Как определить доступность вычислительной системы по сети

2.3 Проверка корректности функционирования локальной вычислительной сети

По завершению настройки вычислительной сети разумно проверить корректность ее функционирования, для чего можно использовать утилиту ping.

Утилита ping предназначена для проверки доступности целевого сетевого узла и позволяет оценить некоторые параметры процесса обмена данными с целевым удаленным сетевым узлом.

Для проверки доступности сетевого узла, объединенного с сетевым узлом, на котором производится запуск утилиты ping, в вычислительную сеть, утилите ping необходимо передать IP-адрес сетевого узла, доступность которого проверяется.

2.4 Физическая организация локальной вычислительной сети, используемой в данной лабораторной работе

Для выполнения данной лабораторной работы используется вычислительная сеть, состоящая из трех сетевых узлов.

Сетевые узлы организованы на основе виртуальных вычислительных систем, функционирующих с помощью программного комплекса виртуализации вычислительных систем VMWare.

Центральный сетевой узел должен быть объединен с каждым из периферийных сетевых узлов в вычислительную сеть с помощью отдельного виртуального сетевого Ethernet-адаптера, функционирование которого обеспечивает VMWare. Структурная схема вычислительной сети приведена на рисунке.

Настройка вычислительной сети состоит из следующих этапов:

Получить у преподавателя эталонную виртуальную машину с предустановленной на ней ОС GNU/Linux;

Сделать две копии эталонной виртуальной машины.

В дальнейшем, при запуске копий эталонной виртуальной машины на возможный запрос программного комплекса виртуализации о подтверждении получения виртуальной машины путем копирования эталонной виртуальной машины необходимо отвечать утвердительно.

Полученные три идентичные виртуальные машины необходимо использовать следующим образом:

а) эталонную виртуальную машину — в качестве вычислительной системы, на базе которой организуется центральный сетевой узел;

б) копии эталонной виртуальной машины — в качестве вычислительных систем, на базе которых организуются периферийные сетевые узлы.

Перед выполнением непосредственной настройки вычислительной сети, необходимо выполнить следующие действия с виртуальными сетевыми адаптерами VMWare:

а) убедиться, что центральный сетевой узел физически подключен к обеим подсетям вычислительной сети, для чего необходимо открыть окно настроек виртуальной машины, на базе которой организуется центральный сетевой узел, и убедиться в том, что в данном окне присутствуют записи о подключенных к виртуальной машине двух виртуальных Ethernet-адаптерах;

б) для каждой из двух виртуальных машин, на базе которых организуются периферийные сетевые узлы, в окне настроек виртуальной машины требуется удалить одно из подключений к виртуальным сетевым адаптерам, для чего в окне настроек виртуальной машины необходимо выбрать соответствующее подключение и щелкнуть по кнопке «Удалить» («Delete») означенного окна.

Необходимо помнить, что удаляемые подключения виртуальных машин к сетевым адаптерам не должны соответствовать одному и тому же виртуальному сетевому адаптеру, иначе создать сеть, состоящую из двух физически разделенных сетей, не получится.

Непосредственная настройка вычислительной сети заключается в выполнении следующих действий:

а) на центральном сетевом узле:

1) настройка сетевых интерфейсов в соответствии со схемой.

При выполнении настройки сетевых интерфейсов указывать широковещательные адреса сетей не нужно. В качестве масок сетей необходимо указывать 255.255.255.0;

2) настройка проброса пакетов между сетями.

Для включения проброса пакетов между сетями необходимо выполнить команду «echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward» 4 ;

б) на каждом из периферийных сетевых узлов:

1) настройка сетевого интерфейса в соответствии со схемой.

При выполнении настройки сетевых интерфейсов указывать широковещательные адреса сетей не нужно. В качестве масок сетей необходимо указывать 255.255.255.0;

2) добавление в таблицу маршрутизации записи о центральном сетевом узле, как о шлюзе по умолчанию.

Для проверки корректности настройки вычислительной сети необходимо, используя утилиту ping, выполнить следующие действия:

а) проверить доступность центральному сетевому узлу каждого из периферийных сетевых узлов, послав каждому из периферийных сетевых узлов 10 пакетов типа ECHO протокола ICMP 5 ;

б) проверить доступность одному из периферийных узлов другого периферийного узла, послав тому 10 пакетов типа ECHO протокола ICMP.

Получение содержимого таблицы маршрутизации

Необходимо разработать программу на языке C, которая, будучи запущена на центральном сетевом узле, выведет в стандартный поток вывода список маршрутов, присутствующих в таблице маршрутизации центрального сетевого узла, в виде строк вида: «IFACE DEST GATEWAY MASK», где:

IFACE — имя сетевого интерфейса, через который отправляются пакеты по соответствующему маршруту;

DEST — IP-адрес целевой сети, записанный в традиционной нотации (четыре числа в десятичной системе счисления, разделенные точками);

GATEWAY — IP-адрес шлюза, записанный в традиционной нотации;

MASK — маска сети, записанная в традиционной нотации.

Существуют несколько способов получения содержимого таблицы маршрутизации в ОС GNU/Linux в программах, написанных на языке программирования C. Одним из таковых способов является чтение содержимого файла /proc/net/route, в котором текущая таблица маршрутизации представлена в виде ASCII-текста. Содержимое файла /proc/net/route представляет из себя таблицу, состоящую из нескольких строк, каждая из которых, кроме первой строки и пустых строк, описывает один из доступных маршрутов. Первая строка содержит заголовок таблицы. Колонки таблицы, хранимой в файле /proc/net/route, описывают определенные параметры маршрутов:

Iface — имя сетевого интерфейса;

Destination — IP-адрес целевой сети;

Gateway — IP-адрес шлюза;

Mask — маска сети.

Все IP-адреса, записанные в файле /proc/net/route, представлены в виде 32-х битовых шестнадцатеричных чисел в сетевом порядке байт. Необходимо помнить, что порядок байт хоста в случае вычислительных систем, построенных на базе процессов архитектур ia32 и ia64, обратен сетевому порядку байт.

Для редактирования файла исходного кода программы необходимо воспользоваться консольным текстовым редактором vim:

а) открыть файл исходного кода на редактирование.

Для открытия файла исходного кода на редактирование необходимо запустить на выполнение текстовый редактор vim, передав тому в качестве аргумента командной строки имя файла исходного кода. В том случае, если на момент открытия файл исходного кода не существовал, он будет создан, если оператор в процессе редактирования файла сохранит изменения, внесенные в файл. Файл исходного кода, очевидно, должен иметь расширение «.c»;

б) записать в файл исходного кода исходный код программы. Для переключения между раскладками (английской и русской) можно воспользоваться сочетанием клавиш «Shift + Ctrl»;

в) выйти из текстового редактора с сохранением изменений, внесенных в файл исходного кода. Для выхода из текстового редактора необходимо нажать сочетание клавиш «Ctrl + X». Для подтверждения сохранения изменений при выходе из текстового редактора оператор должен ввести с клавиатуры символ «Y» в ответ на соответствующий запрос. Символ «

», присутствующий в большинстве указаний сочетаний клавиш для ввода команд управления редактором, означает клавишу «Ctrl». Например, строка «

X» соответствует сочетанию клавиш «Ctrl + X».

Компиляцию программы необходимо осуществить с помощью компилятора GNU C Compiler, выполнив в каталоге с файлом исходного кода следующую команду: «gcc FILE -o program.out». Здесь:

FILE — имя файла исходного кода;

«-o program.out» — указание компилятору генерировать на выходе исполняемый файл program.out, сохраняемый в текущем каталоге.

Для запуска на выполнение полученного исполняемого файла необходимо выполнить команду «PATH/program.out», где PATH — относительный или абсолютный путь к каталогу, содержащему исполняемый файл. PATH равен «.», если исполняемый файл находится в текущем каталоге.

Для принудительного завершения программы ее главному процессу необходимо отправить сигнал SIGINT нажатием сочетания клавиш «Ctrl + C» в том терминале вычислительной системы, в котором программа запущена.

Бесплатные сетевые IP-сканеры

Nmap уже долгое время считается надёжным инструментом информационной безопасности, он используется инженерами и сотрудниками служб безопасности. Это кроссплатформенная утилита, имеющая широкий спектр функцию, не ограничивающихся простым сканированием сетей.

Она содержит утилиты сканирования сетей, используемые для исследования сетей, и предоставляет множество утилит для аудита безопасности. Она позволяет выполнять глубокое изучение IP-пакетов, в том числе содержащих информацию о сервисах, приложениях, идентификации ОС и других характеристиках удалённого хоста. В ней есть опции «интересных портов», помогающие быстро находить порты удалённых хостов, которые часто бывают открытыми.

Утилита сканирования сетей Nmap, выполняющая быстрое сканирование пингом локальной сети

Бесплатный Nmap Security Scanner для Linux/Mac/Windows можно скачать здесь.

▍ Advanced IP Scanner

Большинство из нас в тот или иной момент времени сталкивалось с Advanced IP Scanner. Этот инструмент уже многие годы обеспечивает возможность быстрого сканирования сетей. Advanced IP Scanner — бесплатная утилита, которая быстро скачивается и мало весит. Начать сканирование сети с её помощью можно всего лишь за пару минут.

Сканирование сети при помощи Advanced IP Scanner

Этот инструмент, совместимый только с Windows, предоставляет множество базовых функций сканирования, в том числе определение имён устройств, IP-адресов и MAC-адресов при помощи OUI lookups для распознавания производителей устройств. Результаты работы утилиты можно экспортировать в файл CSV для дальнейшего исследования устройств в других инструментах и документации. Также она может взаимодействовать с функциональностью Wake-On-LAN найденных удалённых хостов и позволяет удобно обмениваться данными с устройствами, с поддержкой RDP.

Advanced IP Scanner — это автономный исполняемый файл, который можно просто запускать без установки, что повышает его удобство и простоту использования.

Advanced IP Scanner можно скачать здесь.

▍ Angry IP Scanner

Angry IP Scanner — ещё один популярный инструмент в этой категории. Он тоже является кроссплатформенным, поскольку поддерживает Windows, Mac и Linux. Angry IP Scanner сканирует сетевые порты и IP-адреса.

Angry IP Scanner обеспечивает быстрое и простое сканирование сетей

Он пингует адреса и резолвит имена хостов из DNS. Также он определяет MAC-адреса устройств для OUI lookup, а его возможности можно легко расширить при помощи опенсорсных плагинов, написанных на Java. Он имеет множество других функций, например, получение имени NetBIOS, рабочей группы, подключенных пользователей Windows, определение веб-серверов и многое другое. Инструмент позволяет экспортировать результаты в CSV, TXT, XML или в файлы списков IP-портов.

Angry IP Scanner — это автономный исполняемый файл, не требующий установки. Однако для его работы требуется установка на хост среды выполнения Java, что для кого-то может оказаться препятствием.

Angry IP Scanner можно скачать здесь.

▍ Free IP scanner компании Eusing

Free IP scanner — это простая утилита IP-сканирования, имеющая множество отличных функций. Это быстрый сканер, для обеспечения производительности использующий технологию многопоточности. Пользователь может настраивать уровни приоритетов процесса сканирования и максимальное количество потоков. Разработчик утверждает, что инструмент может сканировать сотни компьютеров в секунду.

