Локальные сети

РЕФЕРАТ

по дисциплине: "Информационные сети и телекоммуникации"

на тему: "Локальные сети"

Ростов-на-Дону 2010 г.

Содержание

1. Особенности локальных сетей

2. Стандарты 802. х

2.1 Стандарт 802.3, сети Ethernet

2.2 Стандарт 802.5, сети Token ring

3. Промышленные сети (Fieldbus)

3.1 CAN сети

Список литературы

1. Особенности локальных сетей

Для локальных сетей характерна небольшая удаленность (обычно в пределах сотен метров), небольшое число узлов (в пределах нескольких десятков) и в связи с этим простая топология связей. Благодаря этим особенностям задачи организации взаимодействия существенно упрощаются и в ряде случаев для работы локальных сетей требуется реализация только прикладного, канального и физического уровней модели OSI. Задачи остальных уровней существенно упрощаются и могут быть распределены между прикладным и канальным уровнем. Особенно в промышленных сетях взаимодействие можно описывать такой трехуровневой моделью.

Из-за простой топологии связей и небольшой удаленности в локальных сетях очень редко используют действующие каналы связи. В этом случае оказывается более эффективным создавать специальные каналы связи, хорошо согласующиеся с требованиями организации эффективной передачи данных. Практически всегда в локальных сетях линии связи находятся в общем пользовании всех узлов, поэтому принято считать линии связи разделяемой средой передачи данных. Т.е. обмен данными в локальной сети осуществляется через разделяемую среду передачи данных.

В локальной сети все узлы используют одну и ту же структуру кадров, одни и те же способы кодирования, поэтому одновременная передача нескольких сообщений невозможна. Конечно, кроме значительных преимуществ, такая организация имеет и недостатки. Производительность системы передачи данных ограничивается возможностями используемой разделяемой среды, при большой нагрузке может возникнуть заметная конкуренция, мешающая работе. Надежность ниже из-за отсутствия дополнительных путей передачи данных. Однако простота и возможность использования стандартных хорошо отработанных средств организации передачи данных привели к широкому распространению технологий локальных сетей. Узлы могут получить доступ к разделяемой среде передачи данных только поочередно, используя какой-либо механизм арбитража для управления доступом. Как правило, это не создает особых трудностей в работе локальной сети.

В локальных сетях используются две основные топологии связей: общая шина и кольцо. В качестве физических линий связи используют витую пару, коаксиальный кабель или оптоволокно. Уже в локальных сетях возникает необходимость в разделении понятий физической и логической топологии. Физическая топология определяется структурой физических линий связи, а логическая - путями передачи данных. Физическая и логическая топология не всегда совпадают. Различия в топологиях зависят от применяемых в сети коммуникационных устройств. Эти устройства могут просто ретранслировать сигналы между сегментами сети, перераспределять сообщения между сегментами, определять направления и/или маршруты передачи данных. Особенно сложные функции реализуются коммуникационными устройствами не в локальных сетях, а в сетях со сложной физической топологией.

В связи с использованием разделяемой среды передачи данных на канальном уровне локальных сетей приходится решать 2 задачи: управление доступом к среде (MAC уровень) и логической передачи данных (LLC уровень). Подготовка кадра для передачи данных на канальном уровне начинается с LLC уровня. Затем LLC - кадр передается на MAC уровень и с помощью его процедур производится передача уже MAC - кадра через физический уровень. При приеме данных последовательность обработки обратная. С физического уровня поступает MAC - кадр, затем, освобождаясь от атрибутов MAC - кадра, он преобразуется в LLC - кадр.

Классические функции канального уровня информационной сети реализуются LLC процедурами. Они включают общую организацию передачи и управление передачей данных, контроль и восстановление искаженных или потерянных данных. MAC процедуры обеспечивают доступ узлов к разделяемой среде передачи данных, их адресацию в локальной сети, корректное распределение ресурсов при возникающей конкуренции за доступ к разделяемой среде.

