Лекция 13-14. 7. СЕТЕВЫЕ АРХИТЕКТУРЫ
Сетевая архитектура – это комбинация стандартов, топологий и протоколов , необходимых для создания работоспособной сети. В соответствии со стандартными протоколами физического уровня выделяют три основные сетевые архитектуры: Ethernet (протокол 802,3) и Fast Ethernet (протокол 802,30); ArcNet (протокол 802,4); Token Ring (протокол 802.5). Рассмотрим каждую из сетевых архитектур более подробно.
7.1. Ethernet
Это самая популярная в настоящее время сетевая архитектура. Она использует:
физические топологии «шина», «звезда» или «звезда –шина»;
логическую топологию «шина»;
узкополосную передачу данных со скоростями 10 и 100 Мбит/с;
метод доступа – CSMA/CD.
Рис. 7.1. Формат кадра в Ethernet
Поле «Тип протокола» используется для идентификации протокола сетевого уровня (IPX и IP) – маршрутизируемый или нет. Спецификация Ethernet выполняет функции физического и канального уровня модели OSI. Различают несколько стандартов сетевых архитектур Ethernet:
10BaseT – на основе витой пары;
10Base2 – на тонком коаксиале;
10Base5 – на толстом коаксиале;
10BaseFL – на оптоволокне;
10BaseX – со скоростью передачи 100 Мбит/с, который включает в себя ряд спецификаций в зависимости от среды передачи.
7.1.1. Стандарт 10BaseT
Физическая топология представляет собой «звезду» на основе витой пары, соединяющей все узлы сети с концентратором, используя две пары проводов: одну для передачи, другую – для приема (рис. 7.2).
Логически (т.е. по системе передачи сигналов) данная архитектура представляет собой «шину» как и все архитектуры Ethernet. Концентратор выступает как многопортовый репитер. Длина сегмента от 2,5 до 100 м. ЛВС стандарта 10BaseT может обслуживать до 1024 компьютеров.
Концентратор
Концентратор
РС
РС
2,5 – 100 м сегмент
(витая пара UTP категории 3, 4, 5)
Рис. 7.2. Сеть стандарта 10BaseT
Достоинством является возможность использования распределительных стоек и панелей коммутации, что позволяет легко перекоммутировать сеть или добавить новый узел без остановки работы сети. Новейшие концентраторы позволяют расширять топологию сети, соединив отдельные концентраторы между собой магистралью на основе коаксиального или оптоволоконного кабеля и получить топологию «звезда – шина».
7.1.2. Стандарт 10Base2
С
до 30 рабочих станций mmdf
еть такого типа ориентирована на тонкий коаксиальный кабель с максимальной длиной сегмента 185 м и возможностью подключения к одному сегменту до 30 ЭВМ (рис. 7.3).
…
Рис. 7.3. Архитектура сети стандарта 10Base2
Эта сетевая архитектура физически и логически представляет собой «шину». С использованием репитеров может быть увеличена общая протяженность сети введением дополнительных сегментов. Однако при этом необходимо учитывать правило 5-4-3 . Сеть на тонком коаксиале может состоять максимум из 5 сегментов кабеля, соединенных 4 репитерами. При
этом только к 3 сегментам можно подключать рабочие станции. Два из пяти сегментов являются межрепитерными связями и служат только для увеличения длины сети (рис. 7.4). Максимальное число компьютеров до 1024, а общая длина сети до 925м.
… …
Рис. 7.4. Правило 5-4-3 для сети стандарта 10Base2.
7.1.3. Стандарт 10Base5
Сетевая архитектура на толстом Ethernet логически и физически представляет собой «шину» (рис. 7.5). Магистральный сегмент (т. е. главный кабель, к которому подключаются трансиверы для связи с РС) имеет длину до 500 м и возможность подключения до 100 компьютеров. С использованием репитеров, которые также подключаются к магистральному сегменту через трансиверы, общая длина сети может составить 2500 м.
Трансивер
Трансивер
до 100 РС
. . .
Рис. 7.5. Сеть стандарта 10Base5
При расширении сети справедливо правило 5–4–3 и возможно комбинирование тонкого и толстого кабеля. В этом случае в качестве магистрали, способной передавать данные не большие расстояния, используется толстый кабель, а в качестве ответвляющих сегментов используют тонкий.
7.1.4. Стандарт 10BaseFL
Данная архитектура строится на оптоволоконном кабеле, доступ к которому со стороны компьютеров и репитеров осуществляется с помощью трансиверов (рис. 7.6). На сегодняшний день в основном используются внешние трансиверы.
оптический ответвитель
Рис. 7.6. Сеть стандарта 10BaseFL
Особенность этих трансиверов в том, что их передатчики преобразуют электрические сигналы от ЭВМ в световые импульсы, а приемники – световые в электрические. Популярность использования 10BaseFL обусловлена:
высокой помехозащищенностью;
возможностью прокладки кабеля между репитерами на большие расстояния, т. к. длина сегмента до 2 – 4 км;
использование повторителей позволяющих реализовать «каскадные звезды» путем соединения оптических ответвителей.
7.1.5. Стандарт 100BaseX Ethernet
Этот стандарт, иногда называемый Fast Ethernet, является расширением существующей сетевой архитектуры Ethernet и соответствует протоколу физического уровня IEEE 802.30. Его особенностью является то, что он сохранил стандартный для Ethernet метод доступа CSMA/CD, от которого отходили разработчики других технологий повышенной скорости передачи в сети. Сохранение метода доступа означает, что имеющиеся в наличие драйверы для Ethernet будут работать без изменений.
Преимуществом этой технологии, появившейся в конце 1993 года, является то, что степень ее совместимости с Ethernet–сетями, позволяет интегрировать ее в эти сети с помощью двухскоростных сетевых адаптеров или мостов. Данная сетевая архитектура использует физическую топологию «звезда» или «звезда – шина» (подобно 10BaseT), где все кабели подключаются к концентратору (рис. 7.7). Различают три спецификации среды:
100BaseT4 (UTR категории 3, 4 или 5 с 4-мя парами);
100BaseTX (UTR или STP категории 5 с 2-мя парами);
100BaseFX (двужильный оптоволоконный кабель).
7.1.6. Сегментация сети
Мы уже рассматривали задачу построения сети из нескольких сегментов. В частности, если не хватает длины одного сегмента для соединения всех пользователей сети, то можно через репитер подключить еще один сегмент. Но иногда возникает и другая задача. Пусть имеем сегмент сети с очень интенсивным трафиком, который снижает производительность всей сети. Повысить ее производительность можно, если разделить перегруженный сегмент на два и соединить их с помощью моста или маршрутизатора (рис. 7.8). Тогда трафик в каждом сегменте уменьшится, т.к. меньшее число компьютеров в каждом из сегментов попытается осуществить передачу, и время доступа к кабелю сокращается. Сегментация может помочь и при ограничении доступа к конфиденциальной информации.