Free IP scanner

Для поиска находящихся онлайн-хостов он использует пинг. Опционально он может резолвить имена хостов, находить открытые порты и использовать другие функции в случае нахождения онлайн-хостов. Как и другие сканеры, он может получать информацию NetBIOS, в том числе имя хоста, рабочую группу, подключенного пользователя и MAC-адрес. Результаты сканирования можно сохранять в простой текстовый файл. К сожалению, этот инструмент не имеет автономного исполняемого файла, поэтому его нужно устанавливать. Программа запрашивает код регистрации, однако это freeware-программа, которую можно использовать без регистрации.

Free IP scanner можно скачать здесь.

▍ Встроенная командная строка и PowerShell

Также для нахождения хостов в сети можно использовать встроенные командные среды, в том числе командную строку и PowerShell. Например, можно выполнить простую однострочную команду для быстрого пинга и возврата всех онлайн-хостов в конкретной подсети:

Лабораторный практикум по курсу Вычислительные системы сети и телекоммуникации. Лабораторный практикум по курсу Вычислительные системы сети и т. Практикум по курсу Вычислительные системы, сети и телекоммуникации для специальности

Единственный в мире Музей Смайликов

Самая яркая достопримечательность Крыма
Скачать 402.5 Kb.

Лабораторная работа 7: Подключение к локальной сети. Установка и настройка сетевой карты

Цель: знать виды и классификацию локальных сетей, физические среды передачи данных, научиться устанавливать и настраивать сетевой интерфейс

Оборудование: IBM-PC совместимый компьютер, сетевая карта.

Программное обеспечение : MS Windows’9__, почтовый клиент Outlook Express

Место проведения:

Время: 2 часа.

Базовые сведения:

• установить сетевую карту, для чего: выключить и обесточить вычислительную систему, снять защитный кожух системного блока, и установить сетевую карту в слот, соответствующий ее интерфейсу.
• подключить к сетевой карте сетевой кабель. Проверить подключение другого конца кабеля к концентратору (витая пара) или сегменту сетевого кабеля (коаксиальный кабель).
• установить драйвер сетевой карты.
• установить и настроить сетевые протоколы.

Установка сетевой карты (условно)

Для установки сетевой карты необходимо выключить и обесточить вычислительную систему, снять защитный кожух системного блока, и установить сетевую карту в слот, соответствующий ее интерфейсу.

1. Если монитор вычислительной системы имеет питание, отдельное от системного блока, включите монитор.
2. Включите компьютерную систему выключателем системного блока.
3. При появлении запроса о пароле нажмите на клавиатуре клавишу Esc.

1. Нажмите кнопку Пуск на панели задач. Выберете пункт Настройка -> Панель Управления.
2. Откройте объект Сеть. В появившемся окне на вкладке Конфигурация нажмите кнопку Добавить…
3. Выберите тип устанавливаемого компонента: Сетевая карта. Нажмите кнопку Добавить…
4. Выберите соответствующие пункты в окнах Изготовители: Обнаруженные сетевые драйверы и Сетевые платы: Драйвер Ndis2. Нажмите кнопку OK.
5. Отметьте появления в окне В системе установлены следующие компоненты компонентов Драйвер Ndis2 и соответствующих ему протоколов.
6. Перезагрузите систему.

1. Нажмите кнопку Пуск на панели задач. Выберете пункт Настройка -> Панель Управления.
2. Откройте объект Сеть. В появившемся окне:
   1. На вкладке Конфигурация в окне В системе установлены следующие компоненты выберите тип удаляемого компонента: Драйвер Ndis2 ­­­­­­­­­Нажмите кнопку Удалить.
   2. Нажмите кнопку OK.
   1. Дождавшись окончания запуска операционной системы, уточните у преподавателя порядок завершения работы с компьютером. Приведите компьютер в исходное состояние.
   1. Порядок установки и настройки сетевой карты.
   2. Что такое:
   1. Локальная сеть. Признаки классификации сетей.
   2. Топология сетей. Физические среды передачи данных.
   3. Какому уровню модели OSI соответствует: установка сетевой карты и подключение к ЛВС, драйвер сетевой карты.

   Лабораторная работа 8: Подключение к локальной сети. Настройка сетевых протоколов

   Цель: знать виды и классификацию локальных сетей, физические среды передачи данных, научиться устанавливать и настраивать сетевой интерфейс

   Оборудование: IBM-PC совместимый компьютер, сетевая карта.

   Программное обеспечение: MS Windows’9__

   Место проведения:

   Время: 2 часа.

   Базовые сведения:

   Перед началом настройки сетевого интерфейса необходимо установить и настроить сетевую карту. После корректной установки драйвера сетевой карты необходимо настроить сетевые протоколы, которые будут использоваться на данном интерфейсе. После настройки протоколов проверяется работа системы в сети, начиная с команд ping для проверки связности на физическом и канальном уровне, tracert для проверки работы маршрутизации, и заканчивая работой конкретных приложений (электронная почта, веб-сервер) прикладном уровне.

   Как определить доступность вычислительной системы по сети

   История возникновения сетей начинается в конце 50-х годов. В самый разгар холодной войны МО США пожелало иметь сеть, которая могла бы пережить даже ядерную войну. Однако, при уничтожении междугородних телефонных станций, которые играли роль коммутаторов этой сети, она распадалась бы на изолированные участки. Пол Бэрен разработал проект высоконадежной распределенной сети, но он был закрыт, так как крупнейшая телефонная компания того времени AT&T не могла допустить признания своей некомпетентности. И только после запуска В СССР первого спутника научные исследования в этой области были возобновлены. К 1969 году удалось запустить первую экспериментальную сеть, состоящую из 4-х узлов, расположенных в ведущих университетах США того времени. Она называлась ARPANET и к 72-у году уже охватывала несколько десятков штатов. Но только в 1980 году появились первые из компьютерных сетей, которые очень редко встречались в гражданских учебных заведениях и являлись академическими новинками. Сдерживание развития ЛВС на этом этапе было связано с отсутствием устойчивых сетевых стандартов. На ранних стадиях развития ВТ ЭВМ имели очень высокую стоимость, и их количество было сравнительно невелико. Поэтому такие ЭВМ использовались исключительно для централизованной обработки данных, и выполнение различных работ производилось на одной ЭВМ. Организация работ планировалась таким образом, чтобы исключить простои машины и обеспечить наиболее эффективное использование ее возможностей. В системах централизованной обработки поступающие данные вводятся с терминалов или других оконечных устройств, а обрабатываются центральной ЭВМ:
   
   Особенности такой системы:
   1. Система с центральной ЭВМ располагает всего одним МП, которой обслуживает все рабочие места. Поэтому невозможно увеличить мощность и производительность системы.
   2. Терминалы, подключенные к центральной ЭВМ, не могут работать в автономном режиме
   Примером системы централизованной обработки может служить система с разделением времени, которая позволяет производить разнообразные операции с данными непосредственно с терминалов.
   Но с течением времени ситуация изменялась. 12 августа 1981 года фирмы IBM и Microsoft в Нью-Йорке представили компьютер Acorn (IBM 5150 с процессором Intel 8088) именуемый IBM PC. С ним поставлялось на выбор сразу 3 ОС: UCSD Pascal, CP/M-86 и MS-DOS. Последняя из них была самой дешевой ($450, $175 и $60) и соответственно пользовалась большим спросом. ВТ стала значительно более дешевой и доступной, и появился такой класс как персональные компьютеры.
   В 1984 году сетевые технологии стали применяться уже в большинстве университетах и в бизнесе благодаря выпуску фирмой IBM сетей PC Network и Token-Ring. Их создание обеспечило появление столь необходимых всем стандартов. Разница между ними состояла в способе передачи информации между компьютерами. PC Network была широковещательной ЛВС и ПК в ней соединяются по коаксиальному кабелю. Token-Ring – это сеть с прямой передачей и соединением телефонным кабелем. И одной из дополнительных возможностей, которую Token-Ring предоставляла в отличии от PC Network, являлось межсетевое взаимодействие. Таким образом, PC Network предназначалась для связывания ПК внутри учреждения, а Token-Ring должна была обеспечивать связь между учреждениями. Следствием этого стало появление сетей с распределенной обработкой, в которых каждая машина, по сути, является самостоятельной. Центральной ЭВМ в таких системах нет, хотя может присутствовать сервер, но обработка данных осуществляется на локальной машине.
   
   Отличия такой сети:
   1. Каждая станция имеет собственный процессор, и расширение сети увеличивает производительность системы.
   2. Локальные рабочие места обладают собственными носителями данных, что упрощает обмен и снимает часть нагрузки с центральной машины.
   3. Такие сети допускают объединение.
   4. Независимость программного обеспечения на каждом рабочем месте, возможность автономной работы в сети.

   Преимущества локальной сети:
   1. Разделение ресурсов – станция может использовать доступные ей ресурсы сети, а часть своих отдавать в общее пользование.
   2. Разделение данных – доступ и управление базы данных возможно с рабочего места.
   3. Разделение программных средств – возможность одновременного использования программных средств несколькими абонентами.
   4. Разделение ресурсов МП – дает возможность использовать вычислительные мощности другими системами сети.
   5. Многопользовательский режим.
   В 1996 году сети, а особенно Internet, стали уже ежедневной реальностью для миллионов людей. И если в середине 90-х существовало огромное количество различных LAN (Local Area Network) и WAN (Wide Area Network), то к 2003 году единственной широко распространенной системой, построенной на проволочной технологии, становится сеть Ethernet стандарта 802.3, и беспроводная сеть Ethernet 802.11.
   Два ПК считаются связанными между собой, если они могут обмениваться информацией. Internet – это сеть сетей, а WWW – распределенная система на базе Internet. Часто путают компьютерную сеть и распределенную систему. Основное различие в том, что в распределенной системе наличие многочисленных автономных ПК незаметно для пользователя. С его точки зрения – это единая связанная система. Обычно существует некоторый набор ПО на определенном уровне (над ОС), который называется связующим ПО и отвечает за реализацию этой идеи.
   В компьютерной сети нет никакой единой модели, нет и ПО для ее реализации. Пользователь имеет дело с реальными машинами и со стороны вычислительной системы не существует никаких попыток связать их воедино. На самом деле распределенная система является программной надстройкой на базе сети. Она обеспечивает высокую степень связности и прозрачности элементов. Таким образом, различие между распределенной системой и компьютерной сетью заключается в ПО, а не в аппаратуре. Общее у них то, что обе занимаются перемещением файлов с сети, а разница в том – кто этим занимается пользователь или система.

   1.2. Топологии ЛВС.

   1.2.1. Звездообразная (звездная).

   
   Содержит центральный узел, к которому присоединяются станции.
   Примерами такой сети могу служить сеть с центральной ЭВМ или сеть телефонной системы с коммутатором.
   
   В случае с центральной ЭВМ сеть используется для коллективного доступа к ресурсу.
   В локальных сетях такого вида связь может быть обеспечена между устройствами, что не всегда наблюдается в традиционных сетях. Управление сетью осуществляет контроллер — он опрашивает радиальные устройства, чтобы определить наличие данных для передачи. Терминалы могут начать передачу только тогда, когда будет получено разрешение от центрального узла.
   Недостатком такого подхода является то, что при передаче данных от одного терминала к другому центральная ЭВМ в центре звезды обычно обрабатывает их.
   
