Обзор технологий, применяемых для построения локальных
сетей
Ethernet
Первое, что приходит в голову, когда речь
заходит о технологиях локальных сетей – это, конечно,
Ethernet. Эта технология была разработана в 1970 году
Исследовательским центром в Пало-Альто, принадлежащем
корпорации Xerox. В 1980 г. на его основе появилась
спецификация IEEE 802.3. Пожалуй, самой характерной чертой
Ethernet является метод доступа к среде передачи - CSMA/CD
(carrier-sense multiple access/collision detection) -
множественный доступ с обнаружением несущей. Перед началом
передачи данных сетевой адаптер Ethernet "прослушивает" сеть,
чтобы удостовериться, что никто больше ее не использует. Если
среда передачи в данный момент кем-то используется, адаптер
задерживает передачу, если же нет, то начинает передавать. В
том случае, когда два адаптера, предварительно прослушав
сетевой трафик и обнаружив "тишину", начинают передачу
одновременно, происходит коллизия. При обнаружении адаптером
коллизии обе передачи прерываются, и адаптеры повторяют
передачу спустя некоторое случайное время (естественно,
предварительно опять прослушав канал на предмет занятости).
Для приема информации адаптер должен принимать все пакеты в
сети, чтобы определить, не он ли является адресатом.
Различные реализации - Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit
Ethernet – обеспечивают пропускную способность соответственно
10, 100 и 1000 Мбит/с.
Основной недостаток сетей Ethernet обусловлен методом
доступа к среде передачи: при наличии в сети большого
количества одновременно передающих станций растет количество
коллизий, а пропускная способность сети падает. В
экстремальных случаях скорость передачи в сети может упасть до
нуля. Но даже в сети, где средняя нагрузка не превышает
максимально допустимую рекомендованную (30-40% от общей полосы
пропускания), скорость передачи составляет 70-80% от
номинальной. В некоторой степени этот недостаток может быть
устранен применением коммутаторов (switch) вместо
концентраторов (hub). При этом трафик между портами,
подключенными к передающему и принимающему сетевым адаптерам,
изолируется от других портов и адаптеров.
Весьма существенным преимуществом различных вариантов
Ethernet является обратная совместимость, которая позволяет
использовать их совместно в одной сети, в ряде случаев даже не
изменяя существующую кабельную систему.
Эта технология настолько распространена и разнообразна, что
заслуживает отдельного обзора.
Token Ring
В 1970 году эта технология была разработана
компанией IBM, а после стала основой стандарта IEEE 802.5.
Token Ring является сетью с передачей маркера. Кабельная
топология – звезда или кольцо, но в логически данные всегда
передаются последовательно от станции к станции по кольцу. При
этом способе организации передачи информации по сети
циркулирует небольшой блок данных – маркер. Каждая станция
принимает маркер и может удерживать его в течении
определенного времени. Если станции нет необходимости
передавать информацию, она просто передает маркер следующей
станции. Если станция начинает передачу, она модифицирует
маркер, который преобразовывается в последовательность "начало
блока данных", после которого следует собственно передаваемая
информация. На время прохождения данных маркер в сети
отсутствует, таким образом остальные станции не имеют
возможности передачи и коллизии невозможны в принципе. При
прохождении станции назначения информация принимается, но
продолжает передаваться, пока не достигнет
станции-отправителя, где удаляется окончательно. Для обработки
возможных ошибок, в результате которых маркер может быть
утерян, в сети присутствует станция с особыми полномочиями,
которая может удалять информацию, отправитель которой не может
удалить ее самостоятельно, а также восстанавливать маркер.
Поскольку для Token Ring всегда можно заранее рассчитать
максимальную задержку доступа к среде для передачи информации,
она может применяться в различных автоматизированных системах
управления, производящих обработку информации и управление
процессами в реальном времени. Для сохранения
работоспособности сети при возникновении неисправностей
предусмотрены специальные алгоритмы, позволяющие в ряде
случаев изолировать неисправные участки путем автоматической
реконфигурации. Скорость передачи, описанная в IEEE 802.5,
составляет 4 Мбит/с, однако существует также реализация 16
Мбит/с, разработанная в результате развития технологии Token
Ring.
