethernet.

Для обеспечения доступа к физической среде по кольцу циркулирует кадр специального формата и назначения - маркер. Компьютеры в кольце непосредственно получают данные только от одного компьютера, от того который является предыдущим в кольце. Такой компьютер называется ближайшим активным соседом, расположенным выше по потоку. Передачу данных компьютер всегда осуществляет своему ближайшему соседу вниз по потоку данных. Получив маркер, компьютер анализирует его и при отсутствии данных на передачу обеспечивает его продвижение к следующему компьютеру. Компьютер, который имеет данные для передачи, при получении маркера изымает его из кольца, что дает ему право доступа к физической среде и передачи своих данных. За время удержания маркера (10 мс), м этот компьютер выдает в кольцо кадр данных установленного формата последовательно по битам. Переданные данные проходят по кольцу всегда в одном направлении от одного компьютера к другому. Кадр снабжен адресом назначения и адресом источника. Все компьютеры транслируют кадр, если кадр проходит через компьютер, то распознав свой адрес, компьютер копирует данные в свой буфер и вставляет в кадр признак подтверждения приема. Компьютер, выдавший кадр данных в кольцо, при обратном его получении с подтверждением приема изымает этот кадр из кольца и передает в сеть новый маркер для обеспечения возможности другим компьютерам сети передавать данные (Рис 2). Для скорости 4 Мбит/с максимальный размер кадра составляет 5000 байт, а для 16 Мбит/с - 20 000 байт. В ка честве физической среды используется экранированная витая пара, неэкранированная витая пара, а также оптоволоконный кабель. Максимальное количество компьютеров в сети равно 260, а максимальная длина кабеля - 4 км. Максимальное расстояние между станциями 100 м.

Недавно компания IBM предложила новый вариант технологии Token Ring, названный High- Speed Token Ring. Эта технология поддерживает битовые скорости 100 и 155 Мбит/с, сохраняя особенности технологии Token Ring 16 Мбит/с.

5. Технология FDDI

Технология FDDI (Fiber Distributed Data Interface) - оптоволоконный стандарт распределенных данных - это первая технология локальных сетей, в которой средой передачи данных является волоконно- оптический кабель.

Стандарт FDDI был выпущен ANSI (American National Standards Institute) в 1984 году. В этот период быстродействующие рабочие места пользователей начинали требовать максимального напряжения возможностей существующих локальных сетей (в основном это были Ethernet и Token Ring). Возникла необходимость в новой технологии, которая могла бы легко поддерживать эти рабочие места и их новые прикладные задачи. Одновременно все большее значение уделяется проблеме надежности сети.

После завершения работы над FDDI, ANSI представила его на рассмотрение в ISO. ISO разработала международный вариант FDDI, который полностью совместим с вариантом стандарта, разработанным ANSI.

Хотя FDDI работает на более высоких скоростях, она во многом похожа на технологию Token Ring, т.к. использует такую же технику доступа к носителю информации (передача маркера).

В отличие от Token Ring технология FDDI строится на основе двух оптоволоконных кольцах, которые образуют основной и резервный путь передачи данных между компьютерами сети. Наличие двух колец - это основной путь повышения отказоустойчивости FDDI. В случае обрыва первичное кольцо объединяется со вторым, т.е. происходит реконфигурация кольца (Рис 3).

Технология FDDI позволяет обеспечить: максимальное количество подключенных компьютеров - 500, максимальный диаметр двойного кольца - 100 км, максимальные расстояния между компьютерами - 2 км.

На базе рассмотренных технологи и устройств канального и физического уровня модели OSI можно построить различные локальные сети. На рис 4. показан пример распределенной магистрали, которая построена на основе двойного кольца FDDI для здания, к которому подключены коммутаторы этажей. Скорость распределенной магистрали существенно ниже скорости на внутренней магистрали коммутатора.

Лекция 5. Сетевые устройства физического и канального уровня

1. Линии связи

Линия связи представляет собой физическую среду передачи данных, по которой предаются информационные сигналы. Линия связи иногда называется также каналом связи.

Физическая среда в общем случае представляет собой кабель.

Коаксиальный кабель состоит из внутренней медной жилы и оплетки, отделенной от жилы слоем изоляции.

В настоящее время широкое распространение при создании локальных сетей получила так называемая витая пара, представляющая собой скрученную пару проводов в экранированном и неэкранированном исполнении.

Волоконно- оптический кабель состоит из тонких (5- 60 микрон) волокон, по которым распространяются световые сигналы. Это наиболее качественный и дорогой тип кабеля. Волоконно- оптический кабель обеспечивает передачу данных с очень высокой скоростью (до 10 Гбит/с и выше) и к тому же лучше других типов передающей среды обеспечивает защиту данных от внешних помех.

