Протоколы локальных сетей

Содержание

Слайд 2

Локальные сети

Одним из основных назначений локальной сети является объединение компьютеров в пределах

Локальные сети Одним из основных назначений локальной сети является объединение компьютеров в
одного здания или нескольких близко стоящих зданий для предоставления пользователям сети доступа к информационным услугам локальных серверов.
Локальные сети - удобное средство группирования компьютеров для объединения их в глобальную сеть.
В глобальной сети проще маршрутизировать данные между сетями, а не отдельными компьютерами.
Локальные сети применяются также и в телекоммуникационных сетях другого типа, например в телефонных и первичных сетях.
Системы управления телефонными коммутаторами или первичными сетями обычно строятся на основе локальной сети, которая объединяет компьютеры ее операторов и обеспечивает им доступ к устройствам управления, встроенным в оборудование телекоммуникационной сети.

Слайд 3

Технологии передачи данных

Практически во всех технологиях 80-х годов использовалась разделяемая среда как

Технологии передачи данных Практически во всех технологиях 80-х годов использовалась разделяемая среда
удобное и экономичное средство объединения компьютеров на физическом уровне.
С середины 90-х в локальных сетях стали также применяться коммутируемые версии технологий. Отказ от разделяемой среды позволил повысить производительность и масштабируемость локальных сетей. В коммутируемых локальных сетях применяются те же протоколы, что и в локальных сетях на разделяемой среде, но в дуплексном режиме.
Преимуществом коммутируемых локальных сетей является возможность применения разнообразных методов обеспечения QoS, что важно, когда в локальной сети передается трафик реального времени, например, трафик IP-телефонов.

Слайд 4

Технология Ethernet

Ethernet — это самый распространенный сегодня стандарт локальных сетей.
Под Ethernet

Технология Ethernet Ethernet — это самый распространенный сегодня стандарт локальных сетей. Под
обычно понимают любой из вариантов этой технологии, в которую входят сегодня также Fast Ethernet, Gigabit Ethernet и 10G Ethernet.
В узком смысле Ethernet — это сетевой стандарт передачи данных со скоростью 10 Мбит/с, который появился в конце 70-х годов как стандарт трех компаний — Digital, Intel и Xerox.
В начале 80-х Ethernet был стандартизован рабочей группой IEEE 802.3, и с тех пор он является международным стандартом. Технология Ethernet была первой технологией, которая предложила использовать разделяемую среду для доступа к сети.

Слайд 5

Общая характеристика протоколов локальных сетей

Основная цель, которую ставили перед собой разработчики первых

Общая характеристика протоколов локальных сетей Основная цель, которую ставили перед собой разработчики
локальных сетей во второй половине 70-х годов, заключалась в нахождении простого и дешевого решения для объединения в вычислительную сеть нескольких десятков компьютеров, находящихся в пределах одного здания.
Особенности выбора решения:
Решение должно было быть недорогим;
Количество узлов невелико;
Задача подключения локальных сетей в глобальные не была первоочередной.

Слайд 6

Стандартная топология и разделяемая среда

Роберт Меткалф (R. Metcalfe) использовал идею разделяемой среды

Стандартная топология и разделяемая среда Роберт Меткалф (R. Metcalfe) использовал идею разделяемой
для проводного варианта технологии LAN.
Все компьютеры присоединялись к непрерывному сегмент коаксиального кабеля сегменту кабеля по схеме монтажного ИЛИ, поэтому при передаче сигналов одним из передатчиков все приемники получали один и тот же сигнал.

Слайд 7

Стандартная топология и разделяемая среда

В технологиях Token Ring и FDDI тот факт,

Стандартная топология и разделяемая среда В технологиях Token Ring и FDDI тот
что компьютеры используют разделяемую среду, не так очевиден, как в случае Ethernet.
Физическая топология этих сетей — кольцо, каждый узел соединяется кабелем с двумя соседними узлами.
Однако отрезки кабеля также являются разделяемыми, так как в каждый момент времени только один компьютер может использовать кольцо для передачи своих пакетов.

