Компютерні мережі

• техніка частотного мультіплексування (Frequency Division Multiplexing, FDM);
• техніка мультіплексування з розподілом часу (Time Division Multiplexing, TDM).

Техніка частотного мультіплексування каналів була розроблена для телефонних мереж, але використовується вона і для інших видів мереж, наприклад мереж кабельного телебачення. 
Для розподілу абонентських каналів характерна техніка модуляції високочастотного несущого сінусоїдального сигналу низькочастотним сигналом розмови. Якщо сигнали кожного абонентського каналу перенести у свій діапазон частот, то у одному широкополосному каналі можна одночасно передавати сигнали декількох абонентських каналів. 
На входи FDM-комутатора надходять сигнали від абонентів телефонної мережі. Комутатор виконує перенесення частоти кожного каналу у свій діапазон частот. Звичайно високочастотний діапазон поділяється на полоси, які відводяться для передачі даних абонентських каналів. Щоб низькочастотні складові сигналів різних каналів не змішувалися між собою, полоси поділяються завширшки 4 кГц (спектр сигналу розмови вкладається у діапазон 3,1 кГц), залишаючи між ними страховий проміжок у 900 Гц. У каналі між двома FDM-комутаторами одночасно передаються сигнали всіх абонентських каналів, але кожний з них займає свою полосу частот. Такий канал називається ущільнений.

Рис. 2.4.1.Комутація  на основі частотного ущільнення.

Вихідний FDM-комутатор  виокремлює модульовані сигнали  кожної несущої частоти і передає  їх на відповідний вихідний канал, до якого безпосередньо підключений абонентський телефон. 
У мережах на основі FDM-комутації прийнято декілька рівнів ієрархії ущільнених каналів. Перший рівень ущільнення утворюють 12 абонентських каналів, що складають базову групу каналів, які займають полосу частот завширшки у 48 кГц із межами від 60 до 108 кГц. Другий рівень ущільнення утворюють 5 базових груп, які складають супергрупу, із полосою частот завширшки у 240 кГц і межами від 312 до 552 кГц. Супергрупа передає дані 60 абонентських каналів тональної частоти. Десять супергруп утворюють головну групу, яка використовується для зв'язку між комутаторами на великих відстанях. Головна група передає дані 600 абонентів одночасно і потребує від канала зв'язку полосу частот завширшки не менш як 2520 кГц із межами від 564 до 3084 кГц.

Рис. 2.4.2. Комутація  на основі розподілу каналу у часі.

