ББК 32.97 0-35 УДК 681.324 Рецензенты: доктор техн. наук, проф. В. Г. Домрачев и Е. А. Егоров Редакция литературы по вычислительной технике Овчинников В. В., Рыбкин И. И. 0-35 Техническая база интерфейсов локальных вычислитель- ных сетей.—М.: Радио и связь, 1989.—000 с.: ил ISBN 5-256-00313-5. Рассмотрены вопросы схемотехнического проектирования быстродействующих микропро- цессорных средств сетевых и абонентских интерфейсов, обеспечивающих высокие технико-экс- II.H.II.UIIHIHIINC показатели моноканальных и поликанальных локальных вычислительных сетей. Описываются методы, алгоритмы и схемы для централизованной и децентрализованной форм управления взаимодействием абонентских ЭВМ: микропроцессоров, микро- и мини-ЭВМ. Для инженерно-технических работников в области вычислительной техники, микроэлек- троники и связи. О 2404020000—097 046(01)—89 ISBN 5-256-00313-5 147—89 ББК 32.97 Издательство «Радио и связь», 1989 ПРЕДИСЛОВИЕ Современный период развития различных областей информа- тики характеризуется повышением роли систем с распределенной обработкой информации, в которых возникают информационные связи, отражающие управленческую и производственную деятель- ность. Как показали исследования в этой области, 80—90% инфор- мационных связей с интенсивностью от 0,5 до 2 Мбит/с концентри- руется в отдельных зданиях или в группе зданий на площади периметром до 3 км. Поэтому возникла потребность в создании тер- риториально рассредоточенных автоматизированных рабочих мест и объединении их в локальную вычислительную сеть (ЛВС). Во многом успех внедрения ЛВС объясняется теми социально- экономическими последствиями, которые они вносят в наиболее сложный объект автоматизации — обработку документальной ин- формации в различных сферах человеческой деятельности с по- мощью персональных ЭВМ, подключенных через специальные интерфейсные средства к общему каналу связи (моноканалу) ЛВС. Архитектура ЛВС основана на созданной в результате между- народного сотрудничества многоуровневой эталонной модели, на каждом уровне которой выделены определяющие функции взаимо- действия объектов. Под объектами понимаются оборудование или программы систем, включаемых в состав ЛВС. Такой подход поз- воляет создавать ЛВС как многомодульную структуру, где изме- нение или оптимизация схемотехнических решений модуля с целью 'улучшения его технико-эксплуатационных показателей не влечет за собой переделки других модулей, входящих в ЛВС. За последние годы в СССР и за рубежом появился ряд книг, посвященных вопросам создания открытых, т. е. удовлетворяющих международным стандартам, ЛВС. В основном в них изложены научные [9—11, 15] и практические достижения в области архи- тектуры ЛВС, а также предложены некоторые технические решения [9]. Однако к настоящему моменту сложилась явная диспропор- ция между числом публикаций, посвященных верхним уровням эталонной модели ЛВС (протоколам и программам), и числом публикаций по вопросам управления каналами и аппаратными средствами ЛВС. В данной книге основное внимание уделено соз- данию и применению технической базы интерфейсов на двух ниж- них уровнях эталонной модели с учетом последних достижений в области микроэлектроники. При этом авторы особое внимание уделяли анализу международной стандартизации интерфейсов и протоколов на различных уровнях эталонной модели, технико- з эксплуатационным характеристикам программ и оборудования ЛВС; классификации и обоснованию технических решений, учиты- вающих конкретную технологию; совершенствованию методов и технической базы, реализующих функции протоколов по между- народным стандартам. Структура книги и метод изложения материала позволяют чита- телю определить место каждого интерфейса или протокола в общей многомодульной структуре ЛВС; выделить основные конструктив- ные единицы оборудования ЛВС и оценить для них методы, алго- ритмы и примеры технических и программных решений. Все рассмотренные в книге методы, алгоритмы и схемы отне- сены к двум основным формам управления ЛВС: централизован- ной и децентрализованной. Первая форма предполагает, что ра- ботой ЛВС управляет центральная ЭВМ, генерирующая поток ин- струкций, определяющих порядок взаимодействия абонентов к ЛВС. Вторая форма допускает случайный характер взаимодей- ствия абонентов в ЛВС между собой в режиме конкуренции или состязания за право захвата моноканала. Для читателя, впервые знакомящегося с проблематикой ЛВС, рекомендуется литература [9—II], в которой более подробно из- ложены концепции в области архитектуры ЛВС и ее информаци- онного обеспечения (документооборота, распределенных баз дан- ных, стандартов и т. д.). Главы 1—4, 6—8 и заключение написаны В. В. Овчинниковым, гл. 5 написана И. И. Рыбкиным. Авторы благодарны коллегам из ГДР и Западноберлинского технического университета за сотруд- ничество и помощь в написании этой книги, в частности за проведе- ние ряда экспериментов. ГЛАВА 1 АРХИТЕКТУРА ЛОКАЛЬНЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ 1.1. ЭТАЛОННАЯ МОДЕЛЬ АРХИТЕКТУРЫ ЛВС Основой для стандартизации разработок ЛВС, различающих- ся техническими решениями, составом и характеристиками обору- дования, а также занимаемыми площадями, служит базовая эта- лонная модель, определенная Международным стандартом 7498. Эталонная модель (ЭМ) распространяется на объекты ЛВС, состоящих из одной или нескольких ЭВМ с различными или иден- тичными аппаратными и программными средствами. Она задает четкое распределение функций между уровнями взаимодействия объектов (табл. 1.1) и допускает совершенствование технической базы и программного обеспечения ЛВС. Границы между уровнями выбраны таким образом, чтобы перестройка одного уровня не по- влекла за собой перестройку другого, сложность интерфейсов между уровнями была бы невысока и каждый г-й уровень предо- ставлял все необходимые услуги (;+1)-му уровню. Как видно из табл. 1.1, ЭМ содержит семь основных уровней взаимодейст- вия объектов, каждый из которых имеет свой протокол. Таблица 1.1 Номер уровня ЭМ Наименование уровня Основная функция уровня 7 Прикладной Взаимодействие прикладных программ 6 Представительный Организация интерфейсов между различными формами представления информации 5 Сеансовый Организация и поведение диалога между объектами 4 Транспортный Управление сквозными логическими каналами между объектами 3 Сетевой Маршрутизация блоков информации по различным каналам 2 Канальный Взаимодействие блоков связи 1 Физический Взаимодействие аппаратных средств приема-передачи информации На первом (физическом) уровне осуществляется взаимодействие электронных или механических устройств, с помощью которых происходит передача электрических сигналов с заданными напря- жением, током, частотными характеристиками либо световых сигна- лов (если используется оптический кабель). В ЛВС такое взаимо- действие реализуется общим каналом связи (моноканалом). Поэтому на этом уровне в ЛВС выполняются несколько иные функции, нежели в больших сетях. Например, широко применяемые стан- дарты Европейской ассоциации производителей ЭВМ (ЕСМА), ЕСМА-80 и ЕСМА-81 предусматривают транспортировку инфор- мации по среде с заданными физическими и электрическими харак- теристиками, конфигурацией и правилами установки аппаратного окружения кабельной системы (стандарт ЕСМА-80); кодирова- ние/декодирование, установку и восстановление синхронизации данных (эта функция и последующие относятся к стандарту ЕСМА-81); прием и передачу информации (от входа в приемник и до выхода передатчика, исключая кабель); обнаружение несущей последовательности импульсных сигналов на входе приемника; обнаружение искажения сигнала и ограничение объема переда- ваемой информации. Первая функция отражает возможности кабельной системы ЛВС, включающей кабель, кабельные терминаторы и соединители, обеспечивающие согласующий импеданс для выбранной конфигура- ции соединений. Правила установки аппаратного окружения осно- ваны на двух способах подключения к кабелю: разрывном и про- калывающем. Первый способ разрывает центральный проводник кабеля, а второй предусматривает прокалывание оплетки кабеля с соединением с помощью иглы центрального проводника с аппа- ратным окружением без разрушения. В обоих случаях характе- ристики аппаратного окружения и кабеля должны быть строго согласованы. Остальные функции более очевидны и относятся к аппаратному окружению кабеля. В большинстве ЛВС на физическом уровне реализованы функ- ции соединения и разъединения приемников и передатчиков, пе- редающих закодированную любым способом информацию. Инфор- мация в виде последовательности бит может передаваться по каналу связи (кабелю или проводникам типа «свитая пара») в дуп- лексном, полудуплексном либо симплексном режимах. На физиче- ском уровне могут применяться два способа подключения объек- тов к каналу связи: двуточечный или многоточечный. Первый способ предусматривает подключение к каналу связи двух объек- тов (рис. 1.1, а), а второй способ обеспечивает взаимодействие более двух объектов (рис. 1.1,6). В функции первого уровня мо- жет входить контроль состояния канала связи с целью обнару- жения конфликтных ситуаций, которые возникают, когда два или более объектов пытаются передать свою информацию по общему каналу связи. 6 Абонент Л Абонент Б Абонент 1 Абонент 2 _L_ Абонент ;V б) Рис. 1. На втором (канальном) уровне осуществляется управление пе- редачей данных с помощью физического уровня взаимодействия объектов. Этот уровень обеспечивает установление и разъединение логических каналов, использующих различные способы организа- ции и технической реализации физического уровня, производит идентификацию объектов, формирование порядка обслуживания очереди блоков информации, обнаружение и исправление ошибок либо их индикацию. В случае использования на физическом уровне общего канала связи на канальном уровне выделяются две группы функций. Пер- вая реализует управление работой средств физического уровня с различными характеристиками и составом оборудования. Именно эта группа организует работу логического канала между объек- тами. Вторая реализует управление доступом объектов к общему каналу связи с контролем состояния объектов и канала связи. Важнейшей на канальном уровне является функция селекции информации, заключающаяся в том, что среди множества блоков информации отбираются свои, содержащие адрес назначения данного объекта. Функция селекции введена в канальный уровень вследствие того, что по общему каналу связи передается множест- во блоков информации, адресованных множеству различных объ- ектов и проходящих мимо данного объекта. ' На третьем (сетевом) уровне производится ретрансляция дан- ных по различным каналам связи. Фактически этот уровень управ- ляет работой множества каналов связи, прокладывая через эти каналы маршрут следования блоков информации. Здесь же опре- деляются: группы сетевых соединений; порядок следования блоков информации по различным каналам с последующей их сборкой на конечном пункте; приоритеты; методы обнаружения и исправ- ления ошибок, которые не могут быть исправлены средствами ниж- них уровней; правила сегментирования и объединения блоков