Как и многие другие вопросы функционирования информационных сетей, процедуры MAC и LLC стандартизованы. Следует отметить, что MAC и LLC протоколы взаимонезависимы, т.е. каждый протокол MAC может применяться с любым протоколом LLC и наоборот. И в соответствии с принципами модели OSI протоколы MAC и LLC могут согласовываться с различными протоколами и верхних, и нижнего (физического) уровней. Основные процедуры канального уровня в локальных сетях были стандартизованы в США комитетом 802 IEEE и легли в основу стандартов ISO 8802. Несколько позже на основе тех же основных принципов были разработаны и стандартизованы технологии, так называемых, промышленных сетей (Fieldbus).

2. Стандарты 802. х

Группа стандартов 802.1 - 802.12 определяет технологии локальных компьютерных сетей на канальном и физическом уровнях.802.1 носит общий для технологий локальных сетей характер и относится к управлению сетевыми устройствами (мосты, коммутаторы) и организации межсетевого взаимодействия.802.2 описывает процедуры LLC и во многом повторяет HDLC протоколы.802.3 - это определение MAC и физического уровней популярных компьютерных сетей Ethernet.802.4 - определение MAC и физического уровней сетей промышленной автоматики Token bus.802.5 - определение MAC и физического уровней компьютерных сетей Token ring. Остальные стандарты этой группы посвящены технологиям пока не получившим широкого распространения.

Стандарт 802.1 пока рассматриваться не будет. Основные вопросы этого стандарта, касающиеся работы коммуникационных устройств (концентраторов, мостов, коммутаторов и шлюзов), будет рассмотрены позже вместе с вопросами структуризации сетей.

Стандарт 802.2 является LLC протоколом и определяет три возможных процедуры с разным типом сервиса. LLC1 - передача данных без установления соединения и подтверждения. LLC2 - с установлением соединения и подтверждением. LLC3 - без установления соединения, но с подтверждением. Тип сервиса задается применяемыми алгоритмами передачи данных и типами кадров. LLC - кадр содержит следующие поля: DSAP - адрес точки доступа сервиса назначения (1 байт), SSAP - адрес точки доступа сервиса источника, поле управления - тип кадра и другая служебная информация, поле данных. DSAP и SSAP необходимы для согласования работы протоколов верхнего уровня. Эти поля предусматривают возможность работы LLC протокола под различными вышестоящими протоколами в разных узлах одной сети. Поле управления такое же, как в HDLC протоколах, определяет те же самые процедуры.

MAC процедуры, рассмотренные в стандартах 802. х, предполагают два типа топологии связей: шина и кольцо, и два метода доступа к разделяемой среде: вероятностный и детерминированный. Вероятностный метод предполагает возможность доступа в произвольные моменты времени и обеспечивается относительно простыми алгоритмами управления, но повышает вероятность конкуренции узлов в сети. Детерминированный метод предполагает доступ узлов сети в определенном, заранее известном порядке. Это приводит к задержкам в передаче данных, но гарантирует доступ в течение предсказуемого интервала времени. Такой метод требует более сложных алгоритмов управления, т.к. возникает необходимость в определении очередности и контроле дисциплины обслуживания. Достаточно часто в промышленных сетях применяют управление доступом к разделяемой среде передачи данных, основанное на процедурах взаимодействия ведущий-ведомый. Ведущий master-узел отвечает за дисциплину обслуживания и по заявкам ведомых slave-узлов или поочередно разрешает использование общего канала связи в течение ограниченного времени. В настоящее время большее распространение получил вероятностный метод доступа.

 

2.1 Стандарт 802.3, сети Ethernet

Ethernet в настоящее время является наиболее распространенным стандартом локальных компьютерных сетей. Его область применения не ограничивается классическими компьютерными сетями. Очень часто при построении многоуровневых систем управления на нижних уровнях применяют системы на основе стандартов промышленных сетей, а для передачи данных между управляющими компьютерами на верхних уровнях - сети Ethernet. Эта распространенность свидетельствует о высокой эффективности при относительно невысоких затратах на создание и эксплуатацию. Стандарт 802.3 определяет параметры физического уровня и процедуры MAC уровня локальной сети.