7.2. Сетевые архитектуры ArcNet и ArcNet Plus
Это простая, гибкая и недорогая сетевая архитектура, поддерживающая протокол физического уровня IEEE 802.4:
физическая топология - «звезда», «шина», «звезда – шина»;
логическая топология – упорядоченное «кольцо»;
широкополосная передача данных 2,5 Мбит/с и 20 Мбит/с (для ArcNet Plus);
метод доступа маркерный;
средой передачи может быть:
коаксиальный кабель (длиной 600 м при «звезде» и 300 м при «шине»);
витая пара (максимальная длина 244 м – при «звезде» и «шине»);
Рис. 7.9. Архитектура Arc Net
омпьютеры могут быть коаксиальным кабелем связаны в шину или в иных случаях подключены к концентраторам, которые могут быть: пассивными; активными; интеллектуальными. Пассивные концентраторы просто осуществляют коммутацию кабельных соединений сети. Активные – восстанавливают и ретранслируют сигнал. Интеллектуальные - обнаруживают изменения в сети и удаленно управляют работой сетевых устройств.
Особенность маркерного доступа ArcNet (рис.7.9) состоит в том, что:
все компьютеры имеют свои сетевые адреса;
маркер передается между компьютерами согласно их номерам;
маркер двигается от компьютера с меньшим номером к компьютеру с более высоким номером, хотя тот может находиться на другом конце сети;
приемник, получив маркер, добавляет к нему свой пакет, который, дойдя до адресата, освобождает маркер.
Рис. 7.10. Пакт передачи информации в ArcNet
Общее количество узлов: 255 – ArcNet; 2047 – Arc Net Plus. ArcNet – это одна из самых старых сетевых архитектур, реализованная недавно фирмой DataPoint в более современную ArcNet Plus. Однако на смену этим архитектурам приходят более современные и производительные. Одной из таких архитектур является FDDI, которая будет рассмотрена ниже. А сейчас познакомимся с давно используемой и хорошо зарекомендовавшей себя архитектурой.
7.3. Token Ring (Маркерное кольцо)
Данная сетевая архитектура была разработана и внедрена фирмой IBM еще в 1984 г. как часть предложенного ею способа объединить в сеть весь ряд выпускаемых IBM компьютеров: персональные компьютеры; средние ЭВМ и мейнфреймы. Разрабатывая эту технологию, IBM ставила задачу обеспечить простоту монтажа кабеля – витой пары – соединяющего компьютер с сетью через розетку. Token Ring является реализацией протокола физического уровня IEEE 802.5:
физическая топология – «звезда»;
логическая топология – «кольцо»;
узкополосный тип передачи;
скорость передачи 4 и 16 Мбит/с;
соединение неэкранированной и экранированной витой пары;
метод доступа – маркерное кольцо.
Указывается: передается кадр маркера или кадр данных
Содержит информацию: кадр – для всех РС;
кадр - для одной РС
Сообщает: был ли распознан и скопирован кадр (доступен ли адрес приемника)
Рис. 7.11. Формат кадра, используемый в сетях Token Ring
7.3.1. Аппаратные компоненты
Логическое кольцо в этой сетевой архитектуре организуется концентратором, который называется модулем множественного доступа (MSAU – MultyStation Access Unit) или интеллектуальным модулем множественного доступа (SMAU – Smart Multystation Access Unit). Кабели (витые пары) соединяют клиентов и серверов с MSAU, который работает по принципу других концентраторов.
Рис. 7.12. Логическое кольцо
При соединении компьютеров он включается в кольцо (рис. 7.12). IBM MSAU имеет 10 портов соединения. К нему можно подключить до 8 компьютеров. Каждое кольцо может содержать до 33 концентраторов.
Общее число компьютеров – 72 при использовании UTP и 260 при использовании STP. Другие производители выпускают MSAU большей емкости (в зависимости от модели). Расширение логического кольца на базе концентраторов позволяет увеличить общее количество узлов в сети (рис. 7.13).
При этом расстояние между концентраторами до 45м (152м), а каждая РС соединяется с MSAU: при UTP - сегментом до 45м; при STR - сегментом до 100м. Расстояние между MSAU можно увеличить до 365, установив репитер.
Репитер
Рис. 7.13. Расширение логического кольца
Известны две модели сетевых плат на 4 и 16 Мбит/с. Платы на 16Мбит/с могут обеспечить передачу более длинных кадров, что сокращает количество передач для одного и того же объема данных.
7.3.2. Мониторинг системы
Компьютер, который первым начал работу, наделяется системой Token Ring особыми функциями. Этот компьютер:
должен наблюдать за работой всей системы;
осуществляет текущий ее контроль;
проверяет корректность отправки и получения кадров;
отслеживает кадры, проходящие по кольцу более одного раза;
гарантирует, что в кольце одновременно находится лишь один маркер.
В «теоретической» кольцевой топологии вышедший из строя компьютер останавливает движение маркера, что в свою очередь останавливает работу всей сети. В реальных сетевых архитектурах Token Ring используются интеллектуальные концентраторы, которые в состоянии обнаружить отказавшую сетевую плату (РС) и во время отключить ее.
Эта процедура позволяет “обойти” отказавший компьютер, поэтому маркер продолжает свое движение. Таким образом, отказавший компьютер не влияет на работу сети.
7.4. FDDI - распределенный волоконно-оптический интерфейс
передачи данных
7.4.1. Общие характеристики
Одной из современных сетевых архитектур является архитектура FDDI (Fiber Distributed Data Interface), которая определяет:
двухкольцевую топологию на основе оптоволокна;
с маркерным методом доступа;
со скоростью передачи 100 Мбит/с;
при общей длине колец до 200 км.
захватывает маркер на определенный интервал времени;
за этот интервал передает столько кадров, сколько успеет;
завершает передачу либо по окончании выделенного интервала времени, либо из-за отсутствия передаваемых кадров.
FDDI основана на технологии совместного использования сети. Это означает, что передавать данные одновременно могут несколько компьютеров. Хотя FDDI работает со скоростью 100 Мбит/с, технология совместного использования может стать причиной ее перегрузки. Так, если 10 компьютеров начнут передавать данные со скоростью 10 Мбит/с каждый, общий поток будет равен 100 Мбит/с. А при передачи видеоинформации или данных мультимедиа среда передачи окажется потенциально узким местом системы.
7.4.2. Топология и аппаратные компоненты
F
Рис. 7.14. Топология FDDI
DDI использует передачу маркера в двойном кольце. Трафик сети состоит из двух похожих потоков, движущихся в противоположных направлениях по двум кольцам: основному и дополнительному (рис. 7.14). Обычно данные передаются по основному кольцу. Если в основном происходит сбой, сеть автоматически реконфигурируется, и данные начинают передаваться по второму кольцу в другом направлении. Одно из достоинств FDDI – избыточность: одно кольцо является резервным.
При отказе кольца или разрыве кабеля сеть автоматически переконфигурируется и передача продолжится. Существуют ограничения:
длина кабеля объединенных колец до 200 км;
общее количество компьютеров до 1000 штук;
через каждые 2 км необходима установка репитера.
Так как второе кольцо предназначено для защиты от сбоев, то для высоконадежной передачи эти показатели надо делить на два (500 компьютеров при длине каждого кольца в 100 км). Компьютеры могут подключаться к одному или обоим кольцам (рис. 7.15): станции класса А подключены к обоим кольцам; станции класса В только к основному. Если происходит сбой сети, станции класса А участвуют в переконфигурации, а станции класса В – не участвуют.
Ф
концентратор
Рис. 7.15. Подключение РС к кольцам в FDDI
изически FDDI имеет топологию «звезда». При этом отдельные компьютеры могут иметь соединение «точка-точка» с концентратором. Такое решение позволяет использовать интеллектуальные концентраторы для сетевого управления и поиска неисправностей.
