6.Свързване на локални мрежи. Мостове и маршрутизатори. Режими на предаване на данни. Синхронно и асинхронно предаване на данни.

За много фирми основният проблем е как да свържат различните си компютърни мрежи. Възможно е счетоводният отдел да има ЛМ EtherNet с тънък коаксиален кабел, а персоналните компютри в общите служби да са свързани в ЛМ 10BaseT с усукани двойки проводници. Производственият отдел би могъл да използва голяма ЕИМ на IBM, а отделът за проучване и проектиране - миникомпютър DEC.

В тази глава ще разгледаме как различните ЛМ се свързват чрез мостове и маршрутизатори.

Ще надникнем в света на големите ЕИМ и ще обясним накратко как се обработва информацията в тях и кои са най-често използваните комуникационни протоколи; за комуникацията между микрокомпютрите и ЕИМ се появяват нови стандарти.

Мостове

Мостовете (http://www.webopedia.com/TERM/B/bridge.html)

са устройства, предназначени за свързване на локални мрежи на нивото на каналния слой от модела OSI. Те не засягат по-високите нива на протоколите. Основното предназначение на всеки мост е да препредава или да филтрира пакетите в зависимост от адресите на получателите им.

Мостовете са устройства, чието действие е свързано с каналния слой на модела OSI. На това ниво се обработват адресите на подателите и на получателите на пакетите, без да се засягат по-високите нива на протоколите. През мостовете могат да преминават пакети от каналния слой на различни мрежи, независимо от това дали те работят по протокола IPX на Novell или по протокола XNS (използван при много мрежови операционни системи).

Всеки мост съхранява списък с адресите на станциите от ЛМ, към която е включен. Той преглежда пакетите и проверява дали адресите на получателите им са от локалната мрежа. Ако даден пакет е адресиран до локален микрокмпютър, мостът го филтрира от останалите пакети и го насочва към получателя му. В случай че пакетът е адресиран до работна станция, вън от локалната мрежа, мостът го препредава към другия край на външната линия. Включеният там мост изпълнява аналогични функции и определя дали пакетът да се филтрира или препредаде към трета ЛМ.

Мостовете обикновено обработват пакетите много бързо, тъй като не ги преформатират. Те само прочитат адреса на получателя и взимат решение дали да филтрират или да препредадат пакета. Обикновено мостовете имат няколко вида кабелни интерфейси, така че ЛМ EtherNet с дебел коаксиален кабел може да се свърже чрез мост към втора ЛМ EtherNet, изградена с усукани двойки проводници.

Мостове за разклонени локални мрежи

    Чрез мостовете за свързване на разклонени локални мрежи между всеки две ЛМ се създава единствен път за пренасяне на информацията.

    Мостовете за разклонени локални мрежи са приети като стандарт от комитета IЕЕЕ 802.1. В стандарта е посочен начинът за мостово свързване на локални мрежи, в които има няколко разклонения. Мостовете "преговарят" помежду си и определят по един порт за всяка посока на предаване в отделните ЛМ така, че избраният път да осигурява максимална ефективност на цялата мрежа (за конкретните условия на трафика). Фиг.6.1 илюстрира метода за мостово свързване на разклонени локални мрежи.

Мостове с маршрутизиране от подателя

Мостовете с маршрутизиране от подателя се използват в ЛМ Token Ring Network на IBM. Предаващата станция определя целия маршрут на изпращаното съобщение и включва необходимата за това информация като част от пакета.

Методът маршрутизиране от подателя се използва за мостово свързване на ЛМ Token Ring Network на IBM. Всяка от локалните мрежи с кръгова топология се означава с определен номер. Дадена работна станция, готова да предаде съобщение, първоначално изпраща общодостъпен кадър по всички маршрути и очаква да получи информация за станцията, която ще приеме пакета. Всяка ЛМ добавя номера си към общодостъпния кадър и го препредава по-нататък. Получателят приема кадъра и го връща обратно на предаващата станция. В него вече е включена информация за пълния набор от маршрути, включително и за това през кои ЛМ трябва да премине пакетът до приемната станция.

Мостово свързване на ЛМ EtherNet и Token Ring

    Тъй като пакетите в ЛМ EtherNet и Token Ring имат различна структура, освен филтрирането и препредаването на съобщенията, мостовете за свързване на тези мрежи изпълняват и по-сложни функции.