Физический уровень стандарта предполагает скорость передачи данных 10 Мбит/сек, 100 Мбит/сек. Существуют версии стандарта с более высокими скоростями передачи данных. Конечно, речь идет о физической скорости формирования и передачи сигналов, эффективная скорость передачи данных всегда ниже. В качестве линий связи предусматривается использование витой пары, коаксиального кабеля или волоконно-оптического кабеля. Сигнальное кодирование на скорости 10 - манчестерский код, на скорости 100 - код NRZ.

MAC уровень предполагает логическую топологию общая шина и вероятностный метод доступа CSMA/CD (коллективный доступ с прослушиванием несущей и обнаружением коллизий). Это является основной особенностью сетей Ethernet. Все MAC кадры, передаваемые по общей шине, принимаются всеми узлами сети. Необходимость в обработке кадра определяется каждым узлом самостоятельно по MAC адресу узла назначения. Для идентификации передатчика каждый кадр также содержит MAC адрес узла источника. Естественно, что в пределах одной сети узлы должны иметь уникальные MAC адреса. Все необходимые процедуры MAC уровня реализуются устройством, называемым сетевым адаптером.

Доступ к среде передачи данных осуществляется следующим образом. Все узлы постоянно прослушивают линию связи. Если линия связи занята, т.е. идет передача кадра, до тех пор, пока линия не освободится, больше ни один из узлов не имеет права начинать передачу. Если в текущий момент времени линия связи свободна, каждый узел имеет право начать передачу. Из-за случайного характера передачи кадров узлами сети, всегда есть определенная вероятность того, что несколько узлов одновременно начнут передачу. Такая ситуация, называемая коллизией, является нормальным, хотя и нежелательным явлением. При коллизии корректная передача данных невозможна, поэтому все узлы должны прекратить передачу и затем, позже предпринять новую попытку передачи. Для обнаружения коллизий сетевые адаптеры содержат специальные детекторы коллизий.

Между передачами кадров должна выдерживаться специальная пауза длительностью 9,6 мкс. Это время необходимо каждому сетевому адаптеру для обработки принятого кадра. Если корректный MAC кадр адресован другим узлам, после обработки сетевым адаптером он отбрасывается. Если - адресован этому узлу, кадр передается вышестоящим уровням для дальнейшей обработки.

Как законченное сообщение, MAC кадр имеет строго определенную структуру. Передача всегда начинается с преамбулы длиной 7 байт (10101010), затем следует начальный разделитель SFD (10101011), далее - адрес назначения DA (6 байт), адрес источника SA (6 байт), длина поля данных (2 байта), данные (0 - 1500 байт, если поле данных менее 46 байт, оно дополняется до 46 байт для корректного обнаружения коллизий), контрольная сумма CRC - 32. Сетевой адаптер при приеме кадра должен распознавать следующие ошибки: длинный кадр (более 1518 байт), короткий кадр (менее 64 байт), "болтливый" кадр (длинный с неправильной CRC), ошибка выравнивания (не кратно байту), ошибка CRC.

Адрес назначения DA может быть трех типов: уникальный MAC - адрес узла приемника (первый байт 00h или 02h), широковещательный адрес (все элементы FF-FF…), групповой адрес (первый байт 01). Уникальный MAC - адрес определяется производителем сетевого адаптера и назначается комитетом IEEE (2 байта - код производителя, 3 байта - серийный номер). Адрес источника SA всегда уникальный. LLC - кадр целиком помещается в поле данных MAC - кадра. CRC контролирует все поля кадра, начиная с DA.

