Лабораторна робота № 12. Побудова локальних обчислювальних мереж з використанням технології ethernet

Мета роботи: одержати навички вибору устаткування, кабельної системи для побудови інфраструктури локальної обчислювальної мережі на основі технології Ethernet.

Теоретичні відомості

Технологія Ethernet найпоширеніша на сьогоднішній день технологія локальних мереж. Ethernet - це ціле сімейство технологій, що включає різні міжнародні та фірмові стандарти, найбільш відомими серед них Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet. Успішний досвід експлуатації мережі Ethernet було покладено в основу розробки стандарту IEEE-802.3 для локальних мереж із множинним доступом.

Всі види стандартів Ethernet використовують однаковий метод керування доступом до середовища передачі інформації - метод множинного доступу з контролем передачі та виявленням колізій (carrier sense multiply access with collision detection, CSMA/CD). У найпростішому випадку ця мережа являє собою сегмент коаксіального кабелю, до якого приєднані абонентські системи (рис.1.1).

Фізичний рівень забезпечує з’єднання абонентської системи з фізичним середовищем, кодування і декодування сигналів, їх буферизацію, підтримує і поновлює бітову синхронізацію. Фізичний рівень містить декілька підрівнів: передачі фізичних сигналів, інтерфейсу з модулем з’єднання, модуля з’єднання із середовищем.

На підрівні передачі фізичних сигналів, залежно від вмісту кадру, формуються електричні сигнали, які надходять потім у передавальне середовище. Підрівень передачі фізичних сигналів контролює стан передавального середовища, виробляючи у разі потреби сигнал виявлення зіткнень. Якщо передача кадру є успішної, підрівень передачі фізичних сигналів інформує про це підрівень MAC і очікує наступного запиту на передачу. Якщо середовище зайняте, підрівень MAC затримує передачу свого кадру до звільнення середовища, після чого починає процедуру передачі. Якщо в процесі передачі виявляється зіткнення кадрів, то підрівень передачі фізичних сигналів виробляє сигнал виявлення зіткнень. Отримавши цей сигнал, диспетчер доступу замість кадру передає спеціальну послідовність символів «наявність конфлікту», повідомляючи інші абонентські системи про наявність конфліктної ситуації. Потім, через деякий інтервал часу, абонентська система здійснює спробу повторної передачі інформації. Цей інтервал визначається на основі так званого скороченого експоненціального двійкового алгоритму відстрочення і є випадковою величиною, різною для конфліктуючих абонентських систем. Максимальна, встановлена стандартом кількість спроб повторної передачі дорівнює 16, після чого формується повідомлення про помилку передачі. Слід зазначити, що до завершення цих спроб заборонена передача будь-яких інших кадрів.

У приймальних абонентських системах передача кадрів виявляється підрівнем передачі фізичних сигналів, який за допомогою сигналу «виявлення несучої» повідомляє підрівень MAC про передачу інформації в мережі. Приймальний елемент диспетчера доступу приймає і накопичує послідовність бітів інформації. Коли вміст поля адреси одержувача збігається з адресою абонентської системи, розпаковувальник кадру вилучає преамбулу і початковий обмежувач, перевіряє довжину кадру та правильність його передачі. За відсутності помилок передачі блок даних та інформація, що його супроводжує, передаються для подальшої обробки на підрівень керування логічним каналом (підрівень LLC).

Стандарт IEEE-802.3 визначає фізичним середовищем два типи коаксіального кабелю, виту пару проводів і оптоволоконний кабель.

Коаксіальний кабель

Коаксіальний кабель являє собою двопровідну лінію зв’язку, причому один провідник (центральний) міститься всередині іншого. Центральний і зовнішній провідники відокремлені один від одного ізоляцією. Зовнішній провідник має вигляд циліндра, сплетеного з мідного проводу. Щоб досягнути максимального рівня сигналу, довжина сегмента коаксіального кабелю має бути кратною довжині хвилі сигналу, що передається. Коаксіальний кабель, за допомогою якого можна передавати інформацію в досить великому частотному діапазоні, називається широкополосним. Він може використовуватись як для одноканальної, так і для багатоканальної передачі. У режимі багатоканальної роботи в межах одного фізичного передавального середовища створюється кілька каналів передачі даних, наприклад, завдяки поділу частотного діапазону на окремі піддіапазони. Такий спосіб широко використовується, зокрема, у телебаченні, для передачі кількох програм одним коаксіальним кабелем.

