2.2 Основні типи лкм, їх характеристики.

Ми вже згадували про те, що робота ЛКМ має два аспекти: фізичний та логічний (принцип передавання і перетворення даних). Про перший ітиметься дещо пізніше і, може, більш стисло, а другий аспект розглянемо детальніше. З погляду програмістів чи спеціалістів з прикладної математики він є важливіший. З самого початку відзначимо, що всі ЛКМ базуються на пакетно-орієнтованому передаванні: це означає, що всі дані "вставляються" в пакети, у заголовках яких містяться відповідні адреси для ідентифікації пристрою, з яким потрібно налагодити зв'язок.

Сучасний ринок пропонує кілька типів мереж. Найпоширенішою сьогодні є мережа Ethernet, з якою ми тільки що ознайомилися. На її основі прийнято відповідні стандарти Міжнародної Організації Стандартів (ISO) та Інституту інженерів з електротехніки і радіоелектроніки (IEEE). Цей стандарт дає змогу приєднувати комп'ютери практично всіх платформ: на основі процесорів Intel x86, Macіntosh, систем RISC 9000 тощо.

a. Ethernet - мережа з мультистанційним доступом з контролем несучої та виявленням колізій (зіткнень). "Ethernet" - один з найвідоміших термінів у технології мереж.

Під час обговорення протоколів наводились параметри швидкодії (10 Mбіт/с). Топологія Ethernet є розгалуженою деревоподібною структурою зі сполученими між собою сегментами (рис.8.). Кожен сегмент може мати довжину до 500 м з максимальною кількістю 100 вузлів мережі на сегмент. Щоб продовжити довжину або кількість пристроїв понад максимум, сегменти сполучають між собою за допомогою повторювачів (repeaters) або напівповторювачів (half-repeaters). Вони просто збільшують довжину мережі, регенеруючи (повторюючи) сигнали. Повторювач з'єднує два сусідні сегменти мережі. Напівповторювач здійснює передавання між двома сегментами, забезпечуючи таким чином більшу відстань між ними. Є обмеження в чотири повторювачі або напівповторювачі, що можуть підтримуватися між будь-якими двома точками мережі. Для подальшого розширення мережі треба використовувати мости (bridges) та маршрутизатори чи рутери (routers).

Відомо три модифікації мережі, залежно від якості кабелювання, що, до речі, є важливим фактором вартості системи. Перша з них, що називається 10 BASE 5, використовує високоякісний коаксіальний, так званий "жовтий кабель", і забезпечує пропускну здатність у 10 Mбіт/с при максимальній довжині cегмента 500 м. Друга, 10 BASE 2, використовує значно дешевший "тонкий" кабель типу RG 058 і забезпечує пропускну здатність у 10 Mбіт/с при довжині сегмента 200м. Третя, 10 BASE T використовує для з'єднань виту пару. При 10Mбіт/с довжина сегмента не перевищує 100 м і є одне відгалуження, тоді як 10 BASE 2 дає змогу мати до 30 відгалужень. 10 BASE 2 часто називають Cheapernet (cheap - дешевий).

Як працює Ethernet?

Усі пристрої в ЛКМ можуть налагоджувати зв'язок, як тільки виникне потреба, без будь-якого пріоритету і порядку. Вони використовують пряме (немодульоване) передавання даних (baseband communication) (тобто в кабелі в кожен момент може бути тільки один сигнал) на швидкості 10 Мбіт/с. Пристрій, що хоче надіслати повідомлення, " прослуховує" мережу (це і є контроль несучої), і, якщо жоден інший пристрій у мережі не виконує передавання, починає передавати його. Ймовірно, що й інший пристрій може почати передавання в той самий момент (бо доступ мультистанційний), отже, пристрої перевіряють канал на відсутність зіткнень (колізії) різних посилок. Якщо зіткнення сталося, то пристрої припиняють роботу на деякий час, що визначається з певного інтервалу розподілу випадкових чисел, після чого передавання відновлюється. Всі пристрої постійно "прослуховують" мережу, копіюючи та підтверджуючи всі пакети даних, що адресовані до них. Структура пакета для мережі Ethernet показана на рис.9.

