Локальные вычислительные сети (ЛВС) начали использоваться с середины 70-х годов в результате падения цен на электронные компоненты, расширения возможностей терминальных устройств, появления интеллектуальных терминалов, а затем и персональных компьютеров. В результате количество различного оборудования, установленного в учреждениях, школах, университетах, заводах и т.п., возросло. Обладатели дешевых компьютеров начали поиски технически дешевых методов их соединения между собой. Это связано с применениями, требующими оперативного использования центрального банка данных (в сбербанках, бухгалтериях, учебных классах и т.п.), коллективным использованием дорогостоящей периферии, такой, как накопители большей емкости, высококачественная печать (лазерные принтеры) и многого другого.
Средства связи, применяемые в глобальных вычислительных сетях, нецелесообразно использовать в данном случае из-за высокой стоимости абонируемых каналов и низкой скорости передачи. В рамках стандартов эта скорость находится в пределах 110 – 9600 бод.
В то время, как глобальные сети могут быть общедоступными или частными, локальные сети, как правило, принадлежат той же организации, которая соединяет ими свое оборудование. Цель разработчиков ЛВС заключается в нахождении простого и дешевого решения для объединения в вычислительную сеть нескольких десятков компьютеров, находящихся в одном здании. Для упрощения, а соответственно удешевления аппаратных и программных средств разработчики первых локальных сетей остановились на совместном использовании для всех компьютеров единой разделяемой среды (Shared media), используемой компьютерами в режиме разделения времени (TDM – Time Division Multiplexing).
При использовании в локальных сетях очень простых конфигураций (общая шина, кольцо) наряду с положительными имели место и отрицательные последствия, из которых наиболее неприятными были ограничения по производительности и надежности. Наличие только одного пути передачи информации, разделяемого всеми узлами сети, ограничивало пропускную способность сети пропускной способностью этого пути (которая делится, в среднем, на число компьютеров в сети), а надежность сети – надежностью этого пути. Поэтому по мере роста популярности локальных сетей и расширения сферы их применения наметилось движение к отказу от разделяемых сред передачи данных в локальных сетях и переходу к применению активных коммутаторов, в которых конечные узлы присоединяются к индивидуальным линиям связи. В чистом виде такой подход предлагается в технологии АТМ, а в технологиях, носящих традиционные названия с приставкой Switched (коммутируемые), Switched Ethernet, Switched Token Ring обычно используется смешанный подход, сочетающий разделяемые и индивидуальные среды передачи данных. Чаще всего конечные узлы соединяются в небольшие разделяемые сегменты с помощью повторителей, а сегменты – друг с другом с помощью индивидуальных коммутируемых связей.
Таким образом, внутри базовых структур по-прежнему работают все те же протоколы разделяемых единственных сред передачи данных, которые были разработаны на начальном этапе появления ЛВС.
Изначально ЛВС имели следующие характерные особенности, отличающие их от ГВС:
работает только на ограниченной территории (как правило, это территория одного здания или рабочего участка, а ее протяженность от нескольких сотен метров до километра);
скорость передачи данных первоначально составляла
1 – 20 Мбит/с, в современных ЛВС она равна 100 – 200 Мбит/с, а в некоторых ЛВС доходит до 104 - 105 Мбит/с;
основной передающей средой на начальном этапе являлись витая пара и коаксиальный кабель, а в последнее время все большее распространение получает оптический кабель;
к основным топологиям, используемым в ЛВС (топология в контексте компьютерной сети означает способ соединения друг с другом оконечных систем или станций), относятся шина, кольцо и звезда, а также суперпозиция этих схем в виде дерева и т.п. (рис. 3.16);
а
б | в |
г
Рис. 3.16. Варианты топологии локальных вычислительных сетей
использование метода коммутации пакетов при полном отказе (в отличие от ГВС) от коммутации каналов;
оперативность выполнения запросов – время прохождения запросов в ЛВС гораздо меньше ГВС.
При всем различии ЛВС и ГВС по мере развития этих сильно отличающихся на начальном этапе сетевых технологий происходит явное их сближение, которое уже привело к значительному их взаимопроникновению.
