Стандартні технології локальних мереж

1. Загальна характеристика протоколів локальних мереж

Мережева архітектура – це комбінація стандартів, топологій та протоколів, необхідних для створення працездатної мережі.

При організації взаємодії вузлів у локальних мережах основна роль приділяється протоколу канального рівня. Однак для того, щоб канальний рівень міг справитися з цією задачею, структура локальних мереж повинна бути визначеною.

Недоліком застосування в локальних мережах дуже простих конфігурацій (загальна шина і кільце) є обмеження по продуктивності і надійності мережі. Тому з підвищенням популярності локальних мереж і розширення їхніх сфер застосування усе більше стали застосовуватися спеціальні комунікаційні пристрої – мости і маршрутизатори, – які значною мірою знімали обмеження єдиного роздільного середовища передачі даних. Базові конфігурації у формі загальної шини і кільця перетворилися в елементарні структури локальних мереж, які стало можливим з'єднувати один з одним більш складним чином, утворити рівнобіжні основні чи резервні шляхи між вузлами.

Проте усередині базових структур як і раніше працюють все ті ж протоколи роздільних середовищ передачі даних, що були розроблені більше 15 років тому. Це зв'язано з тим, що гарні швидкісні і надійні характеристики кабелів локальних мереж задовольняли протягом усього цього періоду років користувачів невеликих комп'ютерних мереж, що могли побудувати мережу без великих витрат тільки за допомогою мережних адаптерів і кабелю. У межах невеликих сегментів використовуються старі протоколи в їхньому незмінному вигляді, а об'єднання таких сегментів у загальну мережу відбувається за допомогою додаткового і досить складного устаткування.

Використання роздільного середовища (shared media) дозволяє спростити логіку роботи мережі. Наприклад, відпадає необхідність контролю переповнення вузлів мережі кадрами від багатьох станцій, що вирішили одночасно обмінятися інформацією. У глобальних мережах відрізки кабелів не розглядаються як загальний і для розв'язання цієї проблеми в протоколи обміну інформацією вводяться дуже складні процедури керування потоком кадрів, що запобігають переповнення каналів зв'язку і вузлів мережі.

В останні роки стали відмовлятися від поділу середовищ передачі даних у локальних мережах і переходу до застосування активних комутаторів, до яких кінцеві вузли приєднуються індивідуальними лініями зв'язку. Такий підхід пропонується в технології ATM (Asynchronous Transfer Mode), а в технологіях, що носять традиційні назви з приставкою switched (комутовані): switched Ethernet, switched Token Ring, switched FDDI.

Існує і досить помітна тенденція до використання в традиційних технологіях так названої мікросегментації, коли навіть кінцеві вузли відразу з'єднуються з комутатором індивідуальними каналами. Такі мережі виходять дорожчими за роздільні чи змішані, але їх продуктивність вища.

При використанні комутаторів у традиційних технологій з'явився новий режим роботи –  дуплексний (full-duplex). У повнодуплексному режимі мережевий адаптер може одночасно передавати та приймати дані. Такий режим можна забезпечити при прямому з'єднанні з мостом, комутатором чи маршрутизатором, тому що вхід і вихід кожного порту такого пристрою працюють незалежно один від одного.

Незважаючи на появу нових технологій, класичні протоколи локальних мереж Ethernet і Token Ring за прогнозами фахівців будуть широко використовуватися ще принаймні років 5-10, у зв'язку з чим знання їх особливостей необхідно для успішного застосування сучасних комунікаційних технологій. Крім того, деякі сучасні високопродуктивні технології, такі як Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, у значній мірі схожі зі своїми попередниками. 

2. Структура стандартів IEEE 802.x

У 1980 роки в інституті IEEE був організований комітет 802 по стандартизації локальних мереж, в результаті роботи якого було прийняте сімейство стандартів IEEE 802.X, які містять рекомендації з проектування нижніх рівнів локальних мереж. Пізніше результати роботи цього комітету лягли в основу комплексу міжнародних стандартів ISO 8802-1...5. Ці стандарти були створені на основі дуже розповсюджених стандартів мереж Ethernet, ArcNet і Token Ring.