В последнее время для передачи данных через компьютерную сети все чаще стали использоваться радиоканалы каналы наземной и спутниковой связи.

Следует отметить, что в компьютерных сетях применяются практически все описанные типы физических сред передачи данных. Выбор той или иной линии связи определяется ее техническими возможностями, в первую очередь скоростью передачи и помехозащищенностью, а также ее стоимостью.

2. Соединительная аппаратура

Соединительная аппаратура обеспечивает возможность подключения различных сетевых устройств к линиям связи.

Наиболее распространенной соединительной аппаратурой являются коннекторы, представляющие собой разъемные и / или неразъемные соединители, прикрепляемые к кабелям.

К соединительной аппаратуре относятся также различные кабельные адаптеры и разветвители, позволяющие стыковать разные типы кабелей и согласовать их сопротивления.

Кроссовые шкафы и панели представляют собой совокупность разъемов, посредством соединения которых линии связи коммутируются между собой.

Для усиления сигнала в линиях связи используются различные усилители, в задачу которых входит компенсировать затухание сигнала путем его усиления.

Сетевые адаптеры представляют собой отдельные платы и служат для соединения компьютера с кабельной системой. В общем случае они представляют собой сложную систему со встроенным процессором и собственной памятью. Для функционирования адаптеров необходимы особые программы, называемые драйверами. Сетевые адаптеры вместе с драйверами реализуют технологии физического и канального уровня (Ethernet, Token Ring, FDDI). Наиболее популярными сетевыми адаптерами технологии Ethernet, например, являются сетевые адаптеры фирмы 3Сом.

3. Структурированная кабельная система

Структурированная кабельная система - это набор кабелей, разъемов, коннекторов, кроссовых панелей и шкафов. Как правило при построении сетей каждое рабочее место на предприятии должно быть оснащено розетками для подключения телефона и компьютера, даже если в этот момент этого не требуется. Хорошая структурированная кабельная система строится как избыточная система. В будущем это может сэкономить средства, так как производить перекоммутацию всегда дешевле, чем прокладывать новые кабеля. Структурированная кабельная система строится иерархически, с главной магистралью и многочисленными ответвлениями. (Рис.1). Система может быть построена на базе уже существующих телефонных сетей. В структурированную кабельную систему предприятия входят:

Подсистема кампуса (территориально расположенные здания)

Вертикальная подсистема (внутри здания)

Горизонтальная подсистема (в пределах этажа)

Горизонтальная подсистема соединяет кроссовый шкаф этажа с розетками пользователей

Вертикальная подсистема соединяет кроссовые шкафы каждого этажа с центральной аппаратной здания

Подсистема кампуса соединяет между собой несколько зданий

Преимущества иерархической системы:

Универсальность. Структурированная кабельная система может стать единой средой для передачи компьютерных данных в локальной компьютерной сети, для телефонной сети и даже для передачи сигналов гражданской обороны и пожарной сигнализации

Увеличения срока службы. Срок морального старения хорошо структурированной кабельной системы может составлять 10- 15 лет

Уменьшение стоимости. Если однократно провести работы по прокладке кабелей с запасом, то при добавлении новых пользователей и изменения их мест расположения стоимость будет ниже, чем снова прокладывать новые кабеля.

Возможность легкого расширения. Система является модульной, можно подключить новую подсеть, не оказывая никакого влияния на существующие подсети. Структурированная кабельная система является основой для деления сети на легко управляемые логические сегменты, так как она уже разделена на физические сегменты.

Обеспечение более эффективного обслуживания. Облегчен поиск неисправностей. Отказ одного сегмента не действует на другой сегмент.

Надежность. Производитель гарантирует не только качество отдельных компонентов, но их совместимость.

Для построения структурированной кабельной системы необходимо выбрать соответствующий кабель. Для горизонтальной подсистемы, которая характеризуется большим количеством ответвлений, необходимо использовать большое количество отрезков кабелей. Витая пара для этой подсистемы является предпочтительной средой, хотя может быть использован и дорогостоящий оптоволоконный кабель. Стоимость волокнно- оптического кабеля является самой высокой и складывается из стоимости самого волокна и стоимости сетевых адаптеров (несколько тысяч долларов) Коаксиальный кабель является устаревшей технологией, которой следует избегать, если она уже широко не используется на предприятии. Перспективной является в настоящее время беспроводная технология, но из-за низкой помехоустойчивости (радиоканал) масштабы ее применения ограничены. Кабель вертикальной подсистемы, которая соединяет этажи здания, должен передавать данные на большие расстояния и с большей скоростью по сравнению с кабелем горизонтальной подсистемы. В настоящее время используются три варианта: волоконно- оптический кабель, толстый коаксиальный кабель, широкополосный телевизионный кабель. Наиболее предпочтительным является волоконно- оптический, хотя он более дорогой и менее прочный. Для подсистеме кампуса следует выбирать волоконно-оптический кабель в специальной влагозащитной оболочке.