ARCnet
Attached Resourse Computing
Network (ARCnet) – сетевая архитектура, разработанная
компанией Datapoint в середине 70-х годов (наверное, пора
уточнять - XX века :-).
В качестве стандарта IEEE ARCnet принят не был, но частично
соответствует IEEE 802.4. Сеть с передачей маркера. Топология
- звезда или шина. В качестве среды передачи ARCnet может
использовать коаксиальный кабель, витую пару и оптоволоконный
кабель. На местной почве, естественно, были популярны варианты
на коаксиале и витой паре. Закрепить свои позиции этому
недорогому стандарту помешало малое быстродействие - всего-то
2,5 Мбит/с. В начале 90-х Datapoint разработала ARCNETPLUS, со
скоростью передачи до 20 Мбит/с, обратно совместимый с ARCnet.
Но время было упущено – чересчур медленный ARCnet к тому
времени мало где выжил, а в спину новому ARCNETPLUS уже дышал
Fast Ethernet. Но есть место для применения ARCnet и в
современной сети. Допустимая длина коаксиального кабеля при
топологии "звезда" – 610 м. Чем не вариант для соединения
локальных сетей в двух рядом стоящих зданиях? Что называется –
"дешевле не бывает". Проблемы две - найти старинные сетевые
адаптеры и "прикрутить" старые драйвера к современной
операционной системе :-).
FDDI
Технология Fiber Distributed Data
Interface (FDDI) была разработана в 1980 году
комитетом ANSI. Была первой технологией локальных сетей,
использовавшей в качестве среды передачи оптоволоконный
кабель. Причинами, вызвавшими его разработку, были
возрастающие требования к пропускной способности и надежности
сетей. Этот стандарт оговаривает передачу данных по двойному
кольцу оптоволоконного кабеля со скоростью 100 Мбит/с. При
этом сеть может охватывать очень большие расстояния – до 100
км по периметру кольца. FDDI, также как и Token Ring, является
сетью с передачей маркера. В FDDI разделяются 2 вида трафика –
синхронный и асинхронный. Полоса пропускания, выделяемая для
синхронного трафика, может выделяться станциям, которым
необходима постоянная возможность передачи. Это очень ценное
свойство при передаче чувствительной к задержкам информации -
как правило, это передача голоса и видео. Полоса пропускания,
выделяемая под асинхронный трафик, может распределяться между
станциями с помощью восьмиуровневой системы приоритетов.
Применение двух оптоволоконных колец позволяет существенно
повысить надежность сети. В обычном режиме передача данных
происходит по основному кольцу, вторичное кольцо не
задействуется. При возникновении неисправности в основном
кольце вторичное кольцо объединяется с основным, вновь образуя
замкнутое кольцо. При множественных неисправностях сеть
распадается на отдельные кольца.
Высокая надежность, пропускная способность и допустимые
расстояния, с одной стороны, и высокая стоимость оборудования,
с другой, ограничивают область применения FDDI соединением
фрагментов локальных сетей, построенных по более дешевым
технологиям.
Технология, основанная на принципах FDDI, но с применением
в качестве среды передачи медной витой пары, называется CDDI.
Хотя стоимость построения сети CDDI ниже, чем FDDI, теряется
очень существенное преимущество – большие допустимые
расстояния.
ATM
Американский национальный институт стандартов
(ANSI) и Международный консультативный комитет по телефонии и
телеграфии (CCITT, МККТТ) начинали разработку стандартов ATM
(Asynchronous Transfer Mode – Асинхронный Режим
Передачи) как набора рекомендаций для сети B-ISDN (Broadband
Integrated Services Digital Network). При этом изначально
преследовалась цель повышения эффективности использования
телекоммуникационных соединений, возможность применения в
локальных сетях не рассматривалась. Так как ATM, с одной
стороны, весьма специфична и непохожа на другие технологии, а
с другой стороны, получила достаточно широкое распространение
(особенно за рубежом :-), она заслуживает отдельного, весьма
обширного обзора. Сейчас попытаюсь отметить только основные
черты.
