При реальном обмене по сети применяются многоуровневые протоколы, каждый из уровней которых  предполагает свою структуру пакета (адресацию, управляющую информацию, формат данных и т.д.). Ведь протоколы высоких уровней имеют дело с такими понятиями, как файл-сервер или приложение, запрашивающее данные у другого приложения, и вполне могут не иметь представления ни о типе аппаратуры сети, ни о методе управления обменом. Все пакеты более высоких уровней последовательно вкладываются в передаваемый пакет, точнее, в поле данных передаваемого пакета (рис. 5). Этот процесс последовательной упаковки данных для передачи называется также инкапсуляцией пакетов.

Рисунок 5.  Многоуровневая система вложения пакетов.

       Каждый  следующий вкладываемый пакет может содержать собственную служебную информацию, располагающуюся как до данных (заголовок), так и после них (трейлер), причем ее назначение может быть различным. Безусловно, доля вспомогательной информации в пакетах при этом возрастает с каждым следующим уровнем, что снижает эффективную скорость передачи данных. Для увеличения этой скорости предпочтительнее, чтобы протоколы обмена были проще, и уровней этих протоколов было меньше. Иначе никакая скорость передачи битов не поможет, и быстрая сеть может передавать файл дольше, чем медленная сеть, которая пользуется более простым протоколом.[2]

       Обратный  процесс последовательной распаковки данных приемником называется декапсуляцией  пакетов.

1. Методы  управления обменом

       Сеть  всегда объединяет несколько абонентов, каждый из которых имеет право  передавать свои пакеты. Но, по одному кабелю одновременно передавать два (или более) пакета нельзя, иначе может возникнуть конфликт (коллизия), который приведет к искажению либо потере обоих пакетов (или всех пакетов, участвующих в конфликте). Значит, надо каким-то образом установить очередность доступа к сети (захвата сети) всеми абонентами, желающими передавать. Это относится, прежде всего, к сетям с топологиями шина и кольцо. Точно так же при топологии звезда необходимо установить очередность передачи пакетов периферийными абонентами, иначе центральный абонент просто не сможет справиться с их обработкой.

       В сети обязательно применяется тот  или иной метод управления обменом (метод доступа), разрешающий или  предотвращающий конфликты между  абонентами. От эффективности работы выбранного метода управления обменом зависит очень многое: скорость обмена информацией между компьютерами, нагрузочная способность сети (способность работать с различными интенсивностями обмена), время реакции сети на внешние события и т.д. Метод управления – это один из важнейших параметров сети.

       Тип метода управления обменом во многом определяется особенностями топологии  сети. Но в то же время он не привязан жестко к топологии, как нередко принято считать.

       Методы  управления обменом в локальных  сетях делятся на две группы:

• централизованные методы, в которых все управление обменом сосредоточено в одном месте. Недостатки таких методов: неустойчивость к отказам центра, малая гибкость управления (центр обычно не может оперативно реагировать на все события в сети). Достоинство централизованных методов – отсутствие конфликтов, так как центр всегда предоставляет право на передачу только одному абоненту, и ему не с кем конфликтовать;
• децентрализованные методы, в которых отсутствует центр управления. Всеми вопросами управления, в том числе предотвращением, обнаружением и разрешением конфликтов, занимаются все абоненты сети. Главные достоинства децентрализованных методов: высокая устойчивость к отказам и большая гибкость. Однако в данном случае возможны конфликты, которые надо разрешать.

       Существует  и другое деление методов управления обменом, относящееся, главным образом, к децентрализованным методам:

• детерминированные методы определяют четкие правила, по которым чередуются захватывающие сеть абоненты. Абоненты имеют определенную систему приоритетов, причем приоритеты эти различны для всех абонентов. При этом, как правило, конфликты полностью исключены (или маловероятны), но некоторые абоненты могут дожидаться своей очереди на передачу слишком долго. К детерминированным методам относится, например, маркерный доступ (сети Token-Ring, FDDI), при котором право передачи передается по эстафете от абонента к абоненту;
• случайные методы подразумевают случайное чередование передающих абонентов. При этом возможность конфликтов подразумевается, но предлагаются способы их разрешения. Случайные методы значительно хуже (по сравнению с детерминированными) работают при больших информационных потоках в сети (при большом трафике сети) и не гарантируют абоненту величину времени доступа.