4. Концентраторы

Концентраторы во всех современных технологиях имеет несколько равноправных названий- концентратор, хаб (hub), повторитель. Основное назначение концентратора - это объединять между собой физические сегменты сетей в единую разделяемую среду, доступ к которой осуществляется в соответствии с одной из технологий Ethernet, Token Ring, FDDI. Причем для каждой технологии фирмы выпускают соответствующие концентраторы. Необходимость подключения концентраторов возникает всегда там, где необходимо подключить большое количество компьютеров к общей шине (магистрали), например, объединить компьютеры одного этажа и этажи между собой. Концентраторы имеют несколько входов (портов) для подключения компьютеров, их количество для технологии Ethernet от 8 до 72. Схема подключения концентраторов представлена на рис 2.

Современные концентраторы могут анализировать повреждение кабельной системы, защищать сеть от несанкционированного доступа и т.д. Основным недостатком концентраторов является то, что они не «изолируют» сегменты друг от друга и не препятствуют распространению коллизий в технологии Ethernet, о которой шла речь в предыдущих лекциях. Другими словами, при подключении концентраторов общая длительность кабелей для равна сумме всех отрезков кабелей от компьютеров до концентраторов, а также отрезков между концентраторами. Эта длина должна соответствовать стандартам технологий Ethernet, Token Ring, FDDI, что является препятствием для создания компьютерных сетей только на базе концентраторов. Проблему соединения сегментов сетей и предотвращения распространения коллизий в настоящее время решают устройства мосты и коммутаторы.

5. Мосты

Мостом (bridge) называется устройство, которое служит для логической структуризации сетей. Под логической структуризацией сети понимается разбиение большой сети на логические сегменты, в которых содержится меньшее количество узлов. Сеть, разделенная на логические сегменты, обладает большей производительностью и надежностью. Экспериментально установлено, что существует определенный порог для количества компьютеров, подключенных к разделяемой среде, после которого начинает падать пропускная способность сети. В общем случае для технологии Ethernet рекомендуется, чтобы количество компьютеров в одном сегменте не превышало 30. Таким образом, большую сеть целесообразно разбивать на отдельные сегменты, а затем объединять их с помощью такими устройствами, как мосты и коммутаторы. Мост по своим функциональным возможностям является более совершенным устройством, чем концентратор. Мост принимает кадр из одного сегмента сети, запоминает его в своей буферной памяти, анализирует адрес назначения кадра. Если кадр принадлежит сегменту сети, из которого он получен, то мост не реагирует на этот кадр. Если кадр содержит адрес компьютера, принадлежащего другому сегменту, то мост осуществляет пересылку на свой порт, к которому подключен требуемый сегмент. . Мост содержит свою адресную таблицу, в которой содержаться адреса источников кадров. В отличие от концентраторов мост передает кадры не сразу по- битно, а с буферизацией (запоминанием). Буферизация разрывает единую разделяемую среду и тем самым позволяет предотвращать коллизии. Таким образом, использование мостов позволяет вести расчет сети по каждому из сегментов, не суммируя общее затухание.

К недостаткам мостов относится ситуация, когда передача кадра происходит сразу на все порты моста, т.е. возникает так называемый широковещательный шторм.

Следует отметить, что в настоящее время мосты практически не производятся, а им на смену пришли более совершенные устройства - коммутаторы.

6. Коммутаторы

Технология соединения сегментов сети с помощью коммутаторов (switch) появилась в 1990 году для решения проблемы повышения пропускной способности сети. В отличие от моста коммутатор обрабатывает кадры параллельно. Структурная схема коммутатора показана на рис 3. Компьютеры подключаются к соответствующим портам коммутатора, каждым из которых управляет отдельный процессор. Работу всех процессоров координирует системный модуль. Для передачи кадров между портами внутри коммутатора находится специальная коммутационная матрица, работающая по принципу коммутации каналов. Например, для 16 портов матрица может обеспечить 16 внутренних каналов. При поступлении кадра информации от компьютера на какой- либо порт коммутатора соответствующий процессор анализирует адрес назначения кадра. Процессор просматривает свою собственную память (адресную таблицу) и если не находит там указанный адрес, то управление переходит к системному модулю. Системный модуль производит просмотр адресов всех процессоров и в случае нахождения нужного адреса указывает его процессору. Тот записывает адрес в свою таблицу и по этому адресу передает кадр на соответствующий порт. Если адрес не находится, то кадр уничтожается. Если адресуемый порт занят, то кадр сохраняется во входном порту до момента освобождения адресуемого порта. Задержка от момента появления кадра на входном порту до момента его появления на выходе составляет несколько микросекунд. Поскольку несколько портов могут работать параллельно, то сеть, построенная на коммутаторах, имеет хорошую пропускную способность. Производительность самого коммутатора в этом случае равна сумме производительностей его отдельных портов. Использование коммутаторов позволяет избежать проблем коллизий в сети Ethernet, так как наличие портов и буферизация данных не позволяет распространяться коллизии по всей сети. В этом случае длина сети не равна сумме длин отдельных сегментов.

