Цифровые коммуникации в управлении процессами (стр. 4 )

9.4.7. Блок-ориентированные протоколы

В знак - или блок-ориентированных протоколах данные передаются блокам, кото­рые ограничиваются специальными управляющими символами, например, ЗОН (Start Of Header — начало заголовка), SYN (SYNchronization — синхронизация), STX (Start of TeXt — начало текста), ЕТХ (End of TeXt — конец текста) и EOT (End Of Transmission — конец передачи). Каждая передача начинается с символов ЗОН или STX и заканчивается символом конца блока, например ЕТХ или EOT. Несколько символов SYN в начале блока данных используется для синхронизации приемника перед передачей данных (рис. 9.16). Блочный режим используется при передаче не­прерывной последовательности от нескольких байт до нескольких сотен байт. Такая передача обычно осуществляется в синхронном режиме, при котором импульсы, от­носящиеся к отдельным битам, управляются синхросигналом.

Рис. 9.16. Синхронная передача блоков:

SYN — символ синхронизации

STX — символ "Начало текста"

ЕТХ — символ "Конец текста"

В зависимости от реализации (протокола) для управления потоком используются символы АСК (ACKnowledge — положительное квитирование, т. е. подтверждение приема) и NAK (Not AcKnowledge — отрицательное квитирование или неприем). В одной из модификаций приемник должен явно квитировать прием каждого блока, в другой — приемник запрашивает только повторную передачу поврежденных бло­ков. Как правило, простои линии отсутствуют — если нет данных, приемник и пере­датчик могут обмениваться синхронизирующими символами.

В общем случае синхронная передача данных более эффективна, чем асинхрон­ная, так как лучше использует пропускную способность линии и сокращает простои. Она применяется при скоростях передачи, превышающих 2 Кбит/с. С другой сторо­ны, синхронная передача требует более сложного и, соответственно, более дорогого оборудования, чем асинхронная. Синхронная передача эффективна при передаче длинных блоков данных, например при передаче файлов. Для приложений, не требу­ющих высокой скорости, и в случае посимвольной передачи, например, для связи ЭВМ с терминалом или принтером, обычно достаточно асинхронного режима.

9.4.8. Верхние уровни модели ВОС (уровни с 3-го по 7-й)

Уровни модели ВОС выше 2-го за исключением 7-го не имеют большого значения для промышленных задач. Поэтому здесь они будут рассмотрены очень коротко. Верхние уровни используются для обмена файлами или для приложений, связанных с базами данных в больших информационных сетях. Стоит отметить, что тенденция к применению сложных межсетевых приложений проявляется и в задачах промыш­ленного управления.

В модели ВОС 3-й уровень (сетевой) отвечает за организацию и работу виртуаль­ного канала между двумя узлами, находящимися в разных сетях. Этот уровень обес­печивает маршрутизацию сообщения, т. е. его прохождение через последователь­ность промежуточных узлов до узла назначения.

Уровни с 1-го по 3-й называются внешними, сетевыми или коммуникационными уровнями. Уровни с 5-го по 7-й являются внутренними или прикладными, так как они реализуются программным обеспечением ЭВМ, на которой решается приклад­ная задача. Уровень 4 (транспортный) представляет собой интерфейс между при­кладными программами и внешней сетью. Хотя на нижних уровнях существуют не­сколько протоколов и методов для обеспечения надежности передачи данных, только 4-й уровень может проверить, что данные были действительно посланы в пра­вильном формате от отправителя к получателю. Уровень 5 (сеансовый) отвечает за установку и разрыв соединения между ЭВМ. Сеансовый уровень обеспечивает так­же расширение услуг 4-го уровня, в частности в том, что касается передачи файлов с одной ЭВМ на другую.

