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