Проектирование ЛВС

Следующим по популярности после csma/cd является маркерный доступ (Token Ring, Arcnet и FDDI), который более гибок и  обеспечивает приоритетную иерархию обслуживания. Массовому его внедрению препятствует сложность и дороговизна. Хотя региональные сети имеют самую разнообразную топологию, практически всегда они строятся на связях точка-точка.

Существует целое семейство  методов доступа, исключающих столкновение: это мультиплексирование по времени (TDM), по частоте (FDM) или длине волны (WDMA - Wavelength Division Multiple Access). Здесь каждому клиенту выделяется определенный временной домен или частотный диапазон. Когда наступает его временной интервал и клиент имеет кадр (или бит), предназначенный для отправки, он делает это. При этом каждый клиент ждет в среднем N/2 временных интервалов (предполагается, что работает N клиентов). При FDM передача не требует ожидания, так как каждому из участников выделяется определенный частотный диапазон, которым он может пользоваться когда угодно по своему усмотрению. Методы доступа TDM и FDM могут совмещаться. Но в обоих случаях временные интервалы или частотные диапазоны используются клиентом по мере необходимости и могут заметное время быть не заняты (простаивать). Следует также учесть, что если мы хотим обеспечить двухсторонний обмен при фиксированном частотном диапазоне, максимально возможное число участников следует уменьшить вдвое. Такие протоколы доступа часто используются в мобильной связи. Схема работы алгоритма WDMA показана на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Пояснение работы алгоритма доступа WDMA

На рисунке 1.4 представлен случай с четырьмя станциями (A, B, C и D). Каждая станция имеет два канала. Один канал (менее широкополосный) является управляющим каналом станции. Второй канал (широкополосный) служит для передачи данных. В каждом из каналов выделяются определенное число временных доменов. Будем считать, что число доменов в управляющем канале равно k, а число доменов в информационном канале - N+1, где N из них предназначены для данных, а последний служит для передачи станцией своего статуса (например, информации о свободных доменах). Все каналы синхронизуются от общих часов. Протокол поддерживает три типа трафика: постоянный поток данных с ориентацией на соединение (1), например, видео трафик; переменный поток, ориентированный на соединение (2), и поток дейтограмм, например, UDP (3). В протоколах, ориентированных на соединение, станция А прежде чем осуществить обмен с В должна послать запрос на соединение (Connection REQUEST), в свободном домене канала управления станции В. Если станция В воспринимает запрос, обмен осуществляется через канал данных станции А. Каждая станция имеет два передающих элемента и два принимающих.

1. Приемник с фиксированной длиной волны для прослушивания своего собственного канала управления.
2. Настраиваемый передатчик для посылки сообщений управляющим каналам других станций.
3. Передатчик с фиксированной длиной волны для посылки информационных кадров.
4. Настраиваемый приемник для приема данных от одного из передатчиков.

Каждая станция прослушивает свой управляющий канал с целью  приема запросов и настраивается  на длину определенного передатчика  для получения данных. Настройка  на определенную длину волны производится с помощью ячеек Фабри-Перо или интерферометров Маха-Цандера (предполагается, что мы работаем с оптическими волокнами).

Рассмотрим, как станция А устанавливает тип обмена b со станцией В , например, для файлового обмена. Сначала А настраивает свой приемник данных на частоту информационного канала В и ждет его статусного домена. Этот домен позволяет определить, какой из управляющих доменов свободен (на рисунке занятые домены окрашены в серый цвет). На рисунке 8 В имеет 8 доменов, из них 0, 3 и 5 свободны. Пусть принято решение занять запросом на соединение домен 5. Так как станция В постоянно прослушивает свой управляющий канал, она предоставит свободный домен для станции А . Это присвоение отражается в статусном домене информационного канала. Когда станция А обнаружит, что присвоение выполнено, можно считать что осуществлено однонаправленное соединение между А и В . Если для А требуется двунаправленное соединение (что реально для протокола FTP), то В повторит ту же процедуру со станцией А . Вполне возможна ситуация, когда одновременно станции А и С пытаются захватить один и тот же домен с номером 5. Ни одна из них его не получат, узнав об этом из статусного кода в домене управляющего канала В. После этого обе станции ждут псевдослучайное время и делают еще одну попытку.