Одним из проявлений этого сближения является появление сетей масштаба большого города (MAN), занимающих промежуточное положение между локальными и глобальными сетями и имеющих ряд характерных особенностей как тех, так и других.
Появление новых технологий, использование оптической (цифровой) немодулированной передачи данных по оптоволоконным линиям в ГВС значительно повысило их надежность, упростило техническую реализацию, избавило от сложных и избыточных процедур обеспечения корректности передачи и позволило обеспечить скорости передачи данных сравнимые и даже превышающие скорости современных ЛВС.
В то же самое время (как уже отмечалось) локальные сети перенимают у глобальных транспортные технологии. Все новые скоростные ЛВС поддерживают работу по индивидуальным линиям связи наряду с традиционными для ЛВС разделяемыми линиями.
В локальных сетях также большое внимание уделяется методам защиты информации от несанкционированного доступа. Такое внимание обусловлено тем, что ЛВС перестали быть изолированными, чаще всего они имеют выход в «большой мир» через глобальные связи.
И, наконец, появляются технологии, изначально предназначенные для обоих видов сетей. Наиболее ярким представителем нового поколения технологий является технология АТМ.
Процесс переноса служб и технологий из глобальных сетей в локальные приобрел такой массовый характер, что появился даже специальный термин intranet-технологии (intra – внутренний), обозначающий применение служб внешних (глобальных) сетей во внутренних (локальных).
Методы доступа в ЛВС.Методы доступа в ЛВС, входящие в состав протоколов канального уровня, определены рядом стандартов IEEE*. Наибольшее распространение получили ЛВС, использующие технологию Ethernet (802.3), реализованную в 1975 г. фирмой Xerox. Этот метод доступа опробован еще раньше в радиосети Алоха, о которой уже упоминалось ранее.
В зависимости от типа физической среды (и топологии) стандарт IEEE 802.3 имеет различные модификации: 10 Base-5 – «толстый коаксиал»; 10 BASE-2 – «тонкий коаксиал» с шинной топологией; 10 Base-T – неэкранированная витая пара; 10 Base-F – оптоволокно; 100 Base-T, F – витая пара, оптоволокно с топологией звезда.
При передаче двоичной информации по кабелю различных типов Ethernet обеспечивает пропускную способность 10 Мбит/с в полудуплексном режиме (за исключением 100 Base-T, F).
Принятый в 1995 г. стандарт Fast Ethernet обеспечивает скорость 100 Мбит/с, а принятый в 1998 г. стандарт Gigabit Ethernet предполагает скорости 1000 Мбит/с. Оба работают в дуплексном режиме.
В 2002 году принят стандарт, поддерживающий скорость передачи 10 Гбит/с (104 Мбит), а в 2009 году предполагается принятие стандарта 40 – 100 Гбит/с (ряд фирм уже в 2008 году начали выпуск оборудования для подобных сетей Ethernet).
Все виды стандартов Ethernet используют один и тот же метод доступа (разделение среды) CSMA/CD (Carrier Sense Multiply Access with Collision Detection) – случайный множественный доступ с контролем несущей и разрешением коллизий. Принцип доступа аналогичен сети Алоха: используется один канал (моноканал) для всех станций, хотя в Ethernet в качестве канала служит кабель, который может использоваться всеми в любой момент, когда это потребуется (случайным образом). Так, на рис. 3.17 три станции независимо, случайным образом обращаются к каналу. Но в отличие от простой сети Алоха станция, прежде чем занять канал для передачи своей информации, прослушивает его на предмет занятости. Таким образом, станция 2 занимает канал только после того, как станция 1 его освобождает. Однако при одновременном (или почти одновременном) обращении к каналу двух станций, когда сигнал не успевает распространиться по линии и станции не регистрируют занятости канала, возможно столкновение и искажение пакетов. В этом случае вступает в действие механизм разрешения столкновений (коллизий). Он обнаруживает столкновение и обрывает передачу. Это и представлено на рис. 3.17, где произошла коллизия между станциями 2 и 3. Обе станции ждут в течение короткого случайного интервала времени, а затем повторяют передачу. Этот метод доступа обеспечивает случайное временное уплотнение каналов и имеет очень высокую эффективность их использования.