Преамбула	Адреса пункту призна-чення	Адреса джерела пакета	Тип прото- колу	Дані	Контроль-на сума
8 байт	6 байт	6 байт	2 байти	46-1500 байт	4 байти
Довжина поля в байтах

Рис. 9. Структура пакета мережі Ethernet.

Такий тип доступу є ймовірнісний, або недетермінований. Ймовірнісний тому, що здатність будь-якої станції виконати передавання залежить від рівня активності мережі: чим вища активність, тим менший шанс. Недетермінований, тому що розробники мережі не можуть гарантувати рівня продуктивності або затримки, що спостерігатимуться на якійсь станції за конкретних умов завантаження мережі.

б. Token Ring (маркерне (естафетне) кільце). Мережа TR є типовою мережею кільцевого типу. Для прикладу можна привести схему мережі IBM Token Ring (рис.10).

Token Ring базується на концепції замкнутих кілець, так що станція має змогу отримувати своє власне повідомлення. Робота мережі пов'язана з поняттям маркера.

Маркером називається спеціальна коротка послідовність, що циркулює по кільці. Для мережі Token Ring довжина такого маркера має три байти (рис.11).

Рис.10. IBM структура Token Ring - найвідоміша з мереж.

Початковий розділювач (Start Delimiter)

Контроль доступу (Access Control)

Кінцевий розділювач (End Delimiter)

1 байт

1 байт

1 байт

0

0

0

0

1

1

1

1

P

P

P

T

M

R

R

R

Рис.11. Структура маркера мережі Token Ring.

Байт контролю доступу поділено на чотири області: РРР - біти пріоритету, Т - біт маркера (якщо Т=1, то це ознака не зайнятого маркера, Т=0 - за маркером є пакет), RRR - біти резервування. М - біт монітора, який встановлюється в “1”, якщо пакет передано активним монітором і дорівнює “0” у протилежному випадку. Початковий та кінцевий розділювачі є унікальними послідовностями електричних імпульсів.

Кожна станція отримує і регенерує маркер. Коли станція збирається передавати дані, вона чекає на маркер, додає адресну інформацію і дані, помічає маркер зайнятим і посилає його наступній станції. Всі станції мережі продовжують отримувати і регенерувати пакети, але коли станція збирається передати дані, вона повинна зачекати, поки маркер стане вільним. Станція, що отримала маркер, адресований їй, копіює дані і регенерує пакет. Можливо, що станція отримає свій власний зайнятий пакет. Тоді вона вилучає своє повідомлення, а посилає вільний маркер, надаючи змогу передавання наступній станції.

Щоб підвищити ефективність мережі, з'явилась нова форма передавання маркера, хоча її до цього часу ще не прийняв IEEE за cтандарт. Називається вона "раннє звільнення маркера" і дає змогу звільняти маркер зразу ж, коли кадр даних передано. Це зменшує затримку, оскільки станції вже не чекають повернення свого власного повідомлення, що може зайняти значний час у мережі з багатьма станціями.

Існує багато типів мереж, що застосовують стандарт IEEE 802.5 (Token Ring). Найвідомішою є система IBM Token Ring, що працює на швидкості 4 Mбіт/с. Останній варіант IBM Token Ring використовує швидкість передавання 16 Mбіт/с.

Стандартна специфікація використовує немодульоване передавання на швидкості 4 Mбіт/с через виту пару. Це дає перевагу у вартості перед Ethernet, яка функціонує на коаксіальному кабелі, оскільки кабелювання витою парою є значно дешевшим. Але повна специфікація IBM передбачає кабелювання екранованим кабелем, що значно дорожче. Недавнє введення нового стандарту Ethernet 10 BASE T (Ethernet, що функціонує на витій парі) суттєво вирівняло цю різницю, давши змогу передавання по неекранованому кабелі.

