Технологии построения локальных компьютерных сетей

Содержание
Лекция 1. Стандарты и стеки протоколов, Семиуровневая модель OSI
Лекция 2. Топология вычислительной сети и методы доступа
Лекция 3. ЛВС и компоненты ЛВС
Лекция 4. Физическая среда передачи данных
Тема 1. Типы кабелей и структурированные кабельные системы
Тема 2. Оптоволоконный кабель
Лекция 5. Сетевое оборудование Лекция 5. Сетевое оборудование Ethernet
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

Стандарты, их роль
Стандарты -- правила для производителей. Назначение: обеспечить совместимость продукции.
Открытые системы: многоплатформенность (гетерогенность), открытость, переносимость, совместимость.
Множество организаций, выпускающих стандарты (ГОСТ и ТУ), комитеты, консорциумы, сообщества.
Лицензирование, General Public License.
Лекция 1. Стандарты и стеки протоколов,
cемиуровневая модель OSI
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

Разработчики стандартов
American National Standards Institute
коммуникации: коды, алфавиты, сигнальные схемы;
микрокомпьютеры: языки программирования, SCSI, драйвера ansi.sys;
осн. стандарты и спецификации: интерфейс Token Ring, CSMA/CD, SQL, алгоритмы шифрования.
Common Open Software Environment
разработка общей рабочей Unix-среды. В консорциум входят IBM, HP, SunSoft, Novell.
ITU - International Telecommunications Union (Comite Consultatif Internationale de Telegraphie et Telephonie )
Протоколы ITU-T (CCITT - МККТТ - рус.) относятся к модемам, сетям, передаче факсимильных сообщений.
15 исследовательских групп: A и B − раб. процедуры, термины и определения, I − ISDN, K и L − защита оборудования, R-U − терминальные и телеграфные услуги, V − передача данных по телефонным сетям, X − сети передачи данных.
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

Разработчики стандартов
ITU-T (продолжение)
v.22 − полнодуплексная модемная передача 1200 бит/с,
v.22bis − 2400 бит/с
v.28 − стандарт интерфейса RS-232
v.32 − асинхр. и синхронная передача 4800-9600 бит/с,
v.32bis − до 14400
v.35 − высокоскоростная передача по комбинированным цепям.
v.42 − проверка ошибок
v.42bis − сжатие данных
v.terbo − 19200 бит/с
v.34 − 28800 бит/с, v.34+ − до 33600 бит/с
x2, k56flex −> v.90, v.92 − до 56кбит/с (асимметричные)
X.200 (ISO 7498) − эталонная модель OSI
X.25 (ISO 7776) − сети с коммутацией пакетов
X.400 (ISO 10021) − обмен сообщениями (электронная почта, не Интернет)
X.500 (ISO 9594) − служба каталогов
X.700 (ISO 9595) − Common Management Information Protocol
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

Разработчики стандартов
Electronic Industries Association
1924год. RS-232 - стандарт последовательного соединения с помощью разъемов DB-9 и DB-25 и макс длиной кабеля 15 метров. Определяется соединение между DTE (терминальное оборудование) и DCE (data communication equipment).
Institute of Electrical and Electronic Engineers
Комитеты, 802 (февраль 1980) (до 802.17)
802.1 − взаимодействие сетей
802.2 − управление логической связью
802.3 − CSMA/CD-сеть (Ethernet)
802.4 − сеть Token Bus
802.5 − сеть Token Ring
802.6 − Metropolitan Area Network
802.7 − широкополосная передача
802.8 − оптоволоконная технология
802.9 − интегрированные сети передачи речи/данных
802.10 − безопасность сети
802.11 − беспроводные сети
802.12 − сеть с доступом по приоритету запроса (100VG-AnyLAN)
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

Разработчики стандартов
International Standards Organization
Идеальная модель взаимодействия открытых систем (Open Systems Interconnection Reference Model, OSI/RM )
Open Software Foundation
создает программные среды, объединяя технологии разл. производителей. Unix-подобная ОС - OSF/1, OSF/Motif - граф. интерфейс.
SQL Access Group
совместно с ISO разрабатывает стандарты, определяющие взаимодействие интерфейсных и прикладных систем (в архитектуре клиент-сервер)
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