Комутація на основі техніки розподілу частот розроблялась у розрахунку на передачу неперервних сигналів, що представляють голос. За переходу до цифрової форми подання голосу була розроблена нова техніка мультіплексування, яка орієнтується на дискретний характер даних, що передаються. 
Ця техніка носить назву мультіплексування із розподілом часу (Time Division Multiplexing, TDM). 
Апаратура TDM-мереж - мультіплексори, комутатори, демультіплексори - працюють у режимі розподілу часу, почергово обслуговуючи впродовж циклу своєї роботи всі абонентські канали. Цикл роботи обладнання TDM дорівнює 125 мкс, що відповідає періоду слідування замірів голоса у цифровому абонентському каналі. Це означає, що мультіплексор або комутатор встигає вчасно обслужити будь-який абонентський канал і передати його черговий замір далі по мережі. Кожному з'єднанню надається один квант часу цикла роботи апаратури, що називається також тайм-слотом. Тривалість тайм-слота залежить від числа абонентських каналів, що обслуговуються мультіплексором TDM або комутатором. 
Робота обладнання TDM нагадує роботу мереж із комутацією пакетів, так як кожний байт даних можна вважати деяким елементарним пакетом. Однак, на відміну від пакета комп'ютерної мережі, "пакет" мережі TDM не має індивідуальної адреси. Його адресою є порядковий номер у обоймі або номер наданого тайм-слота у мультіплексорі або комутаторі. Мережі, які використовують техніку TDM, вимагають синхронної роботи всього обладнання, що і визначило другу назву цієї техніки - синхронний режим передач (Synchronous Transfer Mode, STM). 
Мережі TDM можуть підтримувати або режим динамічної комутації, або режим постійної комутації, а іноді й обидва ці режими. Основним режимом роботи цих мереж є режим динамічної комутації, але вони підтримують також і постійну комутацію, надаючи своїм абонентам службу виділених каналів. 
Виділені канали комутуються у визначені, завчасно задані, інтервали часу, на протязі яких тільки і допускається передача інформації. Очевидно, що режим виділених каналів забезпечує максимально припустиму для конкретної мережі швидкість передачі даних, однак за низької інтенсивності передачі даних ефективність передавального середовища різко знижується. 
Перевагою мереж комутації каналів є наявність постійного з’єднання між абонентськими системами, яке дозволяє достатньо просто організовувати взаємодію між ними в режимі реального часу, в діалоговому режимі. 
Більшість сучасних мереж комутації каналів базуються на засобах мереж зв’язку загального користування (телефонна та телеграфна мережі, радіомережа). Ці мережі є аналоговими і мають обмеження по швидкості і якості передачі цифрових сигналів. Тому для мереж зв’язку загального користування виникає необхідність прийняття додаткових мір по підвищенню достовірності і швидкості передачі даних. 
Передача інформації за посередництвом так званої комутації повідомлень здійснюється без утворення фізичного з’єднання між пунктами відправки і отримання інформації. Між ними утворюється віртуальне (логічне) з’єднання, а фізичний канал встановлюється локально між межуючими вузлами комутації і тільки на час передачі даних. При цьому інформація подається і передається у вигляді блоку даних, який цілком містить все повідомлення. Заголовок блоку даних містить адреси відправника і отримувача інформації, а також іншу керуючу інформацію, необхідну для достовірної передачі повідомлень між абонентами. Передача блоків даних між абонентами здійснюється з проміжним запам’ятовуванням їх у вузлах комутації: повідомлення, яке надійшло у вузол комутації, запам’ятовується у буферному запам’ятовуючому пристрої і за наявності вільного каналу у напрямку адресату передається по цьому каналі у наступний вільний вузол. Такі вузли (рис. 2.5.3), які здійснюють проміжне зберігання і керування передачею повідомлень, називаються вузлами комутації повідомлень, а мережі передачі даних, які застосовують даний спосіб комутації, отримали назву мереж комутації повідомлень. Таким чином, повідомлення послідовно передається від одного вузла комутації до другого, займаючи у кожний період часу тільки канал передачі даних між суміжними вузлами. Інші канали на шляху слідування повідомлення можуть застосовуватися для інших цілей. Це дозволяє, порівняно з мережами комутації каналів, істотно підвищити коефіцієнт застосування фізичних каналів зв’язку, і тим самим збільшити загальну перепускну здатність мережі передачі даних. Однак при цьому ускладнюються вузли комутації і з’являються додаткові затримки, пов’язані з необхідністю проміжного запам’ятовування повідомлення у кожному вузлі мережі.

Рис. 2.4.3. Вузол  комутації повідомлень.

Крім того, за передачі великих повідомлень підвищується ймовірність появи похибок, що призводить до збільшення повторних передач  і, відповідно, до зниження ефективності роботи мережі передачі даних. Це приводить до необхідності поділу повідомлення на декілька блоків, які послідовно передаються між вузлами комутації повідомлень. Кожний вузол, що приймає, збирає блоки у повідомлення, яке після перевірки знов поділяється на блоки для подальшої передачі. Процес збирання-поділу повідомлень здійснюється кожним вузлом комутації. Все це значно знижує швидкість передачі повідомлень, тому на сьогоднішній день найбільшого розповсюдження отримав метод комутації пакетів. 
Комутація пакетів у документах МККТТ визначається як передача даних за допомогою адресуємих пакетів, яка здійснюється таким чином, що канал зв’язку займається тільки на період передачі пакета. 
Пакет є протокольним блоком даних мережного рівня і, як всі блоки даних еталонної моделі, складається із заголовка і поля даних.  
Мережа передачі даних, яка застосовує комутацію пакетів, називається мережею комутації пакетів, а її комутаційні вузли отримали назву вузлів комутації пакетів. У вузлах комутації пакетів реалізуються три нижніх рівня еталонної моделі взаємодії відкритих систем, на яких, відповідно, застосовуються три типи протокольних блоків даних: послідовність біт, кадр і пакет. На верхніх рівнях систем протокольний блок даних розглядається як деякий інформаційний блок, який на мережному рівні “упаковується” у пакет. 
Сформовані на мережному рівні пакети передаються на канальний рівень, де до пакету додається службова інформація, необхідна для виконання функцій канального рівня, в результаті чого формується кадр. На фізичному рівні кадр подається послідовністю біт, яка у вигляді фізичних сигналів надходить в канал передачі даних. Під час прийому інформації вузлом комутації відбувається зворотній процес: отримані біти групуються у слова, з яких формується кадр. На канальному рівні зміст керуючого поля кадру застосовується для виконання процедур канального рівня, а зміст поля даних в якості пакета даних передається на мережний рівень. Керуюче поле пакета формує мережний процес в даному вузлі комутації. Далі пакет перетворюється в кадр, який містить поновлені адреси і відповідні значення керуючих полів. Сформований таким чином кадр даних передається на фізичний рівень і далі у наступний вузол комутації або абонентську систему. 
Комутацію пакетів можна розглядати як подальший розвиток комутації повідомлень, за якої повідомлення-пакет має строго обмежену довжину. Процес передачі інформації у мережі комутації пакетів нагадує роботу поштової мережі зв’язку під час пересилання листів.  
Фіксована довжина пакетів передбачає поділ довгих повідомлень на декілька пакетів, правило формування яких видно з рис.2.4.4. Великі масиви інформації передаються декількома пакетами, однак, на відміну від комутації повідомлень, операція зборки-розбирання здійснюється тільки в абонентських системах, що спрощує структуру проміжних вузлів мережі.