Вита пара

Вита пара являє собою два скручених проводи. Як провідник використовується мідний одножильний або багатожильний скручений дріт. Вартість одножильного кабелю є меншою, проте багатожильний кабель більш надійний і зручний під час монтажу кабельних з’єднань. Взагалі вартість кабелю на основі витої пари проводів менша за вартість коаксіального кабелю. Зовнішньо кабель на основі витої пари подібний до телефонного, але відрізняється від нього наявністю певної кількості скруток на один метр довжини.

Покращення технології виготовлення кабелю для витих пар дало змогу значно поліпшити їхні електричні параметри і наблизити їх до відповідних параметрів коаксіального кабелю.

За рівнем екранування виті пари діляться на неекрановані та екрановані. Екрановані виті пари характеризуються більш високими електричними параметрами. Вони мають виконану з фольги екрануючу ізоляцію для запобігання електромагнітним перешкодам.

Існує кілька типів кабелю з витими парами проводів. Кабелі можуть містити чотири пари провідників або являти собою джгути із 25 і більше пар, що поміщаються у пластмасову оболонку У разі використання екранованого кабелю додається спільний екран.

Хвильовий опір неекранованого кабелю, як правило, дорівнює 100 Ом, а екранованого — 150 Ом. З огляду на широке використання в комп’ютерних мережах витих пар розроблено ряд стандартів, що визначають параметри кабелю.

Кожен тип кабелю має кілька категорій. Наприклад, для неекранованого кабелю з чотирьох витих пар, що достатньо широко використовується в локальних мережах, визначені категорії з номерами 3, 4, 5, 5e, 6. Основне розходження між категоріями полягає в частотних характеристиках. Залежно від категорії кабелю визначається максимально допустима довжина сегмента кабелю між двома активними пристроями, наприклад, між робочою станцією і концентратором. Для кабелю категорії 3 довжина сегмента не повинна перевищувати 100 м. Кабелі вищих категорій можуть забезпечувати зв’язок на великі відстані, зокрема, кабель категорії 5 забезпечує зв’язок на відстані до 150 м.

Впровадження високошвидкісних мережевих технологій, таких як Gigabit Ethernet, з швидкістю передачі більшою ніж 1000Мбіт/с привело до розробки нових категорій кабелю на основі витої пари. В добавок до стандарту на кабель 5 категорії був розроблений стандарт «Специфікація характеристик передачі для чотирьохпарного кабелю – додаток 5», який визначив кабель категорії 5е (Enhanced Category 5). Даний кабель забезпечує передачу до 250 Мбіт/с. Для неекранованої витої пари розроблена специфікація на кабель категорії 6 з частотою передачі до 200МГц. В свою чергу для екранованої витої пари розроблена специфікація на кабель категорії 7 з частотою передачі до 200МГц.

Стандартним також є розподіл контактів і кольорове маркування проводів. Перша пара провідників маркується білим і синім кольорами, друга пара — жовтогарячим і білим, третя — зеленим і білим, четверта — коричневим і білим.

Підключення робочих станцій до передавального середовища за допомогою витих пар здійснюється через роз’єм RJ-45. Зовнішньо ці роз’єми схожі на телефонні роз’єми RJ-11, але відрізняються від них більшою кількістю контактів (вісім замість чотирьох).

Оптоволоконний кабель

Найперспективнішим передавальним середовищем, яке забезпечує швидкість передачі інформації понад 40 Гбіт/с на відстані 100 км без підсилювачів, є оптоволоконний кабель. За середовище передачі в оптоволоконному кабелі використовується оптичне волокно (світловод), що являє собою тонку скляну або пластмасову нитку завтовшки 8,3...100мк. Світловод покритий скляною оболонкою, коефіцієнт відбиття якої інший, ніж у світловоду. Скляна оболонка відбиває світло, спрямовуючи його вздовж світловоду. Між оболонкою світловоду і зовнішньою пластиковою оболонкою може вміщатися рідкий гель (полегшений кабель) або посилювальні жили (посилений кабель). Внутрішня скляна оболонка забезпечує необхідну жорсткість і стійкість до розривів, перегрівання і переохолодження. Гель і посилювальні жили забезпечують додатковий захист від механічного впливу та впливу навколишнього середовища. Сигнал може поширюватись оптичним волокном у вигляді досить тонкого пучка світла або кількох пучків світла. У першому випадку йдеться про одномодовий кабель, у другому — про багатомодовий. Світловод одномодового кабелю значно тонший за світловод багатомодового кабелю. Сигнал в одномодовому кабелі генерується за допомогою лазерного джерела світла. Вибір джерелом світла лазерного діода, який може переключатися з частотою у декілька тисяч мегагерц, забезпечує досить високу швидкість передачі цифрових сигналів.

Джерелом сигналу у багатомодовому кабелі є світлодіод, що істотно знижує вартість передавальної апаратури. У багатомодовому кабелі світлові пучки розглядаються одержувачем як один імпульс. Враховуючи, що кожний пучок світла в багатомодовому кабелі поширюється своїм шляхом, час одержання їх адресатом різний. Унаслідок цього збільшується тривалість імпульсу і, відповідно, знижується можлива швидкість передачі сигналу.

Слід зазначити, що прозорість оптичного волокна є на кілька порядків вищою за прозорість звичайного скла, що дає змогу передавати світловий сигнал на десятки кілометрів без значного зниження рівня сигналу.

Оптичне волокно досить гнучке, це дає можливість прокладати оптоволоконний кабель тими самими каналами, що й коаксіальний кабель. Відповідна технологія виготовлення оптоволоконного кабелю може сприяти тому, що світло поширюватиметься вздовж світловоду без випромінювання назовні, навіть у разі скручування кабелю. Маючи високу швидкість передачі, оптоволоконний кабель значно тонший і легший за звичайний. Несприйнятливість до електричних завад оптоволоконного середовища передачі є тією перевагою, що дозволяє використовувати його поблизу джерел сильних електромагнітних полів, наприклад, електрозварювальних апаратів.

Вартість оптоволоконного устаткування та його монтажу значно вища порівняно з іншими видами мережного устаткування. З цієї причини оптоволоконний кабель використовується в основному в мережах, розташованих на великих територіях, за наявності високого рівня електромагнітних завад, а також з метою захисту від несанкціонованого знімання інформації з передавального середовища.

Для підключення мережних пристроїв до оптоволоконного кабелю використовуються роз’єми типу MIC, SC або ST.

Устаткування, яке використовується для побудови мереж Ethernet

Абонентська система підключається до мережі за допомогою мережевого контролера. Мережевий контролер (Network Interface Card, NIC) – це периферійний пристрій комп'ютера, який безпосередньо взаємодіє із середовищем передачі даних, що прямо або через інше комунікаційне встаткування зв'язує його з іншими комп'ютерами.

У перших локальних мережах адаптер із сегментом коаксіального кабелю являв собою увесь спектр комунікаційного встаткування, за допомогою якого організовувалася взаємодія комп'ютерів. Мережевий адаптер комп'ютера-відправника безпосередньо по кабелю взаємодіяв з мережевим адаптером комп'ютера-одержувача. У більшості сучасних стандартів для локальних мереж передбачається, що між мережевими адаптерами взаємодіючих комп'ютерів встановлюється спеціальний комунікаційний пристрій (концентратор, міст, комутатор або маршрутизатор), що бере на себе деякі функції по керуванню потоком даних.

Пристрої мережі з’єднуються між собою двома витими парами провідників: однією — для передачі, а другою — для прийому інформації. Щоб зменшити кількість проводів, використовують один кабель з чотирма парами провідників. Перша вита пара, по якій інформація передається, підключається до контактів 1 і 2 роз’єму RJ45. Вита пара, по якій здійснюється прийом інформації, підключається до контактів 3 і 6 того самого роз’єму. Крім економічних і технологічних переваг, це дає можливість створювати більш швидкісні мережі, не замінюючи існуючий кабель.

У мережі Ethernet 10BASE-Т концентратор діє як повторювач, передаючи вхідний сигнал на всі свої вихідні лінії. У цьому разі сумарна пропускна здатність локальної мережі є такою самою, як і мережі з шинною топологією (10Мбіт/с).

Комутатори мережі Ethernet 10BASE-Т

Підвищити ефективність мереж Ethernet можна за допомогою комутатора (switch), який працює як вузол комутації пакетів, приймаючи і передаючи кадри між різними парами абонентів одночасно. Це не тільки збільшує продуктивність, а й дає можливість уникнути зіткнень пакетів. Локальні мережі побудовані за такою технологією мають назву Switch Ethernet.

Залежно від виконуваних функцій та їх відповідності рівням еталонної моделі OSI розрізняють комутатори 2-го и 3-го рівнів.

Комутатор 2-го рівня функціонує на канальному рівні. Залежно від адреси одержувача, що вказується в полі адреси, кадр передається тільки на одну вихідну лінію. В цей самий час інші лінії можуть використовуватись для передачі кадрів між іншими абонентськими системами. Отже, реальна пропускна спроможність мережі може значно перевищувати максимальну швидкість передачі даних для кожної окремої абонентської системи.

Існує два типи комутаторів 2-го рівня:

– комутатор із проміжним запам'ятовуванням (store-andforward switch), який приймає кадр по вхідній лінії, обробляє його згідно з функціями канального рівня і направляє по відповідній вихідній лінії;

– комутатор без буферизації (cut-through switch), який починає передавати прийнятий кадр по відповідній вихідній лінії як тільки розпізнає адресу одержувача.

Комутатор без буферизації дає можливість досягти максимальної пропускної здатності, але при цьому переданий кадр може містити помилку, оскільки контрольна сума перед передачею не перевіряється. Комутатор з проміжним зберіганням вносить затримку у взаємодію між відправником та одержувачем, але підвищує ймовірність правильної передачі.

Комутатори 2-го рівня забезпечують вищу продуктивність, задовольняючи потреби транспортування трафіка більшого за обсягом. Проте зі збільшенням кількості пристроїв, підключених до мережі, комутатори 2-го рівня вже не справляються з виконанням своїх функцій. Це, насамперед, пов’язано з тим, що пристрої, які зв’язані комутаторами 2-го рівня, використовують плоский адресний простір. Термін «плоский» (flat) означає, що всі користувачі мають загальну широкомовну адресу канального рівня. А отже, якщо будь- який пристрій посилає кадр з широкомовною адресою, то цей кадр мають отримати всі пристрої мережі, об’єднаної за допомогою комутаторів. У великій мережі це може спричинити значне перевантаження, або, що ще гірше, пошкоджений пристрій здатний створити широкомовний шторм (broadcast storm), при якому численні широкомовні кадри заповнюють мережу.

Друга проблема полягає в тому, що стандартами для протоколів комутації забороняється наявність у мережі замкнених контурів.

Інакше кажучи, між будь-якими двома пристроями може існувати лише один шлях. Отже, стає неможливим з’єднання двох пристроїв кількома маршрутами через декілька комутаторів. Таке обмеження негативно впливає на продуктивність і надійність мережі.

Для розв’язання цих проблем, локальну мережу можна розділити на декілька підмереж (subnetworks), з’єднаних маршрутизаторами. При цьому широкомовний кадр передається тільки у своїй підмережі. Крім того, маршрутизатори застосовують складні алгоритми маршрутизації, завдяки яким підмережі з’єднуються кількома шляхами, що проходять через різні маршрутизатори.

Основний недолік використання маршрутизаторів замість комутаторів 2-го рівня полягає у тому, що вони зазвичай обробляють пакети програмно. Високошвидкісні локальні мережі і високопродуктивні комутатори 2-го рівня можуть передавати мільйони пакетів за секунду, тоді як пропускна спроможність програмних маршрутизаторів є значно нижчою. Для вирішення цієї проблеми використовують комутатори 3-го рівня, в яких логіка маршрутизації пакетів реалізована апаратно.