Уровень 6 (представления данных) относится к кодированию и структурирова­нию данных. Здесь играют важную роль два стандарта модели ВОС. Спецификация ISO 8824 Описание абстрактного синтаксиса 1 (Abstract Syntax Notation 1 — ASN. t) регламентирует структурирование данных, подлежащих передаче. Нотация ASN.1 представляет собой абстрактный язык для описания объектов и услуг в соответствии с моделью "клиент-сервер". Спецификация ISO 8825 Основные правила кодирова­ния (Basic Encoding Rules — BER) определяет способ двоичного кодирования, т. е. связь между содержанием сообщения и передаваемыми двоичными разрядами.

В течение длительного времени двумя наиболее распространенными стандарта­ми для представления символов были ASCII и EBCDIC. В ASCII (American Standard Code for Information Interchange — Американский стандартный код для обмена ин­формацией) символ (буква, цифра, другой символ) кодируется уникальной 7- или 8-битовой комбинацией, которая позволяет представить 127 или 255 различных сим­волов. Код EBCDIC (Extended Binary-Coded Decimal Interchange Code — Расширен­ный двоично-десятичный код для обмена информацией) использует другие битовые комбинации, чем ASCII, для отображения более или менее тех же символов. EBCDIC применяется в основном на мэйнфреймах компании IBM.

Использование для символов только 255 кодов существенно ограничивает ото­
бражение технических символов и символов иностранных языков. Новый расширен­
ный 4-байтовый код стандарт ISO 10646 Универсальный многооктетный кодирован­
ный набор символов (Universal Multiple-Octet Coded Character Set — UCS), позволяет
отображать все известные на Земле символы и символы, которые, возможно, появят­
ся в будущем. Для того чтобы обойтись более скромными ресурсами при обработке
данных, используется 2-байтов BMP коде (Basic Multilingual Plan), который является
подмножеством стандарта ISO 10646 и содержит 65535 символов, это достаточно,
для включения даже китайских иероглифов Каньчжи. ''

Уровень 7 (прикладной) охватывает несколько вопросов, относящихся к обработ­ке данных. На этом уровне определены, в частности, понятие виртуального устрой­ства с машинно-независимыми командами (раздел 9.2.3), служба передачи, доступа и управления файлами (File Transfer Access and Management — FTAM), абстрактная нотация для описания различных характеристик файла (дата создания, управление доступом, защитные пароли, информация о множественном доступе и т. д.). Еще од­ной спецификацией 7-го уровня является Система обработки сообщений (Message Handling System — MHS) — серия стандартов МККТТ Х.400. Она представляет собой набор процедур для передачи электронной почты в форме сообщений.

9.4.9. Протокол TCP/IP

Протокол TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol — протокол уп­равления передачей/межсетевой протокол) представляет собой семейство протоко­лов, предназначенных для работы в сложных объединенных сетях. В последнее время он находит широкое применение в вычислительных сетях промышленной автоматики. TCP/IP — это сокращенное название набора нескольких стандартов с различны­ми характеристиками и функциями, из которых основным является IP (Internet Protocol — межсетевой протокол). Более правильное название TCP/IP — Internet Protocol Suite (IPS), т. е. семейство межсетевых протоколов, Однако первый термин получил настолько широкое распространение, что он будет использоваться и в даль­нейшем. Следует иметь в виду, что TCP и IP являются всего лишь двумя из протоко­лов, образующих IPS.

Хотя TCP/IP, как и модель ВОС, имеет уровневую структуру, прямого соответ­ствия между этими двумя архитектурами нет. Разница между ними, вероятно, лучше всего видна на примере истории их развития. В середине 1980-х годов TCP/IP был включен как набор процедур в операционную систему UNIX V4.2 BSD (Berkeley Software Distribution}; эта работа, относящаяся к TCP/IP, финансировалась прави­тельством США через Министерство обороны. В это же время быстро росла попу­лярность персональных компьютеров, а для обмена сообщениями пользователи ПК подключались к мэйнфреймам с помощью модемов и телефонных линий. Иными словами, проявилась огромная потребность в организации взаимодействия между компьютерами и выработке решений (оборудование, программы и протоколы свя­зи), достаточно простых для того, чтобы соответствовать уровню опытных пользова­телей ПК. Протокол TCP/IP удовлетворял этим требованиям. Благодаря включе­нию в ОС UNIX, которая быстро завоевывала популярность как у научных, так и коммерческих пользователей, TCP/IP оказался практически обреченным на успех. Более того, в то же самое время появилась многоуровневая модель ВОС, но стандар­ты в этой модели еще не были полностью определены, и TCP/IP немедленно запол­нил вакуум.