Рис. 2.4.4. Формування пакетів з повідомлень. 
 
Природно, за рахунок дублювання керуючої інформації у кожному пакеті загальна довжина повідомлення, що передається, збільшується, однак, як буде показано нижче, час передачі всього повідомлення не збільшується, а, як правило, навіть скорочується. Обмеження, що вводиться на довжину пакету дозволяє скоротити об’єм запам’ятовуючих пристроїв вузлів комутації, що сприяє скороченню часу перебування пакету у вузлі комутації, призводить до скорочення часу передачі повідомлень і в цілому підвищує пропускну здатність мережі.  
У мережах з комутацією пакетів сьогодні застосовуються два класи механізмів передачі пакетів:

• дейтаграмна передача;
• віртуальні канали.

Прикладами  мереж, що реалізують дейтаграмний механізм передачі, є мережі Ethernet, IP і IPX. За допомогою  віртуальних каналів передають  дані мережі X.25, Frame Relay і ATM. Спочатку ми розглянемо базові принципи дейтаграмного підходу.  
Дейтаграмний спосіб передачі даних грунтується на тому, що всі передані пакети обробляються незалежно один від одного, пакет за пакетом. Приналежність пакета до визначеного потоку між двома кінцевими вузлами і двома додатками, що працюють на цих вузлах, ніяк не враховується.  
Вибір наступного вузла - наприклад, комутатора Ethernet чи маршрутизатора IP/IPX - відбувається тільки на підставі адреси вузла призначення, що міститься у заголовку пакета. Рішення про те, якому вузлу передати пакет, що прийшов, приймається на основі таблиці, що містить набір адрес призначення й адресну інформацію, що однозначно визначає наступний (транзитний чи кінцевий) вузол. Такі таблиці мають різні назви - наприклад, для мереж Ethernet вони звичайно називаються таблицею просування (forwarding table), а для мережних протоколів, таких як IP і IPX, - таблицями маршрутизації (routing table). Далі для простоти будемо користатися терміном "таблиця маршрутизації" як узагальнену назву такого роду таблиць, застосовуваних для дейтаграмної передачі на підставі тільки адреси призначення кінцевого вузла.  
У таблиці маршрутизації для однієї адреси призначення може міститися кілька записів, що вказують, відповідно, на різні адреси наступного маршрутизатора. Такий підхід застосовується для підвищення продуктивності і надійності мережі. У прикладі на рис.2.4.5 пакети, що надходять у маршрутизатор R1 для вузла призначення з адресою N2, А2, з метою балансу навантаження розподіляються між двома наступними маршрутизаторами - R2 і R3, що знижує навантаження на кожний з них, а виходить, зменшує черги і прискорює доставку. Деяка "розмитість" шляхів проходження пакетів з тією ж самою адресою призначення через мережу є прямим наслідком принципу незалежної обробки кожного пакета, властивого дейтаграмним протоколам. Пакети, що прямують за тією ж самою адресою призначення, можуть добиратися до неї різними шляхами і внаслідок зміни стану мережі, наприклад відмови проміжних маршрутизаторів.