Рис. 3.17. Метод доступа CSMA/CD
В зависимости от типа спецификации количество рабочих станций в сети лежит в диапазоне от 30 – 10 Base-2 (тонкий Ethernet) до 1024 – 10 Base-Т (неэкранированная витая пара), максимальное
расстояние между узлами сети 925 м (10 Base-5, 10 Base-F – толстый коаксиальный кабель или оптический кабель).
Широкое распространение получили также сети с маркерным методом доступа (Token Ring, ArcNet и FDDI). Принципиально они очень близки, так же как и в Ethernet они имеют общую, разделяемую среду передачи данных, замкнутую, как правило, в кольцо (за исключением Arc Net) и представляющую общий ресурс. Метод доступа к среде не является случайным (как Ethernet) и основан на передаче станциям права на использование среды передачи в определенном порядке. Это право передается с помощью кадра (импульса) специального формата, называемого маркером или токеном (token). Среди сетей с подобным методом доступа наиболее распространена разработанная в 1984 г. фирмой IBM технология Token Ring, на ее основе в 1985 г. был принят стандарт 802.5. Принцип работы Token Ring представлен на рис. 3.18.
Рис. 3.18. Принцип работы ЛВС Token Ring
Маркерное кольцо – распространенный вариант локальной сети. Доступом к сети управляет циркулирующая по кольцу последовательность бит, называемая маркером. Чтобы послать сообщение, станция должна сначала дождаться прихода маркера, удалить маркер из кольца, направить в кольцо пакет с адресом (или последовательность пакетов) и в конце снова направить в кольцо маркер. Станции могут удалять адресованные им пакеты, сохраняя в кольце маркер. Показано, как станция А посылает сообщение станции С, которая получает его, а затем посылает сообщение станциям А и D.
В этих сетях скорость передачи достигает 16 Мбит/с, максимальное количество станций – 96, максимальная длина – 120 м.
С середины 90-х годов начался интенсивный переход от ЛВС начального уровня со скоростями 10 – 20 Мбит/с к ЛВС со скоростями 100 Мбит/с и выше. Структура стандартов IEEE 802.x представлена на рис. 3.19.
Рис. 3.19. Структура стандартов IEEE 802.x
Первая высокоскоростная сеть на оптическом кабеле FDDI (Fiber Distributed Data Interface) была разработана в 1988 г. Это кольцевая сеть (двойное кольцо) протяженностью 100 км с маркерным методом доступа со скоростью до 100 Мбит/с. По своим размерам такие сети выходят за рамки общепринятых ЛВС, приближаясь к ГВС. На начальном этапе эта сеть не имела широкого распространения ввиду высокой стоимости сетевого оборудования, однако с появлением варианта этой сети на витой паре (CDDI), а также отработкой технологии оптических интерфейсов она активно внедряется.
Начиная с середины 90-х годов начался массовый переход традиционных ЛВС на скорости 100 Мбит/с. Это уже упоминавшийся стандарт Fast Ethernet, который по многим параметрам протоколов и технических средств совместим с начальным Ethernet, что облегчает переход к новой сети при сохранении ряда старых компонентов. Конкуренцию этой сети составляет технология 100 VG-AnyLAN, которая обеспечивает скорость 100 Мбит/с и поддерживает оба, самых распространенных на сегодняшний день протокола – Ethernet и Token Ring.
Тем не менее, большая часть локальных сетей поддерживает протокол Ethernet, который к 2008 году, как уже упоминалось
Рис. 3.20. Варианты для физических носителей для Gigabit Ethernet.
ранее, достиг скорости передачи 40 – 100 Гбит/с. Зависимость максимальной длины Gigabit Ethernet от типа передающей среды представлена на рис. 3.20.