-Видимо, наибольшим различием между TCP/IP и моделью ВОС является про­цесс их разработки. TCP/IP создавался и совершенствуется непосредственно пользователями с помощью механизма под названием RFC (Requests for Comments — предложения для обсуждения) в основном через саму компьютерную сеть. Дополне­ния и изменения архитектуры вносятся и оцениваются самими пользователями — учеными, сотрудниками коммерческих компаний и даже частными лицами. Модель ВОС разработана международными комитетами, для которых характерны медли­тельность и сложные процедуры согласования. Хотя существует определенное взаи­модействие и обмен идеями по развитию модели ВОС и TCP/IP, каждое направле­ние сохраняет самостоятельность. Кроме того, модель ВОС распространена меньше, чем TCP/IP, поскольку она представляет собой значительно более сложную концеп­цию, которую трудно реализовать в полном объеме, и потому что она сформирова­лась позднее. Пользователи обычно неохотно изменяют что-либо, работающее удов­летворительно, и учитывают время, требуемое для возврата вложенных средств. Поэтому TCP/IP сохранит свои позиции, по крайней мере в обозримом будущем. Несмотря на то что TCP/IP был первоначально предложен вместе с операцион­ной системой UNIX, это не означает, что его действие ограничено рамками этой сре­ды. Наоборот, TCP/IP был разработан для работы с различными операционными системами, аппаратными платформами и типами сетей. Например, службы TCP/IP позволяют копировать файлы между станциями, работающими под управлением разных операционных систем, обеспечивая при необходимости автоматическую кон­вертацию форматов данных. TCP/IP в настоящее время доступен на всех основных компьютерных платформах.

Если рассматривать TCP/IP с точки зрения модели ВОС, то можно считать, что он состоит из пяти уровней, первые три из которых функционально практически со­впадают с моделью ВОС (рис. 9.17). На рисунке показаны названия порций инфор­мации на различных уровнях. Дейтаграммы в TCP/IP формируются способом, похо­жим на применяемый в модели ВОС. Понятие одноранговых процедур также сходно с их определением в модели ВОС.

Рис. 9.17. Основная структура протокола TCP/IP (уровни 1 и 2 не являются частью спецификаций TCP/IP)

Уровни TCP/IP определены следующим образом.

Уровни 1 (физический) и 2 (канальный) в TCP/IP явным образом не специфици­рованы. Здесь могут быть использованы существующие стандарты, например входя - щие в модель ВОС; TCP/IP подразумевает, что существует физическое соединение и соответствующее управление каналом.

Уровни 3 и 4 в TCP/IP в определенной степени похожи на соответствующие уровни модели ВОС, хотя они непосредственно не совместимы с каким-либо из ее стандартов.

Уровню 3 соответствует межсетевой протокол IP, который является ядром всего стека протоколов. Этот уровень обеспечивает передачу дейтаграмм по сети от одной станции к другой. Дейтаграммы представляют собой порции информации, передавамые по сети независимо друг от друга, которые могут быть предназначены для одной, нескольких или всех станций; соответственно, они могут иметь уникальный, групповой или широковещательный адрес (раздел 9.5.3). На этом уровне получатель не должен подтверждать доставку дейтаграммы. IP был разработан для передачи дейтаграмм по сети, но он не контролирует ни того, что дейтаграмма попала к адреса­ту, ни того, что доставка прошла без ошибок.

В IP не существует понятия последовательности дейтаграмм, составляющих со­общение. Служба дейтаграмм не предусматривает их доставку в том же порядке, в котором они были посланы. Это входит в функции протоколов верхнего уровня стека TCP/IP.