Максимальная эффективная скорость передачи данных зависит от длины кадра. Для физической скорости 10 Мбит/сек при коротких кадрах она составляет 5,48 Мбит/сек, а при длинных кадрах - 9,76. Очевидно, что это только теоретически достижимая скорость, т.к. такие значения возможны при отсутствии коллизий. При высокой нагрузке на разделяемую среду передачи данных вероятность коллизий существенно повышается, а реальная скорость передачи данных соответствующим образом снижается. Считается, что сети Ethernet эффективно работают при нагрузке до 30%. При большем трафике постоянные коллизии могут практически заблокировать передачу данных.

Коллизии и алгоритмы выхода из коллизий.

Коллизия - одновременная передача сигналов несколькими узлами, обнаруживается специальными детекторами коллизий, содержащимися в сетевых адаптерах каждого узла. Опознавание коллизий производится с помощью контроля уровня сигналов в линии связи. При волновом сопротивлении 50 Ом и выходном токе передатчика 40 мА, уровень нормального сигнала не превышает 1 В. При коллизии, когда сигналы формируются одновременно двумя передатчиками, уровень сигнала достигает 2 В. Детектор коллизий реагирует на сигналы, уровень которых превышает 1,5 В. Отсюда вытекает первое ограничение на длину линии связи (10Base-5 - 500 м, 10Base-2 - 185 м, 10Base-Т - 100 м). В приемниках должны надежно идентифицироваться и обычные сигналы манчестерского кода, и сигналы коллизий. Длина линий связи может быть увеличена только с помощью дополнительных коммуникационных устройств - повторителей и концентраторов (хабов). Следует иметь в виду, что существуют жесткие ограничения и на предельную длину, и на количество коммуникационных устройств, так называемое "правило 5-4-3".

Это правило задает следующие требования к физической топологии:

общее количество кабельных сегментов может быть различным, но допустимы только "древовоидные" структуры связей, между любой парой узлов должен существовать только один путь;

между любой парой узлов максимальное количество кабельных сегментов - 5, максимальное количество хабов - 4, активных сегментов, содержащих хотя бы 1 узел - 3.

Кроме ограничений на длину линий связи из-за ослабления сигналов действуют ограничения, связанные с задержкой сигналов из-за конечной скорости распространения. Эти ограничения являются более существенными. Для надежного распознавания коллизий всеми узлами сети необходимо, чтобы время передачи кадра превышало время двойного оборота PDV. Только в этом случае коллизии будут надежно определяться даже для самых удаленных друг от друга узлов сети. PDV зависит от типа линии связи и от ее длины, а минимальная длина кадра ограничена в стандарте.

При обнаружении коллизии узел должен прервать передачу в любом месте кадра и вместо сигналов манчестерского кода передать jam-последовательность. Все сетевые адаптеры принятые данные просто отбрасывают без обработки. Повторная передача кадра разрешена через время кратное интервалу отсрочки TS=51,2 мкс. Причем интервал времени выбирается случайным образом по следующему правилу:

T = TSx (0-2 ⁿ⁾,

где n (номер попытки не более 10)

Таким образом, время задержки для повторной передачи лежит в пределах от 0 до 52,4 мсек. Если после 16 попыток передача не состоялась, на верхний уровень выдается сообщение о невозможности передачи данных.

При увеличении скорости передачи данных, например замена спецификации 10 Base на 100Base, ужесточаются топологические ограничения. В первую очередь это связано с требованиями надежного обнаружения коллизий. Для структуризации сети требуется применение специальных коммуникационных устройств.

Домен коллизий - это сеть, в которой узлы распознают коллизию независимо от того, в какой части сети она произошла. При слишком больших доменах коллизий сеть может стать неэффективной. В этом случае сеть разделяют на несколько доменов коллизий (логических сегментов) применением мостов или коммутаторов. Такая структуризация сети позволяет не только снизить нагрузку на каждый домен, но и смягчить ограничения по предельному числу узлов и максимальной длине линий связи.

