Сети коммутируемого аналогового доступа

Вначале телефонные сети общего пользования были полностью аналоговыми. На сегодняшний день голос между коммутаторами телефонной сети чаще всего передается в цифровой форме по каналам PDH/SDHс помощью технологии временного мультиплексирования (TimeDivisionMultiplexing, TDM). Однако абонентские окончания остаются в основном аналоговыми, что позволяет пользоваться простыми и недорогими аналоговыми телефонными аппаратами. Телефонная сеть, как и любая сеть с коммутацией каналов, требует обязательной процедуры установления соединения между абонентскими устройствами.

Для передачи данных по сети коммутируемого аналогового доступа используются аналоговые модемы. Соединение между модемами устанавливается так же, как и в случае соединения обычных телефонных аппаратов – путем набора телефонного номера. Обычно абонентский модем соединяется с модемом сервера удаленного доступа, который устанавливается в точке присутствия поставщика услуг доступа к компьютерной сети (сети Интернет). После установления соединения между модемами образуется канал с пропускной способностью около 4 кГц. Точное значение имеющейся в распоряжении модемов полосы пропускания будет зависеть от типа телефонных коммутаторов и характеристик линий связи. Но в любом случае эта полоса не будет превышать 4 кГц, что принципиально ограничивает скорость передачи данных модемом. В зависимости от конкретных условий пропускная способность канала тональной частоты может достигать 56 Кбит/с.

В случае модемного соединения в качестве канального протокола используется протокол PPP, который скрывает детали работы собственного канального протокола модема. Протоколы и стандарты модемов определены в рекомендациях ITU-Tсерии Vи делятся на три группы:

1) Стандарты, определяющие метод кодирования и скорость передачи.

2) Стандарты исправления ошибок, возникающих в процессе передачи.

3) Стандарты сжатия данных.

Первоначальное соединение модемов происходит по стандарту V.21 на скорости 300 бит/с. После этого в соответствии со стандартом V.34 начинается процедура динамической адаптации к характеристикам канала и переговорный процесс, пока не будет достигнута максимально возможная в данных условиях производительность. Стандарт V.34+ позволяет передавать данные в дуплексном режиме на скорости до 33,6 Кбит/с. Дальнейшее увеличение скорости передачи возможно с использованием протокола V.90, который позволяет передавать данные в ассиметричном режиме – от модема на скорости 33,6 Кбит/с, и к модему – 56 Кбит/с (при условии, что на пути не встретится ни одного аналого-цифрового преобразования).

Коррекция ошибок на основе установления соединения и алгоритма скользящего окна определяется в стандарте V.42. Сжатие данных с коэффициентом до 1:8 определяется в стандарте V.42bisи MNP-5.

Технологии xDSL

Данная технология появилась в середине 90-х годов, как альтернатива цифровому абонентскому окончанию ISDN и включает в себя технологии:

1) Ассиметричного цифрового абонентского окончания (AsymmetricDigitalSubscriberLine, ADSL), которую иногда называют «широкополосным доступом».

2) Симметричного цифрового абонентского окончания (SymmetricDigitalSubscriberLine, SDSL).

3) Цифрового абонентскогоокончанияс адаптируемой скоростью передачи (RateAdaptiveDigitalSubscriberLine, RADSL).

4) Сверхбыстрого цифрового абонентского окончания (Veryhigh-speedDigitalSubscriberLine, VDSL).

Отличием данной технологии является то, что в отличие от аналоговых модемов, xDSL-модемы работают только на цифровом абонентском окончании, т.е. xDSL-сигнал не может проходить через транзитные телефонные коммутаторы.xDSL-модемы получают в свое распоряжение полосу пропускания около 1 МГц, в которой образуются три канала: высокоскоростной входящий, менее высокоскоростной исходящий и голосовой (рис.).

Распределение полосы абонентского окончания между каналами ADSL

В помещении абонента устанавливается разделитель (сплиттер), который обеспечивает разделение частот между ADSL-модемом и обычным аналоговым телефоном. Со стороны оператора связи устанавливается мультиплексор доступа к цифровому абонентскому окончанию (DigitalSubscriberLineAccessMultiplexer, DSLAM), который после преобразования сигналов в дискретную форму отправляет данные в сеть IP. Отделенный голосовой сигнал передается на телефонный коммутатор. Скорость работы ADSL-канала существенно зависит от качества физической линии и расстояния между модемом и оборудованием DSLAM.