Слайд 8

Преимущества и недостатки разделяемой среды

Использование разделяемых сред позволяет упростить логику работы узлов

Преимущества и недостатки разделяемой среды Использование разделяемых сред позволяет упростить логику работы
сети. Поскольку в каждый момент времени выполняется только одна передача -> нет необходимости в буферизации кадров в транзитных узлах.
Основной недостаток разделяемой среды — плохая масштабируемость. Этот недостаток является принципиальным, так как независимо от метода доступа к среде ее пропускная способность делится между всеми узлами сети.
Действует правило:
как только коэффициент использования общей среды превышает определенный порог, очереди к среде начинают расти нелинейно, и сеть становится практически неработоспособной.
В сетях ALOHA это значение является крайне низким — всего около 18 %, в сетях Ethernet — около 30 %, а в сетях Token Ring и FDDI оно выросло до 60-70 %.

Слайд 9

Стек протоколов локальных сетей

Технологии локальных сетей реализуют функции только двух нижних уровней

Стек протоколов локальных сетей Технологии локальных сетей реализуют функции только двух нижних
модели OSI — физического и канального.
Функциональности этих уровней достаточно для доставки кадров в пределах стандартных топологий, которые поддерживают LAN — звезда (общая шина), кольцо и дерево.

Слайд 10

Канальный уровень локальных сетей

Канальный уровень локальных сетей делится на два подуровня, которые

Канальный уровень локальных сетей Канальный уровень локальных сетей делится на два подуровня,
часто также называют уровнями:
уровень управления логическим каналом (Logical Link Control, LLC);
уровень управления доступом к среде (Media Access Control, MAC).
Функции уровня LLC обычно реализуются программно, соответствующим модулем операционной системы, а функции уровня MAC реализуются программно аппаратно: сетевым адаптером и его драйвером.

Слайд 11

Уровень MAC

Основными функциями уровня MAC являются:
обеспечение доступа к разделяемой среде;
передача кадров между

Уровень MAC Основными функциями уровня MAC являются: обеспечение доступа к разделяемой среде;
конечными узлами, используя функции и устройства физического уровня.

Слайд 12

Метод случайного доступа

Метод случайного доступа – основан на том, что узел, у

Метод случайного доступа Метод случайного доступа – основан на том, что узел,
которого есть кадр для передачи, пытается его отправить без согласования времени использования среды с другими узлами.
Метод случайного доступа является децентрализованным, он не требует наличия в сети специального узла, который играл бы роль арбитра, регулирующего доступ к среде.
Результатом этого является высокая вероятность коллизий, то есть случаев одновременной передачи кадра несколькими станциями.
Во время коллизии происходит наложение сигналов нескольких передатчиков, из-за чего информация всех передаваемых на периоде коллизии кадров искажается.
Способом улучшения случайного доступа является введение процедуры прослушивания среды перед передачей. Узел не имеет права передавать кадр, если он обнаруживает, что среда уже занята передачей другого кадра.

Слайд 13

Метод детерминированного доступа

В методах детерминированного доступа определяется максимальное время ожидания доступа к

Метод детерминированного доступа В методах детерминированного доступа определяется максимальное время ожидания доступа
среде передачи данных.
Алгоритмы детерминированного доступа используют два механизма - передачу токена и опрос.
Передача токена обычно реализуется децентрализовано. Каждый компьютер, получивший токен, имеет право на использование разделяемой среды в течение фиксированного промежутка времени — времени удержания токена.
В это время компьютер передает свои кадры. После истечения этого промежутка компьютер обязан передать токен другому компьютеру.

Слайд 14

Метод детерминированного доступа (продолжение)

Алгоритмы опроса чаще всего основаны на централизованной схеме.
В

Метод детерминированного доступа (продолжение) Алгоритмы опроса чаще всего основаны на централизованной схеме.
сети существует выделенный узел, который играет роль арбитра в споре узлов за разделяемую среду.
Арбитр периодически опрашивает остальные узлы сети, есть ли у них кадры для передачи. Собрав заявки на передачу, арбитр решает, какому узлу он предоставит право использования разделяемой среды. Затем он сообщает свое решение выбранному узлу, и тот передает свой кадр, захватывая разделяемую среду.
После завершения передачи кадра фаза опроса повторяется.

Слайд 15

Сравнение алгоритмов доступа

Алгоритмы детерминированного доступа отличаются от алгоритмов случайного доступа тем, что

Сравнение алгоритмов доступа Алгоритмы детерминированного доступа отличаются от алгоритмов случайного доступа тем,
они более эффективно работают при большой загрузке сети, когда коэффициент использования приближается к единице.
В то же время при небольшой загрузке сети более эффективными являются алгоритмы случайного доступа, так как они позволяют передать кадр немедленно, не тратя время на процедуры определения права доступа к среде.
Достоинство детерминированных методов доступа также заключается в том, что они могут выставлять приоритеты трафика, а значит, поддерживать требования QoS.