дан- ных. Поскольку в ЛВС в основном применяют общий канал связи, то в большинстве ЛВС сетевой уровень практически отсутствует. В некоторых ЛВС [12] функции этого уровня ограничены поис- ком и исправлением ошибок из-за несвоевременной доставки части блоков информации. Это происходит в случае использования средств доступа (на канальном уровне), допускающих конфликт- ные ситуации в общем канале связи. Сетевой уровень по сложности выполнения функций превосхо- дит два нижних уровня. Обычно он реализуется н виде много- уровневой структуры. Отдельные подуровни могут выполнять защи- ту и порядок следования блоков информации в случае невозмож- ности их дублирования (например, прямая трансляция речи). Четвертый (транспортный) уровень обеспечивает установление, поддержание и разъединение сквозных транспортных каналов между объектами с помощью логических каналов, реализованных в нижних уровнях. Сущность сквозного транспортного канала за- ключается в передаче информации сквозь все физические и логи- ческие средства соединения объектов. При этом транспортный уровень не зависит от характера взаимодействующих объектов на трех предыдущих уровнях ЭМ. Различают датаграммный и виртуальный сквозные транс- портные каналы. В первом канале блоки информации передаются без установления соединения. В случае нарушения последователь- ности следования блоков информации на конечном пункте эта последовательность восстанавливается. Часть блоков может те- ряться, и в этом случае эти блоки необходимо повторять. Пятый (сеансовый) уровень обеспечивает организацию и прове- дение диалога между прикладными объектами пользователя. Фак- тически этот уровень расширяет возможности абонентской ЭВМ, входящей в состав ЛВС, за счет ресурсов программ, памяти, про- цессорного времени, периферийных устройств других абонентских машин. При этом прикладная программа пользователя с помощью средств сеансового уровня обращается к ресурсам других сеансо- вых объектов и в случае готовности эчих объектов предоставить свои ресурсы использует их. Обращение объекта-инициатора к другим сеансовым объектам осуществляется в следующем порядке: производится диалог и устанавливается требуемое соедине- ние между сеансовыми объектами; устанавливается очередность и производится обмен информа- цией с соответствующей синхронизацией процессов; если все блоки информации доставлены по назначению, сеанс завершается по обоюдному согласию партнеров, участвующих в сеансе. В рамках ЛВС сеансовый уровень может использошться в операционной системе одной ЭВМ. В этом случае он существенно упрощается и является самым нижним уровнем ЭМ |i2|. Кроме того, сеансовый уровень может использовать элементы средстн транспортного уровня, использующих далее средства канального и физического уровней. Шестой {представительный) уровень осуществляет все пре- образования информации, связанные с различной структурой дан- ных в ЭВМ, подключенных к сети. При этом чем больше разли- чие операционных систем и стандартов предсгавления данных, тем 8 сложнее шестой уровень. Если разнообразие структур представле- ния данных постепенно уменьшается, но н то же время число ти- пов операционных систем непрерывно растет, то актуальность пред- ставительного уровня остается в силе. На представительном уровне выполняются следующие функ- ции: производятся все необходимые действия, связанные с управ- лением сеансом между прикладными объектами; осуществляется выбор способа представления данных для всех видов оборудования, используемого в ЛВС, включая накопители на магнитных дисках, лентах, устройства обработки документаль- ной информации и т. д.; описываются форматы данных с речевой и телевизионной ин- формацией; осуществляется сжатие и засекречивание информации; выдаются данные, речевая и телевизионная информация в удоб- ной для пользователя форме. На нрелстувительном уровне могут быть реализованы, напри- мер, модели определения и установки характеристик особенностей человеческой речи. В этом случае [11, 12J реальный человеческий голос преобразуется в закодированные последовательности бит с потерей индивидуальной окраски речи. Такая сжатая информация может передаваться с помощью средств нижних уровней к объ- екту-приемнику с большими искажениями. На объекте-приемнике на представительном уровне снова приобретается индивидуальная окраска речи с помощью модели-восстановителя. Седьмой (прикладной) уровень фактически полностью отно- сится к компетенции прикладных программ пользователей, т. е представляет совокупность объектов, осуществляющих сеансы между собой с помощью средств нижних уровней. Он обеспечи вает взаимодействие самых разнмх прикладных объектов (про грамм,'данных, моделей и т. д.). На этом уровне выделены следующие функции: описание форм и методов взаимодействия прикладных объ ектов; выполнение работ, связанных с управлением заданиями, фай- лами, базами данных, системой и т. д.; идентификация объектов; управление работой нижних уровней ЭМ: определение качества обслуживания со стороны средств ниж них уровней ЭМ. 1.2. ПРОГРАММНЫЕ ПРОТОКОЛЫ Можно выделить две основные функциональные группы про токолов. К первой группе относятся протоколы, реализация ко торых требует больших затрат машинного времени и памяти и дей Уровень ЭМ Протоко абон лы связи ентов Стандарты фирм^.————/\—— Прикладной 7 Г"" ——1 ЕСМА.85 Представительный 6 SNA (IBM) DECNET.4 XNS (Xerox) ЕСМА-86 ЕСМА-84 ЕСМА-87 ЕСМА-88 | 1 5 ЕСМА-75 S.62 '.4 <у | Транспортный 4 \ ^^ \ ————————————11 1| 11 ii ЕСМА-72 S.70 \ ^ Сетевой 3 ^s. ' L1 ' 1 1JL JLJ ЕСМА-92 ] | Х.25/3 ^^ ^ \ / ^ Канальный 2 > ^ N ^ \ /^ ^ LLC-уровень ЕСМА-82 ЕСМА-89 Х.25/2 1ЕЕЕ802Л 1ЕЕЕ802.2 —— - | \ М АС-уровень 1ЕЕЕ802.3 1ЕЕЕ802.4 1ЕЕЕ802.5 1ЕЕЕ802.6 Физический 1Телефонный -\ 1 1 или свитая пара) Х.21 ЕСМА-81 Ч I г ачи данных (к <абель k ЕСМА-80 Модем ^А-Среда перед кабель До 10 Кбод До 20 Мбод Рис. 1.2 ствия которых распространяются на все виды сетей. Эта группа охватывает транспортные, сеансовые, представительные протоко- лы, определяющие взаимодействие оборудования и программ внутри ЛВС. Ко второй группе относятся сетевые, канальные и физические протоколы, осуществляющие взаимодействие электрон- ных средств приема-передачи информации на физическом уровне ЭМ, а также объектов на сетевом и канальном уровнях с учетом специфики работы ЛВС. Если первая группа протоколов реали- зуется программным способом, то вторая —программно-аппа- ратным. На рис. 1.2 приведена классификация протоколов по уровням ЭМ. Протоколы прикладного уровня соответствуют стандарту ЕСМА-85. Они обеспечивают управление файлами (базами дан- ных), обработкой заданий, терминалами. Здесь основное внимание уделяется возможностям операционных и информационных си- стем, способных работать в двух типовых режимах: с предостав- лением гарантии пересылки всех блоков данных; без предоставле- ния такой гарантии. В первом режиме взаимодействие происходит под полным контролем объекта-инициатора. Во втором режиме управление взаимодействием между объектами передается про- граммам прикладного уровня и по их инициативе это взаимодей- ствие может быть прекращено вследствие конфликтов в системе, Очевидно, что во втором режиме часть блоков информации может быть потеряна. Протоколы представительного уровня созданы на основе груп- пы стандартов ЕСМА-86, ЕСМА-84, ЕСМА-87 и ЕСМА-88 [II]. Стан- дарт ЕСМА-86 определяет терминологию и общую форму взаимодей- ствия двух объектов; стандарт ЕСМА-84 — общие требования, предъявляемые к протоколам представительного уровня; стандарт ЕСМА-87 — средства описания модели терминала, а стандарт ЕСМА-88 — реальные символьные терминалы [II]. Протоколы сеансового уровня созданы на основе стандарта ЕСМА-75 или рекомендации МККТТ S. 62. Стандарт утвержден Европейской ассоциацией представителей ЭВМ, а рекомендации — Международным консультативным комитетом по телефонии и теле- графии (МККТТ). Протоколы учитывают все ситуации, возникаю- щие у объектов-партнеров в процессе их взаимодействия. Так, программы протоколов объектов-инициаторов вначале получают согласие своих партнеров на проведение сеанса и только после этого происходит обмен данными в обоих направлениях. По окон- чании обмена объект-инициатор высказывает желание прекратить взаимодействие, но осуществляет это только после получения согласия от своего партнера. Подобные отношения отражены, на- пример, в протоколах машинозависимых интерфейсов, использую- щих моноканал. Однако в них не отражается взаимодействие слож- ных объектов. В стандарте ЕСМА-75 не оговаривается, каким образом в каж- 11 дом объекте будет реализована процедура нормального или ава- рийного завершения взаимодействия. Эти способы предлагаются сеансовым объектом и могут быть существенно различными по фор- ме и содержанию. В настоящее время существует множество предложений по упорядочению основных процедур установления и завершения сеансов в конкретных протоколах, предлагаемых к реализации в различных ЛВС [9]. Введенные в стандарт ЕСМА-75 основные классы сеансовых объектов, учитывают ли"!Ь форму сеанса: сме- шанный, диалоговый, управляемый. Смешанный сеанс может про- водиться в интерактивном режиме с любым объектом без учета его приоритета. Диалоговый сеанс делает то же самое, но с уче- том приоритетов объектов. Управляемый сеанс осуществляет управ- ление приоритетами и активностью объектов и за счет этого эко- номит средства организации диалога между ними. В некоторых ЛВС применяется сеансовый протокол, который использует в основ- ном средства представительного уровня и свойства наиболее про- стых сеансовых объектов. Протоколы транспортного уровня представляют собой наибо- лее многочисленное семейство протоколов связи. Эти протоколы используют услуги, предоставляемые сетевыми, канальными и физическими протоколами сетей. В настоящее время основными стандартами, регламентирующими функции транспортных прото- колов, являются стандарт ЕСМА-72 или рекомендации S.70. Со- гласно этим стандартам существует пять форм взаимодействия транспортных объектов. В первой форме (класс 0) осуществляется управление переда- чей блоков информации между простыми объектами (телеграф- ные аппараты) без проверки передаваемой информации; во второй форме (класс 1) —с контролем и исправлением обнару- женных ошибок. В третьей форме (класс 2) допускается возмож- ность работы нескольких транспортных объектов с одним сетевым протоколом в режиме мультиплексирования. Кроме того, в этой форме выполняются все функции первой и второй форм взаимо- действия объектов. В четвертой форме (класс 3) производится взаимодействие транспортных объектов классов 1 и 2, т. е. объеди- няются функции второй и третьей форм взаимодействия объектов. В пятой форме (класс 4) осуществляются все виды взаимодей- ствия, характерные для первых трех форм, но к этому добавля- ется полное исправление сложных ошибок. Здесь проверяется и восстанавливается последовательность блоков информации, пере- даваемых как датаграммным, так и виртуальным способом. Датаграммный способ в условиях ненадежной сети каналов связи не гарантирует получения всех блоков информации. Часть блоков может теряться вследствие