Для осуществления пересылки файла  станция А посылает В управляющее сообщение типа “загляните в домен данных 3, там кадр для вас”. Когда В получает управляющее сообщение, она настраивает свой приемник на выходной канал А, чтобы принять кадр данных от А. Станция В может использовать ту же схему для посылки подтверждения получения кадра, если это необходимо. Заметим, что может возникнуть проблема, если с В имеют одновременно соединения А и С и обе станции предлагают В заглянуть в информационный домен 3. Станция В воспримет одно из этих сообщений, второе буде потеряно. При постоянной скорости передачи используется модификация данного протокола. Когда станция А запрашивает соединение, она одновременно посылает сообщение типа “не возражаете, если я буду посылать данные в каждом домене 3?”. Если В способна принять данные (домен 3 не занят), устанавливается соединение с фиксированной полосой. Если это не так, А может попытаться использовать другой свободный временной домен. Для типа обмена 3 (дейтограммы) используется другая вариация протокола. Вместо посылки запроса соединения в найденный свободный домен управляющего канала, станция записывает сообщение “DATA FOR YOU in SLOT 3” (для вас есть данные в домене 3). Если В свободна во время следующего информационного домена 3, обмен будет успешным, в противном случае кадр теряется. Существует большое число различных вариантов протокола WDMA, например, с общим управляющим каналом для всех рабочих станций.

Рассмотрим случай (FDM) в предположении, что длина кадра имеет экспоненциальную плотность вероятности со средним значением 1/m , тогда среднее время задержки T для канала с пропускной способностью С бит/сек при частоте кадров f сек-1 составит T=1/(mC-f) . Теперь предположим, что канал поделен на N независимых субканалов с пропускной способностью C/N бит/сек. Средняя загрузка каждого из субканалов станет равной f/N . Теперь для среднего значения задержки мы получим выражение:

Таким образом, FDM-доступ в N раз хуже, чем вариант, когда  мы все кадры помещаем каким-то образом  в некоторую общую очередь. Точно  такая же аргументация может быть применена для метода TDM. По этой причине предпочтительнее динамические методы организации доступа к каналу (сетевой среде).

Интересной разновидностью Ethernet является широкополосная сеть типа Net/One. Она может базироваться на коаксиальном кабеле (суммарная длина до 1500 м) или на оптическом волокне (полная длина  до 2500 м). Эта сеть по многим характеристикам аналогична обычному Ethernet (CSMA/CD) за исключением того, что коммуникационное оборудование передает данные на одной частоте, а принимает - на другой. Для каждого канала выделяется полоса 5 Мбит/с (полоса пропускания 6 МГц соответствует телевизионному стандарту). Предусматривается 5 передающих (59,75-89,75 МГц) и 5 принимающих (252-282 МГц) каналов для каждого из сетевых сегментов. Частота ошибок (BER) для сети данного типа меньше 10^-8.

Другой Ethernet-совместимой  сетью является Fibercom Whispernet. Сеть имеет кольцевую структуру (до 8 км), полосу пропускания 10Мбит/c, число узлов до 100 на сегменте при полном числе узлов в сети - 1024. Число кольцевых сегментов может достигать 101. Максимальное межузловое расстояние - 2км.

1. В сетях типа САN узел, пытающийся получить доступ к одной из магистралей, выдает свой физический адрес и приоритет сообщения бит за битом.
2. При этом узел мониторирует состояние магистрали, проверяя, соответствует ли уровень сигнала тому, что он передает.
3. Если имеет место совпадение, передается следующий бит и осуществляется процедура пункта 2. При несовпадении узел прерывает передачу, возвращается к пункту 2 и ждет следующего цикла.

Данная схема доступа  исключает столкновения, характерные  для CSMA. Именно это преимущество делает сеть применимой для задач реального времени.

Существует целое семейство  методов доступа, исключающих столкновение: это мультиплексирование по времени (TDM) и по частоте (FDM). Здесь каждому  клиенту выделяется определенный временной домен или частотный диапазон. Когда наступает его временной интервал и клиент имеет кадр (или бит), предназначенный для отправки, он делает это. При этом каждый клиент ждет в среднем n/2 временных интервалов (предполагается, что работает n клиентов). При FDM передача не требует ожидания. Но в обоих случаях временные интервалы или частотные диапазоны используются клиентом по мере необходимости и могут заметное время быть не заняты (простаивать). Такие протоколы доступа часто используются в мобильной связи.

Интересной разновидностью Ethernet является широкополосная сеть типа Net/one. Она может базироваться на коаксиальном кабеле (суммарная длина до 1500м) или  на оптическом волокне (полная длина  до 2500м). Эта сеть по многим характеристикам  аналогична обычному ethernet (CSMA/CD) за исключением того, что коммуникационное оборудование передает данные на одной частоте, а принимает - на другой. Для каждого канала выделяется полоса 5 Мбит/с (полоса пропускания 6МГц соответствует телевизионному стандарту). Предусматривается 5 передающих (59,75-89,75 МГц) и 5 принимающих (252-282 МГц) каналов для каждого из сетевых сегментов. Частота ошибок (BER) для сети данного типа меньше 10^-8.