Крім IEEE у роботі зі стандартизації протоколів локальних мереж брали участь і інші організації. Так, для мереж, що працюють на оптичному волокні, американським інститутом з стандартизації ANSI був розроблений стандарт FDDI, що забезпечує швидкість передачі даних 100 Мб/с. Роботи зі стандартизації протоколів ведуться також асоціацією ЕСМА, якою прийняті стандарти ЕСМА-80, 81, 82 для локальних мереж типу Ethernet.

Стандарти сімейства IEEE 802.X охоплюють тільки два нижніх рівні семирівневої моделі OSI – фізичний і канальний. Це зв'язано з тим, що саме ці рівні найповніше відображають специфіку локальних мереж. Канальний рівень поділяється в локальних мережах на два підрівня:

• логічної передачі даних (Logical Link Control, LLC);

• керування доступом до середовища (Media Access Control, MAC).

Рівень MAC забезпечує коректне спільне використання загального середовища, надаючи його відповідно до визначеного алгоритму в розпорядження того чи іншого комп’ютера мережі. Після того як доступ до середовища отриманий, загальне середовище може використовувати вищій рівень – рівень LLC, який організує передачу логічних одиниць даних, кадрів інформації.

Рівень LLC відповідає за передачу кадрів даних між вузлами з різним ступенем надійності, а також реалізує функції інтерфейсу з сусідніми рівнями. На рівні LLC існує кілька режимів роботи, що відрізняються наявністю чи відсутністю на цьому рівні процедур відновлення кадрів у випадку їхньої втрати чи перекручування.

Стандарт 802 містить ряд специфікацій:

• 802.1 – Internetworking - об'єднання мереж;

• 802.2 – Logical Link Control, LLC – керування логічною передачею даних;

• 802.3 – Ethernet з методом доступу CSMA/CD;

• 802.4 – Token Bus LAN – локальні мережі з методом доступу Token Bus;

• 802.5 – Token Ring LAN – локальні мережі з методом доступу Token Ring;

• 802.6 – Metropolitan Area Network, MAN – мережі;

• 802.7 – Broadband Technical Advisory Group – технічна консультаційна група по широкополосній передачі;

• 802.8 – Fiber Optic Technical Advisory Group – технічна консультаційна група по волоконно-оптичних мережах;

• 802.9 – Integrated Voice and data Networks – інтегровані мережі передачі голосу і даних;

• 802.10 – Network Security – мережева безпека;

• 802.11 – Wireless Networks – бездротові мережі;

• 802.12 – Demand Priority Access LAN, l00VG-AnyLAN – локальні мережі з методом доступу за вимогою з пріоритетами.

Стандарти підкомітету 802.1 носять загальний для всіх технологій характер і постійно поповнюються. Такі стандарти визначають поняття локальних мереж і їх властивості, стандарти міжмережевої взаємодії,  логіку роботи моста/комутатора та стандартизацію порівняно нової технології віртуальних локальних мереж VLAN.

Підкомітет 802.2 розробив і підтримує стандарт LLC. Стандарти 802.3, 802.4, 802.5 описують технології локальних мереж, які лягли в основу Ethernet, ArcNet, Token Ring.

Більш пізні стандарти розроблялися не однією компанією, а групою компаній, а потім передавалися у відповідний підкомітет IEEE 802 для затвердження. 

3. Технологія Ethernet (802.3)

Ethernet – це найпоширеніший на сьогоднішній день стандарт локальних мереж. Загальна кількість мереж, які працюють за протоколом Ethernet у даний час, оцінюється у 5 мільйонів, а кількість комп'ютерів з встановленими мережними адаптерами Ethernet – у 50 мільйонів.