конфликтов или перегрузки сети. Поэтому восстановление последовательности блоков ннформа цин имеет здесь особое значение. Это восстановление возлагается 12 на транспортный протокол, осуществляющий в случае необходи- мости пересылку копии потерянного блока по инициативе полу- чателя. Естественно, это достигается в обмен на повышение слож- ности программ транспортных протоколов. . . В случае применения виртуального способа транспортные про- токолы контролируют последовательность поступления блоков ин- формации и в случае ее нарушения (один из блоков приходит с опозданием) восстанавливают исходную последовательность. Объекты всех классов совместимы по функциям взаимодейст- вия между собой снизу вверх. Это означает, что функции объек- тов класса 0 входят в качестве подмножества в множество функ- ций объекта класса 1 и т. д. Протоколы сетевого уровня подразделяются на протоколы для многоузловых и протоколы для одноузловых структур каналов связи. Первые обеспечивают маршрутизацию блоков информации в условиях подключения ЛВС к региональным сетям ЭВМ. Здесь применяют основной стандарт ЕСМА-92 и рекомендации МККТТ Х.25/3. Эти рекомендации определяют стык оборудования ЛВС со средствами региональной сети ЭВМ, где оборудование одной из станций ЛВС используется как типовая машина-шлюз (преоб- разователь стандартов ЛВС в стандарты открытых сетей ЭВМ). Рекомендации Х.75 уточняют положения рекомендаций Х.25 в части соединения ЛВС через машину-шлюз с сетью более высо- кого ранга. Например, в качестве машины-шлюза рекомендуется использовать один из коммуникационных узлов структуры каналов связи. Что касается одноузловых ЛВС, то действия рекомендаций Х.25 и Х.75 здесь ограничены из-за отсутствия разветвленной многоузловой структуры каналов связи. Поэтому для ЛВС приме- няются протоколы сетевого уровня, существенно упрощенные по' сравнению с протоколами рекомендаций Х.25 или Х.75. В част- ности, полностью упразднены функции формирования виртуаль- ных каналов', использования датаграмм, передачи информации об установлении соединения между сетевыми объектами, управления состязанием за установление связи через коммуникационные узлы с различными приоритетами. В некоторых ЛВС [9] оставлены функции определения структуры пакета и выявления неправильных структур. В результате во второй группе сетевых протоколов су- щественно упрощены все процедуры формирования пакетов, а следовательно, и программ протоколов. Так, в ЛВС Ethernet с одноузловой структурой каналов связи сложность программ сете- вых протоколов уменьшена в 15 раз и объем памяти, необходимой соответственно для размещения программ сетевых протоколов, уменьшен в 5—8 раз [18]. На основе анализа рассмотренных протоколов можно сделать следующие выводы. 1. Результаты работ по стандартизации интерфейсов и про- 13 токолов связи различного оборудования, входящего в состав ЛВС, отражены в группе стандартов ЕСМА. 2. Опыт эксплуатации ряда протоколов в экспериментальных и промышленных ЛВС показал, что эффективность их примене- ния зависит от действия двух основных факторов: степени специа- лизации и координации управления на различных уровнях эта- лонной модели ЛВС. С одной стороны, степень специализации определяет основ- ные функции, реализуемые протоколами на каждом уровне ЭМ, и здесь важно сократить избыточность протоколов устранением дуб- лирующих функций, например контроля правильности передаваемой информации. Это позволяет уменьшить стоимость и сложность программ и аппаратных средств, реализующих соответствующие протоколы. С другой стороны, повышение степени специализации функций на каждом уровне вызывает рост все более разветвлен- ных и многочисленных связей между уровнями ЭМ, увязать кото- рые в рамках единой координирующей системы ЛВС практически невозможно. Поэтому изготовители оборудования и программ для ЛВС идут по пути создания более сложных интерфейсов между протоко- лами, возлагая определенную часть функций по координации си- стемы на самих пользователей или их операционные системы. Та- ким образом решались задачи в ЛВС Ethernet, где основное вни- мание было уделено вопросам разработки программ и оборудования для первых двух уровней ЭМ, а вопросы координации работы этих программ и оборудования полностью были возложены на операционные системы соединяемых объектов. 1.3. ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЕ ПРОТОКОЛЫ Протоколы канального уровня обеспечивают взаимодействие канальных объектов. При этом образуются логические каналы на основе управления средствами физического уровня ЭМ. Для мно- гоузловой структуры каналов связи используется полный протокол HDLC, близкий к рекомендациям Х.25/2. Протокол HDLC опре- деляет процедуры управления каналом связи в асинхронном ре- жиме. При установлении соединения с выбранным каналом связи передача производится в дуплексном, полудуплексном или симп- лексном режимах. Основу передаваемой единицы составляет кадр. Получение кадра без ошибок на конечном пункте следования под- тверждается специальным кадром-ответом. Пока объект-передат- чик не получит этого кадра, он хранит копию посланного кадра и повторяет его, если кадр принят с ошибками. Каждый кадр- подтверждение от объекта-приемника содержит информацию с но- мером следующего ожидаемого кадра. Тем самым прогнозируется дальнейшее поведение объекта-передатчика информации. 14 Установление соединения и разъединения с каналом связи про- изводится в двух типовых режимах: «активный — пассивный» и «активный — активный». В нервом режиме ведущую роль играет один из канальных объектов, все остальные находятся у него в подчинении. Активный объект инициирует прием и передачу инфор- мации от других объектов. Благодаря этому можно осуществлять многоточечную схему соединения с другими объектами, т. е. взаи- модействие более чем двух канальных объектов. Во втором режи- ме каждый из объектов может связаться с любым другим каналь- ным объектом. Однако здесь могут взаимодействовать только два объекта — приемник и передатчик. Поскольку при многоузловой структуре каналов связи на фи- зическом уровне ЭМ используются каналы с пропускной способ- ностью не более 300 Кбит/с, усложнение программ протоколов HDLC не вызывает существенного снижения пропускной способ- ности ЛВС. Для одноузловой структуры каналов связи, использующей один общий быстродействующий канал связи, применяют иные способы передачи информации. Так, на канальном уровне ЭМ здесь применяют методы отбора «своих» кадров среди других. В результате сформированный кадр от объекта-передатчика с по- мощью средств физического уровня ЭМ передается по одному общему каналу связи (моноканалу) одновременно всем остальным канальным объектам-приемникам, прослушивающим моноканал. Каждый канальный объект выделяет кадры со своим адресом и начинает их обработку. Поскольку в одноузловой структуре исполь- зуется общий канал связи, то особую роль здесь играют кон- фликтные ситуации, связанные с попытками двух и более объектов захватить канал. Вследствие этого канальный уровень ЭМ реали- зует две основные функции: 1) управление каналом связи точно так же, как это делалось при многоузловой структуре; 2) управ- ление многократным доступом к общему каналу связи. В настоящее время на канальном уровне ЛВС с одноузловой структурой каналов связи применяют протоколы двух основных международных стандартов. Первый стандарт (ЕСМА-82) опре- деляет порядок действий общего канального протокола с учетом особенностей многократного доступа к моноканалу ЛВС. Второй стандарт (IEEE802.1 и IEEE802.2) предложен Комитетом между- народной ассоциации инженеров-электриков (IEEE), объединяю- щим представителей различных фирм — производителей оборудо- вания и программ ЛВС. Этот стандарт, называемый в даль- нейшем стандартом 1ЕЕЕ802, сосредоточил основные функции, связанные с особенностями проектирования и эксплуатации ЛВС. Для двух нижних уровней ЭМ разработана группа стандартов (IEEE802.3—6). Стандарт ЕСМА-82 определяет: виды услуг, предоставляемых сетевым протоколам; формы управления физическим уровнем ЭМ; 15 , * Преамбула 8 -4- i Начало информации --t-т' 6 Адрес получателя i ~л— 6 Адрес отправителя Ч— 2 УД Б -4— т' s i Адрес получателя в точке доступа w •ii -1— x3)5 i Адрес отправителя в точке доступа ^ -4- i Управление ^— t Данные (до 1497 байт) Не менее L 43-И Заполнитель ffi 4 Последовательность проверки кадра Ч—ff 1 Ограничитель конца кадра f . Рис. !.3 функции образования логических каналов с помощью части про- цедур протоколов, подобных HDLC; правила доступа к монока- налу без координации работы объектов; структуру и коды кадров. Согласно этому стандарту предлагаются только информационные кадры (рис. 1.3). Этот кадр имеет преамбулу, код начала информа- ции (1П10Ю11), адреса получателя и отправителя. Первый бит адреса содержит признак адреса. Если там находится 1, то дан- ный кадр предназначается всем объектам-получателям и его можно не проверять. Если в этом бите находится 0, то кадр предназна- чен индивидуальному объекту-получателю и на конечном пункте следования необходимо проверить адрес. Блок информации имеет различную длину, и поэтому кадр ..одержит указатель длины блока (УДБ). Это необходимо для определения места окончания блока информации. Блок информа- ции может быть адресован различным прикладным объектам. !ft Поэтому в начальной части рассматриваемого блока располагаются адреса получателя и отправителя со стороны сетевого протокола к канальному протоколу. Один байт управляющей части информирует о наличии дан- ных в кадре. В'этом случае байт содержит код 11000011. В кадре может содержаться до 1497 байт. Если в принятом кадре содер- жится нецелое число байт, то это считается ошибкой вследствие конфликта в моноканале (или неисправности канала связи). Структура кадра предусматривает возможность информирова- ния получателя о максимальной длине всего кадра. По этому показателю любой кадр с меньшей длиной считается ошибочным. Для увеличения длины кадра используется заполнитель. Далее в структуре кадра предусмотрена последовательность для цик- лического контроля содержимого кадра. В конце кадра распола- гается ограничитель, информирующий об окончании передачи кадра. Согласно стандарту ЕСМА для одноузловых структур (см. рис. 1.2) канальный протокол содержит два функциональных под- уровня: управления логическим каналом и управления доступом к моноканалу. Согласно стандарту ЕСМА-82 первый подуровень обеспечивает взаимодействие логических канальных объектов, создавая перед каждой передачей типовые блоки информации, управляющей моноканалом и учитывающей то, что длина блока не может быть меньше 64 байт. Если в основном блоке информа- ции содержится небольшое число байт (что характерно для пере- дачи речевой информации), то второй подуровень автоматически восстанавливает длину блока информации, добавляя в блок запол- нителя кадра столько бит, чтобы в блоках информации и запол- нителя было не менее 43 байт. Второй подуровень формирует полную структуру кадра и пе- редаст этот кадр с помощью средств протокола физического уровня ЭМ. При этом второй подуровень управляет прослушиванием моноканала, обнаружением