Модель OSI/RM
APPLICATION
PRESENTATION
SESSION
TRANSPORT
NETWORK
DATA LINK
PHYSICAL
Layer 7
Layer 6
Layer 5
Layer 4
Layer 3
Layer 2
Layer 1
OSI/RM
ПРИКЛАДНОЙ
ПРЕДСТАВИТ.
СЕАНСОВЫЙ
ТРАНСПОРТНЫЙ
СЕТЕВОЙ
КАНАЛЬНЫЙ
ФИЗИЧЕСКИЙ
1984 г. − OSI/RM − метод описания сетевых сред и открытых архитектур.
Цель: стандартизация и простота написания драйверов определенного уровня, возможность организации стеков протоколов.
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

Уровни в модели OSI/RM
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

Уровни в модели OSI/RM
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

OSI и архитектура компьютеров
ПРИКЛАДНОЙ
ПРЕДСТАВИТ.
СЕАНСОВЫЙ
ТРАНСПОРТНЫЙ
СЕТЕВОЙ
КАНАЛЬНЫЙ
ФИЗИЧЕСКИЙ
Пользователь
Операционная
система
Аппаратура
Драйверы
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

OSI и IEEE Project 802
В соответствие с расширением OSI/RM канальный уровень делится на два подуровня:
LLC - Logical Link Control (подуровень управления логической связью)
MAC - Medium Access Control (контроль доступа к среде передачи)
Различия у сетевых архитектур находятся на канальном (MAC-подуровень) и физическом уровнях.
Project 802 разрабатывался для канального и физического уровней.
LLC:
− 802.2,
MAC:
− 802.3 (CSMA/CD),
− 802.4 (шинная сеть с передачей маркера),
− 802.5 (кольцо с передачей маркера),
− 802.12 (по приоритету доступа).
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

Структура пакетов (кадров)
Название порций данных для различных уровней:
прикладной - поток байт (бит),
транспортный - сегмент данных,
сетевой - пакет,
канальный - кадр.
Перед подачей в сеть все данные разбиваются на пакеты. На каждом уровне к пакету добавляется доп. форматирующая или адресная информация. На принимающей стороне по мере поднимания пакета по уровням эта информация отсекается.
Сетевая карта обеспечивает формирование пакетов (−> пакет −> пакет −> пакет −>), их передачу и сбор с контролем ошибок.
Основные компоненты пакета: адрес источника, адрес места назначения, передаваемые данные, инструкции о дальнейшем маршруте, информация по сбору фрагментированного пакета из кадров, информация для коррекции ошибок передачи.
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

Структура пакетов (кадров)
Разделы:
заголовок (сигнал о самом факте передачи пакета, адреса источника и получателя, инфа, синхронизующая передачу),
данные (от 512 байт до 4кб),
трейлер (CRC поле, после получения также вычисляется контрольная сумма и сравнивается с исходной).
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

Передача данных по сети
Виртуальная связь между соответствующими уровнями для удаленных машин (прозрачное взаимодействие на нижних уровнях).
ПРИКЛАДНОЙ
ПРЕДСТАВИТ.
СЕАНСОВЫЙ
ТРАНСПОРТНЫЙ
СЕТЕВОЙ
КАНАЛЬНЫЙ
ФИЗИЧЕСКИЙ
ПРИКЛАДНОЙ
ПРЕДСТАВИТ.
СЕАНСОВЫЙ
ТРАНСПОРТНЫЙ
СЕТЕВОЙ
КАНАЛЬНЫЙ
ФИЗИЧЕСКИЙ
Формирование пакета происходит последовательно на всех уровнях, при получении пакета − отсечение.
Среда передачи
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

Протоколы
Протоколы − набор правил и процедур, регулирующих порядок осуществления некоторой связи.
Их много. Есть преимущества и недостатки.
Работают на разных уровнях OSI RM. Если, например, протокол работает на физ. уровне, значит, он обеспечивает прохождение пакетов через плату адаптера в сетевой кабель.
Несколько протоколов могут работать совместно (стек).
Маршрутизируемые и немаршрутизируемые протоколы.
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