Слайд 16

Транспортировка кадра

Формирование кадра. На этом этапе осуществляется заполнение полей кадра на основании

Транспортировка кадра Формирование кадра. На этом этапе осуществляется заполнение полей кадра на
информации, получаемой от протокола верхнего уровня. После того как кадр сформирован, уровень MAC подсчитывает контрольную сумму кадра и помещает ее в соответствующее поле.
Передача кадра через среду. Когда кадр сформирован и доступ к разделяемой среде получен, уровень MAC передает кадр на физический уровень, который побитно передает все поля кадра в среду.
Прием кадра. Уровень MAC каждого узла сети, подключенного к разделяемой среде, проверяет адрес назначения поступившего кадра, и если он совпадает с его собственным адресом, то продолжает его обработку, в противном случае кадр отбрасывается. Кадр с корректной контрольной суммой передается уровнем MAC вверх по стеку. Если же контрольная сумма кадра говорит о том, что информация при передаче через среду была искажена, то кадр отбрасывается.

Слайд 17

Уровень LLC

Уровень LLC (Logical Link Control) выполняет две функции:
организует интерфейс с прилегающим

Уровень LLC Уровень LLC (Logical Link Control) выполняет две функции: организует интерфейс
к нему сетевым уровнем;
обеспечивает доставку кадров с заданной степенью надежности.
Интерфейсные функции LLC заключаются в передаче пользовательских и служебных данных между уровнем MAC и сетевым уровнем.
При передаче данных сверху вниз уровень LLC принимает от протокола сетевого уровня пакет (например, IP- или IPX-пакет), в котором уже находятся пользовательские данные.
Помимо пакета сверху также передается адрес узда назначения в формате той технологии LAN, которая будет использована для доставки кадра в пределах данной локальной сети.
Кроме того, LLC при необходимости решает задачу мультиплексирования, передавая данные от нескольких протоколов сетевого уровня единственному протоколу уровня MAC.

Слайд 18

Стандарты IEEE 802.x

В 1980 году в институте IEEE был организован комитет 802

Стандарты IEEE 802.x В 1980 году в институте IEEE был организован комитет
по стандартизации технологий LAN, в результате работы которого было принято семейство стандартов IEEE 802.x, содержащих рекомендации по проектированию нижних уровней локальных сетей. Эти стандарты базируются на популярных фирменных стандартах, в частности Ethernet, ArcNet и Token Ring.
Результаты работы комитета 802 легли в основу комплекса международных стандартов ISO 8802-1...5.
Комитет IEEE 802 и сегодня является основным международным органом, разрабатывающим стандарты технологий локальных сетей.

Слайд 19

Структура стандартов IEEE 802.x

Структура стандартов IEEE 802.x

Слайд 20

Структура стандартов IEEE 802.x

Над уровнем MAC, специфичным для разных технологий, показан общий

Структура стандартов IEEE 802.x Над уровнем MAC, специфичным для разных технологий, показан
для них уровень LLC.
Стандарт LLC курирует рабочая группа 802.2. Даже технологии, стандартизованные не в рамках комитета 802 (например, FDDI), ориентируются на использование протокола LLC, определенного стандартом 802.2.
Описание каждой технологии в стандарте разделено на две части: описание уровня MAC и описание физического уровня.
Практически у каждой технологии единственному протоколу уровня MAC соответствуют несколько вариантов протоколов физического уровня.

Слайд 21

Стандарты подкомитета 802.1

Эти стандарты носят общий для всех технологий характер.
В подкомитете

Стандарты подкомитета 802.1 Эти стандарты носят общий для всех технологий характер. В
802.1 были даны общие определения локальных сетей и их свойств, показана связь трех уровней модели IEEE 802 с моделью OSI.
Наиболее важными практически являются те стандарты подкомитета 802.1, которые описывают взаимодействие различных технологий, а также стандарты по построению более сложных сетей на основе базовых топологий - стандарты межсетевого взаимодействия.
В их число входят такие важные стандарты, как:
стандарт 802.1D, описывающий логику работы прозрачного моста/коммутатора,
стандарт 802.1Н, определяющий функционирование транслирующего моста.
стандарт 802.1Q, определяющим способ построения виртуальных локальных сетей (Virtual LAN, VLAN) в сетях на основе коммутаторов,
стандарт 802.1р, описывающим способ приоритезации трафика на канальном уровне (механизмы QoS).