конфликтов и восстановлением переда» чи после ликвидации конфликтов. Таким образом, за счет расщеп- ления канального протокола на два самостоятельных протокола связи можно эффективно использовать средства доступа к моно- каналу на физическом уровне ЭМ. Ряд положений стандарта ЕСМА-82 уточняется стандартом ЕСМА-89. Здесь функции управления многократным доступом к моноканалу и средствами физического уровня ориентированы на применение в качестве ОДНОУЗЛОВОЙ структуры каналов связи коль- цевого моноканала (рис. 1.4). Особенности работы кольцевого моноканала заключаются в том, что объект-передатчик через абонентский интерфейс (АИ), сетевой интерфейс (СИ), выполнен- ный по стандарту ЕСМА-89, а затем через ответвитель (О) пере- дает в кольцевой моноканал кадр. Затем этот кадр циркулирует по кольцу. Каждый СИ через свой ответвитель принимает кадр, 17 г~~ ~ Станция СИ (ЕСМА-89) 1—- 1L В н ^\ Канал / °/ -—— ~i / \ Г - Станция U OL" ~j oj- Станция -- ^^ 0\ 1;'1 г —t— "I Г1 1 — \— — -1 Станция Станция -J L J Рис. 1.4 ——! после его обработки (выявления своего) ставит отметку об ис- пользовании и посылает далее. Таким образом, объект-передатчик убирает кадр из кольца только после того, как кадр пройдет мимо всех других канальных объектов, подключенных к моноканалу. В отличие от стандарта ЕСМА-82 в стандарте ЕСМА-89 методы многократного доступа к моноканалу предусматривают поперемен- ное подключение объектов, расположенных вдоль моноканала, с помощью специального кадра-маркера, который предоставляет право объекту занять моноканал. Получив такой кадр, канальный объект в случае его готовности захватывает моноканал, форми- рует и передает информационные кадры. Если объект не готов к передаче или закончил ее, он передает свой кадр-маркер далее по кольцу соседнему объекту и так до тех пор, пока все объекты не получат возможность передать свою информацию. Структуры используемых кадра-маркера и информационного кадра показаны на рис. 1.5, а и б. Здесь кадр-маркер содержит 18 'S та Ю 0 с:(J S 3- -i- Начало Т i4- Управление доступом Т i+ Окончание \ а) Рис. 1.5 1ос.U5 т 14- Начало Т14- Управление доступом т64- Адрес отправителя Т 64- Адрес получателя Т0-409е44 Э Блок данных т4+ Последовательность проверки + Окончание i Состояние кадра б) код начала признака, код управления доступом на право захвата моноканала и, наконец, код окончания кадра-признака. Информа- ционный кадр дополняет кадр-маркер и содержит код начала кадра, код управления доступом с учетом приоритетов объектов, адрес отправителя, адрес получателя, блок данных, проверочный -код, код окончания кадра и код состояния кадра. Рассмотрим кратко особенности работы циклического кольца (см. рис. 1.4), использующего данные типы кадров. По кольцу постоянно циркулирует кадр-маркер, имеющий в поле сигнала управления 1 бит предоставления полномочий объектам. Если все канальные объекты не имеют информации, готовой к передаче, то кадр-маркер продолжает свободно циркулировать по кольцу. Как только находится объект, готовый к передаче, он переводит бит полномочия из состояния 0 в состояние 1 и добавляет в кадр- адреса, данные, проверочный код и код состояния кадра. После этого информационный кадр идет по кольцу до места назначения и возвращается к объекту, его пославшему. Получив свой кадр, 19 объект-передатчик проверяет его состояние. В том случае, если кадр передан без ошибок, преобразует его снова в кадр-маркер с битом полномочия, равным 0. Далее все повторяется снова. Более подробно метод управления циклическим кольцом изложен в от- дельной главе. 1.4. АППАРАТНЫЕ ПРОТОКОЛЫ Рассмотрим те основные функции протоколов многократного доступа к моноканалу, которые наиболее приспособлены к аппарат- ной реализации. Группа стандартов 1ЕЕЕ802 так же, как и группа стандартов ЕСМА, предусматривает разделение канального уровня на два подуровня (см. рис. 1.2) с теми же функциями. Стандарт IEEE802.1 отражает общие положения по проекти- рованию и эксплуатации ЛВС. В нем описываются общие принци- пы работы ЛВС и ее основных объектов на канальном уровне, а также общие рекомендации по созданию интерфейсов между объек- тами канального уровня и объектами верхних уровней ЭМ. Фак- тически в этом документе сосредоточены сведения об архитектуре ЛВС и интерфейсах между различными уровнями ЭМ. Стандарт IEEE802.2 определяет свод правил проектирования протоколов и интерфейсов верхнего подуровня канального уровня ЭМ, который назван LLC-уровнем (Logical Link Control). Основные функции LLC-уровня отражены в протоколах ЕСМА-82 и HDLC. Эти протоколы допускают передачу информации без установления соединения. Все функции контроля правильности передачи инфор- мации в этом случае передаются пользователю так, как это допу- скается в ЛВС Ethernet. При этом все функции контроля возла- гаются на транспортные протоколы ЛВС. Если используются логические каналы с установлением соеди- нения, то реализуются все процедуры протокола HDLC. Он обес- печивает контроль принятых кадров и исправление обнаруженных в них ошибок. Здесь основная сложность состоит в том, что в большинстве коммерчески доступных ЛВС, использующих в ка- честве абонентских объектов микропроцессоры, микро- и мини- ЭВМ, существенно ограничены ресурсы памяти. В результате про- граммы частично размещаются на внешних накопителях, на дисках или лентах, и пропускная способность системы снижается. Нижний подуровень канального уровня назван стандартом IEEE802 МАС-уровнем (Medium Access Control). Его функции определены группой стандартов IEEE802.3, IEEE802.4, 1ЕЕЕ802.5 и 1ЕЕЕ802.6. Стандарт IEEE802.3 содержит свод правил управления мно- гократным доступом к моноканалу с обнаружением конфликтов и контролем передачи. На основе этого стандарта разработаны протоколы большинства ЛВС, использующих в качестве монока- 20 Рис. 1.6 ih-1ос; u s т\ - \8+- Преамбула кадра 6-t—— . Адрес получатели Т6ч— Адрес отправителя ТЧ— Управление т46 - 15004- Блок данных Т4' } Проверочная последовательность нала шину со скоростью передачи информации до 10 Мбит/с. Протоколы используют принцип конкуренции между каналь- ными объектами ЛВС, что приводит к конфликтам в моноканале. Для предотвращения порчи кадров каждый канальный объект берет на себя определенные обязательства. Они заключаются в том, что перед каждой передачей и во время передачи объект- передатчик прослушивает моноканал. Если объект обнаруживает конфликт (столкновение кадров), то он останавливает или бло- кирует передачу своего кадра и выдает некоторый случайный интервал времени. Затем он делает вторую попытку захватить моноканал и т. д. Основные показатели протокола — это способ обнаружения конфликта и формирования паузы после конфликта. Фактически стандарт IEEE802.3 не оговаривает конкретных логико-временных характеристик средств физического уровня, об- наруживающих конфликт и формирующих паузу перед повторной передачей. Это приводит к тому, что существует множество про- токолов IEEE802.3, часто несовместимых между собой по конст- руктивным и электрическим характеристикам. Примером является протокол ЛВС Ethernet, где даже в рамках одной сети применены два критерия определения конфликта: минимальная пауза между кадрами и наложение кадров друг на друга. Для передачи телевизионных изображений используется спе- циальный моноканал со скоростью передачи 10 Мбит/с. Управле- 21 ние средствами доступа к такому моноканалу определяется моди- фикационным протоколом с сокращенными паузами и более широ- ким использованием аппаратных средств реализации, чем в про- токоле стандарта 1ЕЕЕ802.3. Структура кадра в ЛВС Ethernet показана на рис. 1.6. Кадр начинается с преамбулы — специального кода начала кадра. Преам-була может содержать информацию о порядке про- хождения кадров по моноканалу. Затем идут адреса получателя и отправителя. В поле управления кадра размещается код тип кадра. Далее расположен блок данных. Завершает кадр проверочная последовательность, устанавливающая, искажен кадр или нет. Стандарт IEEE802.4 определяет функции, близкие по своему существу к функциям стандарта ЕСМА-89. Здесь управление доступом происходит путем передачи кадра-маркера от одного канального объекта к другому. С получением кадра-маркера ка- нальный объект, используя собственные средства доступа, полу- чает право передать свой кадр. В качестве канала связи может быть использован моноканал типа «шина» либо частотный много- точечный канал, как в предыдущем случае. Структура кадров показана на рис. 1.5, а и б. Стандарт IEEE802.5 подобен стандарту ЕСМА-89, протоколы которого определяют управление доступом к моноканалу типа «циклическое кольцо» с теми же преобразователями кадра-маркера в информационные кадры. Стандарт IEEE802.6 определяет управление доступом к боль- шому поликаналу, который может быть размещен на площади радиусом 25—30 км. Такой канал связи может быть использован для организации ЛВС в рамках большого города. Поликанал со- здается на основе разветвленной кабельной телевизионной сети и используется для передачи речи, данных, изображения. В настоя- щее время протоколы этого стандарта применяются в основном в телевизионной технике и находятся на начальном этапе своего развития. Таким образом, анализ аппаратных протоколов показывает, что: 1. Сделана попытка стандартизации протоколов и интерфейсов на канальном уровне ЭМ. 2. Канальные протоколы, созданные для многоузловой струк- туры ЛВС, в основном совпадают с протоколами для сетей более высокого ранга. Основным для таких ЛВС является протокол по стандарту HDLC, иногда применяют протоколы, выполненные по стандарту SDLC. 3. Канальные протоколы, созданные для одноузловой структуры ЛВС, использующих моноканалы типа «шина» или «кольцо» и по- ликаналы, определенные стандартами ЕСМА и IEEE802, имеют более сложную архитектуру. Здесь выделяются два основных функциональных подуровня, один из которых (LLC-уровень) реа- 22 лизует управление логическими каналами, а другой (МАС-уро- вень) — управление средствами доступа к моно- или поликаналу. 4. В протоколах управления средствами доступа к кольцевым и шинным моно- и поликаналам применяются две противоречивые технологические концепции управления: с помощью кадров-марке- ров и средств обнаружения конфликтов. Противоречивость заключается в различных схемных решениях среде гв доступа и несовместимости технологии их производства. 5. В рамках одной концепции существует множество протоко- лов, отличающихся логико-временными показателями применяемых средств обнаружения конфликтов. Протоколы физического уровня (см. л'. 1.2) определяют ме- ханические, электрические, функциональные характеристики, не- обходимые для соединения, поддержания и разъединения физи- ческого канала связи. В качестве объектов на физическом уровне выступают приемники и передатчики, кодирующие устройства, средства управления работой приемников и передатчиков, обна- ружения конфликтов, блокировки передатчиков на время паузы или формирования кадров маркеров и т. д. Для ЛВС с многоузловой структурой каналов связи приме- няют на физическом уровне протоколы, отвечающие требованиям рекомендаций Х.25, Х.21 или Х.21 бис. Протоколы Х.21, Х.21 бис обеспечивают реализацию интерфейсов между оконечным обору- дованием данных и аппаратурой передачи данных для синхрони- зации передачи по телефонным каналам связи. Кроме того, ряд изготовителей оборудования ЛВС считает [9], что могут приме- няться модификации этих протоколов для управления аппаратурой передачи данных, приспособленной к нуждам ЛВС, например к применению быстродействующих разветвленных каналов связи. Для ЛВС с одноузловой структурой каналов связи применяют протоколы, отвечающие требованиям стандартов ЕСМА-81, ЕСМА-80, IEEE802. 