1. Управление  обменом в сети с топологией звезда

       Для топологии звезда лучше всего  подходит централизованный метод управления. Это связано с тем, что все информационные потоки проходят через центр, и именно этому центру логично доверить управление обменом в сети. Причем не так важно, что находится в центре звезды: компьютер (центральный абонент), или же специальный концентратор, управляющий обменом, но сам не участвующий в нем. В данном случае речь идет не о пассивной звезде а, о некой промежуточной ситуации, когда центр не является полноценным абонентом, но управляет обменом. Это, к примеру, реализовано в сети 100VG-AnyLAN.

       Самый простейший централизованный метод состоит в следующем. Периферийные абоненты, желающие передать свой пакет (или, как еще говорят, имеющие заявки на передачу), посылают центру свои запросы (управляющие пакеты или специальные сигналы). Центр же предоставляет им право передачи пакета в порядке очередности, например, по их физическому расположению в звезде по часовой стрелке. После окончания передачи пакета каким-то абонентом право передавать получит следующий по порядку (по часовой стрелке) абонент, имеющий заявку на передачу (рис. 6). Например, если передает второй абонент, то после него имеет право на передачу третий. Если же третьему абоненту не надо передавать, то право на передачу переходит к четвертому и т.д. 

Рисунок 6.  Централизованный метод управления обменом в сети с топологией звезда.

       В этом случае говорят, что абоненты имеют географические приоритеты (по их физическому расположению). В каждый конкретный момент наивысшим приоритетом обладает следующий по порядку абонент, но в пределах полного цикла опроса ни один из абонентов не имеет никаких преимуществ перед другими. Никому не придется ждать своей очереди слишком долго. Максимальная величина времени доступа для любого абонента в этом случае будет равна суммарному времени передачи пакетов всех абонентов сети кроме данного. Никаких столкновений пакетов при этом методе в принципе быть не может, так как все решения о доступе принимаются в одном месте.

       Рассмотренный метод управления можно назвать  методом с пассивным центром, так как центр пассивно прослушивает всех абонентов. Возможен и другой принцип реализации централизованного управления (его можно назвать методом с активным центром).

       В этом случае центр посылает запросы  о готовности передавать (управляющие  пакеты или специальные сигналы) по очереди всем периферийным абонентам. Тот периферийный абонент, который хочет передавать (первый из опрошенных) посылает ответ (или же сразу начинает свою передачу). В дальнейшем центр проводит сеанс обмена именно с ним. После окончания этого сеанса центральный абонент продолжает опрос периферийных абонентов по кругу. Если желает передавать центральный абонент, он передает вне очереди.

       Как в первом, так и во втором случае никаких конфликтов быть не может (решение  принимает единый центр, которому не с кем конфликтовать). Если все  абоненты активны, и заявки на передачу поступают интенсивно, то все они будут передавать строго по очереди. Но центр должен быть исключительно надежен, иначе будет парализован весь обмен. Механизм управления не слишком гибок, так как центр работает по жестко заданному алгоритму. К тому же скорость управления невысока. Ведь даже в случае, когда передает только один абонент, ему все равно приходится ждать после каждого переданного пакета, пока центр опросит всех остальных абонентов.

       Как правило, централизованные методы управления применяются в небольших сетях (с числом абонентов не более чем несколько десятков). В случае больших сетей нагрузка по управлению обменом на центр существенно возрастает.

Глава 2. Технология построения сети

2.1. Обзор и анализ возможных технологий для решения поставленной задачи

       Рассмотрим  ряд технологических решений  локальных сетей.

       Локальная сеть Ethernet.

       Спецификацию Ethernet в конце семидесятых годов XX века предложила компания Xerox Corporation. Позднее к этому проекту присоединились компании Digital Equipment Corporation (DEC) и Intel Corporation. В 1982 г. была опубликована спецификация  на Ethernet версии 2.0. На базе Ethernet Институтом IEEE был разработан стандарт IEEE 802.3.