Уровень IP использует специальную структуру для адресации узлов сети. Адрес IP представляет собой 32-битовое число, разбитое на четыре 8-битных блока, разде­ленных точками; его десятичным эквивалентом являются четыре числа в диапазоне 1-255 (например, "137.19.7.224"). Назначение адресов узлам представляет собой не­тривиальную задачу и должно выполняться по определенным правилам; дальней­шие подробности описаны в соответствующей литературе.

Для устройств, подключенных к Интернету, должны использоваться адреса, уни­кальные в рамках всей глобальной сети. К системам управления производственными процессами это относится в меньшей степени, поскольку они обычно являются замк­нутыми и не зависят от какой-либо внешней сети. Поэтому не имеет значения, если система управления роботом имеет тот же адрес, что и компьютер библиотеки уни­верситета или сервер Web в глобальной сети. Однако в случае, если система управле­ния подключена к Интернету, то она больше не работает в изолированном режиме, и при выборе адресов это необходимо учитывать. Для того чтобы отделить часть сети, связанную с системой управления, от Интернета, можно использовать межсетевой экран (firewall), выполняющий роль фильтра.

Уровень 4 (транспортный) включает в себя средства, расширяющие базовые службы IP. Протокол UDP (UserDatagram Protocol — пользовательский дейтаграммный протокол) представляет собой простую службу, осуществляющую транспорт дейтаграмм между приложениями, которые не требуют особой надежности, посколь­ку UDP не имеет средств для создания и поддержки виртуального соединения. Пере­дача каждой дейтаграммы представляет собой законченный процесс. Это обстоя­тельство снижает накладные расходы и соответственно увеличивает скорость передачи. При использовании UDP каждое приложение-адресат должно самостоя­тельно осуществлять проверку и исправление ошибок.

UDP предназначен для систем с несколькими получателями, в которых квитиро­вание приема каждой отдельной дейтаграммы было бы неудобно и дорого, например в случае, когда информация не обладает очень большой ценностью и часто обновля­ется. При управлении производственными процессами это может быть фоновая пе­редача информации о процессе, которая должна постоянно выводиться на несколь­ких рабочих станциях, поэтому небольшие нарушения и спорадические ошибки не имеют особого значения. Разумеется, аварийная сигнализация, требующая немед­ленных действий оператора, не может использовать ненадежный и непроверяемый транспорт.

TCP представляет собой развитый протокол с подтверждением, средствами уста­новки и завершения виртуального соединения, обнаружения и коррекции ошибок и управления потоком. TCP не поддерживает групповую и широковещательную пе­редачи. Более высокая надежность достигается за счет накладных расходов на установку и поддержку соединения. Блок данных приложения вместе с дополнительным заголовком TCP, передаваемый на уровень IP для транспортировки по сети, называ­ется сегментом (segment).

Пятый (прикладной) уровень TCP/IP представляет собой совокупность служб, предназначенных для пользователя сети, включая удаленную регистрацию (rlogin — remote login), протокол виртуального терминала (Telnet), протокол передачи файлов (File Transfer Protocol — FTP), сетевую файловую систему (Network File System — NFS) и некоторые другие.

Сетевая файловая система NFS — это дополнение к комплекту протоколов TCP/ IP, разработанное компанией Sun Microsystems. Служба NFS передает информацию о структуре каталога и файлах станций, подключенных к сети, в том виде, который принят на запрашивающей станции. Например, на компьютере, работающем под Windows, NFS показывает файлы, размещенные в других узлах сети, в том же самом древовидном формате, как и локальные файлы. В системе UNIX каждый удаленный каталог показывается как дополнительный.

Протокол передачи файлов (FTP) включает простые средства для перемещения файлов с одной станции на другую; он также обеспечивает операции с файлами на уда­ленных системах — изменение текущего каталога, копирование, удаление, переимено­вание файла и т. п. Операции FTP работают с файлами целиком вне зависимости от их содержания: например, в протоколе FTP не предусмотрено открытие файла для досту­па к отдельным записям. Каждый файл рассматривается лишь как поток байт.