7.4.3. Мониторинг системы
Все компьютеры в среде FDDI отвечают за мониторинг передачи маркера. Чтобы изолировать серьезные сбои в кольце, используется метод, который называется «испускание маяка» («beaconing») (рис. 7.16). Суть метода заключается в следующем:
Компьютер, обнаруживший сбой, посылает в сеть сигнал, который получил название «маяк».
Он посылает его до тех пор, пока не примет маяк предшествующего ему компьютера в кольце.
Процесс продолжается до тех пор, пока в кольце не останется только один компьютер, испускающий маяк (т.е. тот, который находится за неисправным).
Когда компьютер примет свой собственный маяк, он «понимает», что неисправность устранена, восстанавливает маркер кольца и сеть возвращается к нормальной работе.
Компьютер 1 отказал. Компьютер 3 обнаружил сбой, изъял из кольца маркер (обозначен символом "м" на рисунке) и посылает маяк (обозначен символом "с" на рисунке). Он будет посылать маяк до тех пор, пока не примет свой сигнал или маяк от компьютера 2 (рис.7.16а).
Обнаружен сбой
Рис. 7.16. Мониторинг передачи маркера
Компьютер 2, не получив нормального маркерного сообщения, обнаруживает сбой и посылает новый сигнал - свой маяк - в сеть. Компьютер 3, получив маяк от компьютера 2, прекращает передавать свой маяк (рис.7.16б).
Так как компьютер 1 неисправен, то компьютер 2 продолжает посылать маяк. Этот сигнал указывает на то, что сбой произошел на компьютере 1 (рис.7.16в).
Если компьютер 1 восстановил свою работоспособность или отключен от сети, компьютер 2 принимает свой собственный маяк, что приводить к восстановлению работы сети (рис.7.16г).
7.4.4. Области применения FDDI
FDDI обеспечивает высокоскоростную связь между сетями различных типов и может применяться в сетях городского масштаба.
Используется для соединения больших или мини-компьютеров в традиционных компьютерных залах, обслуживая очень интенсивную передачу файлов.
Выступает в качестве магистральных сетей, к которым подключаются ЛВС малой производительности. Подключать все оборудование фирмы к одной ЛВС – не самое мудрое решение. Это может перегрузить сеть, а сбой какого-либо компонента – остановить работу всей фирмы.
Локальные сети, где нужна высокая скорость передачи данных. Это сети, состоящие из инженерных РС и компьютеров, где ведется видеообработка, работают системы автоматизированного проектирования, управления производством.
Любое учреждение, нуждающееся в высокоскоростной обработке. Даже в офисах коммерческих фирм производство графики или мультимедиа для презентаций и других документов нередко вызывает перегрузку сети.
Контрольные вопросы:
Архитектура Ethernet.
Формат кадра в Ethernet.
Сегментация сети.
Сетевые архитектуры ArcNet и ArcNet Plus.
FDDI - распределенный волоконно-оптический интерфейс передачи данных.
Общие характеристики FDDI/
Области применения FDDI.
Здравствуйте, уважаемые посетители сайта сайт! Сети должны поддерживать широкий набор приложений и служб, а также работать посредством большого количества различных типов физических инфраструктур. Термин сетевая архитектура в данном контексте подразумевает как технологии, поддерживающие инфрастуктуру, так и на программные службы и протоколы, которые передают сообщения по этой архитектуре. Поскольку вообще, развиваются, мы находим четыре основных характеристики, лежащие в основе архитектур, которые необходимо реализовать, чтобы удовлетворить ожидания пользователя: , и .
Масштабируемая сеть может быстро расширяться для поддержки новых пользователей и приложений без воздействия на производительность сервиса, предоставляемого уже существующим пользователям. Тысячи новых пользователей и провайдеров служб подключаются к каждую неделю. Возможность сети поддерживать эти новые взаимосвязи зависит от многоуровневого иерархического дизайна лежащей в основе физической инфраструктуры и логической архитектуры сети. Работа каждого уровня позволяет пользователям или провайдерам служб подключаться к Интернету без нарушения функционирования целой сети. Технологические разработки постоянно увеличивают возможности передачи сообщений и производительность компонентов физической инфраструктуры на каждом уровне. Эти разработки вместе с новыми способами определения и локализации отдельных пользователей в объединенной сети позволяют развиваться в соответствии с запросами и требованиями пользователей.
Качество Сервиса (от англ. Quality of Service или QoS)
На настоящий момент предоставляет приемлемый уровень отказоустойчивости и масштабируемости для пользователей. Но новые приложения, доступные пользователям посредством объединенных сетей, создают более высокие ожидания для качества предоставляемых служб. Голосовая связь и видео передачи требуют уровень стойкого качества и непрерывной передачи, которые не требовались для традиционных компьютерных приложений. Качество этих служб измеряется в сравнении с прослушиванием/просмотром тех же аудио или видео презентаций непосредственно (не через ). Традиционные голосовые и видео сети спроектированы для поддержки одного типа передачи, и потому они способны предоставлять приемлемый уровень качества. Новые требования к поддержке этого качества сервиса в конвергированной сети меняют метод проектирования и реализации сетевых архитектур.
Развился из жестко контролируемой объединенной сети образовательных и правительственных организаций в глобально доступную сеть, ставшую средством личных и деловых коммуникаций. В результате изменились требования безопасности сети. Ожидания безопасности и секретности, связанные с использованием объединенных сетей для обмена конфеденциальной и деловой секретной информацией, превышают возможности, которые может предоставить текущая архитектура сети . Быстрое расширение в областях коммуникации, которые не обслуживались традиционными , увеличивает необходимость встраивания безопасности в сетевую архитектуру. В связи с этим прилагается очень много усилий в данной области исследований и разработок, а также реализуется множество инструментов и процедур для ликвидации неотъемлемых дыр в безопасности сетевой архитектуры.
Спасибо за внимание!.
15.02.1997 Мирослав Макстеник
Требования к современным компьютерным сетям Примеры сетевых архитектур Методика оценки сетевых архитектур Корреляционный анализ Совместная обработка изображений Моделирование окружающей среды Построение сетей В связи с развитием компьютерных технологий разработка сетей усложнилась.
Рисунок 2.
Маршрутизируемая магистраль.
Недостатком такой сети является ее ограниченная масштабируемость. Кроме того, для поддержания в маршрутизируемой магистрали достаточно большой скорости передачи данных необходим очень производительный маршрутизатор. Эта архитектура не предусматривает никакой
иерархической структуры магистрали, поскольку сервер напрямую подключается к ней через 10 Мбит/с Ethernet. Такое подключение может создавать заторы, например когда большое число пользователей хочет получить доступ к совместно используемой базе данных.
FDDI-магистраль (рисунок 3) - это единый канал, связывающий FDDI-серверы с рабочими группами Ethernet через один или несколько маршрутизаторов среднего класса. Такая сеть может объединять компьютеры, расположенные в отдельном здании или небольшом университетском городке.
(1x1)
Рисунок 3.
FDDI-магистраль.
Простота управления протоколами и возможность установки защитного экрана на границе между рабочей группой и магистралью - основные достоинства такой архитектуры. Высокоскоростная магистраль обрабатывает общий поток информации и высокоскоростные операции сервер-сервер. Хорошая масштабируемость обеспечивается тем, что к FDDI-магистрали можно подключить много рабочих групп и маршрутизаторов, прежде чем будут полностью исчерпаны ресурсы этой архитектуры.