   Сеть телефонной системы свободна от этого недостатка — здесь коммутация осуществляется непосредственно между радиальными устройствами каналов, либо коммутацией пакетами.
   Коммутация каналов в основном применяется в телефонии. Здесь, на основании номера, полученного от абонента, производится соединение линий. Канал существует до тех пор, пока телефоны не отключатся. К уже существующему каналу другие абоненты подключиться не могут. То одновременный доступ нескольких устройств к одному затруднен.
   В последние годы в качестве обычного метода передачи данных принята коммутация пакетами. Сообщения разбиваются на блоки и упаковываются в пакет, содержащий адреса отправителя и получателя. Пакеты отправляются на узел коммутации, который рассылает их по адресам. Получатель проверяет пакет на наличие ошибок и запрашивает повторно те пакеты, в которых они есть. При этом способе коммутации любое устройство на радиальной линии может взаимодействовать с несколькими устройствами одновременно.
   Узел в центре звезды кроме выполнения функций коммутации и обработки данных может обеспечивать согласование скоростей передачи и приема, преобразовывать протоколы. Но следует учитывать, что такая сеть имеет высокую чувствительность к отказам и требует дублирования наиболее важных компонентов. Расширение сети также является дорогой операцией вследствие необходимости прокладки кабелей.
   В ЛВС последнего поколения звездная топология получила очень широкое распространение. Это стало возможным с внедрением архитектуры «клиент-сервер» и появлением недорогих, но вполне надежных и высокопроизводительных ЭВМ. С этого времени использование дорогих центральных узлов стало неэффективным. Их роль в сетях стали играть коммутаторы, HUB, концентраторы и мосты.
   Достоинства звездообразных ЛВС:
   · простой доступ станции к центральному узлу;
   · высокая надежность;
   · возможно использование на разных радиальных направлениях различных передающих сред и скоростей передачи;
   · высокий уровень защиты информации;
   · высокая ремонтопригодность;
   Недостатки:
   · высокая степень зависимости работоспособности от надежности центрального узла;
   · значительные затраты на монтаж;
   · интенсивность потоков данных ниже, чем в кольце или шине.
   
   Другие возможности использования центрального узла.

   1.2.2. Кольцевая топология.

   
   Классическим примером сетей этого типа является сеть Token-Ring. Принцип прямой передачи, выбранный для сетей этого типа, позволяет передавать данные по скрученной паре проводов. В сети Token—Ring используется амплитудная модуляция, а при этом способе передачи данных сигнал более чувствителен к шумам и помехам, чем при частотной модуляции, которая используется в широкополосных сетях. Витая пара в этом случае лучше защищена от помех, чем коаксиальный кабель.
   
   В такой сети каждый узел подсоединен к двум соседним. Кольцо состоит из нескольких повторителей (приемопередатчиков) и оконечных устройств (станций), присоединенных к повторителям. Логика повторителя, должна обеспечивать лишь возможность получения и передачи данных и доступ к рабочей станции.
   Принцип работы сети заключается в передаче маркера по кольцу. Т.о. организуется всего один канал для работы в сети, а маркер, по сути, является эстафетной палочкой. Каждая станции может начать передачу только в том случае, если мимо нее по кольцу проходит свободный маркер. Тогда она помечает этот маркер как занятый и добавляет свои данные. Получатель сообщения считывает данные, оставляя в сети их копию. Когда маркер проходи полный круг, отправитель считывает свое сообщение, и если оно совпадает с оригиналом – освобождает маркер и удаляет свое сообщение из сети. Для увеличения быстродействия допускается размещение в буфере маркера нескольких сообщений для разных пользователей. Тогда, при интенсивной работе в сети большего числа пользователей, маркер редко бывает свободным, так как вместе с ним в кольце будет путешествовать столько сообщений, сколько позволяет объем пакета. Причем некоторые данные будут проходить не один круг.
   Узел – монитор используется для запуска маркера и очистки кольца от мусора в том случае, если отправитель по каким-то причинам не удалил свои пакеты. В его роли может выступать любая их станций.
   Идея создания такой топологии связана с желанием уменьшить зависимость сети от центрального узла в топологии “звезда”, обеспечив при этом высокую скорость передачи данных. Действительно, вместо коммуникации всего управления сетью в центральном узле, здесь узлы сети выполнены в виде достаточно простых повторителей.
   В кольцевых сетях передача информации выполняется в одном направлении — это объясняется тем, что для такой передачи требуются более простые повторители и протоколы передачи. Значит, чем проще устройство в исполнении, тем выше надежность. В отличие от других топологий, маршрутизация в сетях “кольцо” осуществляется до тех пор, пока пакет не будет принят или удален каким-либо из узлов.
   Вследствие однонаправленности передачи такая сеть идеально подходит для использования оптоволокна. Стоимость монтажа сетей этой топологии зависит от используемой среды передачи сигнала. В качестве среды передачи можно использовать любые известные средства кроме радиосигнала.

   Надежность сети зависит от надежности повторителей и каждой отдельной линии. Для повышения надежности используют обходные пути.
   Но, при выходе из строя двух смежных участков, этот способ может быть недопустим вследствие превышения максимально допустимой длины кабеля между повторителями.
   Достоинства кольцевых ЛВС:
   · отсутствует зависимость от центрального узла;
   · простое обнаружение отказа узлов;
   · скорость передачи выше, чем у “звезды”;
   · простая маршрутизация;
   · малая вероятность ошибок;
   · возможность использования смешанной среды передачи.
   Недостатки:
   · повторители вносят задержку сигнала;
   · ограниченное расстояние между повторителями;
   · трассировка кабеля может быть сложной.
   · остановка сети при добавлении новой станции.

   1.2.3. Петлевая топология.

   

   Петлевая сеть по форме похожа на кольцевую и отличается от нее методом разделения передающей среды. Здесь один из узлов (контроллер) полностью определят, какой узел может использовать сеть и для каких целей. Это достигается циклическим опросом каждого узла.

   Петлевые сети наилучшим образом подходит для работы с низкоскоростными устройствами, например с терминалами в системе с разделением времени. Контроллер сети отвечает за работу терминалов, и может являться частью другой сети, например звезды, располагаясь на одном из радиусов.
   Вследствие концентрированности управления в одном месте, приоритеты устройств устанавливаются просто. Повторители используются по причине централизованного контроля доступа.

   Достоинства:
   · удобны для связи устройств с малыми вычислительными возможностями;
   · имеют низкую стоимость установки кабеля;
   · легко подключаются новые устройства.
   Недостатки:
   · функционирование сети зависит от контроллера;
   · низкие скорости передачи;
   · взаимодействие типа “устройство-устройство” подменяется взаимодействием “устройство-контроллер”.

   1.2.4. Шинная топология.

   

   Эта сеть представляет собой сегмент кабеля не замкнутый в кольцо. Устройства подключены к шине с некоторыми интервалами. Места врезки в кабель и подключения и подключения устройств называются узлами.

   В такой сети существует два способа передачи информации в шину:
   · широковещательный (немодулированный сигнал) — информация поступает через узел в шину и распространяется во все стороны со скоростью ¾ скорости света. Ее могут принимать все узлы. То есть шина является как бы “эфиром” куда передатчик передает информацию антенну, а принимает эту передачу настроенный на нее приемник.
   · Модулированный сигнал – здесь несколько передатчиков работает в собственных частотных диапазонах. Приемники также настраиваются на определенную волну. Если диапазоны не очень близки, то помехи между ними не существенны.

   Шинная сеть с передачей немодулированных сигналов.

   

   В такой сети сигнал не модулируется и сигнал предается в виде серии импульсов (нулей и единиц). Временной интервал разделяется между всеми пользователями, в каждый момент передачу может вести только один узел. Если это не соблюдается, то информация будет искажена. Способ выделения тактов и составляет суть разделения методов, применяемых в таких сетях.
   Среда передачи является, полностью пассивной и в ней нет активных элементов, таких как преобразователи, повторители и т.п. На обоих концах кабеля обычно располагаются терминаторы (сопротивления) препятствующих появлению паразитных сопротивлений волны.
   Типичный метод подключается с такой сети и имеет вид:

   Врезка обеспечивает электрические или электронные подключения к передающей среде. Она является эквивалентом радиоантенны. Интерфейсный модуль выполняет преобразование данных, поступающих от подключенного устройства: помещает их в пакет, снабжает его адресами получателя и отправителя, информацией, позволяющей осуществить контроль ошибок и другой управляющей информацией. Затем в положенное время передает его в сеть. Интерфейс также осуществляет повторную передачу в случае возникновения ошибок. Отправленную таким образом информацию “слышат” все устройства, находящиеся в сети. Интерфейс выделяет адресованные для устройства блоки и игнорирует все остальные.
   Предающей средой в таких сетях является обычно коаксиальный кабель, который позволяет производить врезку без разрыва.
   Достоинства:
   · среда полностью пассивна;
   · легко подключаются новые устройства;
   · к одному интерфейсному модулю могут быть подключены несколько медленно действующих устройств;
   · монтаж сети прост.
   Недостатки:
   · имеющий соответствующее оборудование может прослушивать передачи, не будучи обнаруженным;
   · для связи со средой требуется “интеллектуальное” устройство;
   · обычные терминалы подключаются только через сложные модули;
   · иногда происходит интерференция сообщений в шине;
   · нет автоматического подтверждения приема.

   Шинная сеть с передачей модулированных сигналов.

   1.2.5 Древовидная сеть.

   

   Древовидная сеть представляет собой несколько шин соединенных друг с другом. Обычно имеется магистральная шина, к которой и подключаются боковые. Древовидная шина такого вида наиболее подходит для передача модулированных сигналов. Одна частота используется для передачи, а другая для приема сигнала. Средой передачи является коаксиальный кабель.

   Значительно сложнее организовать древовидную шину с передачей не модулированных сигналов – необходим тщательный подбор кабельных ответвлений, поскольку в противном случае сигналы в ответвлениях будут проходить с различными скоростями и отражаться различным образом. Подобная сеть имеет значительно боле низкую скорость передачи, чем сеть с единственной шиной. В качестве передающей среды используют многожильный кабель. Примером немодулированной древовидной сети является Ethernet. Достоинства и недостатки древовидных сетей аналогичны достоинствам и недостаткам сетей с обычной шинной архитектурой.

   1.2.6. Смешанная и полносвязная сети.

   

   Если узлы сети соединены более сложным способом, который нельзя классифицировать как один из вышерассмотренных, то сеть – смешанная. Если каждый узел сети непосредственно соединен с любым другим узлом каналом, то сеть называют полносвязной.

   1.3. Физическая среда передачи сигнала.

   Витая пара проводов.

   Коаксиальный кабель.

   

   Он состоит из центрального проводника, окруженного слоем изоляционного материала, который отделяет центральный проводник от внешнего проводящего экрана, покрытого слоем изоляции.

   Экран представлять собой как сплошной металлический цилиндр, так и (что чаще) один или больше слоев плетеной проволоки. Центральный провод может быть как одножильным, так и многожильным. Коаксиальный кабель с многожильным центральным проводником лучше подходит для монтажа врезкой и имеет меньшее сопротивление. Коаксиальный кабель удобен для передачи как модулированных, так и немодулированных сигналов. Он легко поддается разрезанию на куски и прокладыванию специальными врезками, причем это не влияет на его электрические характеристики. Поэтому, коаксиальный кабель дороже витой пары, имеет лучшие электрические свойства, а простота монтажа позволяют использовать его в большинстве сетей.