Пятый уровень TCP/IP нельзя сравнивать с 5-7-м уровнями модели ВОС, так
как он вместо описания коммуникационных протоколов включает специфические
прикладные программы, использующие средства TCP/IP. В частности, в TCP/IP
нет уровня представления данных (6-й уровень модели ВОС), определяющего коди-­
рование символов. \

В настоящее время TCP/IP пользуется популярностью для обмена данными в си-­
стемах промышленной автоматики, в которых несколько серверов и рабочих станций
соединены в одну или несколько сетей. Основной аргумент в его пользу — TCP/IP
существует как зрелый продукт с проверенной функциональностью, работающий на
различных программных и аппаратных платформах, не слишком сложный и не тре-­
бующий чрезмерных накладных расходов. >!

TCP/IP разрабатывался как практичный и простой протокол. Такой подход сыграл решающую роль в его судьбе. Для сравнения: единственными стандартами, разработан­ными в соответствии с моделью ВОС и получившими широкое распространение, явля­ются служба сообщений Х.400 и служба каталогов Х.500. Однако модель ВОС будет иг­рать все большую роль при определении новых услуг, а TCP/IP не будет меняться, по крайней мере до тех пор, пока будет решать появляющиеся проблемы. Для промышлен­ных задач TCP/IP будет во многих случаях наиболее целесообразным решением.

9.5. Локальные сети

9.5.1. Сети передачи данных

Выше основное внимание уделялось тому, как соединить два отдельных узла или станции. Для большинства практических приложений такой подход не совсем адек­ватен, поскольку коммуникации обычно осуществляется более чем между двумя станциями. Установка выделенных линий между всеми возможными партнерами не только невыполнима, но и обошлась бы слишком дорого из-за расходов на кабель и ком­муникационное оборудование.

Локальные вычислительные сети (ЛВС, Local Area Network — LAN) используются для объединения нескольких узлов таким образом, что каждый из них может общать­ся с любым другим. ЛВС обычно строится на базе кабельных соединений — витая пара, коаксиальный или оптоволоконный кабель. Расстояние между наиболее уда­ленными узлами составляет от нескольких десятков метров до нескольких километ­ров, а скорость передачи может достигать 1 Гбит/с.

Наиболее подробная документация и спецификация для ЛВС была разработана в Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE, Институт инженеров по элект -ротехнике и радиоэлектронике). IEEE опубликовал комплект документов — стан­дарт IEEE 802, описывающий как общие принципы, так и частные типы ЛВС. Специ­фикации IEEE 802 были одобрены ISO, которая опубликовала их как стандарт ISO 8802, Стандарты ЛВС подвергаются периодическому пересмотру, но их основные положения остаются неизменными.

Локальные сети прошли тот же путь развития, что и другие элементы техники связи и автоматизации. Вначале предполагалось, что будет принят единственный об­щий стандарт ЛВС для офисных и промышленных приложений и все будут ему сле­довать. Когда пришло время принимать окончательное решение по этому вопросу, выяснилось, что есть три конкурирующие — и взаимно несовместимые — техноло­гии, за каждой из которых стоит мощная компания. Комитет, которому была поруче­на разработка стандарта, не смог прийти к единому мнению, и в конце концов было решено, что три различных стандарта лучше, чем отсутствие стандарта вообще. В ре­зультате появились стандарты CSMA/CD (Ethernet}, маркерной шины (Token Bus) и маркерного кольца (Token Ring). Они представляют собой части спецификации IEEE 802. С другой стороны, эти спецификации нацелены на возможно более пол­ную унификацию, например в формате адреса и структуре пакетов.

9.5.2. Сетевые топологии

В локальных сетях используется несколько различных топологий (геометрических конфигураций). Любая пара станций может быть соединена либо непосредственно, либо через другие станции, которые ретранслируют данные получателю. Топология сети зависит от нескольких факторов — типа трафика, расстояния между станциями, характера помех, которые могут влиять на данные в канале, требуемых скорости, про­пускной способности и надежности передачи данных.