Другой Ethernet-совместимой  сетью является Fibercom Whispernet. Сеть имеет  кольцевую структуру (до 8км), полосу пропускания 10Мбит/c, число узлов до 100 на сегменте при полном числе узлов в сети - 1024. Число кольцевых сегментов может достигать 101. Максимальное межузловое расстояние - 2км.

Примером нетрадиционного  типа сети может служить Localnet 20 (Sytek). Сеть базируется на одном коаксиальном кабеле и имеет полную полосу пропускания 400 МГц. Сеть делится на 120 каналов, каждый из которых работает со скоростью 128 Кбит/с. Каналы используют две 36МГц-полосы, одна для передачи, другая для приема. Каждый из коммуникационных каналов занимает 300КГц из 36МГц. Сеть использует алгоритм доступа CSMA/CD, что позволяет подключать к одному каналу большое число сетевых устройств. Предусматривается совместимость с интерфейсом RS-232. Частота ошибок в сети не более 10^-8.

Фирма Дженерал Электрик разработала сеть gm (map-шина), совместимую  со стандартом IEEE 802.4. Целью разработки было обеспечение совместимости  с производственным оборудованием  различных компаний. Сеть рассчитана на работу со скоростями 1, 5 и 50 Мбит/с.

Традиционные сети и  телекоммуникационные каналы образуют основу сети - ее физический уровень. Реальная топология сети может динамически  изменяться, хотя это и происходит обычно незаметно для участников. При реализации сети используются десятки протоколов. В любых коммуникационных протоколах важное значение имеют операции, ориентированные на установление связи (connection-oriented) и операции, не требующие связи (connectionless - "бессвязные", ISO 8473). Интернет использует оба типа операций. При первом типе пользователь и сеть сначала устанавливают логическую связь и только затем начинают обмен данными. Причем между отдельными пересылаемыми блоками данных (пакетами) поддерживается некоторое взаимодействие. "Бессвязные" операции не предполагают установления какой-либо связи между пользователем и сетью (например, протокол UDP) до начала обмена. Отдельные блоки передаваемых данных в этом случае абсолютно независимы и не требуют подтверждения получения. Пакеты могут быть потеряны, задублированы или доставлены не в порядке их отправки, причем ни отправитель, ни получатель не будут об этом оповещены. Именно к этому типу относится базовый протокол Интернет - IP.

Для каждой сети характерен свой интервал размеров пакетов. Среди  факторов, влияющих на выбор размеров можно выделить

• Аппаратные ограничения, например размер домена при мультиплексировании по времени.
• Операционная система, например размер буфера 512 байт.
• Протокол (например, число бит в поле длины пакета).
• Обеспечение совместимости с определенными стандартами.
• Желание уменьшить число ошибок при передаче ниже заданного уровня.
• Стремление уменьшить время занятости канала при передаче пакета.

Ниже приведены максимальные размеры пакетов (mtu) для ряда сетей

Операции, ориентированные  на установление связи (например, протокол TCP), предполагают трехстороннее соглашение между двумя пользователями и  провайдером услуг. В процессе обмена они хранят необходимую информацию друг о друге, с тем, чтобы не перегружать вспомогательными данными пересылаемые пакеты. В этом режиме обмена обычно требуется подтверждение получения пакета, а при обнаружении сбоя предусматривается механизм повторной передачи поврежденного пакета. "Бессвязная" сеть более надежна, так как она может отправлять отдельные пакеты по разным маршрутам, обходя поврежденные участки. Такая сеть не зависит от протоколов, используемых в субсетях. Большинство протоколов Интернет используют именно эту схему обмена. Концептуально TCP/IP-сети предлагают три типа сервиса в порядке нарастания уровня иерархии:

1. "бессвязная" доставка пакетов;
2. надежная транспортировка информации;
3. реализация прикладных задач.

Немногие из читателей  участвуют в создании региональных и тем более глобальных сетей, за то структура и принципы построения локальных сетей им, безусловно, близки. На рис. 1.4 и 1.5 приведены два варианта “ресурсных” локальных сетей (сети для коллективного использования ресурсов - памяти, процессоров, принтеров, магнитофонов и т.д.). Такие сети строятся так, чтобы пропускная способность участков, где информационные потоки суммируются, имели адекватную полосу пропускания. Эффективность сети на рис. 1.4 сильно зависит от структуры и возможностей контроллеров внешних устройств, от объема их буферной памяти. В качестве концентраторов обычно используются переключатели (switch), но могут применяться и обычные HUB или даже маршрутизаторы.