Някои фирми имат локални мрежи Ethernet и Token Ring и искат да ги обединят. Пакетите в тези две мрежи са с различна структура. Максималната дължина на пакета в ЛМ EtherNet е 1500 байта; пакетът ЛМ Token Ring 4Mbs може да съдържа до 4000 байта, а в ЛМ Token Ring 16Mbs - приблизително до 18000 байта. От друга страна мостът, свързващ тези доста различни среди, трябва да съгласува особеностите на метода за маршрутизиране на пакетите в разклонените локални мрежи Ethernet и маршрутизирането от подателя в ЛМ Token Ring Network.

Мостът, свързващ двете мрежи, разделя големите пакети Token Ring на няколко по-малки с цел те да се предават в ЛМ EtherNet. Освен това при преминаването през моста информацията, управляваща маршрутизирането, се отстранява и пакетът се преобразува в съответствие със стандарта Ethernet. Мостът 8209 на IBM е проектиран за свързване на тези две разнотипни мрежи. Той може да работи в три различни режима:

· преобразуване Token Ring в Еthernet версия 2

· преобразуване Token Ring в стандарт IЕЕЕ 802.3

· определяне типа на ЛМ и превключване в режим 1 или2.

Маршрутизатори

    Действието на маршрутизаторите е свързано с мрежовия слой на модела OSI и зависи от използвания протокол.

    Действието на маршрутизаторите е свързано с мрежовия слой на модела OSI и следователно зависи от използвания комуникационен протокол. Тези междумрежови възли определят пътя за предаване на пакетите, съставени например в съответствие с протокола ТСР/IР, или на пакети Netware.

Важно предимство на маршрутизаторите пред мостовете е, че те изграждат "защитна преграда" за дадена мрежа срещу пакети, генерирани в друга мрежа. Това води до намаляване на трафика на съобщенията на ниво работна станция.

Мостовете свързват локални мрежи в обща голяма мрежа. Например при мостово свързване на няколко ЛМ EtherNet всички пакети достигат до всяка работна станция от отделните мрежи.

Естествено трафикът във всяка от свързаните локални мрежи е много голям. Ако в една от работните станции мрежовата интерфейсна платка се повреди - и предизвика генерирането на хиляди пакети с неверно съдържание (съобщителна буря) - всички свързани ЛМ могат да се претоварят. За разлика от мостовете действието на маршрутизаторите зависи от комуникационния протокол; те могат да се програмират така, че да пропускат само пакети с определени формати.

Маршрутизаторите са много по-сложни (и по-скъпи) устройства от мостовете. Преди да изпрати пакет към получателя, маршрутизаторът анализира условията на трафика и определя най-подходящия път за предаване на съобщението. Ако тези условия се променят (например ако даден междумрежов възел се повреди), маршрутизаторът може да избере нов път и да пренасочи пакетите си по него.

Маршрутизаторите са необходими за обединяване на ЛМ, използващи мрежови операционни системи с различни комуникационни протоколи. Например фирма с локални мрежи NetWare, Vines и IBM LAN.Server трябва да включи маршрутизатори за всеки от типовете протоколи, които ще извършват нужното преобразуване на форматите на пакетите и ще ги изпращат в съответната мрежа. Мостовете, чието действие е далеч по-просто, не биха могли да различат пакет Vines от пакет NetWare.

Друго решение на този проблем е трите различни локални мрежи да използват един общ протокол - какъвто е протоколът ТСР/IР (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) - над нивото на протоколите на файловите им сървери. В този случай трябва да се инсталират маршрутизатори само за протокола ТСР/IР.

Мрежова архитектура SNA (Systems Network Architecture)

Мрежовата архитектура SNA на IBM съдържа протоколи на няколко нива, подобни на слоевете в модела OSI.

Всяко разглеждане на света на големите ЕИМ трябва да започва с набора от спецификации на IBM за мрежите с разпределена обработка на информацията. Както е показано на фиг.6.2, мрежовата архитектура SNA (Systems Network Architecture) предлага слоест модел, подобен на модела OSI. Потоците на информацията в двата модела са почти идентични, но кадрите в мрежите SNA са с формата на синхронния битово ориентиран протокол SDLC, вместо с формата HDLC.

Приложната програма NetWiew на IBM дава възможност в мрежата SNA да се използва система за централизирано управление, която изпълнява диагностични процедури, организира сесии за обмен на информация и отчита използването на мрежата. Програмата извежда информация за открито неправилно функциониране на мрежата и посочва неизправните и компоненти. Освен това системата NetView позволява да се наблюдава трафика в мрежите SNA, обменящи информация чрез комутация на пакети по протокола Х.25.

Режими за предаване на данни

Различават се три режима на предаване – комутация на канали, комутация на съобщения и комутация пакети.