Хоча Token Ring є мережею з архітектурою цього типу, мережа IBM Token Ring не мусить фізично мати кільцеву топологію. Пристрої, що називаються пристроями мультистанційного доступу (Multi-station Access Unit, MAU), діють як радіальні центри кільцевої топології. На відміну від Ethernet, Token Ring не є природно стійкою мережею, і видалення станції з кільця може спричинити зупинку передавання даних. Щоб запобігти цьому, MAU опитує всі приєднані пристрої і відновлює кільце, якщо трапляються розриви. MAU дає змогу приєднати до себе певну кількість пристроїв (як звичайно, сім) а також приєднуватися до інших MAU, що працюють в мережі. MAU може підтримувати одне або кілька підкілець на будь-якому своєму з'єднанні, а не тільки окремий пристрій. Тому мережні повторювачі CSMA/CD можна використовувати для розширення мережі, можливо, між двома будівлями, хоч повторювачі і не збільшують максимальної кількості пристроїв, які може підтримувати кожна мережа.

Як зазначено раніше, основним недоліком кільцевої топології є припинення функціонування всієї мережі при "розриві" кільця. MAU весь час підтримує активну конфігурацію, виявляючи і негайно обходячи будь-яку аварію. Мережа відновлює роботу і всі станції, за винятком секції, що зазнала аварії, не припиняють роботи. Одним з наслідків помилок цього типу є втрата маркера внаслідок аварії пристрою чи від'єднання, коли у нього був маркер. Пристрій може також зазнати аварії після передавання "зайнятого" маркера і таким чином бути нездатним звільнити його. В обох випадках за виявлення аномальних умов і прийняття коректувальних дій відповідає арбітр. Кільце може мати до 33 MAU і 260 станцій.

Там, де не використовують MAU, пристрої, через які до мережі приєднують інші пристрої, виконують ті самі відновлювальні функції, що й MAU.

Основним обмеженням топології є максимальна відстань між станціями 100 м, хоча її можна збільшити, використовуючи мости і рутери для сполучення кілець між собою.

Перевагою Token Ring є те, що кожна станція може "тримати" маркер тільки визначений відрізок часу, даючи таким чином усім станціям змогу регулярно передавати інформацію, незалежно від завантаженості мережі. Іншою перевагою перед CSMA/CD або Ethernet є те, що в мережі не існує колізій, отже, продуктивність знижується лінійно зі зростанням завантаження мережі.

в. Token Bus (маркерна (естафетна) шина). Token Bus поєднує шинну структуру мереж типу Ethernet і систему передавання маркера мережі Token Ring. Стандартна форма комунікації – широкосмуговий зв'язок по коаксіальному кабелю. Такий зв'язок виділяє сигналам різні смуги частот, даючи змогу передавати по кабелю одночасно кілька сигналів. Це можна порівняти з використанням коаксіального кабелю для передавання одночасно сигналів кількох телевізійних програм. Сигнали генеруються звичайно парами і кабель може підтримувати кілька різних пар. Передавання сигналу модульоване, "вперед" і "назад" на різних несучих частотах. Такий спосіб передавання потребує спеціальних пристроїв – трансиверів для під'єднання ПК до мережі. Термінатори, що в Ethernet є просто резисторами, тут повинні бути складними пристроями, які здатні регенерувати сигнали на іншій несучій частоті. Кабелювання такої мережі значно дорожче, ніж Ethernet.

Можна використовувати різні швидкості передавання: або чотири пари на швидкості 1 Mбіт/с, або одна пара на швидкості 5 Mбіт/с, або одна пара на швидкості 10 Mбіт/с. Найуживанішою формою сьогодні є вита пара на швидкості 5 Mбіт/с.

Рис.12. Мережа Тoken Вus.