В технологии ATM используются небольшие, фиксированной
длины пакеты, называемые ячейками (cells). Размер ячейки - 53
байта (5 байт заголовок + 48 байт данные).
В отличии от традиционных технологий, применяемых в
локальных сетях, АТМ – технология с установлением соединения.
Т.е. перед сеансом передачи устанавливается виртуальный канал
отправитель-получатель, который не может использоваться
другими станциями. (В традиционных технологиях соединение не
устанавливается, а в среду передачи помещаются пакеты с
указанным адресом.) Несколько виртуальных каналов АТМ могут
одновременно сосуществовать в одном физическом канале.
Для обеспечения взаимодействия устройств в ATM используются
коммутаторы. При установлении соединения в таблицу коммутации
заносятся номер порта и идентификатор соединения, который
присутствует в заголовке каждой ячейки. В последствии
коммутатор обрабатывает поступающие ячейки, основываясь на
идентификаторах соединения в их заголовках.
Технология ATM предоставляет возможность регламентировать
для каждого соединения минимально достаточную пропускную
способность, максимальную задержку и максимальную потерю
данных, а также содержит методы для обеспечения управления
трафиком и механизмы обеспечения определенного качества
обслуживания. Это позволяет совмещать в одной сети несколько
типов трафика в одной сети. Обычно выделяют 3 разновидности
трафика – видео, голос, данные.
Технология АТМ отличается широкими возможностями
масштабирования. В рамках применения АТМ в локальных сетях
интерес представляют варианты со скоростью передачи 25 (витая
пара класса 3 и выше) и 155 Мбит/с (витая пара класса 5,
оптоволокно), 622 Мбит/с (оптоволокно). Существующие стандарты
АТМ предусматривают скорости передачи вплоть до 2,4 Гбит/с.
Использование АТМ на практике, прежде всего, привлекательно
возможностью использовать одну сеть для всех необходимых видов
трафика, причем технология АТМ не ограничивается уровнем
локальных сетей – те же самые принципы функционирования и у
WAN сегментов сетей ATM. В качестве недостатка можно указать
стоимость оборудования, существенно большую, чем у Fast
Ethernet, например. Кроме того, сама организация сетей АТМ
несколько сложнее и в ряде случаев требует существенной
реорганизации существующей сети.
100VG-AnyLAN
Технология разрабатывалась в начале 90-х
совместно компаниями AT&T и HP, как альтернатива
технологии Fast Ethernet, для передачи данных в локальной сети
со скоростью 100 Мбит/с. Летом 1995 года получила статус
стандарта IEEE 802.12. "Any" в названии должно означать сети
Ethernet и Token Ring, в которых может работать 100VG-AnyLAN.
Каждый концентратор 100VG-AnyLAN может быть настроен на
поддержку кадров 802.3 (Ethernet), либо кадров 802.5 (Token
Ring). Специфические нововведения 100VG-AnyLAN – это метод
доступа Demand Priority и схема квартетного кодирования
Quartet Coding, использующая избыточный код 5В/6В. Demand
Priority определяет простую систему приоритетов – высокий,
применяемый для мультимедийных приложений, и низкий –
применяемый для всех остальных. В результате коэффициент
использования пропускной способности сети должен повышаться.