   Волоконно–оптический кабель.

   

   Кабель состоит из светопроводящего наполнителя на кремниевой или пластмассовой основе, заключается в материал низким коэффициентом преломления светового луча. Передача осуществляется при помощи видимого или инфракрасного излучения. Оптоволоконные кабеля используются для внутренней проводки и прокладки внешней трассы между зданиями. Кабеля для внешнего монтажа как и витая пара могут быть многожильными и оснащаются внутри стальным тросом с усилием разрыва в несколько тонн. Для подключения одного ПК необходимо два световода, один для приема, а другой для передачи луча. Это обусловлено тем, что передача в оптической жиле может идти только в одном направлении.

   Передаваемая информация преобразуется в излучение с помощью светодиода или лазера, а на противоположном конце кабеля находится фотодетектор с АЦП, производимый обратное преобразование. Для увеличения пропускной способности канала возможна передача в одном направлении нескольких лучей одновременно.
   Волоконно-оптические кабеля могут быть одноммодовые и многомодовые (мод — луч). Многомодовый кабель содержит оптические жилы диаметром 50 мкм и может передавать в одном направлении несколько лучей света различной длины. Одномодовый кабель имеет диаметр жилы 8-10 мкм, и, естественно может передавать толь один луч. Одномодовые кабеля дороже, но для их подключения не нужны дорогие интерфейсные устройства, способные производить спектральное разделение сигнала, как для многомодовых кабелей. Однако скорость в оптоволокне может превышать 50 Гб/c.
   Волоконно-оптические кабели дороже, сложнее монтируются и имеют сложные повторители. Но в то же время огромным преимуществом таких кабелей является то, что они не чувствительны к электрическим наводкам и агрессивным внешним средам, отвечают высоким требованиям информационной безопасности.
   Волоконно-оптические кабели удобно применять в кольцевых сетях, где передача идет в одном направлении.

   Электромагнитный спектр

   Кроме вышеперечисленных кабелей в качестве среды передачи могут быть использованы радиоканалы, инфракрасное и другое излучение. Радио канал используется обычно для связи между локальными сетями, а инфракрасное излучение – в пределах одного помещения в “поле зрения” другой машины. Движение электронов порождает электромагнитные волны, которые могут распространяться в пространстве (даже в вакууме). В вакууме все электромагнитные волны распространяются с одинаковой скоростью независимо от частоты. Это и есть скорость света приблизительно равная 3*10 8 м/с. Число колебаний электромагнитной волны в секунду называется частотой (Гц). Расстояние между двумя последовательными максимумами или минимумами называется длиной волны. Эти три величины связаны между собой фундаментальным соотношением:
   λ*f = c; существует мнемоническое правило которое гласит, что λ*f ≈ 300, если длина волны измеряется в метрах, а частота в мегагерцах. Например, волны с частотой 100МГц имеют длину волны 3м.
   Электромагнитный спектр имеет вид:
   
   Радио, микроволновый и инфракрасный диапазон могут быть использованы для передачи информации с помощью амплитудной, частотной или фазовой модуляции волн. Ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучения были бы даже лучше благодаря их высоким частотам, однако, их сложно генерировать и модулировать, они плохо проходят через здания и опасны для всего живого. Распределение диапазонов частот имеет свое название и основывается на длине волн.
   
   Количество информации, которое может переносить электромагнитная волна связано с частотным диапазоном канала. Современные технологии позволяют кодировать несколько бит на Герц на низких частотах. При некоторых условиях это число может возрасти восьмикратно на высоких частотах. Кроме диапазона частот необходимо учитывать диапазон длин волн, в котором ослабление сигнала имеет наименьшее значение. Например, в оптике используют диапазоны 1,3мкм и 1,55мкм, потому, что ослабление мощности в этих диапазонах волн составляет менее 5% на километр. Чем шире диапазон длин волн, тем выше скорость передачи данных. Большинство систем связи используют узкие полосы частот, что позволяет обеспечить уверенный прием сигнала.

   Радиочастотные ЛВС

   Микроволновые ЛВС

   Инфракрасные ЛВС

   Сравнительные характеристики передающих сред.

   Витая пара	Коаксиальный кабель	Оптоволокно
   1. Цена 2. Возможность наращивания 3. Защита от прослушивания 4. Скорость передачи 5. Заземление 6. Помехозащищенность	низкая просто хорошая до 10-100 Мбит/с проблематично невысокая	средняя просто незначительная 100-300 Мбит/с просто средняя	высокая сложно высокая 1000 и больше Мбит/с нет проблем высокая

   1.4. Теоретические основы передачи данных в сети.

   Ответственность за передачу данных в сети несет физический уровень эталонной модели, который отвечает за механические, электрические, электромагнитные и временные характеристики сетей. Природа накладывает ряд ограничений на то, что и как может передаваться с помощью определенного физического носителя.
   Информацию можно передавать по проводам за счет какой-либо физической величины, например напряжения или силы тока. Представив значение напряжения или силы тока в виде однозначной функции времени f(t), можно смоделировать поведение сигнала.
   В XIX веке французский математик Фурье доказал, что любая периодическая функция g(t) с периодом Т может быть разложена в бесконечный ряд, состоящий из сумм sin и cos.
   
   где: f=1/T – основная частота (гармоника), a_n и b_n — амплитуды sin и cos n-й гармоники, с – константа.
   Рассмотрим передачу символа «b», состоящего из 1 байта: 01100010. Если проинтегрировать ряд Фурье от 0 до Т по номерам совпадающих гармоник, то в результате анализа Фурье получим функции зависимости амплитуд a_n и b_n от номера гармоники и коэффициента с. Тогда графики передачи сигнала будут иметь вид:
   
   Среднеквадратичные амплитуды будут пропорциональны энергии, передаваемой на соответствующих частотах. Но ни один канал не может передавать данные без потерь мощности. Каналы передачи данных всегда страдают от 3-х типов помех:
   1. Затухание – это потеря энергии по мере прохождения сигнала по каналу;
   2. Искажение – это результат того, что гармоники передаются в физической среде с различными скоростями;
   3. Шумы – это нежелательная энергия от посторонних источников плюс термальный шум, которые накладываются на сигнал.
   По этому все гармоники ряда Фурье уменьшаются в амплитуде и искажаются в разной степени. Но, как правило, амплитуды предаются без искажений в частотном диапазоне от 0 до fc, где fc называется частотой среза. В этом диапазоне находится полоса пропускания. Но на практике в полосу пропускания включаются частоты, где потеря мощности не превышает 50%. Полоса пропускания является физической характеристикой среды передачи и зависит от конструкции, толщины и длины носителя. Иногда для намеренного уменьшения полосы пропускания в линию включают фильтры. Например, кабель, используемый в телефонии при небольших расстояниях, имеет полосу пропускания 1МГц, однако для передачи отчетливой речи достаточно всего 3КГц – этот диапазон называется речевым каналом. В результате за счет уменьшения расходуемых каждым абонентом ресурсов повышается общая эффективность системы.
   Допустим, скорость передачи информации в линии равна b бит/c. Тогда время для передачи 8 бит будет равно 8/b секунд. Это период Т передачи одного байта. Значит частота равна обратной величине периода или b/8Гц. Тогда, при искусственно созданной частоте среза и равной 3КГц, номер самой высокой гармоники прошедшей через канал, можно приблизительно рассчитать как 3000/(b/8) – или 24000/b. Следовательно, попытка передать по речевому каналу данные со скоростью 9600 бит/с (24000/96000=2,5) будет выглядеть как на 3-м рисунке. Т.е. прем сигнала с приемлемым качеством даже на это скорости практически невозможен, уже не говоря о более высоких скоростях.
   Вывод – ограничение полосы пропускания частот канала ограничивает его пропускную способность для передачи двоичных данных, даже для идеальных каналов. Следовательно, для достижения высоких скоростей передачи необходимо каким-то образом модифицировать исходный сигнал.

   1.5. Методы передачи данных в сетях.

   1.5.1. Виды модуляции.

   Поскольку ослабление и скорость распространения сигнала зависит от частоты, то нежелательно иметь широкий спектр частот передаваемого сигнала. Кроме того широкополосные сигналы подвержены большим помехам, чем сигналы с узкой полосой пропускания. К сожалению, последовательность прямоугольных импульсов имеет именно широкий спектр частот и подвергается значительному искажению. Это связано с тем, что для передачи информации в электронике используются сигналы постоянного тока двух уровней. Логическим 0-м считается сигнал с напряжением от 0В до 0,5В, а логической 1-й — сигнал с напряжением от 2,5В до 5В. Сигналы со средним значением 0,5В и 4,5В называются TTL-сигналами. Сигналы между порогами нуля и единицы считаются неопределенными и воспринимаются как отсутствие сигнала или помеха. Чередование 0 и 1 образует последовательность прямоугольных импульсов. В результате разложения этой последовательности в ряд Фурье, ее составляющими становятся гармоники различных частот. Чем больше этих гармоник, тем ближе приближается форма сигнала к прямоугольному импульсу и шире спектр частот.

   Поэтому вместо постоянного тока для передачи используют переменный ток на частотах от 1КГц до 2КГц называемый синусоидальной несущей частотой. Амплитуда, частота и фаза сигнала могут изменяться и использоваться для передачи информации. Устройство выполняющее изменение одной из перечисленных характеристик несущей частоты каким-либо образом называется модемом от слов МОдуляция / ДЕМодуляция.
   При амплитудной модуляции изменяется амплитуда синусоидальной несущей частоты. Генератор несущей частоты передатчика вырабатывает переменный ток постоянной частоты. Этот сигнал при помощи модема накладывается на информационный сигнал таким образом, что для уровней логического нуля и единицы получаются различные амплитуды несущей частоты сигнала. На выходе модема формируется модулированный по амплитуде сигнал, огибающая частота которого по форме напоминает информационный сигнал.
   На входе приемника модем усиливает сигнал, выделяет из него несущую частоту и по форме огибающей частоты восстанавливает информационный сигнал. После чего он преобразует первоначальную последовательность бит в сигнал TTL-уровня и передается его уровню передачи данных.

   При частотной модуляции изменяется частота несущей таким образом, что результирующий выходной сигнал состоит из комбинации двух частот f1 и f2, которые используются для модуляции низкого и высокого уровней передаваемого сигнала.
   При фазовой модуляции применяется сдвиг фаз несущей частоты на какой-то постоянный угол, например 180 градусов, в определенные промежутки времени. Сдвиг фаз обычно происходит по фронту или срезу импульса. Фронтом импульса называется переход сигнала с 0 на 1, а срезом – переход с 1 на 0. Такое изменение позволяет приемнику более четко распознать границы импульсов.
   Скоростью двоичной передачи называют число отсчетов в секунду измеряемое в бодах. За один отсчет передается единица информации называемая символом.
   Битовая скорость – это объем информации, передаваемой по каналу за секунду. Она равна произведению битовой скорости на число бит на символ K: V_б = V_2*K бит/c.