Комутация на канали

Възловите компютри установяват физически канал за обмен на информация помежду си, а след това по този канал се предава едно съобщение. Когато съобщението се предаде напълно, предаващата възлова машина освобождава физическия канал. Когато пристигне следващото съобщение, отново се установява физическа връзка между компютрите, съобщението се предава докато се обмени цялата информация. При предаване на две съобщения между два възела могат да се използуват различни физически канали. Простотата на този режим на предаване е той да се появи най-напред. Негов недостатък е, че един канал трябва да се ангажира непрекъснато, докато се обмени цялата информация, което блокира канала.

Комутация на съобщения

Всяко съобщение се изпраща в комуникационната подмрежа. Тя избира неговия маршрут до местоназвачението му. Така във възловите компютре се натрупват множество съобщения, които се съхраняват, докато се освободят канали за тяхното предаване. Наличието на дълги съобщения изисква възловите компютри да притежават големи по обем памети за съхраняване на информацията и при това за продължителен интервал от време.

Комутация на пакети

За да се облекчи предаването на данни по мрежата, съобщенията се разделят на части, наречени пакети (по 1000 –10000 бита). Всеки пакет се предава индивидуално в комуникационната подмрежа. Тъй като пакетът е по-къс от съобщението, той се обменя по-бързо между станциите, а това довежда до по-добро уплътняване на канала. Всеки пакет се предава с адрес на приемащата страна и пореден номер в рамките на съобщението. Тъй като за предаване на отделните съобщения могат да се използуват различни физични канали, в приемащата страна те могат да се получат не по реда на поредния номер. Приемащата страна има задължение да подледи съобщенията по реда както са били във възловия компютър, който ги е изпратил. В сравнение с предишния режим, тук дългите съобщения се изпращат по-бързо, тъй като се накъсват на пакети, които могат да се изпращат по различни канали.

Има две разновидностти на мрежите с комутация на пакети – мрежи с виртуални канали и дейтаграмни мрежи. При мрежите с виртуални канали информацията се предава като последователност при спазване на реда им в дадено съобщение. Този метод осигурява уплътняване на физическите канали, като през време на паузите между пакетите, се използува за предаване на пакети на други съобщения. Това означава, че виртуалният канал не се ангажира само за пакетите на дадено съобщение, през паузите той може да бъде ангажиран за пакетите на друго съобщение.

Дейтаграмната мрежа осигурява само предаване на независими един от други пакети – дейтаграми. Дейтаграмата е пакет, който се изпраща от източника до абоната съгласно указан в него адрес, без маршрута да е определен предварително и несе гарантира същата последователност при приемане на дейтаграмите, както е използувана при изпращането им. След получаване на всички дейтаграми се оформя съобщението, което трябва да се получи. Отделните дейтаграми могат да се изпращат по различни канали и по различно време, което уплътнява още по-добре физическите канали. Недостатък на този метод, е че обемът информация, който трябва да носи дейтаграмата (адрес на абоната) е по-голям и с това се увеличава дължината на предаваното съобщение. Колкото едно съобщение е по-дълго толкова повече допълнителна информация трябва да се предаде.

Често в дадена мрежа се предвиждат и двата рижима на предаване, като потребителите използуват най-подходящия за техните цели.

Предимството на метода комутация на пакети е и бързото установяване на връзка при предаването на информация, като с това се повишават изискванията по отношение на грешките. Надежността на метода се повишава и поради факта, че за предаване на дадено съобщение винаги има не по-малко от два маршрута по различни физически канали, като често компютрите във възлите се дублират.

Синхронно и асинхронно предаване на данни

Докато при асинхронното предаване данните се изпращат по байтове, при синхронния обмен информацията се групира в кадри и се предава като непрекъснат поток от данни.

Дълго време предаването на данни при микрокомпютрите се извършваше по асинхронен начин. Всеки ден принтерите със сериен интерфейс и модемите ни напомнят, че този начин за обмен на информация се използва широко. В мрежите SNA големите ЕИМ работят по синхронния битово ориентиран протокол SDLC - синхронен начин за предаване на данни. Както е показано на фиг.6.3, при асинхронното предаване данните се изпращат по байтове, докато при синхронния начин информацията се изпраща като непрекъснат поток от данни до завършване на предаването.

Типове синхронизация на данните

Данните могат да се предават асинхронно, като промеждутъкът от време между два последователни бита може да се изменя в широки граници. В този случай синхронизацията се съдържа в сигнала. Това се осъществява чрез подходящо кодиране. Възможно е и синхронно предаване, при което синхронизацията в приемната част се постига или с вътрешен тактов генератор, който се стартира по сигнал на линията, или с външен пилот-сигнал, който съпровожда данните по отделен канал.