При этом роль арбитра при передаче трафика исполняют
концентраторы 100VG-AnyLAN. За счет применения специального
кодирования и 4-х пар кабеля, сети 100VG-AnyLAN могут
использовать витую пару категории 3. Естественно, могут
использоваться кабели более высоких категорий, также
поддерживается оптоволоконный кабель. Технология не получила
широкого распространения, особенно на местной почве. С точки
зрения скорости передачи информации с 100VG-AnyLAN конкурирует
Fast Ethernet, который при сходных скоростных характеристиках
гораздо более совместим с другими реализациями Ethernet и
более дешев. С точки зрения специальных возможностей для
передачи мультимедийного трафика в конкуренцию вступает ATM,
которая к тому же имеет куда большие возможности
масштабирования – как по скорости, так и по покрываемой
территории.
Apple Talk, Local Talk
Apple Talk – стек протоколов,
предложенный компанией Apple в начале 80-х годов. Изначально
протоколы Apple Talk применялись для работы с сетевым
оборудованием, объединяемым названием Local Talk, к которому
относятся адаптеры Local Talk (встроенные в компьютеры Apple),
кабели, модули соединителей, удлинители кабеля. Сегмент Local
Talk может объединять до 32 узлов. Топология сети – общая шина
или дерево, максимальная длина - 300 м, скорость передачи –
230,4 Кбит/с, среда передачи – экранированная витая пара.
Малая пропускная способность Local Talk вызвала необходимость
разработки адаптеров для сетевых сред с большей пропускной
способностью – Ether Talk, Token Talk и FDDI Talk для сетей
стандарта Ethernet, Token Ring и FDDI соответственно.
Теоретически Apple Talk может работать с любой разновидностью
реализации канального уровня. В настоящее время используется
расширенный стек протоколов, известный под названием Apple
Talk Phase II, в котором расширены возможности маршрутизации
по сравнению с начальной реализацией. Как и большинство других
изделий компании Apple, живет внутри "яблочного" мира и
практически не пересекается с миром PC.
UltraNet
Думаю, немногим представится возможность
встретить эту технологию "живьем". Она используется для работы
с вычислительными системами класса суперкомпьютеров и
"большими" машинами. UltraNet представляет собой
аппаратно-программный комплекс, способный обеспечить скорость
обмена информацией между устройствами, подключенными к нему,
до 1 Гбит/с. Эта технология использует топологию "звезда" с
концентратором в центральной точке сети. UltraNet отличается
достаточно сложной физической реализацией и совершенно
нескромными ценами на оборудование – под стать ценам на
суперкомпьютеры. Для инициализации и управления сетью UltraNet
даже используются компьютеры класса Intel 386, которые
подключаются к концентратору. Другими элементами сети UltraNet
являются сетевые процессоры и канальные адаптеры. Также в
состав сети могут входить мосты и роутеры для соединения ее с
сетями, построенными по другим технологиям (Ethernet, Token
Ring). В качестве среды передачи могут использоваться
коаксиальный кабель и оптоволокно. Хосты, подключаемые к
UltraNet, могут находится друг от друга на расстоянии до 30
км. Возможны также соединения и на большие расстояния путем
подключения через высокоскоростные каналы WAN.
Banyan VINES
Эта технология разработана компанией
Banyan Virtual Network System (VINES). В качестве методов
доступа к среде может использовать общеизвестные – Ethernet,
Token Ring (и другие, применяемые уже в WAN). На более высоком
уровне Banyan VINES используют модифицированные протоколы XNS,
разработанные корпорацией Xerox в конце 1970-начале 1980
годов. К слову сказать, XNS послужили основой еще для очень
многих реализаций протоколов, получивших гораздо большее
распространение, чем собственно XNS. Протоколы высокого уровня
Banyan VINES довольно сильно напоминают TCP/IP, но плюс к
традиционным чертам TCP/IP, имеют целый ряд дополнений,
призванных улучшить, расширить, и сделать более удобным все,
что можно сделать таковым :-). Кроме того, имя "Banyan VINES"
носит сетевая OC. Сложно сказать, почему эта весьма интересная
технология не получила широкого распространения, по крайней
мере на местной почве – вероятно, просто она не оказалась в
нужное время в нужном месте.