Рис. 2.4.5. Дейтаграмний принцип передачі пакетів.

Така особливість  дейтаграмного механізму як розмитість шляхів проходження трафика через  мережу також у деяких випадках є  також недоліком. Наприклад, якщо пакетам визначеної сесії між двома кінцевими вузлами мережі необхідно забезпечити задану якість обслуговування. Сучасні методи підтримки QoS працюють ефективніше, коли трафік, якому потрібно забезпечити гарантії обслуговування, завжди проходить через одні й ті ж самі проміжні вузли.  
 
Віртуальні канали в мережах з комутацією пакетів. 
Механізм віртуальних каналів (virtual circuit чи virtual channel) створює в мережі стійкі шляхи проходження трафіка через мережу з комутацією пакетів. Цей механізм враховує існування в мережі потоків даних.  
Якщо метою є прокладка для всіх пакетів потоку єдиного шляху через мережу, то необхідною (але не завжди єдиною) ознакою такого потоку повинна бути наявність для всіх його пакетів загальних точок входу і виходу з мережі. Саме для передачі таких потоків у мережі створюються віртуальні канали. На рис.2.4.6 показаний фрагмент мережі, у якій прокладені два віртуальних канали. Перший проходить від кінцевого вузла з адресою N1, A1 до кінцевого вузла з адресою N2, A2 через проміжні комутатори мережі R1, R3, R7 і R4. Другий забезпечує просування даних шляхом N3, A3 - R5 - R7 - R4 - N2, A2. Між двома кінцевими вузлами може бути прокладено кілька віртуальних каналів, таких що, як цілком збігаються у відношенні шляху проходження через транзитні вузли, так і такі, що відрізняються.

Рис.2.4.6. Принцип  роботи віртуального каналу.

Мережа тільки забезпечує можливість передачі трафика уздовж віртуального каналу, а які саме потоки будуть передаватися по цих каналах, вирішують самі кінцеві вузли. Вузол може застосовувати один і той самий віртуальний канал для передачі всіх потоків, що мають загальні з даним віртуальним каналом кінцеві точки, чи ж тільки частину з них. Наприклад, для потоку реального часу можна застосовувати один віртуальний канал, а для трафика електронної пошти - інший. В останньому випадку різні віртуальні канали будуть висувати різні вимоги до якості обслуговування, і задовільнити їх буде простіше, ніж у тому випадку, коли по одному віртуальному каналу передається трафік з різними вимогами до параметрів QoS.  
Важливою особливістю мереж з віртуальними каналами є застосування локальних адрес пакетів при ухваленні рішення про передачу. Замість досить довгої адреси вузла призначення (його довжина повинна дозволяти унікально ідентифікувати усі вузли і підмережі у мережі, наприклад технологія АТМ оперує адресами довжиною в 20 байт) застосовується локальна, тобто мінлива від вузла до вузла, мітка, якою позначаються всі пакети, переміщувані по визначеному віртуальному каналі. Ця мітка в різних технологіях називається по-різному: у технології X.25 - номер логічного каналу (Logical Channel number, LCN), у технології Frame Relay - ідентифікатор з'єднання рівня каналу даних (Data Link Connection Identifier, DLCI), у технології АТМ - ідентифікатор віртуального каналу (Virual Channel Identifier, VCI). Однак призначення її скрізь однакове - проміжний вузол, називаний у цих технологіях комутатором, читає значення мітки з заголовка пакету, що прийшов, і переглядає свою таблицю комутації, у якій вказується, на який вихідний порт потрібно передати пакет. Таблиця комутації містить записи тільки про віртуальні канали, що проходять через даний комутатор, а не про всі наявні у мережі вузли (чи підмережі, якщо застосовується ієрархічний спосіб адресації). Звичайно у великій мережі кількість прокладених через вузол віртуальних каналів істотно менше кількості вузлів і підмереж, тому по розмірах таблиця комутації набагато менша таблиці маршрутизації, а, отже, перегляд займає набагато менше часу і не вимагає від комутатора великої обчислювальної потужності.  
Ідентифікатор віртуального каналу (саме така назва мітки буде застосовуватися далі) також набагато коротший адреси кінцевого вузла (з тієї ж причини), тому і надмірність заголовку пакета істотно менша. Він тепер не містить довгої адреси, а переносить по мережі тільки ідентифікатор.

Розділ 3. Базові технології локальних мереж.