Однако изменение конфигурации сети приводит к появлению большого количества портов на маршрутизаторах, каждый со своим адресом подсети. Управление всеми устройствами и адресами - тяжелая работа, с которой может справиться только опытный администратор. Ретрансляция между маршрутизатором Ethernet и FDDI-сетью может снизить производительность программного обеспечения. Проблема усугубляется, если FDDI-магистраль необходимо сегментировать для передачи больших объемов информации.
Сеть с коммутацией кадров 10/100 (рисунок 4) строится на основе коммутаторов, каждый из которых имеет двенадцать 10 Мбит/с интерфейсов с концентраторами рабочих групп (или рабочими станциями) и два 100 Мбит/с интерфейса для связи с серверами. Такая архитектура может использоваться для обеспечения высокой производительности сети в рабочих группах или для создания магистрали.
(1х1)
Рисунок 4.
Сеть с коммутацией кадров 10/100.
Эта архитектура очень проста, что облегчает управление сетью. При этом "чистые" Ethernet-сети обычно работают по принципу plug-and-play. "Virtual LAN" позволяет создавать логические рабочие группы и устанавливать защитный экран. Высокая производительность сети обеспечивает хорошее время реакции клиент-серверного программного обеспечения при передаче информации между серверами и централизованными ресурсами.
К сожалению, продукты для такой архитектуры, поддерживающие сети Token Ring, появились только к концу 1995 г., поэтому их "развитие" несколько запоздало. Кроме того, способы объединения пользователей и устройств в логические группы с помощью коммутаторов не стандартизированы, и реализация этой возможности у различных производителей может различаться. Поэтому при создании сети очень важно правильно выбрать производителя продуктов для коммутации кадров.
ATM-коммутатор связывает ATM-серверы, адаптеры Adj Path и 150 Мбит/с ATM-каналы с коммутатором ячеек магистрали (рисунок 5). Адаптеры Adj Path обеспечивают 10 Мбит/с Ethernet-связи серверов с рабочими группами или отдельными компьютерами. Такая архитектура может использоваться для обеспечения высокой производительности в рабочих группах или создания магистралей в одном или нескольких зданиях.
(1х1)
Рисунок 5.
ATM и коммутацией кадров.
Созданная в соответствии с такой архитектурой высокоскоростная магистраль позволяет обрабатывать большое количество информации и эффективно осуществлять операции сервер-сервер. Отличная масштабируемость этой архитектуры позволяет создавать смешанную систему коммутаторов кадров или ячеек. Скорость отдельного интерфейса можно увеличить с помощью Fast Ethernet или более скоростных ATM-связей. "Virtual LAN" позволяет создавать рабочие группы управления, а серверы могут быть централизованы, хотя логически будут оставаться близко к пользователям, что упрощает администрирование сети.
ATM - сравнительно молодая технология, поэтому стандарты для нее еще не до конца сформированы. Следовательно, ATM-решения потребуют контактов с поставщиками оборудования.
Методика оценки сетевых архитектур
Сравнение сетей, построенных на основе описанных выше сетевых архитектур, производилось по скорости выполнения трех различных операций:
- классического обмена информацией между клиентом и сервером;
- совместной обработки изображений;
- математического моделирования.
Результаты сравнения обощаются на рисунках (они будут приведены в следующих разделах), где показаны зависимости времени реакции сети от количества обслуживаемых пользователей при выполнении каждой из указанных операций и предложены различные архитектуры сетей для их поддержания. Для построения зависимостей использовались данные, полученные в результате моделирования сетевых операций с помощью процесса планирования Traffic Mappingo фирмы NCRI. Эти данные не универсальны и предназначены только для сравнения средней относительной производительности разных сетевых архитектур. Скорости передачи информации в реальных сетях могут отличаться от указанных. Это зависит от конкретной реализации продукта, дизайна и настройки программного обеспечения, а также способов их применения.
При моделировании сетевых операций были приняты следующие важные допущения и ограничения.
Число пользователей, которые могут одновременно работать в сети с каждой конкретной архитектурой, определялось по следующей схеме.
1. Подсчитывалось количество пользователей в рабочей группе, которые могут одновременно запустить исследуемую операцию.
2. Определялся объем информации, который может сгенерировать одна рабочая группа.
3. Подсчитывалось количество рабочих групп, которые могут одновременно использовать ресурсы магистрали.
4. Число рабочих групп в магистрали умножалось на число пользователей в одной рабочей группе.
С помощью этой схемы можно достаточно точно оценить число пользователей, которых может обслужить каждая сетевая архитектура. Максимальное число пользователей означает, что производительность какой-либо части сети достигла своего предела. Следует отметить, что число пользователей указано для обычной, а не "расщепленной" сетевой архитектуры.
Итак, проведем сравнительный анализ характеристик описанных выше архитектур.
Корреляционный анализ
Для примера рассмотрим выполнение программы корреляционного анализа в реальной сети, работающей на целлюлозно-бумажной фабрике. Данная программа позволяет вместо ежедневного сбора данных о качестве продукции и их анализа (вручную) использовать операции типа "клиент-сервер". При этом предполагается, что будут сокращены потери и улучшено качество продукции более чем на 10%.
Контроль качества при производстве целлюлозы и бумаги могут выполнять одновременно 20 пользователей. Оператор или инженер получает необходимую информацию с серверов, расположенных в разных местах большой фабрики. В процессе работы осуществляется анализ качества продукции и эффективности ее изготовления, а затем подготавливаются статистические отчеты, которые сохраняются на локальном файл-сервере. Корреляционный анализ может потребовать выполнения следующих операций:
- передачи форм, триггеров и правил, используемых базой данных;
- установки удаленной связи;
- осуществления запроса на сервер и получения ответа с него;
- записи результатов статистического анализа.
Загрузка сети - умеренная. Большинство операций типа "клиент-сервер" выполняется между рабочей группой и магистралью, то есть между клиентами ЛВС и подключенным к магистрали сервером. Поскольку качество продукции контролируется в реальном времени, то информационный поток также зависит от времени. Поэтому для уменьшения количества ретрансляций необходима "плоская" сетевая архитектура. Максимальная нагрузка на сеть приходится на время пересменок, когда линия переключается на обслуживание новых продуктов, особых ситуаций на фабрике и проектов долговременного планирования.
На рисунке 6 показано, какое время реакции сети необходимо для завершения большой программой корреляционного анализа операции типа "клиент-сервер". И хотя время реакции является важным параметром (поскольку программа работает в производственной среде), в данном случае он не является критичным, т.к. сеть должна одновременно поддерживать только 20 пользователей. Нужно учесть, что для вычисления истинного времени реакции системы следует ко времени передачи данных по сети добавить время обработки запроса на сервере. Например, если сервер обрабатывает запрос за 30 с, то на одну операцию в FDDI-среде тратится примерно 50 с (19 с сетевого времени плюс 30 с работы сервера), а в ATM-сети - только 40 с.
(1x1)
Рисунок 6.
Характеристики цепей, обслуживающих программу корреляционного анализа.