У більш вузькому розумінні Ethernet – це мережевий стандарт, заснований на експериментальній мережі Ethernet Network, який фірма Xerox розробила і реалізувала в 1975 році. Метод доступу був розроблений у другій половині 60-х років у Гавайському університеті. У 1980 році фірми DEC, Intel і Xerox спільно розробили й опублікували стандарт Ethernet версії ІІ для мережі, побудованої на основі коаксіального кабелю, який став останньою версією стандарту Ethernet.

У широкому розумінні Ethernet – це ціле сімейство технологій, що включає різні фірмові і стандартні варіанти, з яких найбільш відомі фірмовий варіант Ethernet DIX, 10-мегабітний варіант стандарту IEEE 802.3, а також нові високошвидкісної технології Fast Ethernet і Gigabit Ethernet. У вузькому розумінні Ethernet – це 10-мегабітна технологія, описана в стандарті ІEEE 802.3.

Всі види стандартів Ethernet (у тому числі Fast Ethernet і Gigabit Ethernet) використовують метод поділу середовища передачі даних – метод CSMA/CD, який ще називається методом колективного доступу з визначенням несучої і виявленням колізій.

Важливим явищем у мережах Ethernet є колізія – ситуація, коли дві станції одночасно намагаються передати кадр даних по загальному середовищу. Наявність колізій – це невід'ємна властивість мереж Ethernet, що є наслідком випадкового методу доступу.

На характеристики продуктивності мережі впливає коефіцієнт використання мережі, що відбиває її завантаженість. При значеннях цього коефіцієнта понад 50 % корисна пропускна здатність мережі різко падає: через зростання інтенсивності колізій, а також збільшення часу очікування доступу до середовища.

В залежності від типу фізичного середовища стандарт IEEE 802.3 має різні модифікації - l0Base-5, l0Base-2, l0Base-T, l0Base-FL, l0Base-FB.

Фізичні специфікації технології Ethernet на сьогоднішній день включають наступні середовища передачі даних.

• l0Base-5 – коаксіальний кабель діаметром 0,5 дюйма, максимальна довжина сегмента – 500 метрів (без повторювачів).

• l0Base-2 – коаксіальний кабель діаметром 0,25 дюйма, максимальна довжина сегмента – 185 метрів (без повторювачів).

• l0Base-T – кабель на основі неекранованої кручений пари, що утворитює зіркоподібну топологію на основі концентратора. Відстань між концентратором і кінцевим вузлом – не більше 100 м.

• l0Base-F – волоконно-оптичний кабель. Топологія аналогічна топології стандарту l0Base-T. Мається кілька варіантів цієї специфікації – FOIRL (відстань до 1000 м), l0Base-FL (відстань до 2000 м), l0Base-FB (відстань до 2000 м).

Число 10 у зазначених вище назвах позначає бітову швидкість передачі даних цих стандартів – 10 Мбіт/с, а слово Base – метод передачі на одній базової частоти 10 МГц. Останній символ у назві стандарту фізичного рівня позначає тип кабелю.

Для кожної специфікації визначаються тип кабелю, максимальні довжини неперервних відрізків кабелю, а також правила використання повторювачів для збільшення діаметра мережі: правило "5-4-3" для коаксіальних варіантів мереж, і правило "4-х хабів" для крученої пари та оптоволокна.

Мережа Ethernet має наступні характеристики:

• традиційна топологія – лінійна шина;

• інші топології – зірка-шина;

• метод доступу – CSMA/CD;

• кабельна система – товстий і тонкий коаксіальний, UTP;

• швидкість передачі даних – 10 і 100 Мбіт/с;

• тип передачі – вузькосмугова;

• специфікації – IEEE 802.3.

У 1995 році був прийнятий стандарт Fast Ethernet, який багато в чому не є самостійним стандартом. Його опис є додатковим розділом до основного стандарту 802.3 – розділом 802.3і. Аналогічно, прийнятий у 1998 році стандарт Gigabit Ethernet описаний у розділі 802.3z основного документу.

4. Технологія Token Ring (802.5)

Мережі Token Ring, так само як і мережі Ethernet, характеризує роздільне середовище передачі даних, що у даному випадку складається з відрізків кабелю, що з'єднують усі станції мережі у кільце.