Удобство использования коммутаторов заключается также в том, что это самообучающееся устройство и следует только правильно подключить его к сети. Коммутаторы значительно дороже концентраторов (стоимость одного составляет нескольких тысяч долларов). На современном рынке широко представлены коммутаторы фирм 3Com, Cisco, Intel,HP.

При построении небольших сетей, составляющий нижний иерархический уровень (например, на этаже) приходится выбирать между концентратором и коммутатором. В этом случае необходимо учитывать несколько факторов. Важное значение имеет стоимость, величина трафика между отдельными сегментами сети, скорости работы протоколов. В настоящее время скорости выбираются из трех скоростей- 10, 100 или 1000 Мбит/с. Поэтому порты как концентратора, так и коммутатора должны обеспечить указанные скорости В настоящее время выпускаются коммутаторы, у которых порты имеют разную скорость, как правило один из портов является более скоростным и может быть использован для подключения сервера.

При всем разнообразии структурных схем сетей, построенных на коммутаторах все они используют две базовые структуры- стянутую в точку магистраль и распределенную магистраль.

Стянутая в точку магистраль - это структура, при которой объединение компьютеров, сегментов или сетей происходит на внутренней магистрали коммутатора. Преимущество такой структуры является высокая производительность магистрали, так как скорость передачи информации по такой магистрали составляет несколько гигабит в секунду. Преимущество такой структуры заключается также в том, что по внутренней магистрали могут передаваться данные различных протоколов, например, Ethernet, FDDI.

Распределенная магистраль - это разделяемый сегмент сети, поддерживающий определенный протокол, к которому подсоединяются коммутаторы других сегментов.

Лекция 6. Сетевой уровень модели OSI

1. Основные функции сетевого уровня

Рассмотренные в предыдущих лекциях технологии и оборудование физического и канального уровня модели OSI позволяют обеспечить обмен информацией между компьютерами только в пределах одной локальной сети. Канальный уровень, однако, не в состоянии осуществить обмен информацией между компьютерами в сложной компьютерной сети, состоящей из нескольких отдельных сетей. Эту задачу решает сетевой уровень.

Сетевой уровень в модели OSI занимает промежуточное положение: его услугами пользуются более высокие уровни (транспортный, сеансовый, представительный, прикладной), а для выполнения своих функций он использует канальный уровень.

На сетевом уровне реализуется ключевое понятие объединения сетей, т.е понятие абстрактной коммутационной системы или межсетевого обмена.

На сетевом уровне информация передаются отдельными блоками, которые называются пакеты.

Идея передавать информацию между отдельными сетями не целыми файлами, а маленькими пакетами стала основной идеей объединения сетей, а в конечном итоге привела к бурному развитию глобальной компьютерной сети Интернет.

Пакетный обмен информацией на сетевом уровне имеет два главных преимущества:

· независимость процессов передачи данных сетевым уровнем от прикладных программ. Компьютеры сетевого уровня «не знают», какому приложению принадлежит данный пакет, их задача состоит в передаче пакета в нужном направлении. Это ускоряет процессы обработки пакетов и делает систему передачи информации более гибкой.

· каждый из пакетов имеет заголовок, обязательно содержащий адрес назначения. Заголовок пакета сетевого уровня имеет унифицированный формат, не зависящий от форматов кадров канального уровня отдельных подсетей, входящих в общую сеть. Этот заголовок позволяет находить адресата в сети с любой топологией.

Пакеты сетевого уровня упаковываются в кадры канального уровня и передаются по подсети в соответствии с правилами реализованной в этой подсети технологии (Ethernet, FDDI и т.д.)

В общем случае сетевой уровень модели OSI решает следующие задачи:

· переадресация информации между конечными узлами в составных сетях путем выбор маршрута передачи пакетов

· согласование разных протоколов канального уровня, использующихся в отдельных подсетях составной сети

Следует иметь четкое представление, что реальное продвижение пакетов осуществляется только на канальном и физическом уровне модели OSI, т.к. только там существуют электрические или оптические сигналы. Без «упаковки» пакетов в кадры соответствующих канальных технологий сам сетевой уровень передать информацию не в состоянии. Это наглядно представлено на Рис.1