Общая характеристика технологий и протоколов для локальных сетей

Локальные сети – компьютерные сети, ориентированные на объединение небольшого числа компьютеров в пределах ограниченной территории (здания или комплекса из нескольких зданий). Для построения локальных сетей не используются сетевые технологии с коммутацией каналов, первичные сети или сети абонентского доступа (хотя эти технологии используются для объединения локальных сетей между собой). В целом для технологий построения локальных сетей характерно следующее:

1. Использование разделяемой среды передачи данных. В отличие от сетей коммутируемого доступа, в которых канал связи образуется отдельно для каждой пары взаимодействующих узлов, в локальных сетях используется множественное подключение узлов к одной среде передачи данных, называемое также шлейфовым подключением. В качестве разделяемой передающей среды может использоваться кабель, к которому подключены несколько сетевых интерфейсов, повторитель сигнала или общая несущая частота радиоэфира. В разделяемой среде передачи в каждый момент времени только один узел может осуществлять передачу данных. Преимуществом использования разделяемой среды передачи данных является простота протоколов передачи и отсутствие промежуточных узлов. При этом отпадает необходимость использования сложных процедур управления потоком данных и контроля переполнения буферов промежуточных узлов – разделяемая среда физически не способна принять избыточное количество пакетов.

2. Коммутация пакетов. В отличие от первичных сетей, где используется коммутация каналов, в локальных сетях всегда используются протоколы с коммутацией пакетов.

3. Использование типовых топологий. Локальные сети имеют однородную структуру, в которой все узлы подключены к общей передающей среде одинаковым образом

Специфика локальных сетей заключается так же в разделении канального уровня на два подуровня, которые иногда называют уровнями:

- уровень управления логической передачей данных (LogicalLinkControl, LLC);

- уровень управления доступом к среде (MediaAccessControl, MAC).

Уровень LLC отвечает за логическую передачу кадров между узлами сети с различной степенью надежности, а так же реализует функции интерфейса с прилегающим к нему сетевым уровнем. На уровне LLC существует несколько режимов работы, которые отличаются наличием или отсутствием на этом уровне процедур восстановления потерянных или искаженных данных. Протокол уровня LLC независим, то есть может применяться с различными протоколами уровня MAC.

Уровень MAC появился из-за существования разделяемой среды передачи данных. Именно он обеспечивает корректное совместное использование общей среды, предоставляя ее в соответствии с определенным алгоритмом той или иной станции сети. На этом уровне реализуется схема адресации компьютеров. Адреса, используемые на этом уровне, являются физическими адресами и называются так же MAC-адресами. В современных локальных сетях получили распространение несколько протоколов уровня MAC, реализующих алгоритмы доступа к разделяемой среде. Такими протоколами являются Ethernet, FastEthernet, GigabitEthernet, TokenRing, FDDI, о которых пойдет речь в следующих главах.

Одной из организаций, занимающихся стандартизацией в области сетей, является Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике – InstituteofElectricalandElectronicsEngineers, IEEE. В 1980 г. была образована группа 802, которая занимается разработкой стандартов в области двух нижних уровней локальных сетей. В результате было сформировано семейство стандартов 802.x (рис. 2.1). К этим стандартам не относится протокол передачи по двойному кольцу FDDI, так как он был разработан институтом ANSI, однако данная технология на уровне LLC так же использует протокол 802.2.

У каждой технологии единственному протоколу уровня MAC соответствует несколько вариантов спецификаций физического уровня, которые отличаются типом используемого кабеля, методами кодирования и видами коммуникационного оборудования.

 

Сетевой уровень

Канальный уровень

LLC

Логические процедуры передачи кадров, процедуры восстановления потерянных кадров, связь с сетевым уровнем (802.2)

MAC

Метод коллективного доступа с опознаванием несущей и разрешением коллизий   Ethernet (802.3)

Метод доступа к кольцу с передачей маркера TokenRing (802.5)

Двойное кольцо FDDI (ANSIX3 T9.5)

Физический уровень

Ethernet 10 Мбит/с

Fast Ethernet 100 Мбит/с

Gigabit Ethernet 1000 Мбит/с

IEEE 802.3 «Толстый» коаксиал 10 Base 5

IEEE 802.3a «Тонкий» коаксиал 10 Base 2

IEEE 802.3i Витая пара 3 кат. 10 BaseT

IEEE 802.3j, Оптоволокно, 10BaseF (FOIRL, 10BASE-FL, 10BASE-FB)

IEEE 802.3u, Витая пара 5 кат 100 BaseTX

Витая пара 3 кат   100 BaseT 4

Одномодовое оптоволокно (от 2 до 10 км.), 100 BaseFX

Многомодовое оптоволокно (до 400 м.), 100 BaseSX

IEEE 802.3ab Витая пара 5e кат. 1000 BASE - T

Витая пара 6 кат. 1000 BASE - TX

IEEE 802.3z Многомодовое оптоволокно (до 550 м.), 1000 BaseSX

IEEE 802.3z Одномодовое оптоволокно (до 5000 м.), 1000 BaseLX

STP, 4 Мбит/с

STP, 16 Мбит/с

Оптоволокно, 100 Мбит/с

UTP, 100 Мбит/с

Структура стандартов физического и канального уровня локальных сетей

Технология Ethernet

Ethernet является самым распространенным стандартом построения локальных сетей на сегодняшний день. История Ethernet началась во второй половине 60-х годов, когда в радиосети передачи данных Гавайского университета были опробованы различные варианты коллективного случайного доступа к передающей среде (радиоэфиру). Название Ethernet можно перевести с английского как «эфирная сеть». Метод доступа оказался настолько удачным, что позднее, в 1975 г., фирма Xerox реализовала его для экспериментальной кабельной сети. В 1980 г. фирмы DEC, Intel и Xerox совместно разработали и опубликовали фирменный стандарт для сети на основе коаксиального кабеля, который был назван Ethernet II или Ethernet DIX.