Кільце розглядається як загальний роздільний ресурс, і для доступу до нього потрібно не випадковий алгоритм, як у мережах Ethernet, а детермінований, заснований на передачі станціям права на використання кільця у визначеному порядку. Це право передається за допомогою кадру спеціального формату, який називається маркером чи токеном (token).

Технологія Token Ring була розроблена компанією IBM у 1984 році, а потім передана як проект стандарту в комітет IEEE 802, який на її основі прийняв у 1985 році стандарт 802.5. Компанія IBM використовує технологію Token Ring у якості своєї основної мережевої технології для побудови локальних мереж.

Мережі Token Ring працюють із двома бітовими швидкостями – 4 і 16 Мбіт/с. Змішання станцій, що працюють на різних швидкостях, в одному кільці не допускається.

Технологія Token Ring є більш складною технологією, ніж Ethernet. Вона має властивості відмовостійкості. У мережі Token Ring визначені процедури контролю роботи мережі, що використовують зворотний зв'язок кільцеподібної структури – посланий кадр завжди повертається до відправника. У деяких випадках виявлені помилки в роботі мережі усуваються автоматично, наприклад може бути відновлений загублений маркер. В інших випадках помилки тільки фіксуються, а їхнє усунення виконується вручну.

Для контролю мережі одна зі станцій виконує роль так названого активного монітора. Активний монітор вибирається під час ініціалізації кільця як станція з максимальним значенням Мас-адреси. Якщо активний монітор виходить з ладу, процедура ініціалізації кільця повторюється і вибирається новий активний монітор.

Стандарт Token Ring фірми IBM передбачає побудову зв'язків у мережі за допомогою концентраторів, тобто пристроями багатостанційного доступу (рис. 1). Концентратор може бути активним чи пасивним. Пасивний концентратор з'єднує порти внутрішніми зв'язками за топологією «кільце». Активний концентратор виконує функції регенерації сигналів і тому іноді називається повторювачем.

У мережах Token Ring використовується маркерний метод доступу, який гарантує для кожної станції одержання доступу до кільця протягом часу обороту маркера. Через цю властивість цей метод іноді називають детермінованим. Метод доступу заснований на пріоритетах: від 0 (нижчий) до 7 (вищий). Станція сама визначає пріоритет поточного кадру і може захопити кільце тільки в тому випадку, коли в кільці немає більш пріоритетних кадрів.

Мережі Token Ring працюють на двох швидкостях: 4 і 16 Мбіт/с і можуть використовувати як фізичне середовище екрановану кручену пару, неекрановану кручену пару, а також волоконно-оптичний кабель. Максимальна кількість станцій у кільці – 260, а максимальна довжина кільця – 4 км. Обмеження на максимальну довжину кільця і кількість станцій у кільці в технології Token Ring пов'язані з часом оберту маркера по кільцю.

Мережа Token - Ring має наступні характеристики:

• топологія – зірка-кільце;

• метод доступу – з передачею маркера;

• кабельна система – екранована і неекранована вита пара;

• швидкість передачі даних – 4 і 16 Мбіт/с;

• тип передачі – вузькосмугова;

• специфікація – 802.5. 

5. Технологія FDDI

Технологія FDDI (Fiber Distributed Data Interface) – це перша технологія локальних мереж, в якій середовищем передачі даних є волоконно-оптичний кабель, що забезпечує передачу даних зі швидкістю 100 Мбіт/с по подвійному волоконно-оптичному кільцю довжиною до 100 км.

Технологія FDDI багато в чому грунтується на технології Token Ring, розвиваючи й удосконалюючи її основні ідеї:

• підвищити бітову швидкість передачі даних до 100 Мбіт/с;

• підвищити відмовостійкість мережі за рахунок стандартних процедур відновлення після відмов різного роду (ушкодження кабелю, некоректної  роботи вузла, концентратора, виникнення перешкод і т.п.);

• максимально ефективно використовувати потенційну пропускну здатність мережі як для асинхронного, так і для синхронного трафіку.