   Так как ограничение полосы пропускания частот канала ограничивает его пропускную способность для передачи двоичных данных, то на практике стремятся к повышению числа бит на отсчет, а не к увеличению скорости двоичной передачи. Улучшенным вариантом амплитудной модуляции является использование нескольких уровней напряжений. Например, если V₂ = 2400бод, а символы 0 и 1 состоят из сигналов двух уровней, то за один отсчет можно передать только один бит: 0 или 1, и битовая скорость будет равна 2400*1=2400бит/c. Если использовать 4 уровня напряжений, то символ будет состоять из 2-х бит, и та же самая линия на 2400бод будет передавать 2400 символов в секунду, но со скоростью 4800 бит/c.

   Улучшенным вариантом фазовой модуляции является сдвиг фаз на постоянный угол, например — 45, 135, 225 и 315 градусов для передачи двух бит. Метод, в котором задаются четыре степени фазового сдвига, называется квадратурной фазовой модуляцией – QPSK. Такая модуляция может быть представлена на амплитудно-фазовой диаграмме, называемой диаграммой созвездий. Из диаграммы видно, что при таком виде модуляции изменяется только фаза сигнала, а амплитуда остается постоянной, так как точки находятся на одинаковом расстоянии от начала координат. При этой модуляции можно также передать два бита на символ, как и в предыдущем случае.

   Современные модемы используют комбинированные методы модуляции для передачи максимально возможного числа бит на символ. В следующем методе используются 16 комбинации амплитудных и фазовых сдвигов. Называется он квадратурной амплитудной модуляцией – QAM-16. Из диаграммы созвездий видно, что здесь изменяются не только фазы но и амплитуды сигнала. С его помощью можно передать уже 4 бита на символ, и скорость при тех же 2400 бод составит уже 9600бит/с.

   Существуют также метод QAM—64 для передачи 6 бит на символ (скорость 14400бит/с) и более высоких порядков. У Каждого стандарта высокоскоростных модемов есть своя диаграмма и он может общаться только с модемами, которые используют ту же диаграмму, другими словами – они должны работать по одному протоколу. Чем больше точек на диаграмме, тем больше вероятность того, что даже слабый шум при детектировании амплитуды или фазы приведет к ошибке. Для уменьшения этой вероятности были разработаны стандарты с дополнительными битами коррекции и диаграмма была развернута на 45 градусов. Такие схемы называются решетчатым кодирование – TCM. В стандарте V.32 имеется 32 точки для передачи 4 бит на символ и один контрольный бит на линии 2400бод, что позволяет при частоте дискретизации 2400бод достигнуть скорости 9600бит/c, но с контролем ошибок.
   Если данные не модулировать, то двоичную информацию можно передавать по каналу в исходном виде, но на очень небольшие расстояния. Кодирование данных в цифровом канале выполняется напрямую. Обычно используют метод NRZ – без возврата на ноль. Для передачи исходного цифрового сигнала достаточно увеличить его амплитуду. В этом методе логическая единица представляется положительным напряжением (сигналом высокого уровня), а логический ноль – сигналом отрицательного напряжения (низкого уровня).

   1.5.2. Синхронная передача данных в сетях.

   Из временных диаграмм видно, что независимо от того используется цифровой или аналоговый сигнал, достаточно трудно определить сколько нулей и единиц находится в последовательности бит. То есть найти момент окончания одного бита и начала другого в том случае, если несколько единиц или нулей идут друг за другом. Чтобы решить эту задачу производится синхронизация источника и приемника данных – они должны одинаково отсчитывать временные интервалы. Синхронизация осуществляется с помощью передачи тактовых импульсов по специально выделенной линии.

   

   Приемник осуществляет выборку сигнала во время прихода тактового импульса, что гарантирует правильный прием. Передача коротких импульсов затруднена вследствие затухания в среде для цифровых (TTL) сигналов и проблем кодирования/декодирования для аналоговых.

   Поэтому используют прямоугольную форму тактового NRZ сигнала и выборка осуществляется в момент перехода от единицы к нулю.
   При синхронной передаче достигается более высокая скорость передачи, так как информационный поток бит не содержит служебной информации. Однако усложняется структура канала из-за необходимости передавать тактовую частоту, что влечет за собой лишние накладные расходы.
   Синхронная передача применяется в основном для устройств критичных к скорости канала и точности передачи данных.
   Этот метод применяется для передачи данных на небольшие расстояния из-за проблем искажения и затухания сигнала.

   1.5.3. Асинхронная передача данных в сетях.

   Для обеспечения синхронизации передатчика и приемника без дополнительной линии используется два метода передачи: асинхронный и автоподстройки.

   Асинхронная передача используется при низких скоростях передачи. В этом случае поток передаваемых битов делится на блоки фиксированной длины (обычно байты). Приемник и передатчик снабжены внутренними генераторами тактовых импульсов, работающих на одинаковых частотах. Но частота не может оставаться постоянной всегда и генераторы необходимо подстраивать (синхронизировать). Обычна эта операция производится в начале каждого бита, т.к. предполагается, что генераторы достаточно точны, чтобы не вызывать ошибки передачи за время прохождения одного байта.
   
   Перед каждым передаваемым байтом посылается дополнительный бит или старт-бит, а после переданного байта – еще один дополнительный бит или стоп-бит. Старт бита всегда равен 0, а стоп- бит 1. Если данные не передаются, линия передачи находится в состоянии 1, которое называют состояние не занятости. Поэтому начало передачи каждого бита всегда сопровождается переходом от 1 к 0, что означает начало старт-бита и используется для синхронизации.
   
   В общем случае, при больших размерах блоков данных, последовательность бит снабжается еще одним контрольным битом, добавляемым перед стоп-битом. Контрольный бит выполняет проверку данных на четность путем двоичного суммирования всех бит последовательности без учета старших разрядов. В результате, если контрольный бит равен 1 – это говорит о том, что количество единиц в байте нечетное, если 0 – четное. Контроль четности может обеспечить проверку данных, если только ошибка произошла в нечетном количестве бит. В противном случае она не будет обнаружена: 001 = 010. При обнаружении ошибки приемник запрашивает повторную передачу данных, так как по контрольному биту можно определить только наличие ошибки в данных, а не ее положение в байте.
   Метод автоподстройки наиболее эффективен при высоких скоростях передачи. В этом случае используется Манчестерское кодирование цифрового сигнала.
   Синхронизация здесь происходит при передаче каждого бита и последовательность бит может иметь любую длину. Синхронизация достигается путем переходов в середине битов данных. Биты кодируются последовательным образом: 0 – L-уровнем, за которым идет переход H-уровню, а 1 – H-уровнем, за которым идет переход к L-уровню. Если информация не передается, то генераторы не согласованы, поскольку нет переходов. Поэтому перед началом передачи производят синхронизацию путем передачи байта-преамбулы (байта готовности, который и осуществляет синхронизацию). Он может иметь значение 11111110. Первые семь битов используются для синхронизации, а последний сигнализирует о конце преамбулы. Если в принятом манчестерском коде частота импульсов совпадает с частотой преамбулы, значит передаются биты одного NRZ-уровня, если частота в два раза меньше – значит произошел переход с одного NRZ–уровня на другой.

   1.6. Методы доступа в сетях.

   Классификация методов доступа.

   

   Управление доступом в сетях связано с двумя нижними уровнями системы OSI – физическим уровнем и уровнем канала.
   Существует две основные группы методов:

   1.6.1. Метод первичный/вторичный (главный/подчиненный).

   Здесь выделяется некая первичная станция, которая управляет всеми остальными станциями и определяет, когда и какие устройства могут производить обмен данными. Простейшая конфигурация такой системы — система с опросом/выборкой. В такой системе все подчиненные устройства находятся в режиме ожидания не зависимо от того есть у них информация для передачи или требуются ли им данные для обработки. Главный узел для инициализации передачи по сети может пользоваться командами двух типов. Это “опрос” и “выборка”.
   
   Команда “опрос” предназначена для передачи данных от вторичного узла к первичному. Она посылается вторичному узлу для выяснения того, есть ли у него данные для передачи.
   
   В том случае, если узел 2 имеет данные для передачи в узел 1, то они отправляются в опрашивающий узел. Первичный узел, получив данные, осуществляет контроль на наличие ошибок, и посылает вторичному узлу сигнал AСK (ошибок нет) или NAK (ошибки есть). Эти два шага (передача данных и ACK/NAC) происходят до тех пор, пока у вторичного узла не останется данных для передачи. В этом случае вторичная станция передает сигнал EOT (End Of Transmission). Но может возникнуть ситуация, при которой у опрашиваемого узла не окажется данных с самого начала – в этом случае вторичный узел вместо данных отвечает сигналом NAC (есть ли у вас данные для меня? Нет), и будет опрошен в следующем цикле.
   
   Команда “выбор” предназначена для передачи данных из главного узла в подчиненный не зависимо от того, чем занят подчиненный узел. Эта команда посылается из первичного узла во вторичный для определения того может ли вторичный узел их принять. Подтверждение ACK означает, что узел 2 готов к приему. Данные принимаются, контролируются на ошибки и их прием подтверждается. Процесс повторяется до тех пор, пока не кончатся данные, затем следует EOT. В новых системах главный узел во время соединения резервирует в приемнике ресурсы и данные могут быть пересланы по усмотрению главного узла, т.е. команды выбора не используются. Обмен данными вообще может происходить без участия процессора, а под управлением контроллера, что повышает общую производительность системы.
   
   Рассмотрим, как работает система с опросом/выборкой в том случае, если обмен необходим между двумя вторичными узлами.
   
   Предположим, что узел 2 захотел обменяться данными с узлом 1. Для того, чтобы эта передача произошла, необходимо, чтобы первичный узел опросил узел вторичный. После команды «Опрос» данные посылаются из узла 2 в центральный узел, где контролируется на наличие ошибок, затем центральный узел отправляет подтверждение о получении. Так продолжается до тех пор, пока узел 2 не передает все имеющиеся у него данные и не закончит передачу (сигнал EOT). Следующим этапом центральный узел инициирует процедуру выбора узла 1 с тем, чтобы передать ему данные от узла 2. Этот метод называется выборочным опросом. Последовательность команд выборки повторяется и общая диаграмма имеет вид:
   В некоторых случаях (когда устройства не всегда имеют данные для передачи или их объем не велик) первичный узел может отправлять в сеть пакет, в котором вторичные узлы и помещают свои данные передавая этот пакет от узла к узлу. Но при этом существует опасность того, что этот пакет будет постоянно занимать одна интенсивно работающая станция. Такой метод получил название группового опроса.
   Основные недостатки систем опрос/выбор:
   — наличие неоднократных ответов на запрос, что загружает сеть;
   — опасность перегрузки первичного узла, поскольку весь трафик проходит без него;
   — при отказе первичного узла – отказ всей сети.
   В этом методе требуется передача данных в двух направлениях. Один из способов получения дуплексной передачи – это создание двух симплексных каналов для работы в разных направлениях. В этом случае пропускная способность канала подтверждений почти не используется, что неэффективно. Более прогрессивный способ состоит в передаче данных по полудуплексному каналу, где в обратном направлении канал работает с той же пропускной способностью, что и в прямом.

   Примеры сетей с опросом-выборкой.