Обсуждая производительность ЛВС необходимо хотя бы кратко упомянуть о технологии Fibre Channel (FC), которая изначально использовалась, в основном для подключения высокоскоростной периферии к болим компьютерам и передает данные по волоконнооптическому и медному кабелю с максимальными (по сравнению с обычными ЛВС) скоростями. Так в 90-х годах, когда максимальная скорость Ethernet (Fast Ethernet) была 100 Мбит/с, скорость канала FC доходила до 3 Гбит/с.
Одним из главных преимуществ FC является то, что он предоставляет ряд вариантов среды и скорости передачи, а так же топологии сети. В табл. 3.2 приведены доступные комбинации физического носителя и скорости передачи данных для сетей FC (данные на 2000 год).
Таблица 3.2
Максимальная длина физических носителей в сети Fibre Channel.
Структура технических средств ЛВС.1. Передающая среда, используемая в ЛВС, представлена тремя типами: витая пара, коаксиальный кабель и оптический кабель.
Витая пара – наиболее распространенный и дешевый вариант канала, традиционно используемый в телефонии. Этот вид каналов в наименьшей степени защищен от помех и возможностей несанкционированного доступа. Существует пять категорий кабеля на основе витой пары, различающихся по электротехническим и высокочастотным характеристикам. Так, витая пара пятой категории используется в высокоскоростных ЛВС. Данные кабели могут быть экранированными и неэкранированными. Стоимость высококачественного кабеля на основе витой пары достаточно высока.
Коаксиальный кабель используется, как правило, в сетях Ethernet, имеет лучшие высокочастотные характеристики и помехозащищенность по сравнению с витой парой, однако переход на быстрые протоколы Ethernet связан с переходом его на витую пару или оптический кабель.
Оптический кабель сравнительно новая и наиболее перспективная передающая среда, значительно превосходящая по своим коммуникационным свойствам, рассмотренным выше, другие передающие среды. В то же самое время она имеет достаточно сложную структуру и требует более детального описания.
Волоконно-оптические коммуникации были практически созданы в середине 60-х годов прошлого столетия на базе двух ключевых компонентов: создания твердотельных источников излучения света и получения чистого стекла. Эти работы были основаны на более ранних экспериментах, открывших принцип световода. В основе его – свойство неограниченного распространения света в воде и других средах.
Развитие этой технологии идет по пути создания более мощных источников излучения и уменьшения примесей в стекле (современное оптическое волокно в десять тысяч раз прозрачнее оконного стекла).
Другим фактором, повлиявшим на эволюцию волоконно-оптической линии связи (ВОЛС), стала разработка производительных приемников, принимающих световой сигнал в большом динамическом диапазоне.
ВОЛС осуществляется посредством трех главных компонентов: оптического кабеля, оптического трансивера (передатчика) и приемника оптического излучения. Сначала электрические сигналы поступают на вход трансивера, который преобразует их в световые импульсы и направляет в волокно. Импульсы света принимаются на другом конце приемником и вновь преобразуются в электрический сигнал. Чем чаще передаются импульсы, тем больше пропускная способность канала.
Оптическое волокно состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления n1 и n2. Сердцевина имеет больший показатель преломления. Таким образом, световой сигнал благодаря внутреннему преломлению или отражению не покидает оптически более плотной среды (рис. 3.21). По диаметру сердцевины волокно подразделяется на одно- и многомодовое.
Рис. 3.21. Распространение света в волокне
В одномодовом волокне диаметр световодной жилы порядка 8 – 10 мкм, т.е. сравним с длиной световой волны. При такой геометрии в волокне может распространяться только один луч (одна мода). В многомодовом волокне размер световодной жилы порядка 50 – 60 мкм, что делает возможным распространение большого количества лучей (много мод). Многомодовое волокно, в свою очередь, подразделяется на градиентное, имеющее градиентный профиль показателя преломления световой области с максимумом на оси и ступенчатое, имеющее постоянный показатель преломления сердцевины (табл. 3.3).
