Тема 4. Сетевые архитектуры. Технологии локальных компьютерных сетей

1.

МИНИСТЕРСТВО ЦИФРОВОГО РАЗВИТИЯ,
СВЯЗИ И МАССОВЫХ КОММУНИКАЦИЙ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«Санкт – Петербургский государственный университет телекоммуникаций
им. проф. М.А. Бонч-Бруевича»
Специальность: 09.02.07 «Информационные системы и программирование»
ОП.11 КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ
Преподаватель
Рожков А.И.
Санкт-Петербург 2024

2.

Лекция. Технологии локальных компьютерных
сетей
План занятия:
1. Технологии локальных компьютерных сетей.
2. Технология Ethernet.
3. Технологии TokenRing и FDDI.

3.

1. Технологии локальных компьютерных сетей
Технологии построения локальных вычислительных сетей меняются
довольно быстро, подстраиваясь под нужды потребителей.
Базовые технологии построения локальных сетей, которые
еще называют архитектурами, можно разделить на два
поколения. Первое поколение обеспечивает низкую и среднюю
скорость передачи данных, второе – высокую.
К первому поколению технологий относятся такие, которые
функционируют на основе использования кабеля с медной
жилой:
• ARC net (скорость до 2,5 Мбит/с);
• Ethernet (до 10 Мбит/с);
• Token Ring (до 16 Мбит/с).

4.

Второе поколение архитектур основано преимущественно на
оптоволоконных линиях, и некоторые варианты строятся на
основе кабеля с медной жилой высокого качества. К ним
относятся:
• FDDI (до 100 Мбит/с);
• АТМ (до 155 Мбит/с);
• Fast Ethernet (до 100 Мбит/с);
• Gigabit Ethernet (до 1000 Мбит/с).

5.

Самой распространенной технологией в наши дни является
архитектура Ethernet, ее высокоскоростные варианты Fast
Ethernet и Gigabit Ethernet легко объединяются между собой и с
ней в единую сеть, что упрощает задачи масштабирования.
Скорость передачи данных в такой сети зависит от типа
кабеля. Здесь применяются варианты от тонкого коаксиального кабеля
до мультимодового оптоволоконного кабеля со скоростью светового
сигнала до 1300 нм.
Сети вида Arcnet устарели и обеспечивают малую скорость (2,5
Мбит/с). Но на ряде предприятий их еще можно встретить, так как
раньше они пользовались большим спросом. Это очень надежная сеть
с низкой стоимостью адаптеров и гибкостью в настройке. Обычно
имеет топологию в виде «шины» или «пассивной звезды».

6.

Сеть Token-Ring кольцевого типа сама по себе тоже уходит в
историю ЛВС, но знать о ней надо, потому что она стала основой и
прообразом маркерной сети нового поколения стандарта FDDI.
Сети вида FDDI (Fiber Distributed Data Interface) с маркерным
методом доступа используют оптоволоконный кабель. Это
высокоскоростная архитектура, которая может поддерживать до 1000
абонентов. При этом максимальная протяженность кольца не может
составлять более 20 километров, а расстояние между абонентами
должно быть не более 2 км. Эти особенности делают ее применимой
для оснащения средних и малых предприятий с небольшим
количеством рабочих мест.

7.

2. Технология Ethernet
Технология Ethernet появилась в 1973 году – первый документ
датируется 22 мая 1973 года. Это докладная записка, которую Роберт
Меткалф (Robert Metcalfe) подал главе исследовательского центра
Xerox в калифорнийском городке Пало-Альто (Xerox Palo Alto Research
Center).
Название Ethernet произошло от двух слов: ether (эфир) и net
(сеть), т. е. дословный перевод – «эфирная сеть». Дело в том, что
эта технология основана на разработках в области компьютерных
радиосетей (сеть ALOHAnet).

8.

В 1975 году был получен патент, а в 1980 году усилиями трех фирм
– DEC, Intel и Xerox, был создан первый стандарт Ethernet, который
получил название DIX (по первым буквам названий фирмразработчиков). В 1983 году международная ассоциация IEEE
публикует стандарт IEEE 802.3, разработанный на основе Ethernet
DIX, в котором устанавливалась пропускная способность 10
Мбит/с.
В 1995 году появляется стандарт IEEE 802.3u Fast Ethernet
(«быстрый Ethernet») со скоростью передачи 100 Мбит/с, а в 1998
году – стандарт IEEE 802.3z Gigabit Ethernet (1 Гбит/с). Эти новые
стандарты, а также простота, надежность и низкая стоимость сетей,
позволили Ethernet победить конкурентов и занять лидирующее
положение на рынке LAN.
В 2003 году опубликован стандарт IEEE 802.3ae с пропускной
способностью 10 Гбит/с, а в 2010 году – стандарт IEEE 802.3ba c
пропускными способностями 40 и 100 Гбит/с.

9.