3—6. Протоколы группы стандартов ЕСМА предусматривают индикацию состояния моноканала с целью обна- ружения конфликтов, контроль времени передачи кадра, передачу последовательностей бит кадров, взаимодействие с канальными протоколами ЕСМА-89 (82) (получение с верхних уровней управ- ляющей информации и ее исполнение), аварийное отключение от моноканала и т. д. Важнейшими функциями физического протокола являются: запрос к канальному протоколу с предложением начать передачу кадра; получение ответа канального протокола (продолжение или окончание передачи кадра); получение запроса канального протокола на передачу кадра; преобразование информации в ко- довые посылки, которые применяются для данных линий связи (например, рассматриваемое далее манчестерское кодирование информации). Протоколы группы стандартов IEEE802. 3—6 на физическом 23 1->ис. 1.7 уровне ориентированы на конкретные типы каналов связи: «цикли- ческое кольцо», «кольцо», «тина» и «поликанал». Пример канала типа «циклическое кольцо» был рассмотрен на рис. 1.4. В канале «кольцо» п моноканале находятся только ответвители сигналов, подключенные к сетевым интерфейсам. Каждый СИ подключен к группе абонентских интер4^ейсов и через них к абонентским комплексам. Через ответвители снимаются копии циркулирующих кадров, в то время как в циклическом кольче сам кадр поступает на обработку в станцию ЛВС и только после обрабогки продол- жает циркулировать по кольцу. На рис. 1.7 приведен пример моноканала типа «тина» с сег- ментированием отрезков кабеля. Каждый сегмент кабеля состоит из собственно кабеля, снабженного оконечными устройствами согласования (ОУ) (терминаторами) и ответвителями (О). Через 24 Рис. 1.8 ответвители кадры поступают в сетевой интерфейс (СИ). Сетевой интерфейс управляет работой абонентского интерфейса (АИ) или группы АИ. Каждый сегмент связан друг с другом через ретранс- лятор сигналов (Р), обеспечивающий восстановление сигналов, проходящих по кабелю сегмента. Как правило, ретранслятор — это досгаточно мощный усилитель сигналов, гарантирующий соеди- нение сегментов на расстоянии до 15 м. Поликанал находится в стадии становления. Фактически его применяют там, где широко развита система кабельного телеви- дения. В [15] рассмотрен пример цоликанала в двух вариантах. В первом варианте (рис. 1.8, а) в поликанале выделяются пары частотных каналов. Передача информации осуществляется па различных частотах. Канал / собирает данные, передаваемые абонентскими интерфейсами (АИ), сетевыми интерфейсами (СИ) i; отвствителями (О), а канал 2 раздает данные АИ через СИ и О. Так как канал работает на разных частотах, то поликанал H.vieci центральный преобразователь частоты (ЦПЧ). Его задачей являет ся передача данных, полученных из канала /, в канал 2. Во вто ром варианте (рис. 1.8, б) кабель делает петлю в головной части поликанала и благодаря этому дважды проходит мимо всех ответ- вителей сигналов. При этом одна его часть собирает данные, а вторая раздает. В отличие от протоколов основных уровней ЭМ значитель- ное число функций протоколов физического уровня выполняется аппаратным способом. Основные характеристики аппаратных средств, реализующих протоколы согласно рассмотренным стандар- там, показаны в табл. 1.2 [9]. На основании анализа рассмотренных аппаратных протоколов можно сделать следующие выводы. 1. Если на верхних уровнях ЭМ (от третьего и выше) междуна- родные организации стандартизации нашли компромисс между ос- новными методами реализации протоколов, то на МАС-уровне это сделать не удалось. Здесь действуют многочисленные реализации средств доступа к моно- или поликаналу, отличающиеся каче- ственными и количественными характеристиками, опирающиеся на технологию и интересы конкретных фирм. 2. В основу рекомендаций стандартов IEEE802 для одноузло- вых структур ЛВС положены следующие три концепции: основные типы каналов связи — «шина» или «кольцо»; деление канального уровня ЭМ на два подуровня MAC и LLC; реализация МАС-уровня на основе методов передачи маркеров и случайных методов доступа. 3. Уже сейчас можно констатировать несовместимость про- мышленных средств реализации маркерного и случайного методов доступа на МАС-уровне, что усложняет проблему совмещения канальных протоколов между собой. За это создатели стандартов IEEE802 неоднократно критиковались. 1.5. ТЕХНИЧЕСКАЯ БАЗА СТАНЦИЙ ЛВС Основной конструктивной единицей ЛВС является станция. С этой позиции можно выделить три основные группы ЛВС и рас^ сматривать развитие их технической базы как развитие технической базы станций. К первой группе относятся ЛВС, ориентированные на массового потребителя и объединяющие в основном недорогие абонентские системы, например, персональные компьютеры. Такие ЛВС содер- жат станции, выполненные в виде адаптеров, встроенных в обору- дование персональных микроЭВМ. Каждый адаптер содержит простейшие программно-аппаратные средства управления доступом к каналу связи. Скорость передачи информации здесь невысока I, (не более 0,1 Мбит/с). Информация передается на расстояние 100—500 м. Стоимость адаптеров самая низкая. Ко второй группе относятся ЛВС, ориентированные на системы автоматизации проектирования, научных исследований, крупные конторские и торговые системы и объединяющие кроме персональ- 27 ных компьютеров микропроцессорные комплекты, встроенные в оборудование автоматизированных систем, мини-ЭВМ типа СМ-1420, PDP-11. Такие ЛВС содержат станции, реализуемые как самостоятельные микроЭВМ с собственной клавиатурой, дисп- леями, накопителями на гибких магнитных дисках (типа ДВК-2М, «Электроника-80-01Д», «Электроника-бОМ»). Каждая станция pea-' лизует протоколы на первом уровне ЭМ аппаратным путем, а на втором уровне—программно-аппаратным путем. Причем в одноуз- ловой структуре каналов связи функции МАС-уровня реализуются аппаратными средствами, а LLC-уровня — программными сред- ствами. Все остальные протоколы реализуются самими абонент- скими машинами. Станции обеспечивают передачу информации на расстояние до 1 км со скоростью от 19200 бит/с до 1 Мбит/с. Стоимость станций повышается на 30—40% по сравнению со стоимостью станций первой группы. К третьей группе относятся ЛВС, ориентированные на круп- ные автоматизированные комплексы управления производством, использующим робототехнику, различные АСУ и сложные САПР. В этих ЛВС применяется различное абонентское оборудование: от электрифицированных пишущих машинок до крупных ЭВМ типа ЕС. В систему передачи данных (СПД) такой ЛВС входят кон- структивно законченные станции, каждая из которых способна развивать аппаратным способом MAC- и LLC-уровни, причем функции LLC-уровня могут быть упрощены и реализованы микро- программным путем. Станции обеспечивают передачу информации на расстояние до 10 км со скоростью от 1 до 20 Мбит/с. Стои- мость станций в несколько раз выше, чем стоимость станций ЛВС второй группы, что объясняется применением-более сложных абонентских комплексов и в больших количествах (до 1024). Станции первой группы ЛВС. Развитие этих станций осуществляется в нап- равлении совершенствования качественных и количественных характеристик адаптеров, встроенных в микроЭВМ. Малогабаритные адаптеры выполняются в виде одноплатных конструкций, на которых размещается одна или несколько интегральных схем. С помощью разъемов эти платы подключаются к паре про- водников типа «свитая пара». Это наиболее дешевая среда, обеспечивающая умеренную скорость передачи данных. В основном по такому каналу связи пере- даются данные для ЭВМ. Исключена возможность передачи речи или телевизион- ных изображений в силу узкой полосы частот проводников и применяемых в адап- терах упрощенных протоколов связи. Поскольку превалирующим фактором здесь является стоимость системы передачи данных, адаптеры первой группы ЛВС объединяются обычно с помощью •множества каналов связи типа «звезда» или «кольцо», которые являются наиболее деш.-пымн. В случае каналов связи типа «звезда» существенно упрощаются протоколы связи с другими ЭВМ, исключается необходимость применения сложных методов ',: средств доступа к каналам связи. Недостаток этого подхода заключается в необ- ходимости использования в качестве центральной машины (Host machine) ЭВМ более высокого ранга (мини-ЭВМ, ЭВМ ЕС), на которую возлагается вся ответственность за надежность системы. На рис. 1.9 показаны зависимости нагрузки центральной машины от числа активных станций NH в сети для «звездообразной» (/) и «шин- ной» {2} ЛВС. Согласно этому рисунку нагрузка на систему арбитража N^ центральной машины в нервом случае для ЛВС FX-100 почти в дна раза выше, чем в случае шинной структуры ЛВС Ethcnu't. В случае общего канала связи типа «кольцо» применяют наиболее дешевые методы доступа к моноканалу, например описываемые далее мето- ды циркулирования по каналу небольших 40-би- товых кадров с загрузкой их информацией со стороны адаптеров по мере их готовности к обмену (активности). Адаптеры, осущест- вляющие доступ к кольцевому моноканалу, отличаются простотой реализации. Как правило, здесь на небольшой печатной плате размещаются две интегральные схемы, обеспечивающие передачу данных для ЭВМ. Протоколы в адаптерах в основном охватывают физический и МАС-уровень. При этом физический уровень реализуется полностью аппаратным способом, а МАС-уровень — частично микропрограммным способом; LLC-уровень реализуется не всегда и только программным путем. Это дает возможность передавать данные для ЭВМ со скоростью до 100 Кбит/с. Частично физический уровень ЭМ в виде пассивных ответвителей информации находится в выносных блоках, обеспечива- ющих надежное соединение с проводниками среды передачи данных. Основные требования, предъявляемые к аппаратным средствам адаптеров, ориентированы на минимальную стоимость, энергопотребление, габариты, трудоемкость эксплуа- тации таких адаптеров в составе ЛВС. Приведем примеры реализации станций-адаптеров, вмонтированных в або- нентские ЭВМ. Фирмой IBM и ее европейскими филиалами разработан ряд персональных компьютеров (ПК) серии PC/XT, PC/AT [15), имеющих встроенные адаптеры. Благодаря этому ПК могут подключаться к кольцевому каналу связи или к ЛВС с каналами связи типа «звезда». Кроме того, предусмотрена возможность для ПК этой серии подключения к ЛВС более высокого ранга, например к ЛВС Ethernet. Для ЛВС с топологией каналов связи типа «звезда» системой управляет центральная машина серии 1ВМ/370. Фактически этот вариант представляет собой разветвленную терминальную систему, взаимодействующую с мощной центральной ЭВМ коллективного пользования с усиленной системой