 

2.2 Стандарт 802.5, сети Token ring

В этих сетях применяют детерминированный метод доступа с логической топологией кольцо. Право на передачу данных узлы в сети получают поочередно, передавая по кольцу специальный служебный кадр - token. Каждый узел, получив token (маркер), может заменить его собственным кадром данных или передать маркер дальше по кольцу. Сигналы в кольце передаются всегда в одном направлении, т.е. поступают от соседнего узла, находящегося выше по кольцу, и передаются другому соседнему узлу, находящемуся ниже по кольцу. Теоретически кольцо может содержать минимум два узла. Переданный кадр должен совершить полный оборот по кольцу и вернуться к отправителю. Только узел-источник может изъять кадр из кольца, все остальные узлы могут только передавать его дальше по кольцу. После оборота по кольцу передаваемый кадр заменяется маркером, который поступает в следующий узел, и т.д.

Спецификации физического уровня определяют скорости передачи данных 4 и 16 Мбит/сек, физическая топология - звезда. Узлы подключатся через специальное коммуникационное устройство - MSAU. MSAU формирует логическое кольцо, обеспечивая передачу сигналов на вход узла (сверху по кольцу) и прием на выходе узла (вниз по кольцу). При неработающем узле обеспечивается передача сигналов в обход узла для сохранения корректности работы. Предусмотрена специальная процедура включения узла в кольцо, и включение узла и выключение приводит к кратковременной потере работоспособности.

В целом, организация работы сети существенно сложнее, чем в сети Ethernet. В сетях с топологией общая шина и вероятностным доступом все узлы обладают равноправным доступом и выполняют одинаковые процедуры. В Token ring процедуры управления работой существенно сложнее, поэтому функции узлов различны. Основные задачи управления выполняет один узел - активный монитор, все остальные узлы - резервные мониторы. При отключении активного монитора автоматически выполняется процедура назначения нового активного монитора, его функции по заранее определенному алгоритму возлагаются на один из резервных мониторов.

Активный монитор следит за корректностью работы кольца: формирует и отправляет маркер, контролирует движение кадров в кольце, обеспечивает синхронизацию и т.д.

3. Промышленные сети (Fieldbus)

Термин Fieldbus - промышленные сети - это технологии передачи данных, ориентированные на применение в задачах управления техническими объектами. Объектом управления может служить и относительно простой бытовой агрегат, и промышленное технологическое оборудование, и целое производство. Требования, предъявляемые к системам передачи данных, могут быть различными и зачастую весьма противоречивыми. Основой построения промышленных сетей являются процедуры и алгоритмы, которые показали высокую эффективность и гибкость в классических компьютерных сетях. Следует иметь в виду, что технологии телекоммуникационных сетей достаточно просто и полно согласуются с современными требованиями и тенденциями в системах управления. Это постоянно возрастающая "интеллектуализация" всех устройств, необходимость в функциональной гибкости, простота модернизации, работа в реальном масштабе времени, высокая надежность, управляемость и самовосстанавливаемость при нештатных ситуациях, низкие затраты на создание и эксплуатацию.

Естественно, что одного решения на все случаи найти невозможно. В настоящее время применяются и продолжают развиваться несколько сетевых технологий. Это Foundaition Fieldbus, Profibus, CAN сети и другие. Первые два протокола содержат по две различные технологии передачи данных: на нижнем уровне сети - система передачи данных низкоскоростная (31,5 кбит/с) для локальных систем управления, на верхнем уровне - Ethernet (100 Мбит/с) для объединения локальных систем в единые АСУ. Протоколы содержат средства организации взаимодействия между этими двумя сетевыми уровнями. В CAN сети протоколы определяют только нижний уровень сети, но с большими функциональными возможностями. В то же время нет никаких препятствий для организации взаимодействия с более производительными телекоммуникационными технологиями с помощью средств выходящих за рамки CAN протокола.

В большинстве промышленных сетей используют топологию связей - общая шина. Такая топология является наиболее эффективной в силу простоты реализации, функциональной гибкости, легкости модернизации действующих систем, низкой стоимости. В большинстве протоколов в качестве линий связи используют витые пары. Важными требованиями, которым должны удовлетворять промышленные сети, являются высокая надежность и необходимость работать в условиях высокого уровня помех, создаваемых работающим технологическим оборудованием.