Простейшую классификацию сетевых топологий можно построить исходя из чис­ла приемников, непосредственно соединенных с одним передатчиком и получающих одновременно одно и то же сообщение. В двухточечных конфигурациях существует только один канал между приемником и передатчиком. Поэтому приемник должен обрабатывать каждое поступающее сообщение, поскольку оно явно предназначено для него. В широковещательных топологиях общий тракт передачи соединяет не­сколько станций — многоабонентское или шинное соединение. В этом случае все станции принимают переданное сообщение одновременно и каждая должна его деко­дировать для того, чтобы определить, предназначено оно ей или нет. Многоабонент­ские соединения требуют специального оборудования и программных средств для разделения ресурсов капала.

Рис. 9.18. Сетевые топологии

Наиболее важные сетевые топологии показаны на рис. 9.18. Ниже перечислены их основные характеристики.

• Шина (bus) - станции разделяют общий физический тракт передачи; Широковещательная топология.

• Звезда (star) - центральный узел (концентратор) соединен непосредственно с каждым узлом по двухточечному принципу;

• Кольцо (ring) - каждая станция соединена с двумя другими, а вместе они образу­
ют кольцо. Сообщение от любой станции может достичь пункта назначения двумя различными путями;

• Древовидная/иерархическая (tree/hierarchical) отдельные станции/концентраторы соединены каскадно с другими концентраторами или оконечными станциями, сообщения от источника к пункту назначения проходят по иерархическому пути.

• Ячеистая технология (mesh) — между каждой парой узлов установлено соединение "точка-точка". Сообщения могут передаваться по множеству различных путей.

• Смешанная (mixed) — одновременное использование нескольких топологий.

При выборе топологии сети следует отдавать предпочтение той, которая гаран­тирует эффективную передачу данных от отправителя к получателю и предусмат­ривает избыточные пути в случае повреждения основного. Для этого применяется процедура анализа состояния сети в случае разрыва в одной точке (single-point failure). В предположении, что в каждый момент времени один и только один из компонентов сети не функционирует, анализируется наличие обходных путей пропускная способность, а также определяются узлы, доступ к которым невозмо­жен. Такой анализ выполняется для каждого из компонентов сети (узлов и соеди­нений между ними). В этом отношении звездная топология наиболее уязвима, так как при выходе из строя центрального узла сеть разрушается полностью. Наименее чувствительна к повреждениям кольцевая схема, поскольку трафик можно напра­вить в противоположную сторону. Аналогично, повреждение станции окажет влия­ние только на ее трафик и не затронет остальные, при этом возможно снижение пропускной способности.

Для улучшения характеристик крупные сети делятся на фрагменты. В системах с большим количеством устройств можно организовать небольшие группы, члены которых в основном взаимодействуют друг с другом. Эти группы объединяются между собой с помощью специальных устройств — мостов и маршрутизаторов (раз­дел 9,5.8),

9.5.3. Управление доступом к среде

Стандарты серии IEEE 802 соответствуют 1-му и 2-му уровням модели ВОС. В стандарте IEEE 802.2 уровень 2 разделен на два подуровня — управление доступом к среде (Medium Access Control - MAC) и управление логическим звеном (Logical Link Control— LLC) (рис. 9.19). Подуровень MAC отвечает за координацию доступа к ка­налу, т. е. за совместное использование канала, поэтому протоколы, применяемые на этом подуровне, называются методами доступа. Подуровень LLC отвечает за синхро­низацию, управление потоком, обнаружение и коррекцию ошибок. Он становится активным лишь после того, как был открыт доступ к коммуникационной среде под управлением подуровня MAC. Подуровень LLC обеспечивает согласованный интер­фейс с вышележащими уровнями независимо от подуровня MAC и, следовательно, независимо от используемого метода доступа - Ethernet, Token Bus, FDDI или дру­гого.