арбитража, позволяющей исключить конфликты в результате активности станций (до 64 станций). Для ЛВС с кольцевым каналом связи используется протокол МАС-уровня в соответствии со стандартом IEEE802.5 (циклическое кольцо с передачей полно- мочий—маркеров). Этот протокол реализуется полностью аппаратным путем. Такой подход позволяет благодаря упрощению протоколов на первых двух нижних 29 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Локальные вычислительные сети составляют основу для под- систем АСУ, САПР, ГАП, применяющих распределенную в прост- ранстве систему обработки, хранения и передачи информации. Они позволяют существенно снизить стоимость обработки информации, использовать объединенные ресурсы программного, периферийного и процессорного обеспечения микро- и мини-ЭВМ и создать прин- ципиально новую индустрию обработки информации. В настоящее время разработано множество методов, алгоритмов и стандартов, обеспечивающих унификацию технических решений блоков доступа к моноканалу в ЛВС. Среди этих методов, алогорит- мов и стандартов наибольшее распространение получили методы класса CSMA/CD и стандарт IEEE802.3, созданный объединением DIX фирм DEC, Intel и Xerox. Популярность этих методов и стандар- та объясняется высокой эффективностью использования монокана- ла, способностью подсистемы работать в режиме реального времени при относительно невысокой стоимости установки и эксплуатации ЛВС. Работа подсистемы в режиме реального времени означает, что поступающая в подсистему информация должна быть обработана в течение заданного интервала времени, с тем, чтобы результат (управленческое или проектное решение) был получен к моменту выдачи управляющих воздействий. Как показывает теория и прак- тика развития автоматизированных систем всех видов, работа в реальном масштабе времени приобретает исключительно важное значение для создания интегрированных АСУ, где применяются раз- личные ассоциации подсистем САПР, АСНИ, ГАП совместно. В книге основное внимание было сконцентрировано на техни- ческих средствах сетевых интерфейсов, использующих главным образом в моноканале коаксиальный кабель. При этом применяют- ся две конфигурации соединений между станциями: кольцевой или шинный моноканал. Следует отметить, что за последние годы шин- ный моноканал постепенно вытесняет кольцевой. Происходит это вследствие применения в шинном моноканале глубоко сегменти- рованной структуры, позволяющей из набора типовых сегментов создавать различные конфигурации моноканала с высокой пропуск- ной способностью, имеющей важное значение в подсистемах, ра- ботающих в режиме реального времени. Кроме того, при создании сегментированных конфигураций моноканала удается снизить ап- паратурные и программные затраты на разработку ЛВС и подсис- тему в целом. Коаксиальный кабель моноканала обеспечивает большую ско- рость передачи информации, высокую надежность, достаточную удаленность станций друг от друга. Его конкурентом является волоконно-оптический кабель, уступающий коаксиальному кабелю только в части износоустойчивости и жесткости соединений. Эти 258 факторы также способствуют более широкому использованию мо- ноканала на основе коаксиального кабеля в ЛВС для подсистем, работающих в режиме реального времени. Рассмотренные технические решения сетевых интерфейсов поз- воляют создавать контроллеры и станции, реализующие аппара- турным путем основные функции первого и второго уровней эта- лонной модели ЛВС. Благодаря этому ЛВС обеспечивает макси- мальную пропускную способность при допустимых энергозатратах оборудования станций, сложности программного обеспечения и стоимости ЛВС в целом. Тем самым учитываются основные тре- бования к аппаратурной части ЛВС со стороны подсистемы реаль- ного времени. Однако, это не единственный путь развития ЛВС. Более того, это путь создания ЛВС для ограниченного континген- та пользователей, желающих построить подсистему реального вре- мени, близкую к идеальной. Такие пользователи, как правило, об- ладают достаточными финансовыми возможностями и используют в своей деятельности обработку информации с большой произво- дительностью. Другим путем является создание ЛВС, ориентированных на массового пользователя, имеющего ограниченные финансовые ре- сурсы, делающего ставку на разделение времени периферийных уст- ройств, допускающего отклонение от режима реального времени и использующего в основном персональные микроЭВМ примерно одного класса. Для таких ЛВС большое значение имеет стоимость оборудования и программ сетевых интерфейсов, легкость перехода с одного стандарта на другой, например со стандарта IEEE802.3 на стандарт IEEE802.4. В целях снижения стоимости все протоколы реализуются в виде программ на дискетах персональных микро- ЭВМ. Программы содержат все необходимые функциональные модули управления доступом к моноканалу, логическими канала- ми, а также транспортную станцию. Благодаря этому легко осу- ществляется переход с одного стандарта на другой простой заме- ной дискеты. ЛВС, использующие программные протоколы на дискетах имеют в составе абонентской микроЭВМ одну интерфейсную плату -с микросхемами, реализующую функции соединения с кабелем, ко- дирования и декодирования информации с использованием ман- честерских кодов. Все остальные функции-доступ к моноканалу, генерации кадра, проверочной последовательности — реализуют- ся в программах. В ЛВС этого типа не существует отдельных стан- ций, все их функции исполняют сами персональные микроЭВМ. Проанализируем основные достоинства и недостатки подсистем, работающих в режиме реального времени и использующих ЛВС, которые применяют аппаратурные средства протоколов в соответ- ствии с требованиями стандартов IEEE802.3, IEEE802.4 и IEEE802.5. Сущность каждого протокола достаточно подробно рассмотрена в книге. Здесь обратим внимание на наиболее суще- 259 ственные признаки методов, алгоритмов и стандартов, влияющие на качественные показатели подсистемы реального времени. В концепции IEEE802.3 активность нескольких станций, распо- ложенных в пределах досягаемости друг от друга, вызывает множе- ственность сигналов в кабеле и, как следствие, смещение несущей, т. е. конфликт. Поскольку защитные функции станций предусмат- ривают некоторую паузу ожидания, то это вызывает увеличение времени передачи сигналов и времени реакции системы. Увеличение времени носит случайный характер, зависящий от нагрузки и ак- тивности станций ЛВС. Попытка гарантировать время доставки сообщений привела к созданию и развитию ЛВС на основе концепции IBEE802.4. В таких ЛВС активность станций вызывает рост очередей в буфер- ной памяти станций и увеличение времени поступления кадров по- лучателям до некоторого установившегося значения. Таким образом гарантируется максимальное время задержки поступления кадра при произвольном минимальном времени задержки, определяемом активной нагрузкой ЛВС. Концепция IEEE802.5 начала развиваться ранее, чем осталь- ные. В рамках этой концепции применяется кольцевой моноканал, средства управления которым обеспечивают своевременность по- ступления кадра за счет существенного снижения загрузки коль- цевого моноканала. Снижение происходит вследствие роста объема служебной информации, обеспечивающей надежность установления соединения и разъединения станций в ЛВС. ЛВС с концепцией IEEE802.5 в случае потери устойчивости при отказах и сбоях аппаратуры наиболее трудно восстанавливается. Это связано с тем, что потеря маркера какой-либо станцией вызывает необходи- мость реализации большого числа избыточных процедур установ- ления повторного соединения станций. Более подробно основные показатели ЛВС, использующих в аппаратурных средствах три концепции: IEEE802.3, IEEE802.4 и IEEE802.5 приведены в табл. 3.1. Поясним сущность каждого из них [20]. Различные типы моноканала ориентированы на определенную область применения. Шина IEEE802.3 относится к универсальному моноканалу и обеспечивает взаимодействие процессов, происходя- щих практически в любых ЭВМ. Фактически эта шина является основой для построения универсального интерфейса, соединяющего самые разные ЭВМ между собой без каких-либо переделок обору- дования и программ. Шина IEEE802.3 предусматривает одновременное использова- ние речевых (Р), графических (Г) станций наряду со станциями обработки данных (Д). Это объясняется тем, что средства конт- роля множественной передачи по признаку несущей обеспечивают возможность для станции, захватившей моноканал, регулировать длину речевых сигналов и поддерживать качественные характерис- 260 261 262 гики речи и графики на достаточно высоком уровне. Остальные станции в этом случае ожидают момента освобождения монокана- ла, контролируя его состояние. Шина IEEE802.4 является специализированной шиной, пред- назначенной для применения в моноканале, связывающем станции, встроенные в оборудование гибких производственных систем (ГПС). Эта шина способна передавать графику и данные, исполь- зуя свойство повторного применения маркера какой-либо стан- цией. Станция как бы запоминает маркер на какое-то время и за- держивает его передачу до тех пор, пока не закончит пересылку графических массивов. Моноканал на основе шины IEEE802.4 менее эффективно использует ресурсы абонентских ЭВМ по срав- нению с моноканалом на основе шины IEEE802.3. В то же время он гарантирует максимальное время доставки кадра, получателю. Аппаратурные затраты средств доступа к шине IEEE802.4 при- мерно такие же, как к шине IEEE802.3. Наибольшей консервативностью с точки зрения применения обладает кольцевой моноканал IEEE802.5. Он не запоминает мар- кера. В этом здесь нет необходимости, поскольку у этого монокана- ла самая маленькая пропускная способность и на него распростра- няются другие требования: простота технических решений и де- шевизна станций. Шина IEEE802.3 чаще всего используется для объединения автоматизированных рабочих мест (АРМ) в различных подсисте- мах, осуществляющих учрежденческую деятельность. Такие под- системы образуют системы, использующие совокупность протоколов TOP (Technical Office Protocol). Шина IEEE802.4 нашла широкое распространение в подсистемах, использующих совокупность про- токолов MAP (Manufacturing Automation Protocol). Каждая, из систем MAP и TOP имеет свою архитектуру, отвечающую требо- ваниям семислойной архитектуры открытых систем, рассмотрен- ной в первой главе книги. Системы MAP и ТОР способны образо- вывать ассоциации подсистем САПР, АСНИ, АСУ, ГАП, ГПС. В этом случае такие системы называют системами MAP/TOP и в них имеют место комбинации шины IEEE802.3 с кольцевым моно- каналом IEEE802.5 или маркерной шины IEEE802.4 с шиной IEEE802.3 и кольцевым моноканалом IEEE802.5. Все типа моно- канала объединяются между собой через шину ГЕЕЕ802.3. Архитектура системы MAP поддерживается в настоящее время более чем 400 фирмами из 15 стран мира, выпускающими средства для автоматизации производственных процессов. Архитектура системы ТОР охватила в основном разработки учрежденческого оборудования для автоматизации делопроизводства, электронной почты, подсистем оперативного управления, подготовки производ- ства, формирования необходимой