Позднее на основе этого фирменного стандарта был разработан стандарт IEEE 802.3, который во многом совпадает со своим предшественником, однако имеет и некоторые отличия. В стандарте IEEE 802.3 уровни MAC и LLC различаются, а в оригинальном стандарте они объединены. Практически эти различия заключаются в том, что в разных стандартах Ethernet используются различные форматы кадра, о чем будет подробно сказано ниже.

В зависимости от типа используемой физической среды стандарт Ethernet имеет несколько спецификаций физического уровня. Однако для всех стандартов Ethernet характерным является использование манчестерского кода, а так же одного и того же метода доступа к разделяемой среде передачи данных – метода CSMA/CD.

Метод доступа CSMA/CD

Характерным свойством сети Ethernet является используемый в ней метод доступа, который называется методом коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий (carrier-sense-multiple-accesswithcollisiondetection, CSMA/CD). Этот метод предполагает использование исключительно разделяемой среды передачи данных. При этом все компьютеры подключаются к передающей среде (например, отрезку кабеля) одинаковым образом и могут одновременно работать в режиме приема данных. Вести передачу данных в каждый момент времени может только один компьютер.

Алгоритм доступа к среде

Все данные, передаваемые по сети, помещаются в кадры определенной структуры. Заголовок каждого кадра в обязательном порядке содержит уникальные физические адреса (MAC-адреса) станции-источника и станции назначения.

Любая станция может начать передачу кадра, но перед этим она должна убедиться, что передающая среда свободна. Это достигается прослушиванием среды передачи на частоте основной гармоники сигнала или несущей частоте, которая в случае передачи на скорости 10 Мбит/с равна 5-10 МГц, в зависимости от последовательности единиц и нулей. Признаком незанятости среды является отсутствие несущей.

Все станции распознают факт передачи кадра, и та станция, которая узнает свой адрес, как адрес назначения в заголовке кадра, записывает кадр в свой буфер и передает для дальнейшей обработке вышележащему уровню (обычно сетевому).

После окончания передачи кадра все узлы обязаны выждать технологическую паузу длительностью 9,6 мкс, которая так же называется межкадровым интервалом (InterPacketGap). После этого станция может начать передачу нового кадра. Практически не все станции строго одновременно фиксируют факт окончания передачи кадра из-за задержек в распространении сигнала.

Коллизии

При описанном подходе возможна ситуация, когда две или более станции начали передачу одновременно, так как механизм прослушивания несущей не гарантирует от такой ситуации. При этом говорят, что произошла коллизия (collision). При этом сигналы разных станций накладываются друг на друга и происходит искажение информации. Коллизия является нормальной ситуацией в работе сети Ethernet. При этом для возникновения коллизии две станции не обязательно должны начать передачу строго одновременно, чаше всего один узел начинает передачу немного раньше, но сигналы просто не успевают дойти до второго узла. Таким образом, коллизии - следствие распределенного характера сети.

Чтобы корректно обработать коллизию, передающая станция наблюдает за возникающими в кабеле сигналами. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, фиксируется обнаружение коллизии (collisiondetection). Для увеличения вероятности скорейшего обнаружения коллизии всеми станциями сети, станция, которая обнаружила коллизию, прерывает передачу своего кадра и искусственно усиливает состояние коллизии посылкой в сеть специальной последовательности из 32 бит, которая называется jam-последовательностью.

После этого обнаружившая коллизию передающая станция обязана прекратить передачу и сделать паузу в течение короткого случайного интервала времени. Затем она может снова предпринять попытку захвата среды и передачи кадра.

Из описания метода доступа видно, что он носит вероятностный характер, и вероятность успешного получения в свое распоряжение общей среды зависит от загруженности сети, то есть от интенсивности возникновения в станциях потребности в передаче кадров. При значительной интенсивности коллизий полезная пропускная способность сети Ethernet резко падает, так как сеть почти постоянно занята повторными попытками передачи кадров. Следует отметить, что метод доступа CSMA/CD вообще не гарантирует станции, что она когда-либо сможет получить доступ к среде. Конечно, при небольшой загрузке сети вероятность такого события невелика, но при коэффициенте использования сети, приближающемся к 1, такое событие становится очень вероятным. Этот недостаток метода случайного доступа — плата за его чрезвычайную простоту, которая сделала технологию Ethernet самой недорогой.