За точку отсчета взята производительность в рабочей группе Ethernet. Один сегмент Ethernet обеспечивает лучшее время реакции из всех возможных вариантов, поскольку между клиентом и сервером нет посредников, кроме собственно CSMA/CD-связи по Ethernet. К одной Ethernet-линии можно подключить более 40 клиентов, поэтому логично ожидать, что сеть сможет обслуживать 20 пользователей одновременно. К сожалению, длина кабеля Ethernet ограничена, поэтому вряд ли удастся подключить все компьютеры целлюлозно-бумажной фабрики к одному сегменту Ethernet. Следовательно, в данном случае такое решение не подходит.
Время реакции в обеих коммутируемых архитектурах почти на 50% меньше, чем в традиционных FDDI-сетях с маршрутизацией или совместным доступом. Это достигается с помощью специализированных механизмов коммутации. Практически все разработчики согласны, что коммутаторы кадров будут обеспечивать меньшее время задержки, чем большинство мостов и маршрутизаторов, предлагаемых сегодня на рынке и используемых в корпоративных сетях. Более быстрые сети обеспечивают меньшее время реакции при выполнении клиент-серверных приложений.
Маршрутизируемая фрагментированная магистраль поддерживает более 50 пользователей - немногим больше, чем обычный сегмент Ethernet. Ограничивающим фактором является Ethernet-канал между маршрутизатором и сервером, который работает с той же скоростью, что и остальная сеть, - 10 Мбит/с. Естественно, что когда пользователи нескольких рабочих групп пытаются одновременно получить доступ к серверу, в этом канале образуется затор. К сожалению, даже самый быстрый маршрутизатор не способен предотвратить этот затор, поскольку передача информации в стандартной Ethernet-связи не может осуществляться быстрее, чем со скоростью10 Мбит/с. Разработчики сети могут устранить затор, добавив более скоростное подключение к серверу, например FDDI или 100 Мбит/с Ethernet. Это может ускорить выполнение корреляционного анализа, даже если его будет осуществлять гораздо большее число пользователей.
Использование коммутатора кадров 10/100 для выполнения программы корреляционного анализа позволяет избежать заторов на сервере, если установить на него коммутируемый 100 Мбит/с интерфейс. Поскольку в данной архитектуре к серверу может получить одновременный доступ большее количество пользователей из нескольких рабочих групп, то такая сеть обеспечивает поддержку 150 пользователей вместо 50. Кроме того, пользователи смогут оценить преимущества скоростной передачи, характерной для технологии коммутации.
Даже если 12 рабочих групп Ethernet одновременно получат доступ к магистральному серверу, выделенный серверный 100 Мбит/с Ethernet-интерфейс не будет переполнен. Каждый из двенадцати 10 Мбит/с Ethernet-портов насыщается запросами и ответами клиентов, отправляемыми на сервер. Единственный фактор, ограничивающий число обслуживаемых пользователей, - количество коммутируемых 10 Мбит/с портов, к которым подключаются рабочие группы. Как только портов для подключения рабочих групп не остается, архитектура исчерпывает свои возможности. Чтобы обеспечить большее число Ethernet-портов, нужно подключить несколько коммутаторов, и тогда количество одновременно работающих пользователей можно будет увеличить.
FDDI-решение обеспечивает высокоскоростную связь с серверами. В исследуемом случае это кольцо FDDI с совместным доступом, работающее со скоростью 100 Мбит/с. К FDDI-кольцу, в отличие от коммутатора кадров 10/100, можно подключать значительно больше рабочих групп, так как эта технология не имеет ограничений по количеству портов. Сетевые администраторы могут с помощью маршрутизатора, расположенного между Ethernet и FDDI, подключать рабочие группы к 100 Мбит/с кольцу, пока магистраль не будет полностью насыщена. Это решение позволяет обслуживать более 1300 пользователей.
К сожалению, время реакции FDDI выше, чем в коммутируемой архитектуре, и оно будет увеличиваться, если сегментировать магистраль после ее насыщения. Это объясняется тем, что в сегментированной FDDI-магистрали информация во время каждого запроса серверу должна проходить через два маршрутизатора.
ATM-решение обеспечивает отличное время реакции и обслуживает предельно большое количество пользователей. В сущности, ATM-решение поддерживает такое число пользователей, которое более чем в 400 раз превышает необходимое. Поэтому такая архитектура не является оптимальной.
Вероятно, лучшим выбором для работы данного программного обеспечения является либо коммутация кадров 10/100, либо FDDI. Эти решения поддерживают высокоскоростные линии и могут передавать данные по оптоволоконному кабелю для подключения пользователей на значительном расстоянии. Заметим, что FDDI является более "традиционной" технологией для производственной сети, а решение с коммутацией кадров 10/100 обеспечивает лучшую производительность и, скорее всего, является более экономически выгодным, поскольку не требует дополнительных затрат на FDDI-интерфейсы.
Совместная обработка изображений
Цель рассматриваемого в данном разделе проекта - автоматизация обработки, хранения и получения графических изображений. Автоматическая обработка изображений экономит более 20% рабочего времени. Возможная область применения такой системы - инженерно-строительная фирма, в которой необходимо упростить электронное хранение, обработку и получение разрабатываемых документов. Одновременно в сети могут работать до 300 пользователей.
При обработке изображений централизованная база данных служит депозитарием всех документов. Инженеры используют в сети электронную почту и программы совместной работы, а также запрашивают базы данных, чтобы определить, над каким проектом они должны работать. Система должна поддерживать следующие операции:
- загрузку файлов САПР из депозитария изображений;
- просмотр деталей изображения;
- обновление записей и файлов;
- проверку документов разработки;
- отправку файлов на центральный сервер для преобразования;
- запись обновленных файлов САПР на центральный сервер;
- просмотр "почтового ящика" пользователя для получения новых заданий.
Нагрузка на сеть в такой системе может быть различной - от умеренной до высокой (из-за частой передачи файлов САПР). Система, как это часто бывает с программным обеспечением для групповой работы, используется круглосуточно и ежедневно.
На рисунке 7 показано, какое сетевое время необходимо для записи оптического изображения в базу данных центрального сервера с помощью программы групповой обработки изображений. В этой системе время реакции сервера будет сильно зависеть от выбора эффективной сетевой технологии. Медленная передача данных может привести компанию к существенным финансовым издержкам. Например, для 300 инженеров разница в скорости передачи, составляющая всего две минуты, приводит к общей потере 80 рабочих часов в день. Если рабочее время инженера оценивается в 100 дол. /ч, то за год только из-за медленной работы сети компания может потерять 2 млн дол.
(1х1)
Рисунок 7.
Характеристики цепей, используемых для программ групповой обработки
изображений.
Ethernet-сегмент, естественно, имеет отличное время реакции, но, как и в примере с корреляционным анализом, он не может объединить 300 инженерных рабочих станций, серверы и соответствующее периферийное оборудование.
Маршрутизируемая фрагментированная магистраль может поддерживать несколько сегментов и, соответственно, значительно больше пользователей, чем просто Ethernet-сеть, но она не обладает пропускной способностью, необходимой для обработки больших объемов чувствительной к задержкам информации между рабочими группами и "магистральным" сегментом Ethernet. Маршрутизатор просто не справится с огромным потоком информации, прежде чем интерфейсы будут насыщены. Маршрутизаторы среднего класса, разработанные за последние несколько лет, не предназначены для обеспечения производственного процесса с интенсивным использованием сети. Ни наличие единого сегмента, ни маршрутизируемая магистраль не способны поддерживать требуемое количество пользователей и не могут служить решением для данной системы.
Сеть с коммутацией кадров 10/100 обеспечивает скорость передачи данных, аналогичную скорости в архитектуре Ethernet-сегмента. При этом к серверам может получить одновременный доступ необходимое количество пользователей, т.е. 300. К сожалению, такое число подключений - предел этой технологии, и поэтому в ней сложно работать с другими программами. Как и в случае с программой корреляционного анализа, число портов ограничивает количество обслуживаемых пользователей. Однако, в отличие от технологии маршрутизации, коммутация кадров 10/100 была разработана для обеспечения передачи сообщений на максимальной для всех каналов скорости, причем использование самого механизма коммутации не приводит к возникновению затора.
Концепция кластеризации базы данных предполагает, что централизованные данные распределяются по нескольким более мелким серверам, расположенным в местах наибольшей концентрации пользователей. Благодаря приближению сервера к рабочим группам на уровне предприятия уменьшаются время реакции и количество передаваемой по сети информации. Используя такую архитектуру, необходимо разрабатывать сети и программы одновременно.
Проектировщик сети, если он хочет добиться отличного времени реакции, характерного для технологии коммутации кадров 10/100, может прийти к решению разделить пользователей на сетевые кластеры, каждый со своим собственным "централизованным" сервером (рисунок 8). И хотя кластеризация является популярной технологией в архитектурах с коммутацией кадров, процесс ее проектирования достаточно сложен. Чтобы создать кластеры, необходимо распределить базу данных по трем или четырем серверам, а затем подключить пользователей и серверы к высокоскоростному коммутатору. Для проектирования кластеров необходимо правильно сбалансировать потоки информации между серверами и рабочими группами, а также разработать схемы репликации баз данных. Это требует тесного сотрудничества между разработчиками программного обеспечения и сетей.
(1х1)
Рисунок 8.
Использование кластерной архитектуры.
FDDI и ATM обслуживают необходимое количество пользователей. Сеть FDDI поддерживает примерно 700 пользователей, но ее время реакции сравнительно велико. FDDI-сеть требует для завершения любой операции по передаче файлов на 20 с больше, чем коммутатор кадров 10/100 или ATM-коммутатор. Однако для указанной компании 20 смогут привести к ежегодным потерям в 327 тыс. дол. Для сравнения, при использовании технологии ATM можно окупить затраты на ее внедрение за год.
Моделирование окружающей среды
Цель проекта - перевод программного обеспечения для моделирования окружающей среды с суперкомпьютера на стандартную клиент-серверную систему. Предполагаемая экономия - более 1 млн дол. в год (он затрачивается на эксплуатацию суперкомпьютера). Эта задача поставлена перед специалистами по сетям из консультационной фирмы, занимающейся вопросами защиты окружающей среды. В клиент-серверной системе предполагается запускать программы для моделирования атмосферы, обслуживающие одновременно 180 пользователей. Программы предназначены для анализа загрязнений окружающей среды от дымовых труб, заводских сбросов воды, выхлопов автомобилей и так далее. Программы должны выполнять следующие операции:
- создание модели среды, установку имитационных параметров;
- конфигурацию файлов ввода данных о топографии и атмосфере;
- запуск программы моделирования;
- загрузку дополнительных файлов;
- обмен рабочими файлами;
- запись выходных файлов моделирования;
- запись имитационных результатов на файл-сервер рабочей группы;
- просмотр результатов.
Сеть используется очень напряженно. Необходимо загружать на серверы файлы для математического моделирования объемом до 60 Мбайт. Напряженный поток информации между серверами служит для обмена рабочими файлами (примерно 1000 раз за время обработки одной модели). Компания предполагает, что эта компьютерная система будет выполнять вычисления 99% времени, используя сеть для передачи данных 1% времени. Система должна обеспечить высокую производительность работы. Вычисления выполняются круглосуточно, не менее 360 дней в году.
На рисунке 9 показана относительная производительность пяти сетевых архитектур и их способность поддерживать приложение моделирования окружающей среды. Координаты по оси Y показывают время, необходимое для выполнения 1000 обменов рабочими файлами между двумя центральными серверами. Этот обмен файлами происходит при любом математическом моделировании. Чтобы перенести эту программу с суперкомпьютера в клиент-серверную среду, необходима очень высокая производительность сети и вычислений.
Рисунок 9.
Возможности сетевых архитектур при выполнении программ моделирования
окружающей среды.
В Ethernet-сегменте, даже отделенном от рабочих групп защитным экраном, передается слишком большой объем информации. Сегмент может поддерживать всего трех пользователей. Примерно то же можно сказать и о сети Ethernet и маршрутизируемой фрагментированной магистрали. В обеих архитектурах используются Ethernet-магистрали, и в результате они поддерживают одинаковое количество пользователей. Обе архитектуры также имеют одинаковое время реакции. При выполнении описанных выше операций сервер-сервер не используется маршрутизатор даже в архитектуре маршрутизирумой магистрали, поскольку оба сервера находятся в одном и том же сегменте Ethernet.
FDDI-сеть в данном случае может поддерживать примерно 110 пользователей, что значительно меньше необходимого числа. Если использовать кластеризацию, которая подробно обсуждалась в предыдущем разделе, то можно добиться требуемых результатов. FDDI-кластеры, однако, будут менее эффективны, чем кластеры с коммутацией кадров 10/100, поскольку каждый кластер потребовал бы для связи кольца FDDI с рабочими группами одного или нескольких маршрутизаторов.
Время реакции FDDI-сети в операциях сервер-сервер великолепно. Транзакция имеет место в одном FDDI-кольце, поэтому никакой ретрансляции на маршрутизаторе нет. В результате FDDI-кольцо обеспечивает лучшее время реакции, чем решение с коммутацией кадров 10/100 или АТМ. Хотя FDDI отлично подходит для такой чисто магистральной работы, при осуществлении операций клиент-магистраль эта технология работает в четыре раза медленнее, чем коммутация кадров 10/100 или ATM.
Решение с коммутацией кадров поддерживает более 150 пользователей, и это больше, чем при использовании FDDI. Этому есть объяснение: пока FDDI использует только одно кольцо совместного доступа, коммутатор кадров 10/100 предлагает каждому из магистральных серверов свой коммутируемый 100 Мбит/с интерфейс. Это позволяет коммутатору достаточно быстро перемещать данные с сервера на сервер. Однако лишь немногие разработчики сетей предложили бы использовать коммутатор кадров 10/100 вместо FDDI, хотя коммутация - лучшее решение. Как уже было сказано, коммутация кадров не поддерживает требуемых 180 пользователей. Поэтому остается всего два варианта: либо создавать кластеры из коммутаторов 10/100, либо переходить на ATM.
Только ATM-архитектура обеспечивает поддержку необходимого числа пользователей. Позволяя создавать коммутируемую сеть, она демонстрирует отличное время реакции и для операций клиент-магистраль, и для операций, полностью происходящих в магистрали.
Построение сетей
Исследование различных архитектур и возможностей их применения выявило ряд важных проблем. Дизайнеры сетей, которые используют только интуицию и прошлый опыт, могут оказаться в трудном положении. "Искусство" сетевой разработки должно преобразиться в науку. Если принимать решения без тщательного учета свойств программного обеспечения, которое будет использоваться в сети, то это может привести к плохому исполнению проекта.