Принцип передавання інформації в мережі ТВ. Для того, щоб забезпечити можливість передавання сигналу до кожної станції, приєднаної до шини, вони передаються в різних частотних діапазонах і таким чином реалізовано два канали - "вперед" і "назад". Коли сигнал досягає так званого головного вузла мережі, він ремодулюється (змінюється несуча частота) і транслюється в мережу по іншому частотному каналу. Це дає змогу кожній станції передавати інформацію до будь-якої іншої станції незалежно від її розташування в мережі. І хоч мережа не має форми фізичного кільця, фактично реалізоване логічне кільце. Застосовується логічна адресація станцій у мережі і кожна станція передає маркер за наступною логічною адресою в шині.

Використання широкосмугового передавання потребує складнішої системи зв'язку і певного типу модемів для приєднання кожного пристрою до мережі. Мережа потребує також пристрою, що називається головним вузлом (head end) для ремодуляції і регенерації сигналів. Тому вона є дорожчою і складнішою для реалізації, ніж мережа з немодульованим передаванням.

Перевагою Token Bus є те, що кабелювання тут значно легше, ніж у випадку кільцевої топології. Крім того, уникаючи колізій, можна досягти значно вищої продуктивності, ніж у CSMA/CD, бо використовується передавання маркера. Однак, оскільки застосовується логічне кільце, то маркер повинен бути перехоплений і регенерований перш ніж його передадуть наступному пристрою в логічному кільці, що надлишково перевантажує мережу. Щоб зменшити ці накладні витрати, можна застосувати багатократне передавання під час захоплення маркера пристроєм. Проте це лиш частково розв'язує проблему, оскільки маркер можна затримати лише обмежений період часу.

г. Оптоволоконний розподільний інтерфейс, Fibre Distributed Data Interface (FDDI)

FDDI є стандартом, зареєстрованим Американським національним інститутом стандартів (ANSI) і має назву Х3Т9.5. Він грунтується на оптоволоконних лініях, методі доступу з передаванням маркера та кільцевій топології. Це дуже ефективна кільцева мережа з передаванням маркера, хоч реалізації FDDI ще не повністю відповідають стандартам IEEE та OSI. Мережа може мати довжину до 100 км і працювати зі швидкістю передавання інформації 100 Mбіт/с.

При максимальній дистанції 100 км ця мережа не відповідає терміну локальна комп'ютерна мережа. Її можна віднести швидше до базових мереж, що з'єднують будівлі і центральні ресурси та серії малих дешевших мереж у кожному відділі чи на кожному поверсі. Потужні, розраховані на великі дистанції базові мережі часто зачисляють до загальнонаціональних (чи глобальних) мереж (Metropolitan Area Networks, MANs). Робота цих метропольних мереж підпорядкована протоколу ІЕЕЕ 802.6. Інше застосування FDDI може бути в новітніх, спеціалізованих станціях, наприклад тих, які використовують на конструкторських автоматизованих робочих місцях (Computer Aided Design, CAD), де постійно з центрального комп'ютера до терміналів передаються величезні масиви інформації.

FDDI дає кілька важливих переваг перед звичайними мережними архітектурами. По-перше, принцип передавання інформації передбачає подвійне проходження оптичного кільця, що збільшує відмовостійкість для кільця та приєднаних до нього вузлів. По-друге, по мережі в кожен момент часу може проходити більше одного пакета, що дає змогу ефективніше використовувати її потужність. По-третє, це дає змогу збільшити максимальний розмір пакетів порівняно з іншими типами мереж, що значно збільшує ефективність передавання даних, особливо для пристроїв, що потребують передавання до них особливо великих масивів інформації, як, наприклад, графічні станції тощо. По-четверте, оскільки оптоволоконний кабель використовує для передавання

Рис.13. Мережа з оптоволоконним інтерфейсом.

інформації світло, він вільний від усіх звичайних електричних завад. Кількість помилок під час передавання інформації значно зменшується, отже значно зменшується і кількість необхідних повторних передавань. Внаслідок цього збільшується пропускна здатність для приєднаних пристроїв. Нарешті, використання передавання маркера дає змогу уникнути проблем, пов’язаних з колізіями. Цей принцип, розвинений далі, дає змогу різним пристроям мати пріоритети у використанні мережі, тобто ключовим пристроям, а також тим, що передають надвеликі масиви інформації, можна надати пріоритет, усуваючи можливі затримки.