Формат кадра
Чтобы сетевые узлы могли обмениваться информацией, должны
быть согласованы форматы единиц передачи данных. Ethernet
отвечает за физический и канальный уровни, следовательно, в
стандартах Ethernet должны быть определены способы
кодирования бит и представления кадров.
Минимальный
размер
кадра
Ethernet
—
64
байта,
максимальный — 1518 байт. К этому количеству относятся все байты,
начиная с поля «MAC-адрес назначения» и заканчивая полем
«Проверочная последовательность кадра (FCS)». Поле «Преамбула»
при описании размера кадра не включено.

10.

Любой кадр с длиной менее 64 байтов считается «фрагментом
коллизии»
или
«карликовым кадром»
и автоматически
отклоняется принимающими станциями.
Кадры с длиной более 1500 байт называются Jumbo-кадрами
(значительно превышающие допустимый размер) или Baby Giant
(слегка превышающие допустимый размер).
Если размер передаваемого кадра меньше минимального значения
или больше максимального значения, получающее устройство
сбрасывает такой кадр. Отброшенные кадры, скорее всего, являются
результатом коллизий или других нежелательных сигналов и,
следовательно, считаются недействительными. Кадры Jumbo обычно
поддерживаются большинством коммутаторов Fast Ethernet и
Gigabit Ethernet и сетевых адаптеров.

11.

Кадр состоит из набора полей:
• PR – Preamble (преамбула): последовательность восьми байтов
вида 10101010, которая служит для синхронизации приемника и
источника.
• DA – Destination Address (адрес приемника).
• SA – Source Address (адрес источника).

12.

• Т – Type (тип) или EtherType : указывает протокол верхнего
(сетевого) уровня, которому следует передать данный кадр.
• DATA – данные: полезная информация, которую нужно
передать. Чаще всего это пакет, пришедший от сетевого уровня.
Размер данных может быть от 0 до 1500 байт.
• PAD – Padding (заполнение): если данных в кадре менее 46
байт, используется поле Padding для дополнения до 46 байт.
Заполнение требуется для обеспечения минимального размера
кадра в 72 байта. Если кадр будет меньшего размера, существует
вероятность его неправильной передачи.

13.

• FCS – Frame Check Sequence (контрольная сумма): источник,
перед отправкой кадра, вычисляет значение определенной
функции от передаваемых данных и записывает это значение
(которое называется контрольная сумма) в поле FCS. Приемник,
получив кадр, вычисляет значение той же самой функции от
полученных данных и сравнивает его со значением в поле FCS.
Если они равны, значит кадр передан без искажений, иначе
делается вывод об ошибке передачи.

14.

Fast Ethernet
Еще один из стандартов Ethernet – Fast Ethernet с пропускной
способностью 100 Мбит/с. В этом стандарте используется топология
звезда
и
существует
несколько
спецификаций,
которые
обозначаются по формуле, общей для всех стандартов Ethernet:
<Пропускная способность> BASE – <Тип среды передачи>.
Например, 10BASE-T обозначает спецификацию Ethernet с
пропускной способностью 10 Мбит/с и витой парой в качестве
среды передачи данных (T– Twisted). Слово BASE (базовый)
обозначает, что передача данных ведется на одной, базовой,
частоте, в отличие от сетей, где информация по одному кабелю
может передаваться с разными частотами.

15.

Спецификации Fast Ethernet
Спецификация
Среда передачи
100BASE-TX
2 витые пары UTP категории 5
или выше
100 м
100BASE-T4
4 витые пары UTP категории 3
или выше
2 витые пары UTP категории 3
или выше
многомодовое оптоволокно,
длина волны 1300 нм
многомодовое оптоволокно,
длина волны 850 нм
двухжильное одномодовое
оптоволокно
одножильное одномодовое
оптоволокно
100 м
100BASE-T2
100BASE-FX
100BASE-SX
100BASE-LX
100BASE-BX
Длина
сегмента
100 м
Примечание
Самая
распространенная в LAN
спецификация
Не используется
Не используется
2 км
300 м
10 км
40 км
Дешевый вариант
оптоволоконной сети

16.

3. Технологии TokenRing и FDDI
Большинство технологий построения локальных сетей пришли в
Россию из-за рубежа.
Стандарт Arcnet был разработан компанией Datapoint под
руководством инженера Джона Мерфи, публике его представили в
1977 году.
Стандарт Token-Ring был создан фирмой IBM узко для
производимых ею компьютеров. Но так как на рынке есть множество
устройств разных брендов, то широкого развития он не получил.
Стандарт FDDI появился в середине 1980-х годов и стал основой
для построения сетей второго поколения, хотя базируется он на
технологии Token-Ring, в рамках которой используется маркер
информации для передачи ее от компьютера к компьютеру. Стандарт
разработан институтом ANSI, он сразу поддерживал скорость
передачи данных в 100 Мбит/с по двойному оптоволоконному кабелю.

17.