Зміст. 
3.1. Протоколи та стандарти локальних мереж. Структура стандартів ІЕЕЕ 802.х. 
3.2. Протокол LLC рівня керування логічним каналом (802.2). 
3.3. Технологія Ethernet (802.3). 
3.4. Мережі з маркерним методом доступу (стандарт 802.4). 
3.5. Мережі з маркерним методом доступу (стандарт 802.5). 
3.6. Технологія FDDI. 
3.7. Fast Ethernet i 100VG-AnyLAN. 
3.8. Високошвидкісна технологія Gigabit Ethernet . 
 
3.1. Протоколи та стандарти локальних мереж. Структура стандартів ІЕЕЕ 802.х. 
При організації взаємодії вузлів у локальних мережах основна роль відводиться протоколу канального рівня. Однак для того, щоб канальний рівень міг бути спроможним виконати цю задачу, структура локальних мереж повинна бути визначеною та використовувати прості структури кабельних з'єднань між комп'ютерами локальної мережі. Подібний підхід відповідав основній меті, яку ставили перед собою розробники перших локальних мереж у другій половині 70-х років.  
Для спрощення та, відповідно, здешевлення апаратних та програмних рішень розробники перших локальних мереж зупинилися на спільному використанні кабелів усіма комп'ютерами мережі у режимі розподілу часу. Це дозволяє спростити логіку роботи мережі. Наприклад, відпадає необхідність контроля переповнення вузлів мережі кадрами від багатьох станцій, які вирішили одночасно обмінятися інформацією. У глобальних мережах, де відрізки кабелів, які з'єднують окремі вузли, не розглядаються як спільний ресурс, така необхідність виникає, та для розв'язання цієї проблеми у протоколи обміну інформацією вводяться занадто складні процедури керування потоком кадрів, які запобігають переповненню каналів зв'язку та вузлів мережі.  
Використання у локальних мережах дуже простих конфігурацій (спільна шина та кільце) поряд з позитивними мало й негативні наслідки, з-за яких найбільш неприємними були обмеження по продуктивності та надійності. Наявність тільки одного шляху передачі інформації, поділюваного усіма вузлами мережі, у принципі обмежувало перепускну здатність мережі продуктивністю цього шляху (яка ділиться у середньому на число комп'ютерів мережі), а надійність мережі - надійністю цього шляху. Тому по мірі підвищення популярності локальних мереж і розширення їх сфер застосування все більш почали використовуватися спеціальні комунікаційні пристрої - мости та маршрутизатори, - які у значній мірі знімали обмеження єдиного поділюваного середовища передачі даних. Базові конфігурації у формі спільної шини та кільця перетворилися у елементарні структури локальних мереж, які можна тепер з'єднувати одна з одною більш складним чином, утворюючи паралельні основні та резервні шляхи між вузлами. 
У останні роки намітилося прямування до відмови від поділюваних середовищ передачі даних у локальних мережах і переходу до застосування активних комутаторів, до яких кінцеві вузли під'єднуються індивідуальними лініями зв'язку. У чистому вигляді такий підхід пропонується у технології АТМ (Asynchronous Transfer Mode), а у технологіях, що носять традиційні назви, із пристакою switched (комутуємий): switched Ethernet, switched Token Ring, switched FDDI, звичайно використовується змішаний підхід, який поєднує поділювані та індивідуальні середовища передачі даних. 
У 1980 році був створений комітет 802 по стандартизації локальних мереж, у результаті роботи якого була прийнята родина стандартів ІЕЕЕ 802.х, які містять рекомендації по проектуванню нижніх рівнів локальних мереж. Пізніше результати роботи цього комітета було покладено у основу комплексу міжнародних стандартів ISO 802.1-802.5. Ці стандарти були створені на основі дуже розповсюджених фірмових стандартів мереж Ethernet, ArcNet i Token Ring.  
Стандарти родини 802.х охоплюють тільки два нижніх рівні семирівневої моделі OSI - фізичний та канальний. Це пов'язано з тим, що саме ці рівні у найбільшій степіні віддзеркалюють специфіку локальних мереж. Старші ж рівні, починаючи з мережного, у значній степіні мають спільні риси як для локальних, так і для глобальних мереж.  
Специфіка локальних мереж також знайшла своє віддзеркалення у поділі канального рівня на два підрівня, які називають також рівнями. Канальний рівень (Date Link Layer) поділяється у локальних мережах на два підрівня: