Базові технології локальних мереж

БАЗОВІ ТЕХНОЛОГІЇ ЛОКАЛЬНИХ МЕРЕЖ

Технологія Ethernet

Загальна характеристика технології

Технології групи Ethernet на сьогоднішній день займають провідне місце серед найбільш поширених технологій локальних мереж. Число мереж, які використовують ці технології за деякими оцінками становить більше 5 мільйонів, а число комп'ютерів - біля 100 мільйонів.

Вперше технологія Ethernet була розроблена і випробувана в експериментальній мережі фірмою Xerox у кінці 70-их років минулого століття. В середині 80-их років був розроблений стандарт IEEE 802.3.

Характерними особливостями технології Ethernet є:

1. Метод доступу до фізичного середовища - множинний доступ з упізнаванням несучої і виявленням колізій (CSMA/CD);

2. Швидкість передавання даних - 10 Мбіт/сек;

3. Логічна топологія - загальна шина;

4. Тип фізичного середовища - коксиальний кабель, кабель на основі скрученої пари, волоконно-оптичний кабель;

5. Діаметр мережі (віддаль між найбільш віддаленими комп’ютерами) - 2,5 км;

6. Максимальне число комп’ютерів в мережі - 1024.

В залежності від типу фізичного середовища у стандарт IEEE 802.3 були введені специфікації 10Base-5, 10Base-2, 10Base-Т, 10Base-FL, 10Base-FB, які описують відповідно побудову мережі на товстому і тонкому коаксиальних кабелях, кабелі на основі скрученої пари UTP та одно- і двомодовому волоконно-оптичних кабелях за фізичними топологіями загальна шина, зірка і ієрархічна зірка. Усі специфікації технології Ethernet при фізичному кодування бітів інформації використовують манчестерський код.

 

Формати MAC кадрів Ethernet

 

Формат кадрів технології Ethernet описаний стандартами ІЕЕЕ 802.2 (кадр LLC) і IEEE 802.3 (кадр МАС). Формат кадру 802.3/LLC (802.3/802.2) наведений на рис. 3.1.

Стандарт ІЕЕЕ 802.3 визначає такі поля кадру:

· Р - преамбула (7 байт по 10101010);

· SFD - прапорець початку кадру (1 байт 10101011);

· DA - адреса призначення пакету (6 байт);

· SA - адреса відправника пакету (6 байт);

· L - вказівник довжини поля даних (2 байти);

· DATA - поле даних (від 46 до 1500 байт);

· FCS - контрольна сума (4 байти).

 

 

 

Преамбула довжиною сім синхронізуючих байт 10101010 призначена для входження адаптерів комп’ютерів, під’єднаних до мережі, в синхронізацію з адаптером відправника пакету. При манчестерському коді ця комбінація у фізичному середовищі є періодичним сигналом частотою 5 МГц.

Прапорець початку кадру являє собою двійковий код 10101011. Поява цієї комбінації вказує мережевим адаптерам вузлів мережі, які прослуховують розподілене фізичне середовище, що наступним байтом буде перший байт заголовку кадру, тобто адреса одержувача пакету.

Адреса призначення пакету може бути груповою (широкомовною) або індивідуальною. Широкомовна адреса складається з усіх одиниць (FF FF FF FF FF FF), а індивідуальна адреса отримувача пакету - це, як правило, МАС-адреса його адаптера, ознакою якої є "0" в старшому розряді. Адреса відправника пакету - це апаратна адреса довжиною 6 байт, яка завжди починається з "0".

Вказівник довжини визначає розмір поля даних в кадрі. Поле даних призначене для передавання по мережі пакетів вищих рівнів. В керуючих і деяких ненумерованих кадрах воно може бути відсутнім. Якщо поле даних менше 46 байт, то воно доповнюється до 46 байт кодом заповнення. Мінімальний розмір поля даних 46 байт обумовлений вимогами коректного визначення явища колізії, яке може наступити в мережі, коли декілька вузлів одночасно передають дані у фізичне середовище.

Поле FCS вказує контрольну суму кадра, обчислену за певним алгоритмом. Отримувач кадру використовує контрольну суму для контролю за спотворенням даних.

Заголовок LLC разом з полем DATA складають поле даних кадру МАС, максимальний розмір якого може становити 1500 байт.

Формати кадрів RAV 802.3, Ethernet DIX та Ethernet SNAP, які не увійшли в стандарт ІЕЕЕ 802, але розпізнаються комутаційним обладнанням локальних мережі, мають деякі відмінності від формату кадру 802.3/LLC. Так у кадрів RAV 802.3 і Ethernet DIX відсутній заголовок LLC і максимальна довжина поля DATA становить 1500 байт, кадр Ethernet SNAP крім заголовку LLC має два додаткових поля довжиною 5 байт, а максимальна довжина поля DATA становить 1492 байти.

 

3.1.3. Метод доступу до середовища передавання даних CSMA/CD

Суть методу CSMA/CD повністю розкрита в його назві - множинний доступ доступу з упізнаванням несучої і виявленням колізій (carrier-sense-multiply-access with collision detection). При використанні цього методу множина комп'ютерів мережі мають безпосередній доступ до фізичного середовища, побудованого за технологією загальної шини. При цьому всі комп'ютери мережі одночасно, з урахуванням затримки поширення сигналу по фізичному середовищу, одержують дані, які один з комп'ютерів почав передавати на загальну шину.

На рис. 3.2 показана локальна мережа, побудована за технологією загальної шини, а на рис.3.3 приведені часові діаграми передавання комп’ютерами кадрів у фізичне середовище.

Усі дані, які передаються по мережі, форматизуються у кадри визначеної структури і забезпечуються унікальною адресою станції призначення. Щоб одержати можливість передавати кадр, станція повинна переконатися, що середовище вільне. Це досягається прослуховуванням основної гармоніки сигналу, що також називається несучою частотою (carrier-sense, CS). Ознакою незайнятості середовища є відсутність на ній несучої частоти, що при тактовій частоті 10 МГЦ і манчестерському способі кодування в залежності від текучої послідовності одиниць і нулів становить 5 - 10 Мгц.

 

 

 

 

 

У момент часу t₁ комп’ютер РС_1, прослухавши фізичне середовище і не виявивши несучої частоти, починає в момент часу t₂ передавати на загальну шину кадр даних у вигляді послідовності біт. Дані, закодовані манчестерським кодом, поширюються з певною швидкістю по загальній шині в обидва її кінці (рис. 3.2а). Кадр даних завжди супроводжується преамбулою довжиною 7 байт, і і прапорця початку кадру, довжиною1 байт. Преамбула потрібна для входження приймачів барежевих адаптерів у побітову і побайтову синхронізацію із передавачем. Усі комп’ютери, під’єднані до кабелю, розпізнають факт передачі кадру. Комп’ютер, який розпізнав власну адресу в заголовку кадру, записує його вміст у свій внутрішній буфер, обробляє отримані дані і передає їх нагору протоколам верхніх рівнів стеку.

У момент t₃ верхні рівні протоколів комп’ютера РС₂ вимагають від його мережевого адаптера передати дані в мережу, але він, прослуховуючи загальну шину, виявив на ній несучу і тому залишився в стані очікування.

У момент часу t₄ комп’ютер РC₁ закінчує передачу кадру даних і всі комп’ютери мережі витримують технологічну паузу (Inter Packet Gap) t_тп=96 bt.

У технології Ethernet прийнято всі інтервали вимірювати в бітових інтервалах. Бітовий інтервал позначається як bt і відповідає проміжку часу між появою двох послідовних біт даних на кабелі. Для швидкості 10 Мбіт/с величина бітового інтервалу дорівнює 0,1 мкс чи 100 нс. Таким чином t_тп=9,6 мкс. Під час технологічної паузи мережеві адаптери передавача і отримувача кадру даних відновлюють свій початковий стан. Міжкадровий інтервал (технологічна пауза) потрібний також для запобігання монопольного захоплення середовища одним комп’ютером.

В момент часу t₅ комп’ютер РС₂, прослухавши фізичне середовище, не виявив несучої частоти і починає передавання свого кадру (рис. 3.2б) з подальшою послідовністю дій, описаних вище.