Тот факт, что Ethernet с коммутацией кадров 10/100 поддерживает больше пользователей при моделировании окружающей среды, чем магистральная FDDI-сеть, может вызвать удивление у многих разработчиков сетей. При разработке сети для такого программного обеспечения "интуиция" наверняка привела бы к разработке FDDI-сети - то есть к более дорогостоящему решению. При этом сеть могла бы обслуживаь меньшее число пользователей. При использовании программ групповой обработки изображений сети с коммутацией кадров или ATM могли бы сэкономить компании 300 тыс. дол. в год, обеспечивая лучшее время реакции и большую продуктивность работы команды инженеров.
В современных условиях для правильной разработки сети и ее обслуживания администраторы должны научиться решать следующие проблемы.
Прежде чем появились технологии коммутации кадров и ячеек, было отмечено несколько этапов увеличения сетевой производительности. Сегменты Ethernet и Token Ring подключались к маршрутизаторам. Сети Token Ring, для которых требовалась большая производительность, имели пропускную способность кольца до 16 Мбит/с. Затем предприятия развернули FDDI-магистрали для передачи информации между рабочими группами.
Сегодня в некоторых вычислительных системах коммутаторы Ethernet с 10 Мбит/с портами дополняют или заменяют маршрутизаторы, а коммутаторы кадров 10/100 конкурируют с FDDI. Как показывают приведенные в статье примеры, коммутация кадров в среднем обеспечивает гораздо лучшее время реакции и поддерживает большее количество пользователей по сравнению с маршрутизируемыми сетями и FDDI-магистралью. Коммутаторы можно установить в кластерной конфигурации, что обеспечивает высокоскоростное взаимодействие с серверами или магистралью на уровне предприятия. С помощью коммутации можно создавать более масштабируемые и управляемые сети.
Архитектура сетей сейчас изменяется, поэтому маршрутизаторы больше не стоят на пути между клиентом и сервером. Большинство из них не было предназначено для поддержки операций клиент-сервер с низким временем задержки и высокой производительностью. Теперь маршрутизаторы возвращаются к своей первоначальной роли - обеспечению связи между разнородными сетями (например, Ethernet и Token Ring) и межсетевой защиты.
Хотя FDDI по-прежнему остается главной составляющей в больших магистральных сетях, коммутация ячеек в ATM начала вытеснять FDDI как более эффективная магистральная технология. Возможно, к концу десятилетия технология АТМ получит широкое распространение.
Наконец, технология коммутации кадров и ячеек позволяет изменить соотношение цены и производительности. Ее использование уменьшает расходы на эксплуатацию сети. Часто затраты на создание сетей оцениваются по стоимости на один порт. Раньше, когда обеспечение связи и взаимодействия было главной целью сети, такой способ оценки затрат был оправдан, но теперь он устарел. Сегодня основная задача разработки сетей заключается не в обеспечении связи, а в перемещении больших объемов данных, необходимом для распределенных вычислений. Поэтому новый принцип определения стоимости сети должен отражать ее способность пересылать данные. Стоимость порта не играет роли, так как не позволяет оценить производительность, которую обеспечивает ЛВС. При использовании более современного способа оценки учитываются затраты на переданный мегабит и скорость передачи данных по сети. В технологии коммутации каждый компьютер получает канал с известной скоростью передачи данных. Если оценивать коммутацию в соответствии с новыми принципами, то она является более экономичной, чем традиционные ЛВС совместного доступа. Коммутация обеспечивает высокую производительность, отличное время реакции и позволяет разработчикам сетей делать их более управляемыми - три качества, которые имеют принципиальное значение для современных и будущих сетей.
Понятие “сетевая архитектура” включает общую структуру сети, т. е. все компоненты, благодаря которым сеть функционирует, в том числе аппаратные средства и системное программное обеспечение. Здесь будут обобщены уже полученные сведения о типах сетей, принципах их работы, средах и топологиях. Сетевая архитектура это комбинация стандартов, топологий и протоколов, необходимых для создания работоспособной сети.
Ethernet
Ethernetсамая популярная в настоящее время архитектура. Она использует узкополосную передачу со скоростью 10 Мбит/с, топологию “шина”, а для регулирования трафика в основном сегменте кабеляCSMA/CD.
Среда (кабель) Ethernet является пассивной, т. е. получает питание от компьютера. Следовательно, она прекратит работу из-за физического повреждения или неправильного подключения терминатора.
Рис. Сеть Ethernet топологии “шина” с терминаторами на обоих концах кабеля
Сеть Ethernet имеет следующие характеристики:
традиционная топология линейная шина;
другие топологии звезда-шина;
тип передачи узкополосная;
метод доступа CSMA/CD;
скорость передачи данных 10 и 100 Мбит/c;
кабельная система толстый и тонкий коаксиальный.
Формат кадра
Ethernet разбивает данные на пакеты (кадры), формат которых отличается от формата пакетов, используемого в других сетях. Кадры представляют собой блоки информации, передаваемые как единое целое. Кадр Ethernet может иметь длину от 64 до 1518 байтов, но сама структура кадра Ethernet использует, по крайней мере, 18 байтов, поэтому размер блока данных Ethernetот 46 до 1500 байтов. Каждый кадр содержит управляющую информацию и имеет общую с другими кадрами организацию.
Например, передаваемый по сети кадр EthernetIIиспользуется для протоколаTCP/IP. Кадр состоит из частей, которые перечислены в таблице.
Ethernet работает с большинством популярных операционных систем, в их числе:
Microsoft Windows 95;
Microsoft Windows NT Workstation;
Microsoft Windows NT Server;
Token Ring
От других сетей Token Ring отличает не только кабельная система, но и использование доступа с передачей маркера.
Рис. Физическизвезда, логическикольцо
Сеть Token Ring имеет следующие характеристики:
Архитектура
Топология типичной сети Token Ring“кольцо”. Однако в версииIBMэто топология “звезда-кольцо”: компьютеры в сети соединяются с центральным концентратором, маркер передается по логическому кольцу. Физическое кольцо реализуется в концентраторе. Пользователичасть кольца, но они соединяются с ним через концентратор.
Формат кадра
Основной формат кадра Token Ring показан на рисунке ниже и описан в следующей таблице. Данные составляют большую часть кадра.
Рис. Кадр данных Token Ring
|
Поле кадра |
Описание |
|
Стартовый разделитель |
Сигнализирует о начале кадра |
|
Управление доступом |
Указывает на приоритет кадра и на то, что передаетсякадр маркера или кадр данных |
|
Управление кадром |
Содержит информацию Управления доступом к средедля всех компьютеров или информацию “конечной станции”только для одного компьютера |
|
Адрес приемника |
Адрес компьютера-получателя |
|
Адрес источника |
Адрес компьютера-отправителя |
|
Контрольная последовательность кадра | |
|
Конечный разделитель |
Сигнализирует о конце кадра |
|
Статус кадра |
Сообщает, был ли распознан и скопирован кадр (доступен ли адрес приемника) |
Функционирование
Когда в сети Token Ring начинает работать первый компьютер, сеть генерирует маркер. Маркер проходит по кольцу от компьютера к компьютеру, пока один их них не сообщит о готовности передать данные и не возьмет управление маркером на себя. Маркерэто предопределенная последовательность битов (поток данных), которая позволяет отправить данные по кабелю. Когда маркер захвачен каким-либо компьютером, другие компьютеры передавать данные не могут.