производственно-технологиче- ской документации, планирования производственной и хозяйствен- ной деятельности в АСУ. В разработках, учитывающих требова- 263 ния архитектуры системы ТОР, участвует более, чем 650 фирм из 22 стран мира [20]. Отсюда следует, что архитектура системы ТОР пока доминирует по сравнению с системой MAP в части рас- пространения в подсистемах автоматизированных систем. Рассмотрим сущность каждого показателя в табл. 3.1 более подробно. Вид передаваемой информации существенно влияет на эффективность принимаемых решений в подсистемах АСУ, САПР, ГАП, ГПС и АСНИ. Например, введение специальных средств, допускающих передачу речевых сигналов,' позволяет сократить временные затраты на подготовку документальной информации. Графические станции оказывают сильное влияние на эффектив- ность работы САПР, управленческих звеньев с объемными моде- лями производства, составление карт, мнемосхем и т. д. Данные представляют собой наиболее распространенный вид информации в подсистемах АСУ, САПР, ГАП, ГПС, АСНИ. Максимальное время ответа системы на запрос пользователя t\ зависит oi вида передаваемой информации и нагрузки ЛВС. Табл. 3.1. свидетельствует о том, что наибольшим преимуществом по этому показателю обладает шина IEEE802.3. В этой шине зна- чение t\/t-i для Л/> 100 возрастает в 10 раз но отношению к дан- ным и в 25 раз по отношению к графической информации. В остальных моноканалах положение гораздо хуже. Особенно для кольцевого моноканала IEEE802.5, где для Л/>- 100 максимальное значение t\ составляет 44 с. Такое значение не устраивает боль- шинство пользователей в подсистеме реального времени и суще- ственно осложняет диалог с удаленной персональной ЭВМ. Следует заметить, что в оборудовании, обслуживающем шину IEEE802.3, можно добиться снижения t\ для данных небольшой длины до 1 мс и для графики до 0,5 с при УУ> 100 за счет рационального регулирования паузы ожидания. Это производится путем совершенствования метода CSMA/CD — введением в него функций прогнозирования состояния моноканала (создания про- гнозирующего метода CSMA/CD, рассмотренного в книге), либо регулирования паузы ожидания с учетом активности самих стан- ций и последовательности их работы в ЛВС. Шина IEEE802.3 обладает лучшим коэффициентом эффектив- ности использования моноканала 9, который выражается как от- ношение доли уменьшения времени ожидания ответа на запрос АГож к доле уменьшения времени передачи информации ЛГ„, т. е. отображает тот вклад в уменьшение t\ системы, который дости- гается простым увеличением скорости передачи сигналов в моно- канале. Наихудшим значением 0 обладает моноканал IEEE802.5. Значение коэффициента 9 во многом зависит от числа уровней в семиуровневой открытой системе, реализуемых программным путем. В настоящее время системы MAP и ТОР используют, на- чиная с третьего уровня, примерно идентичные пакеты программ, совместимые между собой. Отличие заключается в порядке при- 264 менения программ протоколов в процессе установления соедине- ния через канальный и физический слои ЛВС. Например, в сис- теме MAP логические каналы образуются более сложным путем с участием большого числа модулей программ протоколов, что существенно влияет на увеличение скорости передачи информа- ции. Наилучшей разработкой в этой области является пакет про- грамм серии DEC.NET версии 4. Каждый из моноканалов использует свою кабельную систему. Для шины IEEE802.3 применяется наиболее рациональная кабель- ная "система, которая состоит из набора типовых сегментов. Сег- мент снабжается оконечными терминаторами, ретрансляторами, ответвителями и представляет собой конструкторский набор, до- статочный для разработки любой конфигурации моноканала ЛВС. На эту кабельную систему распространяет свое действие междуна- родный стандарт ЕСМА-80. Шина IEEE802.4 реализуется на основе сплошного кабеля с разрывами в местах подключения станций. Здесь имеет место большая трудоемкость подключения станций к моноканалу, свя- занная с полной «разделкой» кабеля и обеспечением при этом полного согласования волнового сопротивления кабеля с сопротив- лением ответвителей. Кольцевой моноканал IEEE802.5 допускает применение более широкого диапазона средств связи: от дорогого коаксиального кабеля до свитой пары проводников с ограничением максимальной длины до 0,25 км. Среднее ьремя восстановления подсистемы /з отражает возмож- ности средств доступа к моноканалу по восстановлению работо- способности ЛВС после возникновения конфликта в шине IEEE802.3, пропуска маркера в шине IEEE802.4 или в кольцевом моноканале IEEE802.5. Наихудшее значение 1:\ имеют моноканалы типа IEEE802.4 и IEEE802.5. Таким образом, устойчивость шины IEEE802.3 легко нарушается, но и легко восстанавливается. Для моноканалов IEEE802.4 и IEEE802.5 все наоборот. Их очень трудно вывести из устойчивого состояния, но вследствие инерционности процедур установления соединения сложно вернуть снова в устой- чивое состояние. В результате моноканалы IEEE802.4 и IEEE802.5 очень чувствительны к отказам станций, удлинению или нарушению целлостности соединительного коаксиального кабеля. Наибольшее время наработки на отказ аппаратурных средств доступа обеспечивается для шины IEEE802.4. Это обстоятельство связано с обеспечением безопасности работы оборудования для автоматизации производственных процессов механообработки, ро- бототехники и других процессов, чреватых опасными последствиями для людей, загрязнением окружающей среды. Синхронизация занимает особое место среди других показате- лей, характеризующих работу ЛВС. Она обеспечивается с помощью относительного (ОМК) и абсолютного (АМК) манчестерского ко- 265 дирования, Эти формы были рассмотрены достаточно подробно в книге. Отметим лишь то обстоятельство, что абсолютные ман- честерские коды более приспособлены к маркерной шине IEEE802.4. Часто их используют в кольцевом моноканале IEEE802.5. В то же время шина IEEE802.3 приспособлена к применению и того и дру- гого кода, поскольку не налагает жесткие ограничения на смеще- ние момента перехода сигнала в кабеле из состояния лог. 1 в со- стояние лог. О относительно середины битового интервала. Шина IEEE802.4 и кольцевой моноканал IEEE802.5 не допускают сме- щения момента перехода от середины битового интервала более, чем на ±5%. Для сравнения: шина IEEE802.3 нечувствительна к смещениям переходов обоих знаков относительно середины бито- вого'интервала в пределах ±20%. В результате повышенной чувствительности шины IEEE802.4 к смещениям переходов, последняя способна испытывать наруше- ние синхронизации при небольших нагрузках и, как следствие, опасность потери кадра-маркера. К чему приводит потеря марке- ра, говорилось выше. Кольцевой моноканал IEEE802.5 налагает меньшие ограничения на смещение переходов, поскольку работает обычно на небольшие нагрузки. В целом синхронизация во многом влияет на работоспособ- ность. ЛВС и существенно зависит от нагрузки. Поэтому в каждом конкретном случае необходимо учитывать искажения форм сигна- лов, выделенных из самосинхронизирующегося потока сигналов в кабеле, вследствие увеличения нагрузки выше допустимой или активности станций. Эти искажения чаще чем другие факторы являются причинами сбоев в аппаратурных средствах станций ЛВС;, ,- , ,, .;. .•, . .Возможность подключения оборудования станций без останов- ки ЛВС позволяет значительно расширить диапазон применения ЛВС и обеспечить ремонт станции без ее демонтажа. Наиболее легко такое подключение осуществляется в шине IEEE802.3, по- скольку каждый блок доступа такой шины содержит специальные защитные средства на МАС-уровне. Эти средства помимо своей основной задачи: обнаружения смещения несущей, т. е. конф- ликта, позволяют обнаружить новый источник информации и не- сколько удлинить паузу ожидания, снизив тем самым нагрузку лес: .. :,'., • ,,, .,'„. Вмаркерной шине ГЕЕЕ802.4 и кольцевом моноканале IEEE802.5 осуществить новое включение очередной станции можно, но ценой выполнения определенного набора процедур, проникающих с фи- ,зического и канального уровней вверх по иерархии до транспорт- ного и сеансового уровней. Естественно, что это обстоятельство приводит к .существенному снижению пропускной способности ЛВС в пределе до 70—80%. Этим объясняется отрицательный ответ в табл. 3.1 на вопрос:, имеется ли в шине IEEE802.4 возможность подключения аппаратурных средств станций без остановки ЛВС. 266, Та же причина имеет место для кольцевого моноканала IEEE802.5. В результате оба моноканала IEEE802.4 и IEEE802.5 по данному показателю слабо приспособлены к применению в подсистемах реального времени. Объем буферной памяти типа FIFO обычно существенно влияет на производительность станции и, следовательно, на общую про- пускную способность ЛВС. Поэтому желательно этот объем умень- шить и тем самым уменьшить число кадров, находящихся в очереди на передачу в моноканал. Иногда возникает сложная ситуация, свя- занная с ростом очереди кадров в памяти FIFO вследствие сниже- ния пропускной способности с увеличением нагрузки, уменьшением точности синхронизации, увеличением числа конфликтов или случаев потери маркера и т. д. Тогда необходимо увеличить объем памя- ти FIFO для того, чтобы избежать большей неприятности — потери уже сгенерированных кадров. Эту противоречивую проблему нужно решать на основе аналитического или имитационного моделирова- ния [14]. В табл. 3.1 данные по объему памяти FIFO приведены по результатам имитационного моделирования и экспериментальных исследований реальных ЛВС совместно со специалистами из СССР, ГДР и ФРГ и Западного Берлина [14]. Из анализа показателей ЛВС следуют выводы о перспективах развития той или иной концепции: 1. Наибольшими перспективами применения обладает шина IEEE802.3. Эта шина имеет наибольшие гибкость, эффективность применения, нагрузку, протяженность моноканала и наибольшую пропускную способность, обеспечивающую возможность создания подсистем реального времени, близких к идеальным. Шина IEEE802.3 способна передавать любые виды информации, имеет высокую отказоустойчивость и износоустойчивость. Фактически шина IEEE802.3 может служить идеальным средством стыковки между собой различных абонентских интерфейсов ЭВМ. Шина хорошо зарекомендовала себя в системах ТОР и способна объеди- нять АРМ в ассоциации систем MAP/TOP реального времени. 