   В общем случае в зависимости от используемых протоколов используют три разновидности метода запроса повторной передачи.
   1) Метод с остановкой и ожиданием.
   Так как получающий сетевой уровень не может мгновенно обработать данные, то основная проблема состоит в том, как предотвратить ситуацию, когда отправитель посылает данные быстрее, чем их может обработать получатель. Если приемнику требуется некоторое время dt, для обработки единицы данных, и у него нет достаточно большого входного буфера, то источник должен передавать данные со скоростью не больше чем 1 кадр за время dt. Иначе новый кадр запишется поверх предыдущего еще не прочитанного кадра. Решение проблемы в организации обратной связи между источником и приемником.
   Передав данные сетевому уровню получатель формирует управляющий пакет в котором указывает, что можно передать следующий кадр или повторить неверно принятый предыдущий.
   Этот метод называется так потому, что после передачи кадра станция ожидает ответа. То есть это полудуплексная (поочередная двунаправленная) передача, которая ведется в двух направлениях, но только в одном направлении одновременно. Метод остановки и ожидания находит широкое применение из-за низкой стоимости – простое аппаратное обеспечение и программная поддержка. Но в чистом виде данный метод имеет существенный недостаток – в нем не предусмотрено установление последовательности сообщений. Искажаться могут не только данные, но и управляющая информация. Поэтому используется система с остановкой и ожиданием в которой для управления протоколами трафика станции использую порядковые номера:
   
   Пусть обмен идет между станциями. Источник передает данные с порядковым номером 0, приемник отвечает подтверждением, также с порядковым номером 0. Следующая порция данных будет отправлена только когда источник получит информацию о том, что предыдущие данные успешно приняты. Пусть сигнал ACK № 1 был искажен так сильно, что источнику не удалось его расшифровать. Тогда через некоторое время он повторно передает данные № 1. Если бы данные не были идентифицированы порядковым номером, то приемник не смог бы обнаружить, что кадр продублирован. Но поскольку номер есть, дубликат отбрасывается, а подтверждение передается повторно во избежание зацикливания.
   Порядковый номер в этом методе обычно является подразумевающимся, т.е. чередуются нули и единицы. Подтверждением может служить байт со знаком в старшем разряде, который и будет определять порядковый номер. Например, для порядкового номера 0: ошибка – 01111111 (127), данные приняты – 00000000 (0); для порядкового номера 1: ошибка – 11111111 (-1), данные приняты – 10000000 (-128).
   2) Непрерывный ARQ (автоматический запрос повторной передачи).
   В предыдущих методах подразумевалось, что время, необходимое на передачу кадра пренебрежительно мало. В каналах с большим временем передачи кадра использование метода остановки с ожиданием снижает эффективность использования пропускной способности канала. Проблема является следствием правила, заставляющего отправителя дожидаться подтверждения приема прежде чем послать следующий кадр.
   Непрерывный метод ARQ назван так потому, что станции разрешено автоматически запрашивать другую станцию и производить повторную передачу данных. Этот подход использует полнодуплексный (FullDuplex) канал передачи. Существует несколько разновидностей этого метода.
   Первый – это непрерывный метод с возвратом на N. Он позволяет главному узлу отправить N кадров прежде чем остановиться и ожидать подтверждения. Число N подбирается таким образом, чтобы сразу после передачи N кадров главный узел мог принять подтверждение на 1-й кадр, тем самым снизив время простоя. В этом методе могут быть реализованы два протокола повторной передачи. Все кадры в последовательности пронумерованы. В первом случае пересылаются все N кадров, независимо от того, в каком из них произошла ошибка. Здесь пропускная способность канала используется примерно на 25%.
   Во втором случае повторная передача начинается с кадра, в котором произошла ошибка. Пропускная способность канала здесь используется уже на 50%.
   
   Предыдущий метод хорошо работает, если ошибки в сети встречаются не часто. При большой зашумленности канала количество повторов может возрастать, и ошибки в кадрах могут все ближе располагаться к началу пакета. Это снижает эффективность канала, и второй протокол начинает работать как первый. Тогда используют вторую разновидность метода – это непрерывный метод с выборочным повтором. Здесь протокол обеспечивает повторную передачу только ошибочного кадра. Эффективность линии возрастает до 80%. В третьем случае приемник будет запрашивать только плохие кадры до тех пор, пока не сформирует исходный пакет.
   Устройства, реализующие метод с опросом/выборкой используют понятие передающих и принимающих окон. Окно устанавливается во время инициирования сеанса связи между станциями. Окно устанавливается на каждом конце канала, чтобы обеспечить резервирование ресурсов станции. В большинстве случаев окно обеспечивает и буферное пространство и правила нумерации сообщений. Если станции А и В должны обмениваться данными, то A резервирует окно для B, а B – для A. Таким образом окна соответствуют потребностям и возможностям каждой станции. Использование окон необходимо для полнодуплексных протоколов, потому что они подразумевают непрерывный поток данных без периодических подтверждений.
   Окна управляются переменными состояниями, которые, по сути, являются состоянием счетчика кадров. Передающий узел поддерживает переменную состояния посылки S – порядковый номер кадра, который должен быть передан следующим. Принимающий узел поддерживает переменную состояния приема D – номер кадра, который придет следующим.
   Предавая кадр, узел помещает в него номер из S, а затем увеличивает S на 1. Принимающий узел, получив кадр, производит проверку на ошибки передачи и сравнивает номер кадра с D. Если данные не содержат ошибок, D помещается в поле порядкового номера подтверждения ACK и увеличивается на 1, после чего ACK пересылается источнику. В том случае, если принять кадр невозможно, то источнику посылается NAK с номером D ошибочного кадра. Порядковый номер ответа приемника D уведомляет передатчик о том, какой пакет готов получить приемник. Повторная пересылка ошибочных кадров будет происходить в соответствии с одним из рассмотренных протоколов но только после передачи всего пакета. Обычно в качестве переменных состояния используют поразрядное кодирование счетчика кадров.

   Примеры сетей без опроса.

   

   Протоколы, обслуживающие эти сети, относятся к низкоуровневым, но очень широко применяются для передачи данных, так как базируются на основе использования асинхронного метода передачи данных и стандарта RS-232-С. Этот стандарт позволяет передавать данные между несовместимыми устройствами. Сам разъем может быть выполнен в модификации с 9 или 25 контактами. Причем функциональное назначение информационных и управляющих сигналов обеих модификаций идентично. Существуют прикладные программы предназначенные для высокоскоростного обмена данными через параллельные и последовательные порты, что своего рада тоже является сетью. Два наиболее распространенных варианта этого метода обмена данными без опроса – это RTS/CTS и Xon/Xoff. Оба метода аналогичны друг другу и выполняют одинаковые задачи. Одной из этих задач является предотвращение переполнения буфера приемника при различных скоростях работы сетевых устройств.

   Рассмотрим подробнее метод Xon/Xoff:
   Его применяют для управления трафиком, входящим в периферийные устройства (печатающие устройства, терминалы, графопостроители). ЭВМ посылает данные в ПУ для обработки (например распечатки), но т.к. ПУ работает с малой скоростью, по сравнению со скоростью передачи ЭВМ, то его буфер может переполняться и чтобы этого избежать, ПУ посылает ЭВМ сигнал Xoff. Получив этот сигнал ЭВМ прекращает передачу до тех пор, пока не получит сигнал Xon, который означает, что ПУ свободно и готово принять новые данные.
   Метод RTS/CTS (запрос передачи/разрешение передачи) аналогичен методу Xon/Xoff с тем отличием, что обмен данными осуществляется только при наличии сигнала CTS. Рассмотренные методы используются для последовательных портов. Для параллельных портов (8 бит передаются по 8 линиям одновременно) разработан стандарт IEEE1284, который позволяет управлять передачей целого байта. Здесь для управления передачей используют сигнал «занятость» нуль-модемного кабеля аналогичный Xoff. Этот стандарт значительно увеличивает скорость передачи, но используется на меньшие расстояния (до 3 метров). Ограничение расстояния вызвано наличием фазового сдвига сигналов в линиях данных из-за широкого спектра частот передачи двоичных данных. По этой причине предпочтение отдают последовательной передаче, так как там один бит не может «обогнать» другой и скорость передачи можно увеличить. В настоящее время существуют стандарты USB и IEEE1394 или FireWare, принцип работы которых базируется на описанных выше методах обмена данными.
   Вторым вариантом сети без опроса является сеть на основе протокола множественного доступа с временным разделением (с квантование времени) TDMA.
   Сутью метода является временное разделение передачи информации вторичными узлами. Главный узел или диспетчер канала в этом случае, кроме управления передачей берет на себя функции арбитра дискретизации канала по времени между подчиненными узлами. Первичный узел собирает информацию у вторичных узлов о желании использовать канал. Запросы на использование канала вторичные узлы посылают как часть текущих сообщений в специальном управляющем поле. После сбора информации главный узел формирует управляющий кадр, в котором указывает в какой последовательности станции могут использовать канал и какие временные интервалы для этого отводятся. Подчиненным узлам остается только подстроиться под выделенные им временные интервалы. Достоинством метода является уменьшение времени на обмен служебной информацией, в результате чего повышается эффективность использования канала.
   Рассмотренная группа методов относится к протоколам уровня передачи данных и предоставляет сетевому уровню сервисы с подтверждениями, ориентированные на соединение кроме последнего метода. Он обеспечивается сервисом без установления соединения.

   1.6.2. Равноранговый метод доступа в сетях.

   Неприоритетные системы.

   1) Простая ALOHA (Pure ALOHA).

   

   Иногда этот метод называют чистая система ALOHA или непрерывная система ALOHA. В основе этого метода лежит идея: разрешать пользователям передавать данные, как только они у них появятся. То есть если терминал имеет данные для передачи, то он немедленно отправляет их в сеть, после чего запускает таймер. Если за время установленное на таймере не приходит подтверждения, это значит, что пакет испорчен и терминал передает его повторно. Столкновения данных в сети называются коллизией или конфликтами. Но, благодаря обратной связи, пользователь может установить: – дошел ли кадр до получателя, или был разрушен в результате коллизий. При разрушении данных источник выжидает случайное время и пытается передать кадр заново, так как если две станции будут выжидать одинаковое время, то коллизии будут повторяться снова и снова.

   Для увеличения пропускной способности канала все кадры должны бать одинакового размера. Тогда, если N – это среднее количество кадров передаваемое за время кадра dt, то при N >> 1 существует очень много пользователей, которые с большой скоростью формируют кадры данных и пытаются передать их в сеть. В этом случае, при большой загруженности канала, почти каждый кадр будет страдать от столкновений. Хотя длительность временного промежутка, в течение которого происходит наложение пакетов очень мала, теряется весь промежуток времени от начала передачи первого пакета до конца второго.
   Для нормальной работы такой системы с непрерывным временем передачи кадров необходимо чтобы 0 < N < 1. Следует также учитывать, что кроме новых кадров от столкновений будут страдать кадры повторной передачи. Производительность канала за время кадра в таких системах не может превышать 18%.

   Дискретная система ALOHA (Slotted ALOHA).