Сьогодні вартість FDDI є дуже високою, в основному завдяки вартості оптоволоконного кабелю та передавально-приймальних пристроїв. Однак, зі збільшенням кількості даних та появою нових пристроїв FDDI ставатиме найбільш популярним. Про це свідчить новий стандарт, що називається FDDI II. Надалі працюючи на швидкості 100 Mбіт/с, він, використовуючи схему пріоритетів, дає змогу поряд з передаванням числових даних передавати в реальному часі аудіо- та відео інформацію.

д. Мережа Apple Talk є власним мережним протоколом, розробленим фірмою Apple Computer. Вона доступна для всіх користувачів комп'ютерами типу Makintosh. Коли Apple вперше випустила Apple Talk, термін охоплював протоколи всіх рівнів, у тім числі й фізичні засоби. Згодом Apple перевизначила фізичний рівень як LokalTalk , а вищі рівні – як Apple Talk. Потім фірма реалізувала Ethernet, вийшла мережа EtherTalk, а недавно ще й Token Ring, і вийшла TokenTalk.

LokalTalk використовує шинну топологію та немодульоване передавання інформації. Кабелювання роблять витою парою, швидкість передавання 230 Кбіт/с, максимальна довжина мережі 300 м. Метод доступу до шини є варіант CSMA/CD, що називається у даному випадку Мультистанційним доступом з контролем несучої частоти з уникненням колізій (CSMA/CA).

Рис.14. Мережа Apple Talk.

Таку мережу легко встановити, оскільки кожний комп'ютер Аpple обладнаний усім необхідним для комунікації в мережі. До кожної системи додають і необхідне програмне забезпечення. Для об'єднання в мережу потрібно тільки з'єднати пристрої, що їх називають "мишачий хвіст" ("Rat's Tail"), та кабель (вита пара).

EtherTalk та TоkenТalk потребують вмонтування в комп'ютер Makintosh додатково LAN-карти. Швидкість передавання інформації в мережі збільшується до 10 та 4 Мбіт/с відповідно. Ethernet дає змогу реалізувати стандарти OSI для мереж Makintosh.

е.Мережа ARCnet (Attached Resource Computer net)

Цю мережу розробила корпорація Datapoint, вона є її власною ЛМ. ARСnet з'явилася у 1977 р. і була першою комерційною локальною мережею. Мережа використовує немодульоване передавання даних на швидкості 2,5 Мбіт/с. Методом доступу є естафетне передавання маркера, який згодом було прийнято як міжнародний стандарт ІЕЕЕ 802.4-85. Може використовуватись як кільцева, так і шинна топологія. Спочатку систему розробили для передавання інформації через тонкий коаксіальний кабель, але внаслідок розвитку система пізніше стала включати підтримку витої пари та оптоволоконного кабелю.

Мережа порівняно дешева у інсталяції і оскільки вона першою з'явилася на ринку, то має велику кількість користувачів. Однак сьогодні її популярність значно знизилася. Мережа не повністю підтримує запроваджені стандарти і є дещо повільнішою від сучасних.

Розмір пакета не перевищує 0.5 Кбайт, причому до 508 байт відводиться під дані, решта використовується під адреси станції-приймача, станції-передавача та іншу службову інформацію. Кожна плата ARCnet-контролера станції має свою унікальну фізичну адресу в діапазоні від 0 до 255. Застосовуються концентратори каналів (HUB) двох типів: активні (дозволяють з'єднувати станції до 600 м) і пасивні (до 30 м), або їх комбінацію.

У випадку застосування коаксіального кабелю і використання шинної топології об'єднують по 4, 8, 16 і так далі станцій. У такій мережі на обидвох кінцях шини вмонтовують термінатори (резистори з номінальним опором 93 Ом) для узгодження хвильового опору кабелю.

ж. Мережа Fast Ethernet

з. Мережа Gigabit Ethernet