Слайд 22

Метод доступа CSMA/CD

Метод CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection —

Метод доступа CSMA/CD Метод CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection
коллективный доступ с опознаванием несущей и обнаружением коллизий) используется для доступа к среде передачи данных в сетях Ethernet.
На уровне MAC, который обеспечивает доступ к среде и передачу кадра, для идентификации сетевых интерфейсов узлов сети используются регламентированные стандартом IEEE 802.3 уникальные 6-байтовые адреса, называемые МАС-адресами.
Обычно МАС-адрес записывают в виде шести пар шестнадцатеричных цифр, разделенных тире или двоеточиями, например 11-A0-17-3D-BC-01.
Каждый сетевой адаптер имеет, по крайней мере, один МАС-адрес.

Слайд 23

Доступ к среде и передача данных

Все компьютеры в сети с разделяемой средой

Доступ к среде и передача данных Все компьютеры в сети с разделяемой
имеют возможность немедленно (с учетом задержки распространения сигнала по физической среде) получить данные, которые любой из компьютеров начал передавать в общую среду.
Среда, к которой подключены все станции, работает в режиме коллективного доступа (Multiply Access, MA).
Для получения возможности передачи кадра, интерфейс-отправитель должен убедиться, что разделяемая среда свободна. Это достигается прослушиванием основной гармоники сигнала, которая также называется несущей частотой (Carrier Sense, CS).

Слайд 24

Метод случайного доступа CSMA/CD

Метод случайного доступа CSMA/CD

Слайд 25

Возникновение коллизии

Механизм прослушивания среды и пауза между кадрами не гарантируют исключения такой

Возникновение коллизии Механизм прослушивания среды и пауза между кадрами не гарантируют исключения
ситуации, когда две или более станции одновременно решают, что среда свободна, и начинают передавать свои кадры – возникновение коллизии.

Слайд 26

Разрешение проблемы коллизий

Чтобы корректно обработать коллизию, все станции одновременно наблюдают за возникающими

Разрешение проблемы коллизий Чтобы корректно обработать коллизию, все станции одновременно наблюдают за
на кабеле сигналами.
Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется факт обнаружения коллизии (Collision Detection, CD).
Для увеличения вероятности скорейшего обнаружения коллизии всеми станциями сети станция, которая обнаружила коллизию, прерывает передачу своего кадра (в произвольном месте, возможно, и не на границе байта) и усиливает ситуацию коллизии посылкой в сеть специальной последовательности из 32 бит, называемой jam-последовательностью.
После этого обнаружившая коллизию передающая станция обязана прекратить передачу и сделать паузу в течение короткого случайного интервала времени.
Затем она может снова предпринять попытку захвата среды и передачи кадра. Случайная пауза выбирается по следующему алгоритму:
Пауза = L х (интервал отсрочки).

Слайд 27

Высокоскоростной стандарт Ethernet

Классическая 10-мегабитная сеть Ethernet устраивала большинство пользователей на протяжении около 15

Высокоскоростной стандарт Ethernet Классическая 10-мегабитная сеть Ethernet устраивала большинство пользователей на протяжении
лет. Однако в начале 90-х годов начала ощущаться ее недостаточная пропускная способность. Скорость обмена с сетью в 10 Мбит/с стала существенно меньше скорости внутренней шины компьютера, которая к тому времени превысила порог 1000 Мбит/с.
Назрела необходимость в разработке «новой» технологии Ethernet, то есть технологии, которая была бы такой же эффективной по соотношению цена/качество при производительности 100 Мбит/с.
В результате поисков и исследований специалисты разделились на два лагеря, что, в конце концов, привело к появлению двух новых технологий — Fast Ethernet и 100VG-AnyLAN.
В результате «выжила» только технология Fast Ethernet, сохранившая больше свойств классического стандарта Ethernet, в том числе метод доступа CSMA/CD.

Слайд 28

Физический уровень технологии Fast Ethernet

Все отличия технологий Fast Ethernet и Ethernet сосредоточены

Физический уровень технологии Fast Ethernet Все отличия технологий Fast Ethernet и Ethernet
на физическом уровне.
Уровни MAC и LLC в Fast Ethernet остались абсолютно теми же, и их описывают прежние главы стандартов 802.3 и 802.2.
Организация физического уровня технологии Fast Ethernet является более сложной, поскольку в ней используются три варианта кабельных систем:
волоконно-оптический многомодовый кабель (два волокна);
витая пара категории 5 (две пары);
витая пара категории 3 (четыре пары).

Слайд 29

Отличия технологий Fast Ethernet и Ethernet

Отличия технологий Fast Ethernet и Ethernet

Слайд 30

Спецификации физического уровня Fast Ethernet

Официальный стандарт 802.3 установил три различных спецификации для

Спецификации физического уровня Fast Ethernet Официальный стандарт 802.3 установил три различных спецификации
физического уровня Fast Ethernet и дал им следующие названия:
100Base-TX для двухпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 5 или экранированной витой паре STP типа 1;
100Base-T4 для четырехпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 3, 4 или 5;
100Base-FX для многомодового оптоволоконного кабеля с двумя волокнами.

Слайд 31

Структура физического уровня Fast Ethernet

Структура физического уровня Fast Ethernet

Слайд 32

Элементы физического уровня

Независимый от среды интерфейс (Media Independent Interface, MII).
Уровень согласования нужен

Элементы физического уровня Независимый от среды интерфейс (Media Independent Interface, MII). Уровень
для того, чтобы уровень MAC, рассчитанный на интерфейс AUI, мог работать с физическим уровнем через интерфейс MII.
Устройство физического уровня (Physical Layer Device, PLD) состоит, в свою очередь, из нескольких подуровней:
подуровня логического кодирования данных, преобразующего поступающие от уровня MAC байты в символы кода 4В/5В или 8В/6Т (оба кода используются в технологии Fast Ethernet);
подуровней физического присоединения и зависимости от физической среды (PMD), которые обеспечивают формирование сигналов в соответствии с методом физического кодирования, например NRZI или MLT-3;
подуровня автопереговоров, который позволяет двум взаимодействующим портам автоматически выбрать наиболее эффективный режим работы, например полудуплексный или дуплексный (этот подуровень является факультативным).

Слайд 33

Технология Token Ring

Технология Token Ring была разработана компанией IBM в 1984 году,

Технология Token Ring Технология Token Ring была разработана компанией IBM в 1984
а затем передана в качестве проекта стандарта в комитет IEEE 802, который на ее основе принял в 1985 году стандарт 802.5.
Сети Token Ring работают с двумя битовыми скоростями — 4 и 16 Мбит/с.
Смешение в одном кольце станций, работающих на разных скоростях, не допускается. Сети Token Ring, работающие со скоростью 16 Мбит/с, имеют некоторые усовершенствования в алгоритме доступа по сравнению со стандартом 4 Мбит/с.
В сети Token Ring определены процедуры контроля работы сети, которые опираются на свойство обратной связи, изначально присущее кольцеобразной структуре — посланный кадр всегда возвращается к станции-отправителю.
В некоторых случаях обнаруженные ошибки в работе сети устраняются автоматически, например, может быть восстановлен потерянный токен. В других случаях ошибки только фиксируются, а их устранение выполняется вручную обслуживающим персоналом.

Слайд 34

Доступ с передачей токена

Доступ с передачей токена

Слайд 35

Удержание токена

Время владения разделяемой средой в сети Token Ring ограничивается фиксированной величиной,

Удержание токена Время владения разделяемой средой в сети Token Ring ограничивается фиксированной
называемой временем удержания токена.
После истечения этого времени станция обязана прекратить передачу собственных данных (текущий кадр разрешается завершить) и передать токен далее по кольцу. Станция может успеть передать за время удержания токена один или несколько кадров в зависимости от размера кадров и величины времени удержания токена.
Обычно время удержания токена по умолчанию равно 10 мс, а максимальный размер кадра в стандарте 802.5 не определен.
Для сетей 4 Мбит/с он, как правило, равен 4 Кбайт, а для сетей 16 Мбит/с — 16 Кбайт.

Слайд 36

Физический уровень технологии Token Ring

Стандарт Token Ring фирмы IBM изначально предусматривал построение

Физический уровень технологии Token Ring Стандарт Token Ring фирмы IBM изначально предусматривал
связей в сети с помощью концентраторов, называемых устройствами многостанционного доступа (Multi-station Access Unit, MAU, или MSAU).
Сеть Token Ring может включать до 260 узлов. Использование концентраторов приводит к тому, что сети Token Ring имеют физическую топологию звезда, а логическую — кольцо.
Имя файла: Протоколы-локальных-сетей.pptx
Количество просмотров: 601
Количество скачиваний: 21