   

   Следующим шагом увеличения пропускной способности канала стало введение в систему станции, генерирующей специальный синхросигнал. Он предназначен для разделения всего времени на дискретные интервалы, равные длине кадра. Благодаря этому компьютер не может начать передачу не в произвольное время, а только в начале нового такта. Такие системы называются дискретной или тактированной системой Aloha. Но остается ситуация, когда 2 пользователя одновременно начинают передачу файлов в одном и том же такте. В этом случае кадры сталкиваются и разрушаются. Таким образом потери времени здесь ниже, чем в предыдущем случае. Поскольку опасный интервал сокращен до времени одного такта. По сравнению с чистой системой Aloha производительность канала за время кадра здесь возрастает до 37 %. В оптимальной ситуации для дискретных систем 37% интервалов времени будет с успешными кадрами, 37% — с пустыми и 26% — со столкнувшимися. Увеличение количества попыток передачи в единицу времени не приводит к желаемому результату. Количество пустых интервалов уменьшается, но возрастает количество интервалов со столкновениями или число коллизий в канале. Поэтому максимальная производительность в такой системе будет при одной попытке передачи за время кадра.

   Но все-таки эффективность обоих методов недостаточно высока и поэтому для современных сетей используются другие методы.

   2) Множественный доступ с контролем несущей. Carrier Sense Multiple Access (CSMA).

   Протоколы, в которых станции прослушивают канал перед его использованием, называются протоколами с контролем несущей или протоколами CSMA.
   В этом методе повышением эффективности метода TDM является реализация отказа от передачи пакета, если канал уже занят – для этого устройство “прослушивает” канал до того как приступить к передаче. Если канал занят, то передача осуществляется сразу по его освобождению. Но вследствие задержек в сети может возникнуть ситуация, когда два устройства начнут передачу одновременно, так как во время прослушивания канал не был занят или только что освободился:
   
   То есть пакеты могут быть искажены. В простейшем случае устройство-отправитель перестает следить за каналом сразу после посылки данных, и хотя пакеты столкнутся и будут искажены, они передаются до конца. Поэтому такие системы называются системами без обнаружения коллизий. Производительность таких систем сравнима с дискретной системой Aloha, но конфликты возникают реже. Протокол, обеспечивающий этот метод, называется настойчивый протокол CSMA или протокол CSMA с настойчивостью 1. Производительность за время кадра здесь возрастает до 55%.
   Существует также ненастойчивые протоколы CSMA. Он отличается от предыдущего тем, что станция не пытается сразу захватить канал, как он освободится, а выжидает случайное время и снова начинает прослушивать канал. Передача осуществляется только в том случае, если канал не занят. Производительность такой системы возрастает с увеличением числа попыток передачи за время кадра.
   Протокол CSMA с настойчивостью р реализуется следующим образом. Если канал свободен, то станция начинает передачу данных с вероятностью р, и с вероятностью q=1-p отказывается от передачи и ждет следующего такта. В следующем такте опять повторяется проверка канала на занятость. Если канал занят, то станция выжидает случайный интервал времени и опять начинает прослушивание. Эта процедура продолжается до тех пор пока кадр не будет передан. Такой протокол обеспечивает более высокие показатели производительности при уменьшении числа р, и начиная со значения 0,01 производительность перестает зависеть от количества попыток на время кадра.
   

   Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий. Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD).

   

   Протоколы обслуживающие эти методы называются протоколами множественного доступа с обнаружением коллизий или протоколами CSMA/CD. В этом методе несущая прослушивается не только до передачи, но и тогда, когда пакет уже передан. Если устройство, передавшее пакет обнаруживает, что его пакет конфликтует с другими, то он сразу же прекращает передачу, чтобы не тратить время канала, то же самое делает и другое устройство. При такой организации обмена данными время, тратящееся на передачу поврежденных данных сокращается, канал освобождается быстрее и его пропускная способность возрастает.

   3) Вставка регистра.

   Обычно этот метод применяется в кольцевых сетях. Принцип работы состоит в следующем: когда некоторое устройство имеет информацию для отправки, оно помещает ее в сдвиговый регистр. Этот регистр может быть последовательно вставлен в канал, тогда данные с одного конца будут поступать в регистр, продвигаясь сквозь него и выходить с другой стороны:
   
   Когда отправленный пакет возвратится в регистр, он исключается из кольца. Трудность реализации метода заключается в жестких требованиях к быстродействию переключателей и регистров. Но она может быть обойдена с использованием двухтактных регистров:
   
   В этом случае данные помещаются в регистр T и как только возникает промежуток между пакетами, T подключается к кольцу, В это время проходящие данные заносятся в регистр R. Как только T опустошится, переключатель переключается на регистр R. И устройство ожидает возвращения отправления пакета. По возвращению пакета регистр R отключается.
   В вышерассмотренных схемах пакет уничтожается станцией отправителем, т.е. проходит кольцо циклом. Но существуют схемы, в которых пакет уничтожает получатель. В этой системе имеется три регистра.
   
   Система работает следующим образом: при появлении данных для передачи в переключатель B перекидывается на передающий регистр и его содержимое выходит в кольцо. В это время поступающие на вход данные заносятся в буфер (сдвиговый регистр). Если данные представляют собой “холостые” символы, то они в буфере не хранятся. При приеме информации пакет попадает в регистр-приемник, по окончании пакета переключатель A возвращается в исходное положение. В течение времени, пока пакет считывается, кольцо продолжает работать за счет буфера с задержкой или генератора холостых символов (в том случае, если в буфере нет данных).

   4) Передача маркера.

   

   Маркер – это специальная последовательность символов. Устройство может передавать данные лишь в том случае, если оно получило маркер. При получении маркера устройство на время удаляет его из сети, а затем помещает вслед за пакетом из предыдущего регистра.
   Затем станция ожидает возвращения отправленного пакета. При нормальных условиях это должен быть первый пришедший пакет – он анализируется, после чего устройство переходит в состояние ожидания маркера.

   Таки образом поступающий в устройство поток информации всегда начинается пакетом, отправленным данным устройством. Каждый отправитель ответственен за удаление своих пакетов. Отправленный пакет ставится последним среди пакетов перед маркером.
   Основные трудности в методе возникают в том случае, если теряется маркер или отправитель не удаляет свой пакет. Первая ситуация возможна, если маркер удален устройством, передающим информацию, а затем не восстановлен по причине аппаратного сбоя или поврежден при передаче. Пакет может оказаться не удаленным, потому что произошла ошибка в устройстве отправителе.

   Приоритетные системы.

   1) Протокол битовой карты.

   

   Простейший вариант распределения канала может происходить при помощи протокола битовой карты. Это протокол используется при равноранговом методе передачи с приоритетами и временным квантованием. В методе битовой карты каждый период конкуренции Т состоит из N временных интервалов. Число N – это количество станций в локальной сети. В это время по сети передается битовая карта, которая разделена на N временных интервалов. Если у какой-то станции есть данные для передачи, то в свой временной интервал она помещает 1 в битовую карту, если данных нет – станция помещает 0 в битовую карту. Т.о после окончания периода конкуренции все станции знают, кто чего. После окончания N временных интервалов начинается передача данных по сети в соответствии с последовательность временных интервалов битовой карты.

   Поскольку все станции знают, чья очередь передавать данные, то коллизий не возникает. Все станции прослушивают канал и ждут когда последняя станция закончит передачу. После этого они опять начинают подачу заявок на право использовать канал. Протоколы, в которых намерение передавать данные объявляется перед началом передачи, называются протоколами с резервированием. Этот метод может быть модифицирован таким образом, что станции в битовую карту будут проставлять не только свое намерение использовать канал в следующем сеансе передачи, но и указывать свои приоритеты. Тогда если у некой станции приоритет ниже указанного в битовой карте, она может зарезервировать для себя передачу в следующем цикле, повысив свой приоритет на 1. При слабой загрузке канала бит-карты будут снова и снова повторяться в сети с незначительным разряжением кадрами данных. У станций с большими номерами необходимость передать данные обычно может возникнуть, когда ее очередь использовать бит-карту уже прошла. В этом случае ей придется ждать другую бит-карту и пропустить один сеанс связи. При большой загруженности канала эта ситуация ставит клиентов сети не в равноправное положение даже в системах без конкуренции. Причем значительно увеличивается время на пересылку бит-карты, если в сети зарегистрировано большое количество пользователей. Может сложиться ситуация, когда основное время канала занимает передачи очень длинной бит-карты при большом числе станций в сети.

   2) Протокол с двоичным обратным отсчетом

   призван исправить ситуацию предыдущего метода, где станции с разными номерами были поставлены в неравные условия, из-за чего снижалась общая производительность сети. В этом методе используется двоичный адрес станции. Предполагается, что все станции имеют адрес одинаковой длины и объявляют свой адрес в канал начиная со старшего бита. Биты всех станций логически складываются. Станция продолжает борьбу за канал в том случае, если результат логического или равен 0, или она имеет в передаваемом разряде 1.

   В некоторых случаях такое жесткое правило может играть положительную роли, в некоторых – отрицательную. При этом методе число временных отсчетов на период конкуренции значительно уменьшается. Но преимущество передачи все равно получает станция у которой в адресе больше 1, т.к. она при этом методе будет иметь больший приоритет. Для предотвращения этой ситуации неравноправия используют виртуальные динамические адреса. Как только некоторая станция передает данные ей присваивается адрес 0, а адреса остальных станций увеличиваются на 1 вплоть до номера передавшей станции тем самым предоставляя возможность другим пользователям обменяться данными.
   Все рассмотренные выше протоколы относятся к симметричным протоколам коллективного доступа, где каждая станция пытается получить доступ к каналу с одинаковой вероятностью. При низкой загруженности канала предпочтительнее системы с конфликтами, т.к. время задержки в таких системах меньше. По мере возрастания нагрузки на сеть системы с коллизиями становятся все менее привлекательными. Для бесконфликтных протоколов справедливо обратное: при увеличении нагрузки на сеть производительность возрастает, т.к. значительное время в сети отводится для передачи служебной информации а, при малых нагрузках, сами данные будут занимать в сети не большой % объема информации от общего трафика.

   1.7. Маршрутизация пакетов в сети.

   Маршрутизация – это выбор оптимального пути между получателем и отправителем с учетом загруженности сети, а также непосредственная транспортировка пакетов. Алгоритм маршрутизации – это определение маршрута в сети, которое может базироваться на различных показателях или комбинациях показателей, которые выступают в качестве критериев оптимизации. Алгоритмы маршрутизации рассчитывают показатели всех возможных маршрутов для выбора оптимального. Таблица маршрутизации – это информация об оптимальных маршрутах в сети для каждой станции. Информация в таблицах постоянно обновляется в зависимости от состояния каналов сети. Таблица может иметь вид:
   
   Эта таблица сообщает станции, что определенный пункт назначения может быть достигнут оптимальным путем отправки пакета на станцию указанную в поле “адрес отправки”. При получении пакета эта станция проверяет адрес получателя и анализирует свою маршрутную таблицу для дальнейшей пересылки данных. Анализируя информацию, поступающую от других станций, любая станция может построить топологию сети и уточнить состояние каналов.
   Показатели для определения оптимальных маршрутов отличаются друг от друга в зависимости от использованных алгоритмов маршрутизации. Вес показателя – это характеристика критерия определенного типа, являющаяся доминирующей при выборе маршрута. Критериями алгоритма выбора оптимального пути могут служить:
   1. Длина маршрута – это наиболее общий показатель при выборе маршрута, который может рассматриваться как общее количество транзитных участков сети, так и физическая длина маршрута.
   2. Надежность – это показатель, который относится к каждому каналу сети
   3. Безопасность – показатель, который делает предпочтительными каналы с более высокой информационной безопасностью
   4. Задержка – обычно это время прохождения пакета через сеть, которое определяет скорость доставки сообщения и фактически является главным показателем для большинства сетей.
   При разработке алгоритмов маршрутизации учитывают несколько характеристик:
   1. Простота и низкие затраты – алгоритм маршрутизации должен эффективно обеспечивать свои функциональные возможности с минимальными затратами.
   2. Оптимальность – характеризует способность алгоритма выбрать оптимальный маршрут в зависимости от “веса” показателей, используемых при расчете.
   3. Живучесть и стабильность – алгоритмы должны четко функционировать в случае неординарных обстоятельств, таких как отказы аппаратуры и условия высокой нагрузки.
   4. Быстрая сходимость – это процесс быстрого определения новых маршрутов между станциями, когда в сети происходит событие, приводящее к тому, что некоторые маршруты либо отвергаются, либо становятся недоступными в результате повреждения каналов или изменения веса критериев выбора канала. Медленно сходящиеся алгоритмы могут привести к образованию петель или выходу сети из строя.
   