Захватив маркер, компьютер отправляет кадр данных в сеть (как показано на рис. ниже). Кадр проходит по кольцу, пока не достигнет узла с адресом, соответствующим адресу приемника в кадре. Компьютер-приемник копирует кадр в буфер приема и делает пометку в поле статуса кадра о получении информации.
Кадр продолжает передаваться по кольцу, пока не достигнет отправившего его компьютера, который и удостоверяет, что передача прошла успешно. После этого компьютер изымает кадр из кольца и возвращает туда маркер.
Рис. Маркер обходит логическое кольцо по часовой стрелке
В сети одномоментно может передаваться только один маркер, причем только в одном направлении.
Передача маркерадетерминистический процесс, это значит, что самостоятельно начать работу в сети (как, например, в средеCSMA/CD) компьютер не может. Он будет передавать данные лишь после получения маркера. Каждый компьютер действует как однонаправленный репитер, регенерирует маркер и посылает его дальше.
Мониторинг системы
Компьютер, который первым начал работу, наделяется системой Token Ring особыми функциями: он должен осуществлять текущий контроль за работой всей сети. Он проверяет корректность отправки и получения кадров, отслеживая кадры, проходящие по кольцу более одного раза. Кроме того, он гарантирует, что в кольце одномоментно находится лишь один единственный маркер.
Распознавание компьютера
После появления в сети нового компьютера система Token Ring инициализирует его таким образом, чтобы он стал частью кольца. Этот процесс включает:
проверку уникальности адреса;
уведомление всех сети о появлении нового узла.
Аппаратные компоненты
Концентратор
В сети TokenRingконцентратор, в котором организуется фактическое кольцо, имеет несколько названий, например:
MAU ;
MSAU (MultiStation Access Unit);
SMAU.
Кабели соединяют клиенты и серверы с MSAU, который работает по принципу других пассивных концентраторов. При подсоединении компьютера он включается в кольцо (см. рис. ниже).
Рис. Формирование кольца в концентраторе (указано направление движения маркера)
Емкость
IBMMSAUимеет 10 портов соединения. К нему можно подключить до восьми компьютеров. Однако сетьTokenRingне ограничивается одним кольцом (концентратором). Каждое кольцо может насчитывать до 33 концентраторов.
Сеть на базе MSAU может поддерживать до 72 компьютеров - при использовании неэкранированной витой пары и до 260 компьютеров - при использовании экранированной витой пары.
Другие производители предлагают концентраторы большей емкости (в зависимости от модели).
Когда кольцо заполнено, т.е. к каждому порту MSAU подключен компьютер, сеть можно расширить за счет добавления еще одного кольца (MSAU).
Единственное правило, которого следует придерживаться: каждый MSAU необходимо подключить так, чтобы он стал частью кольца.
Гнезда “вход” и “выход” на MSAU позволяют с помощью кабеля соединить в единое кольцо до 12 MSAU, расположенных стопкой.
Рис. Добавляемые концентраторы не нарушают логического кольца
Архитектура сети. Наиболее распространенные архитектуры.
Вычислительная сеть (ВС) - это сложный комплекс взаимосвязанных и согласованно функционирующих аппаратных и программных компонентов. Аппаратными компонентами локальной сети являются компьютеры и различное коммуникационное оборудование (кабельные системы, концентраторы и т. д.). Программными компонентами ВС являются операционные системы (ОС) и сетевые приложения.
Сеть может быть построена по одной из трех схем:
· сеть на основе одноранговых узлов - одноранговая сеть;
· сеть на основе клиентов и серверов - сеть с выделенными серверами;
· сеть, включающая узлы всех типов - гибридная сеть.
Архитектура сети определяет основные элементы сети, характеризует ее общую логическую организацию, техническое обеспечение, программное обеспечение, описывает методы кодирования. Архитектура также определяет принципы функционирования и интерфейс пользователя.
Архитектура терминал-главный компьютер - это концепция информационной сети, в которой вся обработка данных осуществляется одним или группой главных компьютеров. Рассматриваемая архитектура предполагает два типа оборудования:
Главный компьютер, где осуществляется управление сетью, хранение и обработка данных;
Терминалы, предназначенные для передачи главному компьютеру команд на организацию сеансов и выполнения заданий, ввода данных для выполнения заданий и получения результатов.
Одноранговая архитектура (peer-to-peer architecture) - это концепция информационной сети, в которой ее ресурсы рассредоточены по всем системам. Данная архитектура характеризуется тем, что в ней все системы равноправны. К одноранговым сетям относятся малые сети, где любая рабочая станция может выполнять одновременно функции файлового сервера и рабочей станции.
Архитектура клиент-сервер (client-server architecture) - это концепция информационной сети, в которой основная часть ее ресурсов сосредоточена в серверах, обслуживающих своих клиентов. Рассматриваемая архитектура определяет два типа компонентов:
· Серверы - это объекты, предоставляющие сервис другим объектам сети по их запросам. Сервис - это процесс обслуживания клиентов.
· Клиенты - это рабочие станции, которые используют ресурсы сервера и предоставляют удобные интерфейсы пользователя. Интерфейсы пользователя это процедуры взаимодействия пользователя с системой или сетью. информатика компьютер процессор сеть
Классификация компьютерных сетей по степени географического распространения. Как соединяются между собой устройства сети.
По степени географического распространения сети делятся на локальные, городские, корпоративные, глобальные и др. Локальная сеть (LAN - Local Area NetWork) - сеть, связывающая ряд компьютеров в зоне, ограниченной пределами одной комнаты, здания или предприятия. Глобальная сеть (WAN - World Area NetWork) - сеть, соединяющая компьютеры, удаленные географически на большие расстояния друг от друга. Отличается от локальной более протяженными коммуникациями (спутниковыми, кабельными и др.). Глобальная сеть объединяет локальные сети. Городская сеть (MAN - Metropolitan Area NetWork) - сеть, которая обслуживает информационные потребности большого города.
Для соединения устройств сети используется специальное оборудование:
Ш Сетевые кабели
o коаксиальные, состоящие из двух изолированных между собой концентрических проводников, из которых внешний имеет вид трубки;
o оптоволоконные;
o кабели на витых парах, образованные двумя переплетенными друг с другом проводами, и др.
Ш Коннекторы (соединители) для подключения кабелей к компьютеру, разъемы для соединения отрезков кабеля.
Ш Сетевые интерфейсные адаптеры для приема и передачи данных. В соответствии с определенным протоколом управляют доступом к среде передачи данных. Размещаются в системных блоках компьютеров, подключенных к сети. К разъемам адаптеров подключается сетевой кабель.
Ш Трансиверы повышают уровень качества передачи данных по кабелю, отвечают за прием сигналов из сети и обнаружение конфликтов.
Ш Хабы (концентраторы) и коммутирующие хабы (коммутаторы) расширяют топологические, функциональные и скоростные возможности компьютерных сетей. Хаб с набором разнотипных портов позволяет объединять сегменты сетей с различными кабельными системами. К порту хаба можно подключать как отдельный узел сети, так и другой хаб или сегмент кабеля.
Ш Повторители (репитеры) усиливают сигналы, передаваемые по кабелю при его большой длине.