Стеки протоколов
Лекции
Практика
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

Стеки протоколов
TCP/IP (Transmission Control Protocol / internet Protocol) − стандарт для гетерогенных сетей, популярный межсетевой протокол, спец. разработанные для него протоколы SMTP, FTP, SNMP. Недостатки − большой размер и неторопливость. Проблемы с нехваткой IP адресов
NetBEUI (Network Basic Extended User Interface) − связан с NetBIOS (IBM интерфейс сеансового уровня с ЛВС), а сам NetBEIU − трансп. протокол Микрософта. Небольшой, быстрый, эффективный. Не поддерживает маршрутизацию.
X.25 − сети с коммутацией пакетов, полное соответствие OSI/RM.
XNS − Xerox Network System. Большой и медленный, много широковещательных пакетов.
IPX/SPX и NWLink (реализация от Microsoft) − наследник XNS, небольшой и достаточно быстрый.
DECnet − собственный стек маршрутизируемых протоколов, на нем впоследствии вырос И-нет, т.к. он ставился на VAX (Virtual Address Extension) машины с операционной системой VMS.
Набор протоколов OSI
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

ПРИКЛАДНОЙ
ПРЕДСТАВИТ.
СЕАНСОВЫЙ
ТРАНСПОРТНЫЙ
СЕТЕВОЙ
КАНАЛЬНЫЙ
ФИЗИЧЕСКИЙ
Взаимодействие в глоб. сетях
A
B
устройства сетевого уровня
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Типы сетей
Типы сетей
а) одноранговая,
б) на основе сервера,
в) комбинированные сети.
а) рабочая группа <10 чел., низкая стоимость, ОСистемы - Win95, 98…, вопросы сетевой защиты не критичны, расширения не планируются, подготовка пользователя-администратора.
б) специализированные серверы: файл- и принт-серверы, серверы приложений (посылают только данные на запрос), почтовые, факс- и коммуникационные серверы. Разделение ресурсов, защита (1000 и более пользователей), избыточность данных, резервное копирование, требуются более производительные компьютеры.
Узкие места в архитектуре компьютеров и сетевом общении (2002-2004 годы - наблюдается баланс между тремя этими подсистемами):
- центральный процессор
- жесткий диск (устройства ввода-вывода)
- сетевая карта
Лекция 2. Топология вычислительной сети и методы доступа
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Топологии сетей, шина
Физическая (по схеме подсоединения кабелей между коммуникационными устройствами, физическому расположению компонентов сети) и логическая топологии (по схеме доступа к среде передачи, процедуре и порядку общения между устройствами).
Базовые топологии:
Шина (пассивная технология, компьютеры прослушивают сеть, ничего не транслируя и перемещая по сети, выбирают сами момент для передачи в общую для всех станций среду, обрабатывает кадр только компьютер, которому предназначены данные.
Физические аспекты распространения сигналов в кабельной системе: отражение (терминатор), затухание (репитер), при нарушении целостности сети трудно локализовать проблемы.
Пример: Ethernet, построенный на коаксиальном кабеле (одновременно шинная топология физически и логически).
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Топология шина (Ethernet)
Посланный в сеть сигнал получат все станции почти одновременно
репитер (усилитель-повторитель)
компьютеры
терминатор
коакс. кабель
1
BNC коннектор
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Топология звезда (Ethernet)
Звезда: концентратор (активные с питанием и пассивные хабы), лишний расход кабеля, возможность отключения компьютеров от сети, простота расширения сети за счет каскадирования, использование различных портов для подключения кабелей разных типов, вытеснила физическую топологию шина.
витая пара
витая пара
каскадное включение репитеров (хабов)
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Топология кольцо (Token Ring)
Кольцо: каждый компьютер в роли репитера (активность), передача маркера, сложнее локализовать проблемы кабельной системы.
направление продвижения маркера и информационных кадров
На практике при монтаже сети с логической топологией кольцо применяется физическая топология звезда
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Иерархическая топология
Иерархическая топология: устройство на высшем уровне иерархии управляет распространением трафика между устройствами низшего уровня иерархии. Отказ одного из управляющих устройств влечет за собой отказ всей нижеследующей ветки. Возможны перегрузки сети.