В момент часу t₇ дані починає передавати комп’ютер РС_n. В цей же момент часу комп’ютер РС₁, не виявивши на загальній шині несучої (сигнали комп’ютера РС_n до нього ще не дійшли), розпочинає передавання свого кадру даних (рис. 3.2в). В момент t₈ сигнали комп’ютерів РС_n і РС₁ зіштовхуються між собою, що приводить до їх загального спотворення (рис. 3.2г). Це явище носить назву “колізія”. Щоб коректно обробити колізію, усі комп’ютери одночасно спостерігають за сигналами на кабелі. Першим явище колізії виявляє комп’ютер РС₂, який для її підсилення посилає у фізичне середовище спеціальну jam-послідовність, довжиною 32 біти.

Виявивши явище колізії, всі компютери мережі припиняють посилання сигналів у фізичне середовище і настає пауза випадкової довжини, тривалість якої для кожного комп’ютера буде іншою. Після закінчення випадкової паузи комп’ютер може знову спробувати захопити середовище. Випадкова пауза t_вп вибирається за наступним співвідношенням:

t_вп=L*512 bt, де L - ціле число, обране з рівною ймовірністю з діапазону [0, 2ⁿ];

n =1,2,..., 10 - номер повторної спроби передавання даного кадру;

512 bt – інтервал відтермінування.

Після 10-ої спроби інтервал, з якого вибирається пауза, не збільшується. Таким чином, випадкова пауза може приймати значення від 0 до 52,4 мс. Якщо 16 послідовних спроб передачі кадру викликають колізію, то передавач повинен припинити спроби і відкинути цей кадр.

У нашому випадку тривалість випадкової паузи комп’ютера РС₁ виявилася коротшою, ніж випадкова пауза комп’ютера РС_n і в момент t₁₀ він розпочинає передавання свого кадру даних, а РС_n залишається у стадії очікування.

Таким чином, метод CSMA/CD не гарантує вузлам мережі доступ до фізичного середовища. Ймовірність успішного одержання вузлом у своє роспорядження фізичного середовища залежить від завантаженості мережі Ethernet.

 

Фізичного середовища

 

Стандарт IEEE 802.3 використовує специфікації 10Base-5, 10Base-2, 10Base-Т, 10Base-FL і 10Base-FB, які описують побудову фізичного рівня мережі Ethernet. При цьому у назві специфікації число 10 означає швидкість передавання даних (10 Мбіт/сек); Base - передавання даних здійснюється на одній базовій частоті (10 МГц); останній символ - тип кабелю.

Дотримання численних обмежень, установлених для різних стандартів фізичного рівня Ethernet, гарантує коректну роботу мережі. Обмеження параметрів мережі, які вносить кожен варіант фізичного середовища технології Ethernet, наведені у таблиці 3.2.

 

Специфікація 10Base-5

 

Специфікація 10Base-5 описує побудову мережі Ethernet за фізичною топологією "загальна шина" на товстому коаксиальному кабелі діаметром 0,5 дюйма (грубий коаксиал, ~10 мм). Діаметр жили цього кабелю становить 2,17 мм, а хвильовий опір - 50 Ом. Такі характеристики мають кабелі RG-8, RG-11.

 

 

Схема мережі із трьох сегментів, побудованих у відповідності з вимогами стандарту 10Base-5, наведена на рис. 3.4. На схемі використані такі позначення: Т - термінатор; Тр - трансивер; П - повторювач; МА - мережевий адаптер; AUI - кабель на основі 4-ох скручених пар довжиною до 50 м; DB-15 - тип роз’єму для під’єднання мережевого адаптера до кабелю AUI.

Термінатор ("заглушка") з опором 50 Ом запобігає виникненню відбитих від кінця кабелю електричних сигналів, які можуть спричинити спотворення даних.

Трансивер є вузлом мережевого адаптера, але встановлюється безпосередньо на товстий коаксиальний кабель, який через його жорсткість незручно підводити безпосередньо до комп’ютера.