Мережа FDDI будується на основі двох оптоволоконних кілець, що утворюють основний і резервний шляхи передачі даних між вузлами мережі. Наявність двох кілець – це основний спосіб підвищення відмовостійкості в мережі FDDI і комп’ютери повинні бути підключені до обох кілець.

У нормальному режимі роботи мережі дані проходять через всі вузли і всі ділянки кабелю тільки первинного кільця, вторинне кільце в цьому режимі не використовується. У випадку пошкоджень первинного кільця,  первинне кільце поєднується з вторинним (рис.2), утворюючи єдине кільце. Цей режим роботи мережі називається Wrap, тобто "згортання" кілець. Операція згортання здійснюється засобами концентраторів чи мережних адаптерів. Для спрощення цієї процедури дані по первинному кільцю завжди передаються в одному напрямку, а по вторинному – у зворотному. Тому при утворенні загального кільця з двох кілець передавачі станцій як і раніше залишаються підключеними до приймачів сусідніх станцій, що дозволяє правильно передавати і приймати інформацію.

У стандартах FDDI багато уваги приділяється різним процедурам, що дозволяють визначити наявність відмов у мережі, а потім зробити необхідну реконфігурацію. Мережа FDDI може відновлювати свою працездатність у випадку одиничних відмов її елементів. При множинних відмовах мережа розпадається на декілька не зв'язаних між собою мереж.

Кільця в мережах FDDI розглядаються як загальне роздільне середовище передачі даних, тому для нього визначений спеціальний метод доступу. Цей метод схожий на метод доступу мереж Token Ring і також називається методом маркерного кільця. Відмінність методу доступу полягає у тому, що час утримання маркера в мережі FDDI не є постійною величиною, як у мережі Token Ring. Цей час залежить від завантаження кільця – при невеликому завантаженні воно збільшується, а при великих перевантаженнях може зменшуватися до нуля.

Відмінною рисою технології FDDI є рівень керування станцією – Station Management (SMT). Саме рівень SMT виконує всі функції по керуванню і моніторингу всіх рівнів стека протоколів FDDI. У керуванні кільцем бере участь кожен вузол мережі FDDI, обмінюючись спеціальними кадрами SMT для керування мережею.

Максимальна загальна довжина кільця FDDI складає 100 кілометрів, максимальне число станцій з подвійним підключенням у кільці – 500.

Технологія FDDI розроблялася для застосування на відповідальних ділянках мереж – у магістральних з'єднаннях між великими мережами, наприклад мережами будинків, а також для підключення до мережі високопродуктивних серверів. Тому головним для розробників було забезпечити високу швидкість передачі даних, відмовостійкість на рівні протоколу і великі відстані між вузлами мережі. У результаті технологія FDDI вийшла якісною, але дуже дорогою. 

6. Fast Ethernet і 100VG-AnyLAN як розвиток технології Ethernet

Класичний 10-мегабітний Ethernet влаштовував більшість користувачів протягом 15 років. Однак на початку 90-х років почала відчуватися його недостатня пропускна здатність. В результаті було розроблено дві нові технології – Fast Ethernet і l00VG-AnyLAN. Вони відрізняються ступенем наступності з класичним Ethernet.

Технологія 100VG-AnyLAN відрізняється від класичного Ethernet у значно більшому ступені, ніж Fast Ethernet. Головні відмінності:

• використовується інший метод доступу Demand Priority, що забезпечує більш справедливий розподіл пропускної здатності мережі в порівнянні з методом CSMA/CD;

• кадри передаються не всім станціям мережі, а тільки станції призначення;

• у мережі є виділений арбітр доступу – концентратор, і це помітно відрізняє дану технологію від інших, у яких застосовується розподілений між станціями мережі алгоритм доступу;

• дані передаються одночасно по 4 парам кабелю UTP. По кожній парі дані передаються зі швидкістю 25 Мбіт/с, що в сумі дає 100 Мбіт/с. На відміну від Fast Ethernet у мережах 100VG-AnyLAN немає колізій, тому вдалося використовувати для передачі всі чотири пари стандартного кабелю.