корневое коммуникационное устройство
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Другие топологии
Комбинированные технологии: звезда-шина, звезда-кольцо.
Концентраторы соединены магистральной линейной шиной или используют звезду на основе главного концентратора.
Сеть (mesh): все со всеми.
Спутниковая связь:
один ко многим (не звезда)
Точка-точка (point-to-point): один к одному
Соты (радиодоступ), мобильные
сети: базовые станции часто
связаны между собой
обычными наземными каналами.
зона покрытия каждой базы
базовая станция
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Беспроводные сети
Способы передачи:
инфракрасное излучение (прямое, рассеянное, отраженное),
лазер (прямая видимость),
радиопередача в узком спектре (необходимо вкладывать большую мощность в одну частоту - помехи окружающим),
радиопередача в рассеянном спектре (в безлицензионном диапазоне)
а) Метод скачущей частоты (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS) Передача коротких серий данных на одной частоте, потом на другой, потом на третьей… Сложно декодировать (подслушать), приемник должен знать алгоритм перепрыгивания по частотам. Помехи друг другу, в результате, при совпадении частот у двух передатчиков они вынуждены будут снова передать небольшую серию.
б) Метод прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS)
Каждый бит заменяется псевдослучайной последовательностью более 10 бит, таким образом повышается частота модулируемого сигнала, а сл. более размытый спектр. Псевдослучайность гарантирует "хорошее" размытие. Сигнал очень сложно декодировать, т.к. надо знать заранее этот алгоритм кодирования, а также из-за спектрального размытия сигнал очень похож на шум.
Напр., сначала "0" кодируется 0100011011, потом 0111101001 и т.д.
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Вопрос
Дано:
1. Все устройства (например, датчики DS1820) подключаются параллельно по одним и тем же трем проводам к микроконтроллеру
2. Каждый датчик имеет свой собственный уникальный 8-байтовый идентификационный номер
3. Микроконтроллер последовательно опрашивает все датчики по возрастанию их номеров
Вопрос:
Какова физическая и логическая топология в этом случае?
MCU
DS1820 DS1820 DS1820 DS1820
data
+5V
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Кабельные системы
Коаксиальный кабель
Ethernet 10Base2,5 (устарел)
тонкий (185 м, BNC Т-коннектор, баррел-коннектор, терминатор),
толстый (500 м, трансивер, к магистрали через AUI до 50м, зуб вампира,
DB-15, дороже, неудобнее работать).
Витая пара (экранированная, неэкранированная)
Shielded (Unshielded) Twisted Pair, STP, UTP
Категории UTP: 1 - телефонный кабель, 3 - 10Мбит/с, 5 - 100 Мбит/с, 6-7 - 1 Гбит/с.
Везде по 4 витых пары кроме категорий 1 и 2, RJ-45 (кроме Gigabit Eth.).
STP (уменьшены перекрестные помехи, сл. более
высокие скорости и дальние расстояния).
Оптоволокно, Fiber
Защита информации, неподверженность помехам. Жила, стеклянная оболочка, внешняя защитная оболочка. Эффект полного внутреннего отражения. Многомодовое, одномодовое. Обычно два оптоволокна идут в паре (прямой, обратный). Теоретич. возможная скорость высока.
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Лекция 3. ЛВС и компоненты ЛВС
Основными аппаратными компонентами сети являются следующие:
Абонентские системы:
компьютеры (рабочие станции или клиенты и серверы);
принтеры;
сканеры и др.
Сетевое оборудование:
сетевые адаптеры;
концентраторы (хабы);
мосты;
маршрутизаторы и др.
Коммуникационные каналы:
кабели;
разъемы;
устройства передачи и приема данных в беспроводных технологиях.
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Лекция 4. Физическая среда передачи данных
Тема 1. Типы кабелей и структурированные кабельные системы
Тема 2. Оптоволоконный кабель
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Витая пара
Витая пара - это изолированные проводники, попарно свитые между собой некоторое число раз на определенном отрезке длины, что требуется для уменьшения перекрестных наводок между проводниками.
Параметры: диаметр жилы, шаг скрутки, диаметр изоляции, материал изоляции.