Поскольку канал соединяет несколько станций, необходим механизм адресации для однозначной идентификации отправителя и получателя сообщения. Этот меха­низм определяется подуровнем MAC стандарта IEEE 802.2.

Каждая станция на подуровне MAC идентификацируется аппаратным (физичес­ким) адресом своего сетевого интерфейса, который либо "зашит" производителем интерфейсной карты, либо установливается с помощью переключателей. Уникаль­ность адреса в первом случае гарантирована соглашением о распределении диапазо­нов адресов между производителями, а во втором случае за это отвечает пользова­тель. Длина адреса зависит от метода доступа и составляет от 16 до 48 бит.

Как правило, интерфейс принимает и обрабатывает лишь те пакеты, адрес полу­чателя в которых совпадает с его собственным индивидуальным (unicast) адресом. Существуют также групповые и широковещательные адреса. В широковещательном (broadcast} адресе все биты установлены в" 1". Как следует из названия, широковеща - тельное сообщение будет принято всеми узлами. Групповые адреса (multicast) отно­сятся к абонентам, имеющим какой-нибудь общий признак в структуре адреса. Ин­терфейс должен быть сконфигурирован для идентификации узла как члена группы.

Рис. 9.19. Структура IEEE/ISO уровня 2 модели ВОС

Стандарт IEEE 802.2 (ISO 8802-2). Управление логическим каналом (Logical Link Control)

Стандарт IEEE 802.3 (ISO 8802-3). Множественный доступ с прослушиванием несущей и обнаружением коллизий (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection, CSMA/CD)

Стандарт IEEE 802.4 (ISO 8802-4). Маркерная шина (Token Bus)

Стандарт IEEE 802.5 (ISO 8802-5). Маркерное кольцо (Token Ring)

Локальная сеть не является прозрачной средой, к которой просто подключены станции, — ее нужно специально настраивать для того, чтобы она эффективно и удовлетворительно выполняла свои функции. Работа и характеристики локальной сети, выраженные в терминах общей пропускной способности и средней задержки передачи, принципиально зависят от используемого метода доступа и настройки со­ответствующих параметров. Последнее нельзя недооценивать, поскольку ошибки при настройке сети могут привести к перегрузке и заторам, нарушающим нормаль­ную работу.

Правильный выбор и определение рабочих параметров ЛВС представляет собой частично теоретическую, частично практическую задачу. Для мониторинга работы сети используются специальные устройства и измерительные приборы, называемые сетевыми анализаторами (network analyzer), которые позволяют получать некоторые статистические величины, например среднюю пропускную способность, среднее и максимальное время ожидания, а также находить причины нарушения работы сети. Анализаторы могут исследовать структуру и маршрут отдельных сообщений. Пользователь должен проверить различные настройки параметров сети, чтобы най­ти приемлемое решение для каждого конкретного набора требований.

9.5.4. Метод доступа Ethernet (IEEE 802.3)

Метод доступа Ethernet широко используется в локальных сетях как для про­мышленных, так и для офисных приложений. Он был разработан совместно компа­ниями Xerox, Intel и Digital Equipment и выпущен на рынок в 1980 году. Протокол Ethernet является стандартом де-факто и близко, хоть и не полностью, соответствует спецификациям IEEE 802.3 (ISO 8802.3). Более того, именно спецификации IEEF были определены на основании существовавших решений для Ethernet. Обе специ­фикации используют один и тот же механизм управления доступом к среде — CSM A/CD — и передачи данных, а отличия относятся к структуре кадра.[2] Оборудо­вание обеих спецификаций аппаратно совместимо и может работать совместно, одна­ко станции, использующие разный формат кадра, не могут взаимодействовать друг с другом.