 

3.1 CAN сети

CAN протокол, созданный фирмой Bosch для автомобильной электроники в 80-х годах, хорошо согласуется с основными требованиями нижнего уровня промышленных сетей. Он обладает высокой гибкостью, неразрушающим арбитражем доступа к шине, встроенными эффективными средствами контроля и диагностики с возможностью отключения дефектных узлов. В настоящее время CAN сети - одна из наиболее перспективных технологий промышленных сетей. CAN протокол давно вышел за рамки фирменной разработки и утвержден в качестве международного стандарта. Существует ряд международных организаций и объединений, которые обеспечивают необходимый уровень стандартизации. Например, организация CiA объединяет более 300 фирм, которые либо разрабатывают и производят средства для построения CAN сетей, либо заняты их внедрением в различных сферах; CAN протоколы поддерживаются международной ассоциацией автомобильных инженеров SAE.

CAN протокол, так же как и другие протоколы локальных сетей, определяет 2 уровня модели OSI - физический и канальный. Технология передачи данных основана на тех же принципах: использование общих ресурсов, стандартизация алгоритмов и процедур, интеллектуализация средств реализации этих алгоритмов и процедур. Для прикладных задач протокол не нуждается в реализации остальных уровней модели OSI и поэтому очень часто описывается упрощенной трехуровневой моделью. Третий прикладной уровень выходит за рамки CAN протокола и обычно называется HLP протоколом. В настоящее время применяют различные HLP протоколы, хотя в ряде случаев их применение необязательно. В то же время HLP протоколы могут существенно облегчить согласование требований прикладных задач с возможностями CAN сети.

CAN протокол в рамках стандартов ISO11898, ISO11519 и J1939 (SAE) утвержден на базе протокола CAN 2.0 A/B (Bosch) и определяет физический и канальный (MAC) уровни телекоммуникационной сети. В отличие от классических компьютерных сетей, CAN сети ориентированы на передачу сообщений небольших размеров - до 8 байт. Благодаря ряду особенностей поддерживают работу в реальном масштабе времени, мультимастерность, прием и обработку сообщений любым количеством узлов сети, неразрушающий механизм арбитража, самоконтроль и самодиагностику узлов, любой узел обладает возможностью запрашивать необходимые данные. Все эти особенности, а также размеры и формат сообщений, сформированные по требованиям систем управления техническими объектами, определяют высокую эффективность и популярность CAN сетей.

Конечно, многие вопросы построения сети выходят за рамки CAN протокола. Решению этих вопросов посвящены HLP протоколы. Это, например, возможность передачи сообщений больших размеров и основные алгоритмы контроля и восстановления утерянных сообщений (LLC процедуры), инициализация сети с автоматическим определением параметров передачи данных, способы определения идентификаторов в сети и их распределение между узлами, структура сообщений и многое другое.

Основными особенностями CAN сети являются механизм неразрушающего арбитража доступа к разделяемой среде передачи данных и отсутствие явно определенной адресации узлов и сообщений. В большинстве случаев реализуется адресация сообщений. Побитовый неразрушающий арбитраж доступа к разделяемой среде передачи данных (общей шине) реализуется использованием рецессивного и доминантного уровней сигналов. С помощью доминантного сигнала уровень приоритета устанавливается для сообщений, а не для узлов, хотя и используется близкий к Ethernet метод вероятностного доступа с прослушиванием несущей.

Для построения CAN сети применяются стандартные аппаратные средства: CAN - контроллеры и трансиверы (приемопередатчики). Многие ведущие производители выпускают такие устройства в виде интегральных схем. Трансиверы обеспечивают прием и передачу сигналов по линиям связи (физический уровень), а CAN - контроллеры управляют доступом к разделяемой среде передачи данных, а также производят подготовку и обработку передаваемых кадров (канальный и частично физический уровень)