   Пусть вышел из строя канал между узлами 3 и 4, а в узел 1 поступила информация для узла 3. Предположим, что узел 1 “знает” о выходе канала из строя, а узел 2 – нет. Тогда 1 узел перенесет пакет в узел 2, а узел 2 – в 4, но 4 узел вернет пакет во 2 и так будет продолжаться до тех пор, пока не обновится информация в узле 2 или пакет не будет уничтожен.
   Существуют несколько алгоритмов выбора кратчайшего пути.

   1.7.1 Алгоритм Дейкстры.

   В этом алгоритме каждый узел сети помечается в скобках весом критерия определения маршрута от узла отправителя по наилучшему пути. Рассмотрим граф-схему для нахождения маршрута между тачками A и D.

   В начале пути маршрута не известны и все узлы помечаются как временные (белый кружок). Когда выясняется, что отметка действительно входит в кратчайший путь, она становится постоянной (черный кружок). До постоянных узлов измерения не производятся.

   Сначала помечаем узел А как постоянный и исследуем связанные с ним узлы, помечая расстояния от исходного узла. После нахождения кратчайшего пути этот узел помечается как постоянный и становится рабочим узлом. Это означает, что дальнейшая проверка маршрутов будет идти с него. Остальные помеченные узлы становятся временными. Т.о. на графе находятся постоянные, временные и непроверенные узлы.
   После проверки из узла В узел Е отмечается как постоянный, т.к. из всех проверенных и временных узлов имеет наилучшее значение показателя, а значение узла G меняется с 6А на 5Е

   При дальнейшей проверке узел F отмечается как временный, а узел G становится постоянным и рабочим.

   Дальнейшая проверка ведется с узла G и узел F становится постоянным рабочим узлом. Значение показателя узла С может измениться или остаться прежним в зависимости от используемого алгоритма ( через В, например, меньше транзитных участков).

   Значение узла Н меняется и работа ведется с него. Затем с узла С, но т.к. там показатель лучше, то маршрут будет проложен через Н.

   1.7.2. Алгоритм заливки.

   1.7.3. Алгоритм маршрутизации по вектору расстояний.

   Этот алгоритм работает опираясь на таблицы (или векторы) поддерживаемые всеми маршрутизаторами и содержащие наилучшие пути к каждому адресату. Для обновления таблиц производится обмен информацией между маршрутизаторами. Этот алгоритм первоначально применялся в сети Arpanet и в Internet был известен под именем RIP. Предполагается, что если расстояние измеряется в транзитных участках, то тогда расстояние между двумя маршрутизаторами равно 1.
   
   Если расстояние измеряется временными задержками, то каждый маршрутизатор может его измерить с помощью спецпакета ECHO. В этот пакет получатель помещает время получения пакета и отправляет его обратно как можно быстрее. Через каждые Т мс каждый маршрутизатор посылает своим соседям список приблизительных задержек для каждого из известных ему получателей, и получает такой же список от соседей.
   
   Допустим, маршрутизатор А получил от маршрутизатора Х таблицу, в которой указано, что расстояние от I до Х равно Xi. Зная, что от него до маршрутизатора Х задержка равна m мс, маршрутизатор А может рассчитывать, что если отправить пакет адресованный I через Х, то это займет m+Хi времени. Т.о. рассчитав подобные задержки для всех своих соседей, маршрутизатор А может найти кратчайший путь до получателя I. Приведем пример обновления таблиц маршрутизации для маршрутизатора Х:
   Столбцы иллюстрируют векторы задержек, полученные маршрутизатором Х от своих соседей. Строки показывают задержки до каждого конкретного маршрутизатора также полученные от соседей. Кроме этого маршрутизатор Х сам рассчитал задержки до каждого из своих соседей при помощи пакета Echo.
   Теперь он может рассчитать кратчайший путь, например, до маршрутизатора D, который доступен только через посредников:
   A – 12+24=36; B – 13+7=20; C – 10+9=19; I – 5+15=20; Следовательно, кратчайший путь до маршрутизатора D лежит через маршрутизатор С. А результирующий вектор, который Х разошлет своим соседям будет иметь вид:
   
   Плюсом алгоритма является его динамичность, а минусом – проблема бесконечного счета.
   Допустим вектор расстояний измеряется в транзитных участках. При использовании этой метрики хорошие новости распространяются по сети очень быстро, т.е. за один обмен информацией. Потому, что при появлении более короткого пути все маршрутизаторы сразу переключаются на него и сообщают об этом маршруте всем своим соседям. С плохими новостями дела обстоят наоборот.
   Допустим топология имеет линейный вид, где расстояния до маршрутизатора А измеряются в транзитных участках:
   
   При использовании времени задержки распространения сигнала в сети в качестве критерия алгоритма возникает дополнительная сложность, связанная с определением max времени таким образом, чтобы медленно работающая линия не была сочтена поврежденной. Проблема счета до бесконечности до сих пор не имеет эффективного решения.

   1.7.4 Маршрутизация с учетом состояния линии.

   56Кбит/с) было не существенно. С появлением высокоскоростных каналов (230Кбит/с и 1,5Гбит/с) не обращать внимания на пропускную способность канала стало невозможно. Т.к. алгоритм вектора расстояний долго приходи в состояние равновесия (счет до бесконечности), он был заменен абсолютно новым алгоритмом с учетом состояния линии. Варианты этого алгоритма используются до сих пор. А в основе алгоритма лежат 5 требования к маршрутизатору:
   1. обнаружить своих соседей и узнать их сетевой адрес,
   2. измерить задержку или стоимость связи с каждым из своих соседей,
   3. создать пакет, содержащий всю собранную информацию,
   4. разослать этот пакет всем маршрутизаторам,
   5. вычислить кратчайший (быстрейший) путь ко всем маршрутизаторам.
   В результате каждому маршрутизатору высылается полная топология сети и он может выбрать кратчайший путь, например, при помощи алгоритма Дейкстры. Рассмотри каждое требование:
   1. После загрузки каждый маршрутизатор должен получить информацию о своих соседях и разослать информацию о себе. Это делается при помощи пакета Hello, который рассылается во все линии. В ответ на него все маршрутизаторы высылают заказчику информацию о себе. Причем все маршрутизаторы должны иметь в сети уникальные имена. Могут использоваться также виртуальные узлы для локальных сетей, находящихся в ведоме
   одного маршрутизатора. Т.е. если получатель находится в локальной сети LAN, то достаточно отправить пакет на узел N, а маршрутизаторы В или Е сами разберутся, что с ним делать дальше.

   2. При измерении стоимости линии маршрутизаторы могут воспользоваться пакетом Echo. Для получения более точных данных этот пакет может быть отправлен насколько раз, и текущим значением задержки будет принято среднее арифметическое. На этом этапе возникает проблема учета загруженности линии. Учет трафика в линии означает, что между двумя каналами с одинаковой пропускной способностью должен быть выбран тот, который менее загружен как более короткий путь.

   

   Такой подход может привести к более сбалансированному использованию линий. С другой стороны учет загруженности может играть негативную роль. Если обмен между двумя подсетями происходит по каналу АС, то эта линии более нагружена чем BD и после обновления маршрутных таблиц весь трафик перейдет на параллельный канал и ситуация повторится. Это приведет к незатухающим колебаниям состояния маршрутных таблиц, что снижает эффективность работы всей системы. Можно распределить нагрузку между каналами, но это приведет к неэффективному использованию кратчайшего пути, хотя пока это самый лучший способ решения проблемы.
   3. Пакет с собранной информацией, необходимой для обмена имеет вид:

   Создать эти пакеты несложно, сложнее выбрать время для их создания. Можно создавать пакеты через определенные промежутки времени или по какому-нибудь событию. Например, включение или выключение маршрутизатора, выход из строя канала связи или что-то другое. Порядковые номера пакетов и поле возраст служат для определения актуальности пакета на текущий момент времени.
   4. Рассылка собранной информации является наиболее сложной частью алгоритма по причине того, что маршрутизаторы, получившие первыми новые пакеты, начинают изменять свои маршрутные таблицы и, в итоге разные маршрутизаторы некоторое время пользуются разными версиями топологии сети, в которых отражено различное состояние каналов. Это приводит к образованию в маршрутах петель или недоступных пользователей. Основная идея алгоритма распространения пакетов состояния — это использование алгоритма заливки. В каждый пакет помещают номер пакета, который инкрементируется для каждого следующего пакета. Маршрутизатор запоминает источник и порядковый номер для всех пакетов, которые ему попадаются, Когда приходит новый пакет состояния линии, маршрутизатор ищет адрес его отправителя и порядковый номер в своем списке. Если это новый пакет, он рассылается во все линии, а дубликаты и старые пакеты уничтожаются. Существует 3 проблемы;
   a. когда номер пакета достигает max, он становится =0 и возникает путаница,
   b. выходит из строя маршрутизатор, теряется его порядковый номер, и при повторном включении его пакеты будут считаться устаревшими,
   c. искажается порядковый номер, например, при ошибке в одном бите из №4 может получиться №65540. Тогда пакеты с 5 по 65540 будут считаться устаревшими.
   Алгоритм можно усовершенствовать, если после источника и порядкового номера поместить возраст пакета, который будет уменьшаться на 1 каждую секунду. При достижении 0 пакет уничтожается. Для повышения
   надежности и разгрузки линий, пакет, пришедший на маршрутизатор для заливки, не сразу отправляется по назначению, а помещается в очередь, где выжидает некоторое время. Если в это период приходит еще один пакет от того же маршрутизатора, то сравниваются их порядковые номера и старый пакет уничножается.
   5. Собрав полный комплект пакетов состояния линий маршрутизатор может построить полный граф подсети, т.к. располагает данными обо всех линиях, например, при помощи алгоритма Дейкстра. Результат расчетов помешается в маршрутную таблицу и нормальная работа маршрутизатора возобновляется.
   Этот алгоритм широко применяется в протоколе известном в Internet как протокол внутреннего шлюза OSPE. В не менее важном протоколе IS-IS — связь между промежуточными системами, который недавно был модифицирован в CDPD для работы с IP в некоторых сотовых системах. Протокол IS-1S может осуществлять одновременную поддержку нескольких проколов сетевого уровня, что особенно важно в многопротокольных средах. Применяется вместе с протоколом сетевого уровня CLNP, не требующим соединения. В сети Novell протокол NLSP для маршрутизации IPX-пакетов.

   Читать:

   Что такое веб форум