Ethernet поддерживает шинную топологию. На физическом уровне Ethernet ра­ботает как с узкополосными, так и с широкополосным кабелем; последний может од­новременно передавать и другие типы сигналов. Широкополосный кабель дороже, и его прокладка более трудоемка; узкополосный кабель применяется значительно чаще. При использовании узкополосного кабеля цифровые данные непосредственно передаются в канал с помощью манчестерского кодирования; модуляция несущей частоты не требуется.

Узкополосный кабель, используемый в Ethernet, — это экранированный коакси­альный кабель, к которому периферийные устройства присоединяются с помощью коннекторов (соединителей) (рис. 9.20).

Существует кабель двух типов. Первоначально стандарт определял кабель диа­метром около 2.5 см, который называется стандартным или "толстым" кабелем. В стандарте ШЕЕ 802.3 этот кабель обозначается как 10BASE5. Более удобен "тон­кий" кабель Ethernet диаметром 0.5 см (в стандарте IEEE 80BASE2). В насто­ящее время основной средой передачи является витая пара (в стандарте IEEE 802.3 –10BASE-T).

Рис. 9.20. Типичная конфигурация сети Ethernet

Участок сети между двумя повторителями (раздел 9.5.8) называется - сегментом (segment). Вся шина может состоять максимум из пяти сегментов, три из которых можно использовать для подключения станций. Для стандартного кабеля максимальное расстояние между наиболее удаленными узлами сети составляет 2500 м, а длина одного сегмента — 500 м, число станций на один сегмент не должно быть больше 100. Для тонкого кабеля максимальная длина сегмента равна 185 м, а число присоединенных станций на один сегмент не должно превышать 30. С ростом числа присоединенных абонентов эффективность сети в об­щем случае падает.

Стандарт IEEE 802.3 допускает использование волоконно-оптического кабеля в качестве среды передачи. Один из вариантов такого кабеля обозначается J OBASE-F. 1 > Стандарт не определяет выделенных устройств для управления сетью, и все стан­ции должны самостоятельно решать, могут ли они получить доступ к среде передачи. Соответственно, не существует активных компонентов, выход из строя одного из ко­торых приведет к прекращению работы всей сети. Техническая скорость передачи в зависимости от используемой среды варьируется от 10 Мбит/с для коаксиального кабеля до 1 Гбит/с — для витой пары и оптоволоконного кабеля. В настоящее время в основном применяется витая пара со скоростью передачи 100 Мбит/с.

Подуровень LLC является подмножеством протокола HDLC и использует похо­жий формат кадров (раздел 9.4.5). Кадр Ethernet (рис. 9.21) начинается с 8-байтовой. преамбулы 1010101..., затем следует адрес получателя и адрес источника, каждый из которых имеет длину 6 байт. Адрес получателя может относиться только к одному устройству (индивидуальный адрес), к определенному подмножеству (групповой адрес) или ко всем абонентам, подключенным к сети (широковещательный адрес). После адреса получателя следует 2-байтовое поле, интерпретация которого зависит от реализации.

Кадр IEEE 802.3 имеет такой же формат, как и Ethernet. Отличие заключается в 2-байтовом поле, расположенном после адреса источника. Для IEEE 802.3 в этом поле указывается длина следующих за ним пользовательских данных, а в Ethernet — тип протокола верхнего уровня. Получив кадр, станция проверяет это поле: если его значение меньше чем 1501 (OxOSDD), то это формат IEEE 802.3, ток как указанное значение есть максимально допустимая длина данных. С этой же целью значение в поле тип протокола кадра Ethernet не может быть меньше чем 0x0600. Еще одно различие заключается в том, что в кадре IEEE 802.3 после поля длины следующие 8 байт используются для дополнительной информации, чтобы протоколы, не соответ­ствующие модели ВОС, можно было использовать на канальном уровне ВОС.

№ поля	Длина, байт	Значение	Описание
1	8	101010...	Стартовый флаг/преамбула
2	6		Адрес получателя; может быть групповым или вещательным
3	6		Адрес источника
4	2		Длина поля данных
5	46-1500		Данные
6	4		Контрольная сумма

Рис. 9.21. Структура кадра Ethernet/IEEE 802.3