На коаксиальному кабелі нанесені мітки з кроком 2,5 м, в яких забезпечується мінімальний вплив на мережеві адаптери стоячих хвиль у кабелі. Віддаль між під’єднаннями трансиверів до кабелю повинна бути кратною віддалі між цими мітками: l - віддаль між трансиверами: l=k*2,5 м, де k=1, 2, 3… До одного розподіленого сегменту може під’єднуватися не більше 100 трансиверів.

Використання трансиверів та гнучкого кабелю AUI дозволяє переміщати комп’ютери в межах довжини всього кабелю.

Повторювачі сигналів П призначені для з’єднання в одну мережу декількох розподілених сегментів, максимальна довжина кожного з яких не повинна перевищувати 500 м. Вони відновлюють форму та збільшують потужність сигналів, які передаються по кабелю. Крім цього вони також вносять часові затримки, що збільшує час подвійного розповсюдження сигналів по мережі. Останній фактор є негативним і його потрібно враховувати при розрахунку PDV. Кожний повторювач під’єднується до коаксиального кабелю з допомогою своїх трансиверів.

Стандарт 10Base-5 дозволяє використовувати 5 сегментів з’єднаних 4 повторювачами, з яких тільки 3 може бути навантаженими. Це так зване правило "5-4-3", дотримання якого є обов’язковим при побудові мереж на грубому коаксиальному кабелі.

До переваг мережі Ethernet на товстому коаксиальному кабелі слід віднести:

1. Добрий захист від зовнішніх факторів, у т.ч. від електро-магнітних полів;

2. Велика довжина розподілених сегментів та великі віддалі між під’єднаннями трансиверів;

3. Великі віддалі переміщення комп’ютерів у границях довжини кабелю AUI.

До недоліків мережі Ethernet, побудованій відповідно до вимог стандарту 10Base-5 можна віднести:

1. Висока вартість кабелю;

2. Складність монтажних робіт, обумовлена великою жорсткістю кабелю;

3. Вихід з ладу всієї мережі при пошкодженні кабелю в одному місці.

 

Специфікація 10Base-2

 

Специфікація 10Base-2 описує побудову мережі Ethernet за фізичною топологією "загальна шина" на тонкому коаксиальному кабелі діаметром 0,25 дюйма. Діаметр жили цього кабелю становить 0,89 мм, хвильовий опір - 50 Ом. Такі характеристики мають кабелі RG-58/U, RG-58A/U, RG-58C/U.

Структура одного сегменту мережі Ethernet, побудованого у відповідності з вимогами стандарту 10Base-2, приведена на рис. 3.6.

 

 

 

 

Тонкий коаксиальний кабель має розмітку з кроком 1 м. Комп’ютери з кроком l, кратним одному метру під’єднуються до кабелю з допомогою конекторів К типу BNC. Конектор - це Т-подібних трійник, до середнього відводу якого під’єднується мережевий адаптер, а до двох інших - кінці тонкого коаксиального кабелю. На кінцях розподілених сегментів з тонкого коаксиалу довжиною до 185 метрів необхідно, так само як і при товстому коаксиалі, ставити термінатори, які запобігають утворенню відбитих хвиль. Розподілені сегменти з’єднуються між собою повторювачами, яких у мережі може бути не більше 4-ох. До кожного сегменті може бути під’єднано не більше 30 комп’ютерів.

Як і попередній стандарт, стандарт 10Base-2 вимагає дотримання правила "5-4-3" - п’ять сегментів з’єднуються чотирима повторювачами, з яких не більше трьох можуть бути навантаженими.

При виконанні монтажних робіт при побудові мережі на тонкому коаксиалі біля кожного комп’ютера залишають декілька витків кабелю, необхідних для забезпечення можливості переміщення комп’ютера в межах робочого приміщення.

До переваг мережі Ethernet на тонкому коаксиальному кабелі порівняно з товстим коаксиальним кабелемі слід віднести:

1. Нижча вартість кабелю;

2. Дешевші монтажні роботи, обумовлені порівняно невеликою жорсткістю кабелю;

3. Простіше під’єднання комп’ютерів до розподілених сегментів.

До недоліків мережі Ethernet, побудованій відповідно до вимог стандарту 10Base-2 порівняно з попереднім стандартом можна віднести:

1. Гірший захист від зовнішніх факторів, у т.ч. від електро-магнітних полів;

2. Багато механічних з’єднань з конекторами, що зменшує надійність роботи мережі;

3. Відсутність засобів для тестування механічних пошкоджень кабелю.