Важлива особливість технології l00VG-AnyLAN – збереження форматів кадрів Ethernet і Token Ring. Цей підхід полегшує міжмережеву взаємодію.

Максимальний діаметр мережі Fast Ethernet дорівнює приблизно 200 м, а більш точні значення залежать від специфікації фізичного середовища.

Технологія Fast Ethernet при роботі на витій парі дозволяє вибирати найбільш ефективний режим роботи – зі швидкістю 10 Мбіт/с чи 100 Мбіт/с, а також напівдуплексний чи повнодуплексний режим. 

7. Високошвидкісна технологія Gigabit Ethernet

Влітку 1996 року було оголошено про створення групи 802.3z для розробки протоколу, максимально подібного Ethernet. Основна ідея розробників стандарту Gigabit Ethernet складається в максимальному збереженні ідей класичної технології Ethernet при досягненні бітової швидкості в 1000 Мбіт/с.

При невеликому коефіцієнті завантаження магістралі 1000 Мбіт/с черги в комутаторах Gigabit Ethernet будуть невеликими, а час буферизації і комутації на такій швидкості складає одиниці і навіть частки мікросекунд. Якщо все-таки магістраль буде завантажена на достатню величину, то пріоритет чуттєвому до затримок чи вимогливому до середньої швидкості трафіку можна надати за допомогою техніки пріоритетів у комутаторах.

Загальне в технології Gigabit Ethernet у порівнянні з технологіями Ethernet і Fast Ethernet:

• зберігаються усі формати кадрів Ethernet;

• існування напівдуплексної версії протоколу, що підтримує метод доступу CSMA/CD, і повнодуплексної версії, що працює з комутаторами.

• підтримуються всі основні види кабелів, що використовуються в Ethernet і Fast Ethernet: волоконно-оптичний, вита пара категорії 5, коаксіальний кабель.

Розробникам технології Gigabit Ethernet для збереження наведених вище властивостей довелося внести зміни не тільки у фізичний рівень, як це було у випадку Fast Ethernet, але й у рівень MAC.

Питання для перевірки:

1. Охарактеризуйте типовий склад апаратного забезпечення локальної мережі.

2. Назвіть переваги об’єднання комп’ютерів у локальну мережу.

3. Опишіть завдання, які вирішують локальні мережі.

4. Охарактеризуйте технологію Ethernet.

5. Які різновиди технології Ethernet ви знаєте?

6. Якими критеріями характеризується технологія Fast Ethernet?

7. Назвіть основні відмінності технологій Ethernet та Fast Ethernet.

8. Опишіть принцип функціонування технології Gigabit Ethernet.

9. З якою швидкістю передаються дані при використанні технологій Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet?

10. В чому складається подібність і розходження технологій FDDI і Token Ring?

11. До яких наслідків може привести дворазовий обрив кабелю в кільці FDDI?

1. Микитишин А.Г. Комп’ютерні мережі [Навчальний посібник] / А.Г. Микитишин, М.М. Митник, П.Д. Стухляк, В.В. Пасічник – Львів.: «Магнолія 2006», 2013. – 256 с. (електронний варіант, формат pdf)

2. Городецька О.С. Комп’ютерні мережі: навчальний посібник / О.С. Городецька, В.А. Гикавий, О.В. Онищук. – Вінниця : ВНПУ, 2017. – 129 с.

3. Азаров О.Д. Комп’ютерні мережі [Навчальний посібник] / О.Д. Азаров, С.М. Захарченко, О.В. Кадук, М.М. Орлова –Вінниця: ВНТУ, 2013. – 371 с.

4. Міхунін С.В. Комп’ютерні мережі. Загальні принципи функціонування комп’ютерних мереж [Навчальний посібник] / С.В. Міхунін, С.В. Кавун, С.В. Знахур – Харків: Вид. ХНЕУ, 2008. –  210 с.