Имеются две основные характеристики оптоволокна, определяющие максимальное расстояние между станциями это:
затухание определяется потерями на поглощение и на рассеяние излучения в оптическом волокне. Затухание связано с длиной волны излучения, вводимого в волокно. Потери на поглощение зависят от чистоты материала, потери на рассеяние определяются неоднородностями показателя преломления материала;
дисперсия характеризует зависимость скорости распространения сигнала от длины волны вводимого излучения. Поскольку источники света (светодиоды или лазеры) излучают некоторый спектр длин волн, дисперсия приводит к уширению импульсов при распространении по волокну и, тем самым, порождает искажение сигналов.
Таблица 3.3
Основные характеристики волокна
Характеристика | Многомодовое | Одномодовое | |
Профиль показателя преломления | Ступенчатый | Градиентный | Ступенчатый |
Длина волны излучения, мкм | 0,85 1,3 | 0,85 1,3 | 1,3 1,55 |
Диаметр сердцевины, мкм | 50 – 1000 | 50 – 60 | 4 – 10 |
Диаметр оболочки, мкм | 125 – 1050 | 124 – 140 | 75 – 125 |
Композиционный состав серцевина/оболочка | Стекло/Стекло, стекло/пластик, пластик/пластик | Стекло/Стекло | Стекло/Стекло |
Полоса пропускания, МГц × км | 2000 и выше |
Одномодовое волокно обладает самыми лучшими характеристиками по полосе пропускания и затуханию. Однако чтобы реализовать преимущества одномодового волокна, необходимо использовать дорогостоящие источники излучения и другое вспомогательное оборудование. Само одномодовое волокно также существенно дороже многомодового[††].
Многомодовое волокно более удобно при монтаже, на него рассчитаны доступные и дешевые излучатели, но оно обладает гораздо большим затуханием и меньшей полосой пропускания. В связи с этим многомодовое волокно вполне приемлемо для локальных сетей связи, но недостаточно для магистральных линий.
Оптические передатчики подразделяются на светоизлучающие диоды и лазеры. Первые сравнительно дешевые, имеют большой срок службы и применяются в многомодовых линиях связи ввиду невысокой мощности излучения света и слабой фокусировки. Вторые лишены последних недостатков и используются в одномодовых линиях связи, однако их стоимость существенно выше.
В состав приемного устройства ВОЛС входят фотоприемник и электрическая цепь.
Среди основных преимуществ ВОЛС необходимо отметить следующие:
широкая полоса пропускания, которая для многомодового волокна более чем на порядок превышает полосу пропускания витой пары, а для одномодового это превышение более чем на два порядка;
большие расстояния между станциями, так для одномодового волокна расстояние между станциями составляет 50 – 60 км;
высокая помехозащищенность – его нечувствительность к электрическим помехам, возможность прокладки линий вблизи мощных и высоковольтных электрофизических устройств;
гальваническая развязка элементов сети, т.е. волокно обладает изолирующим свойством, отсутствует потребность в заземлении;
взрыво- и пожаробезопасность – отсутствие искрообразования, позволяет использовать его на химических и нефтеперерабатывающих предприятиях при обслуживании технологических процессов повышенного риска.
Истинные возможности оптического волокна проявляются в том случае, если по одному волокну передается множество лучей с разными частотами. Это является одной из разновидностей частотного мультиплексирования (Frequency-Division Multiplexing, FDM), обычно, однако, используется термин спектральное уплотнение, или мультиплексирование по длинам волн (Wavelength-Division Multiplexing, WDM). В таком случае свет, распространяющийся по оптоволокну, состоит из лучей различных цветов, или длин волн, каждый луч передает данные отдельного канала. В 1997 году специалисты Bell Laboratories продемонстрировали систему со спектральным уплотнением, работающую с сотней лучей, каждый из которых поддерживал скорость передачи данных 10 Гбит/с. Общая пропускная способность этой линии составляет 1 триллион битов в секунду (1 Тбит/с). В настоящее время доступны коммерческие системы с 80 каналами с пропускной способностью 10 Гбит/с.
2. Компьютеры, включенные в сеть, различаются по своему функциональному назначению:
рабочие станции – индивидуальные компьютеры пользователей;
серверы – компьютеры коллективного использования различного функционального назначения.