Битовете се комплектоват в символи също по различен начин. При асинхронния начин всеки символ се съпровожда от специален сигнал, уведомяващ приемника за постъпването на символа, като времето между два последователно приети символа може да се изменя в много широки граници. Синхронното предаване предполага, че данните се обменят по блокове, които са с относително голям обем. Проблемът на синхронизацията в случая е свързан с откриването на началото и края на блока (поблокова синхронизация). Това се извършва със специални синхросимволи, заграждащи блока от данни. Символите вътре в блока се отделят по логически път след приемането.

Възможни са различни методи на комбинирано прилагане на различните типове синхронизация за правилно приемане на битовете и символите. Най-простият начин на предаване е асинхронното формиране на битовете и символите. То не изисква тактови генератори и средства за разпространяване на синхронизиращ сигнал, като в същото време е осигурена пълна прозрачност на предаваните данни. Този метод обаче не е намерил широко приложение поради понижената си шумоустойчивост и високата чуствителност към изкривяванията на сигнала.

Най-широко разпространение имат два от комбинираните методи за предаване, известни като асинхронен (старт-стопен) и синхронен.

При асинхронното предаване всеки символ се съпровожда от стартов импулс и един или два стопови импулса. Стартовият импулс е предназначен не само за синхронизиране на символа, но иза стартов сигнал на вътрешния тактов генератор, чрез който се отделят битовете в рамките на символа. Тактовата честота на генератора превишава неколкократно честотата на следване на битовете, като с нея се определят моментите за отчитане (сторбиране) стойностите на отделните битове. Моментите на сторбиране се избират по средата на интервалите от време, представящи битовете, с цел евентуалните вариации в честотата на следване на битовете да не доведат до грешно приемане на символите. Предаването на символа завършва с издаване на един или два стопови импулса, чиято  по-голяма продължителност ги прави различими от информационните битове. Интервалът от време между два последователно издадени символа се мени в широки граници, като в този период по линията продължава да се поддържа съответното “стоп” ниво ( фиг.6.4 ).

Асинхронното предаване води до непълноценно използване на канала поради голямото излишество на управляващи битове (три допълнителни бита на всеки 8 бита). Методите с предаване на няколко символа между стартовия и стоповия импулс не са намерили голямо приложение поради силно нарастващата вероятност от грешно възприемане на битовете при изменяне на честотата на издаването им. Асинхронното предаване се прилага широко главно поради простотата на методите за кодиране , избягването на необходимостта от буферна памет, простите схеми на синхронизиране и т.н. Ето защо то е много разпространено при свързването на бавни терминали на близки разстояния със скорости, определяни от скоростта на ръчното въвеждане на данни.

При синхронното предаване информацията се представя като непрекъсната последователност от символи, обединени в отделни блокове от данни. Синхронизирането на битовете става или по външни сигнали, разпространени по канала на връзка, или с помощта на методи за кодиране, при които фазата на информационния бит се съдържа в сигнала. В някои случаи синхронизирането е от синхронно работещи генератори, установени в приемащата и предаващата част. Разпространен е също така методът с периодично предаване на синхронизиращата последователност за съгласуване на работата на вътрешните тактови генератори. Синхронизирането по блокове се постига чрез изпращането на специални синхронизиращи символи в началото на блока от данни. На следващата фигура е показан блок информация при синхронно предаване, като СС е синхронизиращ символ, а КК – контролен код.

СС

СС

Заглавие

Данни

КК

Предимството на синхронното предаване е най-вече в значително по голямата скорост на обмен. Обемът на предаваните данни значително надхвърля обема на придружаващата ги управляваща информация, което води до по-ефективно използване на канала. При синхронното предаване може да се използват по-съвършени методи за модулация. Прилагането на различни типове контрол повишава достоверността на предаването, при което се облекчава възстановяването на сигнала.

Към недостатъците на синхронния метод за предаване се отнася увеличаването на апаратурата. Възниква необходимост от буферна памет, усложнява се обработващата логика, както в приемната, така и в предавателната част.

Разгледаните особености на асинхронния и синхронния метод за предаване определят областите на тяхното приложение. Асинхронното предаване е удобно за свързване на проста, нискоскоростна апаратура, докато синхронното позволява по-големи скорости.

В някои стари ЕИМ на IBM се използва синхронния протокол BSC (Binary Synchronous Communication). За разлика от SDLC този комуникационен протокол е байтово ориентиран; в него са приети осембитови символи. Някои фирми, включително и IBM, продават адаптери (платки) BSC и емулираща програма BSC 3270. Това са двата ключови елемента, необходими за свързването на ЛМ от микрокомпютри към стара ЕИМ на IBM, използваща протокола BSC.