Локальньiе вьiчислительньiе сети. 2-курс, занятие 14

ЛОКАЛЬНЬIЕ ВЬIЧИСЛИТЕЛЬНЬIЕ СЕТИ

Общая характеристика локальных сетей

Общая характеристика локальных сетей
Локальными сетями называют частные сети, размещающиеся в одном здании или на территории какой-либо организации раз­мерами до нескольких километров.
Их часто используют для объединения компьютеров и рабочих станций в офисах компа­нии или предприятия для обмена информацией и предоставле­ния совместного доступа к ресурсам сети (принтерам, сканерам и др.).
Локальные вычислительные сети (ЛВС) применяются и при разработке коллективных проектов, например сложных программных комплексов.
На базе ЛВС можно создавать системы ав­томатизированного проектирования.

Общая характеристика локальных сетей
Это позволяет реализовы­вать новые технологии проектирования изделий:
• машинострое­ния,
• радиоэлектроники,
• вычислительной техники.
В условиях развития рыночной экономики появляется возможность созда­вать конкурентоспособную продукцию, быстро модернизировать ее, обеспечивая реализацию экономической стратегии предпри­ятия.

Общая характеристика локальных сетей

Общая характеристика локальных сетей
Кроме того, ЛВС позволяют реализовывать новые информационные технологии в системах организационно-экономиче­ского управления, а в учебных лабораториях вузов они позволяют повысить качество обучения и внедрять современные интеллекту­альные технологии обучения.
Локальные сети характеризуются:
• размерами,
• технологией передачи данных,
• топологией их построения.

Общая характеристика локальных сетей
Под размерами локальных сетей понимают длину сетевого кабеля, соединяющего компьютеры.
Причём наибольшее значение имеет длина кабеля от «главной точки» до самого удалённого компьютера.
Количество компьютеров имеет второстепенное значение, так как они могут располагаться компактно на небольшой площади.

Общая характеристика локальных сетей

Общая характеристика локальных сетей
По технологии организации локальные сети подразделяют на два вида: • широковещательные сети,
• сети с передачей от «точки к точке» (point-to-point).

Общая характеристика локальных сетей

Общая характеристика локальных сетей
Широковещательные сети обладают единым каналом связи, который совместно используется всеми машинами сети.
Пакеты, пере­даваемые одной машиной, получают все компьютеры сети.
Па­кет имеет поле «адрес», по которому благодаря дешифратору ад­реса только одна машина, которой предназначается сообщение, считывает его, затем обрабатывает.
Остальные машины игно­рируют это сообщение.
Такие технологии с успехом используют­ся в небольших локальных сетях.

Общая характеристика локальных сетей

Общая характеристика локальных сетей
Сети с передачей от «точки к точке» состоят из большого числа соединенных машин и используются, в отличие от преды­дущей технологии, в больших корпоративных сетях.
Передавае­мые пакеты проходят через ряд промежуточных машин по не­коему ранее вычисленному алгоритму пути от источника к полу­чателю.
При этом промежуточные машины осуществляют только транспортировку сообщений.

Общая характеристика локальных сетей
Что касается способа описания конфигурации сетей, то существует три основные топологии сети, рассмотренные ра­нее:
• шинная,
• кольцевая,
• и топология типа «звезда».
Эти три топологии обла­дают свойством однородности, т. е. все компьютеры в такой сети имеют равные права в отношении доступа к другим компьюте­рам.
Такая однородность структуры делает простой процедуру наращивания числа компьютеров, облегчает обслуживание и эксплуатацию сети.

Общая характеристика локальных сетей
Ячеистая топологии сети не входит в число основных топологий.

Общая характеристика локальных сетей
В сетях трёх основных топологий использова­ние типовых структур порождает различные ограничения, важ­нейшими из которых являются:
• ограничения на длину связи между узлами;
• ограничения на количество узлов;
• ограничения на интенсивность трафика, порождаемого узлами сети.
Для снятия этих ограничений используются специальные структуризации сети и специальное структурообразующее оборудо­вание – повторители, концентраторы, мосты, коммутаторы, мар­шрутизаторы.

Общая характеристика локальных сетей

Общая характеристика локальных сетей
При организации взаимодействия узлов в локальных сетях основная роль отводится протоколу канального уровня.
Однако для того, чтобы канальный уровень мог справиться с этой зада­чей, структура локальных сетей должна быть вполне определен­ной.
Так, например, наиболее популярный протокол канального уровня – Ethernet – рассчитан на параллельное подключение всех узлов сети к общей для них шине – отрезку коаксиального кабеля или иерархической древовидной структуре сегментов, об­разованных повторителями.
Протокол Token Ring также рассчи­тан на вполне определенную конфигурацию – соединение ком­пьютеров в виде логического кольца.

Методы доступа к среде передачи данных

Методы доступа к среде передачи данных
Под доступом к сети понимают взаимодействие компьютера в сети со средой передачи данных для обмена информацией с дру­гими ЭВМ.
В настоящее время наиболее распространенными методами доступа (правами на передачу информации) к локальной сети являются:
• случайный доступ CSMA/CD (carrier sense multiple access with collision detection) – множественный доступ с контро­лем несущей и обнаружением конфликтов.
• маркерные методы – на основе маркерной шины и маркерного кольца.

Методы доступа к среде передачи данных

Методы доступа к среде передачи данных
Существует две разновидности метода случайного доступа СSМA/СD: – множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов,
– и приоритетный доступ.

Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов

Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов
В сетях Ethemet используется метод доступа к среде передачи данных, называемый методом коллективного доступа с опознава­нием несущей и обнаружением коллизий CSМA/CD.
Этот метод применяется исключительно в сетях с логической общей шиной.
Все компьютеры такой сети имеют непосредст­венный доступ к общей шине, поэтому она может быть исполь­зована для передачи данных между любыми двумя узлами сети.

Методы доступа к среде передачи данных

Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов
Одновременно все компьютеры сети имеют возможность немед­ленно (с учетом задержки распространения сигнала по физиче­ской среде) получить данные, которые любой из компьютеров начал передавать на общую шину.
Все данные, передаваемые по сети, помещаются в кадры определенной структуры и снабжаются уникальным адресом станции назначения.

Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов
Чтобы получить возможность передавать кадр, станция должна убедиться, что разделяемая среда свободна.
Это достига­ется прослушиванием основной гармоники сигнала, которая также называется несущей частотой (carrier-sense -CS).
При­знаком незанятости среды является отсутствие на ней несущей частоты, которая при манчестерском способе кодирования равна 5-10 МГц, в зависимости от последовательности единиц и ну­лей, передаваемых в данный момент.

Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов
Если среда свободна, то узел имеет право начать передачу кадра.
В сети Ethemet на коаксиальном кабеле сигналы передат­чика узла распространяются в обе стороны, так что все узлы сети их получают.
Кадр данных всегда сопровождается преамбу­лой (preamble).
Преамбула нужна для вхождения приемника в побитовый и побайтовый синхро­низм с передатчиком.

Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов
Все станции, подключенные к кабелю, могут распознать факт передачи кадра, и та станция, которая узнает собственный адрес в заголовках кадра, записывает его содержимое в свой внутренний буфер, обрабатывает полученные данные, передает их вверх по своему стеку, а затем посылает по кабелю кадр-ответ.
Адрес станции источника содержится в исходном кадре, по­этому станция-получатель знает, кому нужно послать ответ.

Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов
Если другой узел, желающий начать передачу, обнаружил, что среда занята (на ней присутствует несущая частота), он будет вынужден ждать, пока первый узел не прекратит передачу кадра.
После окончания передачи кадра все узлы сети обязаны выдержать технологическую паузу (lnter Packet Gap) в 9,6 мкс.
Эта пауза, называемая также межкадровым интервалом, нужна для приведения сетевых адаптеров в исходное состояние, а также для предотвращения монопольного захвата среды одной станцией.

Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов
После окончания технологической паузы узлы имеют право начать передачу своего кадра, так как среда свободна.
Из-за задер­жек распространения сигнала по кабелю не все узлы строго од­новременно фиксируют факт окончания передачи кадра.
При описанном подходе возможна ситуация, когда две стан­ции одновременно пытаются передать кадр данных по общей среде.
Механизм прослушивания среды и пауза между кадрами не гарантируют от возникновения такой ситуации, когда две станции одновременно решают, что среда свободна, и начинают передавать свои кадры.

Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов
Говорят, что при этом проис­ходит коллизия (collision), так как содержимое обоих кадров стал­кивается на общем кабеле и происходит искажение информации.
Методы кодирования, используемые в Ethernet, не позволяют выделять сигналы каждой станции из общего сигнала.
Коллизия является нормальной ситуацией в работе сетей Ethernet.
Для возникновения коллизии не обязательно, чтобы несколько станций начали передачу абсолютно одновременно, такая ситуация маловероятна.

Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов
Гораздо вероятней, что коллизия возникает из-за того, что один узел начинает передачу раньше другого, но до второго узла сигналы первого просто не успевают дойти к тому времени, когда второй узел решает начать передачу своего кадра.
То есть коллизии – это следствие распределенного характера сети.
Чтобы корректно обработать коллизию, все стан­ции одновременно наблюдают за возникающими на кабеле сигналами.

Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов
Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличают­ся, то фиксируется обнаружение коллизии.
Для увеличения вероятности скорейшего обнаружения коллизии всеми станциями сети станция, которая обнаружила кол­лизию, прерывает передачу своего кадра и усиливает ситуацию колли­зии посылкой в сеть специальной последовательности из 32 бит, называемой jаm-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.

Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов
Следует отметить, что метод доступа CSMA/CD вообще не гарантирует станции, что она когда-либо сможет получить доступ к среде.
Конечно, при небольшой загрузке сети вероятность та­кого события невелика, но при коэффициенте использования сети, приближающемся к 1, такое событие становится очень вероятным.
Этот недостаток метода случайного доступа – пла­та за его чрезвычайную простоту, которая сделала технологию Ethernet самой недорогой.
Другие методы доступа – доступ сетей Token Ring, FDDI и другие – свободны от этого не­достатка.

Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов
Четкое распознавание коллизий всеми станциями сети явля­ется необходимым условием корректной работы сети Ethernet.
Если какая-либо передающая станция не распознает коллизию и решит, что кадр данных ею передан верно, то этот кадр данных будет утерян.
Из-за наложения сигналов при коллизии инфор­мация кадра исказится, и он будет отбракован принимающей станцией (возможно, из-за несовпадения контрольной суммы).
Скорее всего, искаженная информация будет повторно передана каким-либо протоколом верхнего уровня, например транспортным или прикладным, работающим с установлением соедине­ния.

Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов
Но повторная передача сообщения протоколами верхних уровней произойдет через значительно более длительный интер­вал времени (иногда даже через несколько секунд) по сравнению с микросекундными интервалами, которыми оперирует прото­кол Ethemet.
Поэтому если коллизии не будут надежно распо­знаваться узлами сети Ethemet, то это приведет к заметному снижению полезной пропускной способности данной сети.

Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов
Для надежного распознавания коллизий должно выполнять­ся следующее соотношение:
где Tmin – время передачи кадра минимальной длины;
PDV – время, за которое сигнал коллизии успевает распространиться до самого дальнего узла сети.
Так как в худшем случае сигнал должен пройти дважды меж­ду наиболее удаленными друг от друга станциями сети (в одну сторону проходит неискаженный сигнал, а на обратном пути распространяется уже искаженный коллизией сигнал), то это время называется временем двойного оборота (Path Delay Value -PDV).

Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов
При выполнении этого условия передающая станция должна успевать обнаружить коллизию, которую вызвал переданный ее кадр, еще до того, как она закончит передачу этого кадра.
Оче­видно, что выполнение этого условия зависит, с одной стороны, от длины минимального кадра и пропускной способности сети, а с другой стороны, от длины кабельной системы сети и скоро­сти распространения сигнала в кабеле (для разных типов кабеля эта скорость несколько отличается).

Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов
Все параметры протокола Ethemet подобраны таким обра­зом, чтобы при нормальной работе узлов сети коллизии всегда четко распознавались.
При выборе параметров, конечно, учиты­валось и приведенное выше соотношение, связывающее между собой минимальную длину кадра и максимальное расстояние между станциями в сегменте сети.
В результате учета всех этих и некоторых других факторов было тщательно подобрано соотношение между минимальной длиной кадра и максимально возможным расстоянием между станциями сети, которое обеспечивает надежное распознавание коллизий.

Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов
Это расстояние называют также максимальным диа­метром сети.
С увеличением скорости передачи кадров, что имеет место в новых стандартах, базирующихся на том же методе доступа CSMA/CD, например Fast Ethernet, максимальное расстояние между станциями сети уменьшается пропорционально увеличению скорости передачи.
В стандарте Fast Ethemet оно составляет около 210 м, а в стандарте Gigablt Ethemet оно было бы ограни­чено 25 метрами, если бы разработчики стандарта не предприня­ли некоторых мер по увеличению минимального размера пакета.

Приоритетный доступ

Приоритетный доступ
При этом способе концентратор, получив одновременно два запроса, отдает предпочтение тому, который имеет более высокий приоритет.
Эта технология реализуется в виде системы с оп­росом.
Интеллектуальный концентратор опрашивает подклю­ченные к нему компьютеры и при наличии у нескольких из них запроса на передачу разрешает передать пакет данных тому, у которого приоритет, установленный для него, выше.

Приоритетный доступ
Одним из примеров такого доступа является технология 100 VG (Voice Grade – голосовой канал) Any Lan, обладающая следующими возможностями:
• скорость передачи данных – более 100 Мбит/с;
• поддержка структурированной кабельной системы на осно­ве витой пары и оптоволоконного кабеля.

Маркерные методы доступа

Маркерные методы доступа
К маркерным методам доступа относятся два наиболее известных типа передачи данных по локальной сети:
• маркерная шина (стандарт IEEE 802.4),
• и маркерное кольцо (стандарт IEEE 802.5)
Маркер – управляющая последовательность бит, передавае­мая компьютером по сети.
Маркер предназначен для управления доступом к сети компьютеров в маркерных методах доступа.

Маркерные методы доступа

Маркерные методы доступа

Маркерные методы доступа
Станция, имеющая данные для передачи, получив маркер, изымает его из кольца, тем самым получая право на передачу ин­формации.
Далее станция заменяет маркер кадром данных установленного формата и отправляет его следующей станции.
Станция, у которой нет данных для передачи, получив маркер, передаёт его очередной станции.

Контрольные вопросы по предыдущим темам
Назовите основным показатели качества ИВС.
Что называют средней, максимальной и мгновенной пропускной способностью линий связи?
Что такое задержка передачи? К чему она может привести?
Что такое аналоговая модуляция?
Для чего применяется мультиплексирование?

Список литературы:
Компьютерные сети. Н.В. Максимов, И.И. Попов, 4-е издание, переработанное и дополненное, «Форум», Москва, 2015.
Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы, В. Олифер, Н. Олифер (5-е издание), «Питер», Москва, Санк-Петербург, 2016.
Компьютерные сети. Э. Таненбаум, 4-е издание, «Питер», Москва, Санк-Петербург, 2003.
Построение сетей на базе коммутаторов и маршрутизаторов / Н.Н. Васин, Национальный Открытый Университет «ИНТУИТ», 2016.
Компьютерные сети : учебное пособие / А.В. Кузин, 3-е издание, издательство «Форум», Москва, 2017.

Список ссылок:
http://polpoz.ru/umot/lokalenaya-sete-ooo-nadejnij-kontakt/10.png
https://elekt.tech/wp-content/uploads/2018/12/Image_4_08.jpg
https://c.dns-shop.ru/thumb/st1/fit/760/456/cbac3ff34171cdbb4827605ab32332ec/q93_7da92c68f320589721689b6dc246f8d168040848be8ff007c63aae17cc4cef20.png
http://900igr.net/up/datas/266674/010.jpg
https://www.qoovee.com/media/files/cis3.jpg
https://bstudy.net/htm/img/18/12528/71.png
https://emkelektron.webnode.com/_files/200001159-c387cc387f/%D0%A0%D0%B8%D1%8133.jpg
https://konspekta.net/infopediasu/baza17/28196504118.files/image172.png
https://vpk.name/file/img/sj100-2.gif
https://evileg.com/media/uploads/2016/10/09/network-6.png
http://sdz.tdct.org/sdz/medias/uploads.siteduzero.com_files_178001_179000_178599.png