Мережа Fast Ethernet

Завдяки подальшому розвитку мережі Ethernet на її основі була створена мережа Fast Ethernet, швидкість передачі даних в якій збільшена до 100 мбіт/с. При цьому основні принципи побудови мережі Ethernet залишилися незмінними. Насамперед, це стосується механізму доступу до мережі та формату кадрів. Основні відмінності проявляються на фізичному рівні.

Згідно зі стандартом IEEE-802.3 для технології Fast Ethernet залежно від типу кабелю визначено такі три найменування: 100BASE-TX і 100BASE-T4 — для витої пари провідників і 100BASEFX — для оптоволоконного кабелю.

У мережі 100BASE-TX використовуються дві пари проводів: одна для передачі, друга — для прийому даних. Стандарт допускає використання неекранованої (UTP) і екранованої (STP) витих пар категорії 5. Довжина сегментів мережі 100BASE-TX, побудованої на основі кабелю UTP категорії 5 не повинна перевищувати 100 м. Це обмеження є досить жорстким і зумовлено допустимим часом затримки поширення сигналу в середовищі передачі. Для зниження впливу перешкод використовується біполярна передача: по одному з проводів передається сигнал с позитивним потенціалом, по другому — з негативним. У мережі 100BASE-TX використовується така сама система з’єднання проводів, як і в мережі специфікації 10BASE-T. Це дає змогу заміняти інтерфейсні плати без внесення змін в кабельну мережу.

У специфікації 100BASE-T4 визначена довжина кабелю між абонентськими системами — до 100 м. При цьому допускається використання кабелю UTP категорій 3 і 5, причому перевагу слід віддавати кабелю категорії 5. Із чотирьох пар, що використовуються, дві призначені для односпрямованої передачі, а дві інші — для двоспрямованої передачі.

Специфікація мережі 100BASE-FX визначає довжину сегмента оптоволоконного кабелю— вона не повинна перевищувати 100 м, проте допустимий діаметр мережі дорівнює 412 м. За специфікацією 100BASE-FX для кожного з’єднання необхідний двожильний багатомодовий оптоволоконний кабель, сигнал в якому передається одним волокном, а приймається іншим. Ці волокна мають перехресне з’єднання і тому позначаються як RX (receiver - приймач) і TX (transmitter, передавач). Існує багато видів оптоволоконного кабелю від простих двоволоконних до спеціальних багатоволоконних. Найчастіше в сегментах 100BASE-FX використовується багатомодовий кабель MMF з оптоволокном товщиною 62,5 мікрона і зовнішньою ізоляцією завтовшки 125 мкм, який позначається так: 62,5/125.

Традиційно мережа Ethernet є напівдуплексною. Абонентська система може або передавати, або приймати кадр, але не може робити цього одночасно. За повнодуплексної роботи прийом і передача можуть здійснюватися абонентськими системами одночасно.

Gigabit Ethernet

У мережі Gigabit Ethernet застосовується така сама технологія, як і в мережі Fast Ethernet. Хоча для мережі Gigabit Ethernet визначено новий носій даних, протокол CSMA/CD і формат кадру її 10- і 100-мегабітних попередників у ній збережено. Мережа Gigabit Ethernet сумісна зі стандартами 10BASE-T і 100BASE-T, що полегшує перехід з більш повільних мереж на швидкі мережі Ethernet.

Етапи проектування локальної мережі

-Вивчаються та виміряються приміщення, у яких буде прокладатися мережа, складається план приміщень, з нанесенням на нього місць розміщення робочих станцій. Проектується топологія мережі, схеми розведення кабелю між робочими станціями, сервером і іншим мережним устаткуванням, що наноситься на план приміщення;

-Вивчається функціональне призначення кожного робочого місця, розраховується загальне навантаження на мережу, проводитися повна діагностика робочих станцій, розраховуються оптимальні конфігурації робочих станцій. Якщо буде потреба модернізуються комп'ютери;

-Складається перелік мережного устаткування, що буде використовуватися в проектованій мережі;

-Складається список необхідних сервісів мережі. Виконується розрахунок оптимальної конфігурації сервера;

-Прокладається кабель, при необхідності по кабель-каналі;

-Встановлюється й підключається активне мережне устаткування;

-Встановлюються й настроюються сервери та робочі станції;

-Інсталюється програмне забезпечення.