 

Специфікація 10Base-Т

 

Специфікація 10Base-Т описує побудову мережі Ethernet з допомогою кабелів на базі неекранованих скручених пар UTP категорії 3. Цей стандарт був прийнятий у 1991 році як додаток до існуючих стандартів Ethernet і отримав позначення 802.3і. Для побудови мережі за фізичною топологією "зірка" він використовує багатопортові повторювачі електричних сигналів - концентратори, до яких мережеві адаптери комп’ютерів під’єднують з допомогою двох скручених пар довжиною до 100 м кожна.

Схему мережі Ethernet, побудованої у відповідності з вимогами стандарту 10Base-Т на базі трипортового концентратора, наведено на рис. 3.7.

Як видно з приведеної схеми, порти мережевих адаптерів і концентраторів 10Base-T мають по одному приймачу R_x і передавачу T_x електричних сигналів, які відповідно з’єднуються між собою двома скрученими парами. Одна пара використовується для передавання закодованих манчестерським кодом біт інформації від передавача T_x мережевого адаптера до приймача R_x порта концентратора, а друга - навпаки, від передавача концентратора T_x до приймача R_x адаптера. При цьому залишається незмінною логічна топологія мережі Ethernet - "загальна шина", так як концентратор всі сигнали, які поступають на вхід одного з його портів після відновлення їх параметрів повторює на виходах інших портів. Якщо на входи портів концентратора одночасно поступають електричні сигнали від декількох адаптерів, то концентратор згідно стандарту 10Base-Т виявляє явище колізії і підсилює його посиланням на виходи усіх своїх портів

jam-послідовності. Метод CSMA/CD доступу до фізичного середовища у цьому стандарті вокористовується у повному обсязі. Максимальна віддаль комп’ютерів від концентратора обумовлена тим, що смуга пропускання скрученої пари UTP категорії 3 дозволяє передавати манчестерський код частотою 10 МГц на віддаль до 100 м.

 

З метою збільшення діаметру мережі і загального числа комп’ютерів у ній стандарт

10Base-T описує побудову мережі Ethernet на декількох концентраторах за фізичною топологією ієрархічна зірка.

Приклад побудови мережі Ethernet за фізичною топологією ієрархічна зірка приведений на рис. 3.8.

Стандарти мережі Ethernet вимагають, щоб при обміні даними між двома найбільш віддаленими комп’ютерами сигнали проходили не більше, чим через чотири концентратори. Це обумовлено як умовами надійного виявлення колізії, так і вимогами методу доступу до фізичного середовища CSMA/CD. Правило "5-4-3", яке діє при побудові мережі Ethernet за фізичною топологією "загальна шина", в мережі Ethernet, побудованій за фізичною топологією "зірка", замінено на правило"4-ох хабів (концентраторів)".

Діаметр мережі стандарт 10Base-Т обмежує 500 м (5х100), а максимальне число комп’ютерів- 1024.

Порівняно з мережею на коаксиальних кабеля мережа, побудована з використання кабелю на основі скручених пар має ряд переваг. До найбільш суттєвих з них слід віднести:

1. Низька вартість кабелю на основі скручених пар та дешевше виконання монтажних робіт;

2. Можливість використання вже існуючих телефонних кабельних систем;

3. Більше число комп’ютерів у мережі;

4. Вища надійність роботи. Пошкодження кабелю не впливає на працездатність мережі в цілому;

5. Можливість від’єднання від концентратора некоректно працюючі адаптери;

6. Дешевша експлуатація мережі.

До недоліків мережі Ethernet, побудованій відповідно з вимогами стандарту 10Base-Т можна віднести:

1. Поганий захист від зовнішніх факторів, у т.ч. механічних пошкоджень;

2. Чутливість до зовнішніх завад.

 

 

 

 

Технологія Fast Ethernet

Технологія Gigabit Ethernet

 

Технологія FDDI

БАЗОВІ ТЕХНОЛОГІЇ ЛОКАЛЬНИХ МЕРЕЖ

Технологія Ethernet