Token Ring и FDDI — это функционально намного более сложные
технологии, чем Ethernet на разделяемой среде.
Механизм доступа к среде в сетях Token Ring и FDDI является
более детерминированным (предопределенным), чем в сетях Ethernet.
Например, в сети Token Ring, станции которой связаны в кольцо,
любая станция непосредственно получает данные только от одной
станции — той, которая является предыдущей в кольце, а передает
данные своему ближайшему соседу вниз по потоку данных.
Скорость передачи данных в первых сетях Token Ring,
разработанных компанией IBM, была всего 4 Мбит/с, но затем была
повышена до 16 Мбит/с.
Основная среда передачи данных — витая пара.
Для адресации станций сети Token Ring (и FDDI) используют МАСадреса того же формата, что и Ethernet.

18.

Метод доступа Token Ring основан на передаче специального
кадра — токена доступа — от узла к узлу, при этом только узел,
владеющий токеном, может передавать свои кадры в кольцо,
которое становится в этом случае разделяемой средой.
Существует лимит на период монопольного использования
среды — это так называемое время удержания токена, по
истечении которого станция обязана передать токен своему
соседу по кольцу.

19.

Технологию FDDI можно считать усовершенствованным
вариантом Token Ring, так как в ней также используется метод
доступа к среде, основанный на передаче токена, а также
кольцевая топология связей, но вместе с тем FDDI работает на более
высокой скорости и имеет более совершенный механизм
отказоустойчивости.
Технология FDDI стала первой технологией локальных сетей, в
которой
использовалось
оптическое
волокно,
начавшее
применяться в телекоммуникационных сетях с 70-х годов прошлого
века в качестве разделяемой среды передачи данных. За счет
применения оптических систем скорость передачи данных удалось
повысить до 100 Мбит/с (позже появилось оборудование FDDI на витой
паре, работающее на той же скорости).

20.

В тех случаях, когда нужно было обеспечить высокую
надежность сети FDDI, применялось двойное кольцо. В
нормальном режиме станции используют для передачи данных и
токена доступа первичное кольцо, а вторичное простаивает. В
случае отказа, например, при обрыве кабеля между станциями 1 и 2,
первичное кольцо объединяется со вторичным, вновь образуя
единое кольцо. Этот режим работы сети называется режимом
свертывания колец.

21.

Операция свертывания производится средствами повторителей и
(или) сетевых адаптеров FDDI. Для упрощения этой процедуры
данные по первичному кольцу всегда передаются в одном
направлении (на диаграммах это направление изображается против
часовой стрелки), а по вторичному — в обратном (изображается по
часовой стрелке). Поэтому при образовании общего кольца из двух
колец передатчики станций по-прежнему остаются подключенными к
приемникам соседних станций, что позволяет правильно передавать и
принимать информацию соседними станциями.

22.

Самостоятельная работа.
Используя Интернет-ресурсы и в соответствии с номером
вашего варианта (номер в журнале группы соответствует номеру
варианта с первого по последний номер) самостоятельно
выполните задание на тему
«Современные технологии компьютерных сетей».
Варианты заданий на следующих слайдах

23.

1. Выберите отечественного производителя сетевого оборудования и укажите
характеристики продукции на примере конкретной модели, заполнив
отсутствующие данные в таблице. Составьте отчет о выполнении
самостоятельной работы и в табличной форме ответьте на указанные вопросы.
№ варианта
Оборудование
Разработчик/
официальный сайт
Модель
Характеристики
1
9
17
25
коммутатор
?
?
?
2
10
18
26
маршрутизатор
?
?
?
3
11
19
27
межсетевой экран
?
?
?
4
12
20
28
точка доступа
?
?
?
5
13
21
29
беспроводной Wi-Fi
контроллер
?
?
?
6
14
22
30
шлюз безопасности
?
?
?
7
15
23
31
стоечный сервер
?
?
?
8
16
24
32
системы хранения
данных
?
?
?

24.

2. Проведите исследование в области технологий компьютерных сетей. Подробно
изложите свои мысли на предложенную тему вашего варианта.
№ варианта
Тема реферата
1
7
13
19
25
Развитие программного обеспечения сетей
2
8
14
20
26
Повышение надёжности сетей
3
9
15
21
27
Развитие методов и средств обеспечения более высокого уровня безопасности
информации, циркулирующей в сетях
4
10
16
22
28
Развитие 5G
5
11
17
23
29
Развитие технологий интернета вещей (IoT).
6
12
18
24
30
Развитие облачных вычислений и сетей SDN (Software-Defined Networking)
Отчет загрузите в СДО для оценки.

25.

Контрольные вопросы
1. Основные отличия между поколениями архитектур локальных сетей?
2. Как эволюционировала технология Ethernet от момента появления до
сегодняшних дней ?
3. Минимальный и максимальный размеры кадров Ethernet и их названия?
4. Спецификации Fast Ethernet и особенности применения?
5. Основные отличия между технологиями Token Ring и FDDI?