Ресурсы серверов доступны рабочим станциям и разделяются между ними. Наиболее распространенными ресурсами являются дисковые файлы, базы данных, прикладные программы, устройства печати и т.п.
3. Сетевые контроллеры (адаптеры) выполняют функции аппаратуры канала данных (АКД): обеспечение интерфейсных функций, буферизацию, формирование пакетов, параллельно-последовательные преобразования, кодирование/декодирование, доступ к кабелю и т.п.
4. В средства объединения сетей входят:
повторители (Repeater) – используются для физического соединения различных сегментов кабеля локальной сети с целью увеличения общей длины сети;
концентраторы (Hub) – применяются для объединения отдельных сегментов сетей в единую разделяемую среду;
коммутаторы (Switch) – могут применяться вместо концентратора для повышения производительности сетей (например, в Ethernet), переключая сообщение на нужный сегмент;
мосты (Bridge) – предназначаются для объединения или разъединения (c целью уменьшения трафика) сетей, имеющих одинаковые протоколы верхнего уровня (аппаратно независимые), а также для объединения сетей с различной передающей средой;
маршрутизаторы (Router) – служат для определения оптимального маршрута сообщений между различными узлами сети и сетевыми сегментами;
шлюзы (Gateways) – обеспечивают работу сетей с различными протоколами верхнего уровня.
Возможны устройства, совмещающие несколько функций, например гибридные маршрутизаторы (brouter) – гибрид моста и обычного маршрутизатора.
Тип ЛВС определяется, главным образом, методами доступа (или протоколами нижнего уровня). На среднем уровне выбор протокола зависит в основном от применяемой операционной системы. Так, в сетях, работающих с ОС UNIX, используется рассмотренный ранее TCP/IP. В популярной, сравнительно недавно, сетевой ОС Novell Net Ware применяются протоколы IPX/SPX, a в NETBIOS, как правило, – сетевые операционные системы фирмы Microsoft.
IPX (Internetwork Packet Exchange) – протокол межсетевой передачи пакетов, соответствует транспортному уровню OSI.
SPX (Sequenced Packet Exchange) – протокол последовательного обмена пакетами, соответствует сетевому и сеансовому уровню OSI.
NETBIOS (Network Basic Input/Output System) – протокол сетевой базовой системы ввода-вывода, разработанный фирмой IBM, выполняет функции сетевого, транспортного и сеансового уровня OSI.
В заключение следует отметить, что «жизнь» вычислительных сетей очень динамична, а их классификация неоднозначна. Изначальные представления, что глобальные сети медленные и используют традиционные телекоммуникации (средства связи, а локальные значительно быстрее, используя выделенные линии и единую среду передачи данных изменились. Об этом свидетельствует появление высокоскоростных глобальных сетей с включением выделенных каналов, а с другой стороны значительное усложнение локальных сетей с использованием характерных протоколов глобальных сетей и разработка новых технологий изначально предназначенных для обоих видов сетей. К таким технологиям относится прежде всего АТМ, которая может служить основой не только локальных и глобальных компьютерных сетей, но и телефонных сетей, а так же широковещательных видеосетей, объединяя все виды трафика в одной транспортной сети.
Кроме того, появились так называемые региональные сети, занимающие нишу между глобальными и локальными. В основном, рынок региональных сетей состоит из клиентов, которым необходима высокоскоростная передача данных на средние расстояния. Региональная сеть должна предоставлять требуемую пропускную способность с меньшими издержками и большей эффективностью, чем местная телефонная компания, используя метод коллективного использования высокоскоростного физического носителя, применяемого в локальных сетях.
И, наконец, очень специфическую, но типичную локальную сеть представляют суперкомпьютеры, о которых говорилось ранее и использующих быстрые коммуникационные каналы, традиционные для ЛВС.
Ориентировочные характеристики рассмотренных выше (традиционных) вычислительных сетей представлены на рис. 3.22.
Рис. 3.22. Сравнение мультиплексорных систем, а также локальных,
Региональных и глобальных сетей.
Особое место среди вычислительных сетей занимают так называемые беспроводные сети, которые будут рассмотрены в дальнейшем.