       На  логическом уровне в Ethernet применяется  шинная топология:

• все устройства, подключенные к сети, равноправны, т.е. любая станция может начать передачу в любой момент времени (если передающая среда свободна);
• данные, передаваемые одной станцией, доступны всем станциям сети.

       В стандарте Ethernet, помимо топологии шина, используется пассивная звезда и пассивное дерево (сетевое устройство, соединяющие сегменты сети – репитеры, репитерные концентраторы).

       Метод доступа Ethernet является методом множественного доступа с прослушиванием несущей  и разрешением коллизий (конфликтов) – CSMA/CD (Carier Sense Multiple Access with Collision Detection) и был предложен Xerox в 1975 г.

       Поскольку в системе используется топология  «общая шина», сообщение, отправляемое одной рабочей станцией, принимается  одновременно всеми остальными, подключенными к общей шине. Сообщение, предназначенное только для одной станции, принимается этой станцией и игнорируется остальными. Перед началом рабочая станция определяет, свободен канал или занят. Если канал свободен, станция начинает передачу. Главное требование к такой топологии – отсутствие петель (нет замкнутых путей).

       Ethernet не исключает возможности одновременной  передачи сообщений двумя или  несколькими станциями. Аппаратура  автоматически распознает коллизии (конфликты). После обнаружения конфликта станции задерживают передачу на некоторое время. Это время небольшое и для каждой станции свое. После задержки передачи возобновляется. Реально конфликты приводят к уменьшению быстродействия сети только в том случае, если работает порядка 80 – 100 станций.

       При увеличении числа пользователей сеть будет работать не столь эффективно. В этом случае оптимальное решение состоит в увеличении числа сегментов для обслуживания групп с меньшим числом пользователей. Передаваемые в сети Ethernet пакеты могут иметь переменную длину.

       В качестве сегмента сети может выступать  шина или единичный абонент. Для  шинных сегментов используют коаксиальный кабель, а для лучей пассивный пассивной звезды – витую пару или оптоволокно (им присоединяют к концентратору одиночные ПК).

• форматы сети Ethernet при скорости 10 Мбит/сек:
• 10 Base-T – витая пара;
• 10 Base5 – толстый коаксиальный кабель;
• 10 Base2 – тонкий коаксиальный кабель;
• 10 Base-FL – оптоволокно.

       Развитие  технологии Ethernet все больше отходит от первоначального стандарта: используются новые среды передачи, коммутаторы вместо концентраторов, отказ от манчестерского кода и от метода управления CSMA/CD.  

       Fast Ethernet

       В сети Fast Ethernet применяется та же базовая технология, что и в Ethernet – множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов. Обе технологии основаны на стандарте IEEE 802.3. В результате для создания сетей обоих типов можно использовать одинаковый тип кабеля, сетевые устройства и приложения. Сети Fast Ethernet позволяют передавать данные со скоростью 100 Мбит/сек, т.е. в десять раз быстрее чем Ethernet.

       В сети Fast Ethernet в отличие от Ethernet используется только пассивная звезда и пассивное дерево. К тому же в Fast Ethernet более жесткие требования к длине сети, например, увеличение сети в 10 раз приводит к уменьшению в 10 раз допустимой величины прохождения сигнала по сети.

       Форматы сети Fast Ethernet при скорости 100 Мбит/сек:

• 100 Base-T4 – счетверенная витая пара;
• 100 Base-TX – сдвоенная витая пара;
• 100 Base-FX – оптоволокно.

       Gigabit Ethernet

       Продолжение развития сетей Ethernet и Fast Ethernet. Gigabit Ethernet совместимы с сетевой инфраструктурой Ethernet и Fast Ethernet, но функционируют со скоростью 1000 Мбит/сек – что в 10 раз быстрее, чем Fast Ethernet. Сеть Gigabit Ethernet является наследницей сети Ethernet, соответственно берет все достоинства и недостатки этой сети.