2. Шина IEEE802.4 позволяет объединять в единую интегриро- ванную ассоциацию подсистем, использующих совокупность прото- колов MAP, для ГПС с различными обрабатывающими центрами, робототехническими системами с микропроцессорным управлением. Шина обеспечивает высокую вероятность получения кадра в за- данный максимальный интервал времени ожидания и высокую устойчивость системы в условиях средней нагрузки. Однако ее специфика не позволяет эффективно использовать манчестерские коды для синхронизации процессов и ограничивает нагрузочную способность. Шина практически не находит распространения в сис- темах с архитектурой ТОР и не может служить универсальным средством стыковки между интерфейсами любых ЭВМ в ассоциа- циях MAP/TOP. 267 3. Кольцевой моноканал 1ЕЕЕ802.5 является наиболее простым средством, обеспечивающим взаимодействие персональных микро- ЭВМ с помощью свитой пары проводников. Простота соединений достигается за счет значительного снижения пропускной способ- ности, нагрузки и активности станций ЛВС. 4. Система синхронизации всех типов моноканалов в основном использует манчестерское кодирование сигналов, обеспечивающее скважность 50% и гарантирующее переход уровня сигнала точно в середине битового интервала. В случае, если переходы сигналов не обнаруживаются в пределах 0,75—1,25 битового интервала, от- считываемого от центра последнего интервала, то несущая счита- ется отсутствующей. Это явление неопасно для сетевых интерфей- сов шины IEEE802.3, но вызывает потерю устойчивости синхро- низации в сетевых интерфейсах, использующих маркерную шину IEEE802.4 или кольцевой моноканал IEEE802.5. Следует также учи- тывать то обстоятельство, что манчестерский код представляет собой смесь данных и синхросигналов. Частота появления синхро- сигналов, влияющая на устойчивость синхронизации, зависит от комбинаций сигналов данных. При неблагоприятных сочетаниях сигналов лог. О и лог. 1 частота может снижаться до таких преде- лов, когда устойчивость синхронизации полностью нарушается. В результате восстановить такую устойчивость в шине IEEE802.4 или кольцевом моноканале IEEE802.5 значительно труднее, чем в шине IEEE802.3. 5. С учетом приведенных выше доводов шина IEEE802.3 в пер- спективе позволит создать единый промышленный стандарт для интеграции ЭВМ различных классов, используемых в ассоциациях подсистем реального времени в системах MAP/TOP. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. А.с. 1043715 СССР, МКИ 3 G08C19/28. Устройство для передачи информа- ции в кольцевом канале связи/Е. В. Бойченко, В. В. Овчинников, И. И. Рыбкин.— Опубл. 1983. Бюл. № 35. 2. А.с. 1128282 СССР, МКИ3 G08C19/28. Устройство для приема дискретной информации/Е. В. Бойченко, В. В. Овчинников, И. И. Рыбкин.—Опубл. 1984. Бюл. № 45. 3. А.с. 1109782 СССР, МКИ3 G08C19/28. Устройство для передачи информа- ции по магистрали/Е. В. Бойченко, В. В. Овчинников, И. И. Рыбкин.—Опубл. 1984. Бюл. № 31. 4. А.с. 1278920 СССР, МКИ3 G08C19/28. Устройство для передачи информа- ции в кольцевом канале связи/Е. В. Бойченко, В. В. Овчинников, И. И. Рыб- кин.— Опубл. 1986. Бюл. № 47. 5. А.с. 1282144 СССР, МКИ3 G08C19/28. Устройство для передачи инфор- мации в кольцевом канале связи/Е. В. Бойченко, В. В. Овчинников (СССР), Ф. Вайдхазе, И. Хейнке (ГДР).—Опубл. 1987. Бюл. № 4. 6. А.с. 1410716 СССР, МКИ3 G08C19/28. Устройство для передачи инфор- мации в кольцевой магистрали/Е. В. Бойченко, В. В. Овчинников, И. И. Рыб- кин.- Опубл. 1988. Бюл. № 26. 7. Бойченко Е. В., Овчинников В. В., Рыбкин И. И. Проектирование локаль- ной вычислительной сети, объединяющей станции САПР на основе мини- и микро- 268 ЭВМ//Автоматика и вычислительная техника.— 1985.—№ 3.— С. 31—36. 8. Бойченко Е. В., Овчинников В. В. Быстродействующие схемы многократ- ного доступа к моноканалу в локальных вычислительных сетях //Автоматика и вы числительная техника.— 1985.— № 5.— С. 30—35. 9. Бойченко Е. В., Кальфа В., Овчинников В. В. Локальные вычислительные сети.— М.: Радио и связь, 1985.— 304 с. 10. Прангишвили И. В. Микропроцессоры и локальные сети микро-ЭВМ в распределенных системах управления.— М.: Энергоатомиздат, 1985.— 272 с. 11. Якубайтис Э. А. Локальные информационно-вычислительные сети.—Рига: Зинатне, 1985.— 284 с. 12. Bodenkamp J. Die Fabrik der Zukunft — Das ICAM-Modell//Electronik.— 1984.-Vol. 25, N 14.—S. 123—129. 13. Boychenko Е. V., Ovcinnikov W. W. Data Transmission System//ZFr. Infor- inationen INFO-88. Section 5.— Dresden, 1988.— 36 p. 14. Boychenko E. V. The Simulation of the Local Area Network of Microcompu- ters/^ Tagung. Optimale Steurung — Theorie und Anwendungen — Leipzig: Wiss. Ber. TH.— 1982. H5, S. 14. 15. Cheorg Y. E., Hirscheim R. A. Local Area Networks.— New York: John Wiley Sons, 1985.—216 p. 16. Cormier D. Integrated Services Digital Network Sparks VLSI Telecom.— IC Explosion//EDN.— 1985.— Vol. 6, N 12.—P. 63—82. 17. Ikeman H. High-speed Network Uses Fiber Optics//Electronics Week.— 1984.—N 22.-P. 95—108. 18. Kafka G. Schnittstellen fur die Datenubertragung. Ein Uberblick uber alte und neue Standards//Elektronik,— 1984.—Vol. 25, N 14.—S. 76—84. 19. Krumpholz 0., Hillerich В. Optical Multiplexing of Fiber Optic Sy- sterns//Elcctronics Engineering.— 1985.— Vol. 34, N 16.— P. 53—56. 20. l„offler H. Lokal Netzc.—Berlin: Akademic Verlag, 1987.—245 S. 21. Moseley С. Manchester-code IC Handles Networks Physical Link//EDN.— 1985. Vol. 4. N 8.- P. 163—174. 22. Moseleu 0., Trautz G. Ethernet — Anschlub — Praktisch realisiert//Elektronik- Applikation.— 1984.— N 7.— S. 35—46. 23. Mtillen J. Single Chip TAC Simplifies Network Design//Electronics Indust- ry.— 1985.— N 5.— P. 57—81. 24. Open Networking Strategy from Intel//Electronics Engineering.— 1985.— Vol. 14. N 26.- P. 14. 25. Ovcinnikov W. W., Bojtcshenko E. W. Modelierung localer Rechnernetze mil Vermeidungen vun Zugriffkonflikten zum Kanal//Zfr. Informationen INFO-84. Section 5.— Dresden, 1984.—S. 157—164. 26. Parker R. Local Area Network Chips Stress Reduced Connection Costs// Computer Design.— 1984.— N б.— Р. 25—32. 27. Schwarz S. Netzwerk-auch fur Kleinstrechner — Anwendungen//Elektronik.— 1984.—Vol. 26, N 15.—S. 55—80. 28. Pat 4.293.948 USA. Data Transmission System/0. Soderblom.— Corn. United States Patent.— 1981, Oct. 6.— 64 p. , 29. The Ethernet — A Local Area Network. Data Link and Physical Lauer Speci- fications//Computer Commun. Rev.— 1985.—N 3.—P. 114—206. 30. Williams Т. Chip Set Points to Lower Costs in Ethernet Cabling//Com- puter Design.— 1984.—Vol. 2, N 8.—P. 61—122. ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие ............................. 3 Глава 1. Архитектура локальных вычислительных сетей ........ 5 1.1. Эталонная модель архитектуры ЛВС ............. 5 1.2. Программные протоколы ................... 9 1.3. Программно-аппаратные протоколы .............. 14 1.4. Аппаратные протоколы ................... 20 1.5. Техническая база станций ЛВС ............... 27 1.6. Основные технико-эксплуатационные характеристики ЛВС .... 36 Г л а в а 2. Абонентские интерфейсы локальных вычислительных сетей .... 42 2.1. Классификация и характеристики абонентских интерфейсов ЛВС ............................ 42 2.2. Абонентские интерфейсы для систем автоматизации научных экспериментов ....................... 44 2.3. Абонентские интерфейсы для промышленных средств автоматики и телемеханики ....................... 46 2.4. Абонентские интерфейсы для промышленных робототехнических систем ........................... 47 2.5. Абонентские интерфейсы для САПР .............. 53 2.6. Последовательные интерфейсы ................ 59 Глава 3. Управление логическими каналами в станциях локальных вычис- лительных сетей ...................... 60 3.1. Классификация методов и алгоритмов управления логическими каналами в станциях ЛВС .................. 60 3.2. Реализация в станциях асинхронных протоколов по стандарту HDLC ........................... 66 3.3. Реализация в станциях синхронных протоколов по стандарту SDLC ........................... 74 3.4. Адаптация протоколов HDLC и SDLC к станциям, пересылаю- щим речевую, телевизионную и машинную информацию ..... 77 3.5. Перспективы аппаратной реализации протоколов управления ло- гическими каналами в ЛВС ............... 89 Глава 4. Управление доступом к моноканалу локальной вычислительной сети ............................ 94 4.1. Классификация методов и алгоритмов управления доступом к мо- ноканалу .......................... 94 4.2. Методы и алгоритмы, использующие централизованное управ- ление доступом к моноканалу ............... 101 4.3. Методы и алгоритмы, использующие децентрализованное управ- ление доступом к моноканалу ................. 108 4.4. Методы и алгоритмы, использующие комбинированное управление доступом к монока-налу .................... 123 Глава 5. Техническая база каналов связи в локальных вычислительных сетях ........................... 126 5.1. Каналы связи, используемые в ЛВС ............ 126 5.2. Ответвители, передатчики, приемники и повторители сигналов в каналах связи ЛВС ..................... 137 270 5.3. Кодирующие и декодирующие устройства в ЛВС ...... 156 5.4. Приемопередатчики для каналов кабельного телевидения ..... 165 Глава 6. Техническая база блоков доступа к моноканалу с передачей полномочий ........................ 168 6-1. Схемы с централизованным управлением передачей полномо- чий ............................ 168 6.2. Схемы >: децентрализованным управлением передачей полномочий с указанием приоритета ................... 178 6.3. Схемы с децентрализованным управлением передачей полномочий без указания приоритета ................... 188 6.4- Особенности схемотехнического проектирования блоков доступа к моноканалу с передачей полномочий ............. 198 Глава 7. Техническая база блоков случайного многократного доступа к моноканалу ........................ 207 7.1. Схемы с децентрализованным управлением доступом к моноканалу по методу CSMA/CD ...".-........-..... 207 7.2. Схемы с децентрализованным управлением доступом к моноканалу по методу CSMA/CU с прогнозированием состояния монока- нала ............................ 215 7.3. Многоуровневые схемы многократного доступа к моноканалу по методу CSMA/CD ..................... 220 7.4. Схемы с адаптивной адресацией информации .......... 224 7.5. Микропроцессорные комплекты блоков доступа к моноканалу 229 7.6. Повышение точности обнаружения конфликтов в блоках дос- тупа ...........'...............-. 240 Глава 8. Техническая база абонентских интерфейсов .......... 245 8.1. Приемопередатчики абонентских интерфейсов .......... 245 8.2- Компараторы ........................ 249 S.3. Схемы управления интерфейсами ЭВМ ............. 251 8.4. Переключатели на аналоговых ключах ............ 254 Заключение ............................. 258 Список литературы ..-...........-...-..--- ^fi» Производственное издание Овчинников Валерий Валентинович, Рыбкин Игорь Иванович ТЕХНИЧЕСКАЯ БАЗА ИНТЕРФЕЙСОВ ЛОКАЛЬНЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ Заведующая редакцией Г, И, Козырева. Редактор Н. Г. Давыдова. Обложка художника В. Н- 3 а- байрова. Художественный редактор А. В. П р о ц е н к о- Технический редактор А. Н- Золотарева. Корректор Л.Д.Буданцева ИБ № 1600 Сдано в набор 03.11.88. Подписано в печать 20.03.89. Т-06083. Формат 60X88'/i«. Бумага офсетная №. 2. Гарнитура литературная. Печать офсетная.. Усл. неч. л. 16.66. Усл. кр.-отт. 16,66. Уч.-изд. л. 18,91. Тираж 20 000 экз. Изд. № 22030. Заказ № 295. Цена 1 р. 30 к. Издательство «Радио и связь». 101000 Москва. Почтамт, а/я 693 Ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени МПО «Первая Образцовая типография» Государственного комитета СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. 113054. Москва. Валовая, 28 В. В. Овчинников И.И.Рыбкин ТЕХНИЧЕСКАЯ БАЗА ИНТЕРФЕЙСОВ ЛОКАЛЬНЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ © Москва «Радио и связь» 1989