1990 год - стандартизована 3 категория витой пары. Шаг скрутки очень большой - неск. десятков сантиметров. Для кабелей 5 категории шаг скрутки разный для разных пар (напр. 13, 15, 20, 24 см.)
Тема 1. Типы кабелей и структурированные кабельные системы
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Витая пара, токовая развязка
Симметричная цепь, помеха синфазна, во вторичные обмотки приемника сигнал шума не передается, потому как на выходном трансформаторе напряжение на обмотке равно Uc (защита от ЭМ помех).
Но! Гальваническая развязка токовой петлей не подразумевает передачу постоянной составляющей сигнала.
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Витая пара, экранирование
Экранирование применяется как для каждой витой пары, так и для всех пар вместе. Плетеные из медной проволоки экраны уменьшают низкочастотные помехи, в экраны из тонкой алюминиевой фольги гасят высокочастотную компоненту. Кроме этого, экран блокирует распространение в эфир ЭМВолн, генерируемых переменным электрическим сигналом в проводах.
Но! Экранирование увеличивает емкость, а сл. затухание в кабеле, а также за счет отражения увеличивает перекрестные помехи между витыми парами.
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Электрические характеристики
R, G определяют тепловые потери в меди и диэлектрике, L и C определяют частотные свойства кабеля.
R растет при увеличении частоты (ток идет в близости от другого проводника, а также вносит свою лепту скин-эффект, когда ток вытесняется на поверхность проводника).
R
L
G
C
проводимость
изоляции
Упрощенная эквивалентная электрическая схема витой пары
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Электрические характеристики
Волновое сопротивление Z=((R+jwL)/(G+jwC)) 1/2, для высоких частот формула для Z упрощается:
Z = (L/C)1/2
В рабочем диапазоне частот для витой пары Z=100±15% Ом, для коаксиального кабеля - 50 Ом, для телевизионного кабеля - 75 Ом.
Для определения Z достаточно измерить емкость отрезка кабеля, разомкнутого на конце, затем индуктивность этого же отрезка, но замкнутого на конце.
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Сигнал в линиях связи
Генератор
сигналов
BNC
коннектор
Тестируемый коакс. кабель
Правильно затерминированная линия: вся энергия импульса поглощается. Все неравномерности в волновом сопротивлении ухудшают сигнал.
R
Осциллограф
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Рефлектометр
Импульсный рефлектометр РИ-10М
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Сигнал в линиях связи
Обрыв кабеля (коаксиал)
Замыкание (коаксиал)
Соединение (муфта) (коаксиал)
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Сигнал в линиях связи
Несколько правильно затерминированных отводов (коаксиал)
Дефект кабеля, а затем обрыв (витая пара)
Вторая половина кабеля мокрая (витая пара)
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Сигнал в линиях связи
Испытание кабеля импульсом в 2 наносекунды (витая пара)
Тот же кабель, но испытание импульсом в 10 наносекунд
Тот же кабель, но испытание импульсом в 100 наносекунд
Высокие частоты не пропускаются кабелем
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Погонное затухание
Погонное затухание (attenuation) - потеря мощности сигнала, выражаемая в децибелах (дБ, dB):
dB=10*log10(Pвх/Pвых)
Затухание в кабеле зависит от таких факторов, как размер и состав проводника (Al, Cu, Ag), материала изоляции, рабочей частоты (диапазона частот) и длины кабеля.
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Перекрестные помехи
Переходное затухание (перекрестные помехи) характеризует помехи от активного сигнала, наведенные в соседней витой паре; выражается в децибелах (дБ, dB): dB=20*log10(Uвх/Uнаведен.)
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Виды переходного затухания
Переходное затухание на ближнем конце (NEXT, Near End Cross Talks). Сигнал имеет наибольшую мощность сразу же после момента передачи данных, поэтому именно на ближнем конце он производит наибольшие наводки в соседней витой паре.
Суммарное переходное затухание (PS NEXT, Power Sum NEXT).
Некоторые сетевые архитектуры задействуют сразу несколько пар при передаче в одном направлении, поэтому PS NEXT важно контролировать после прокладки СКС.
PS NEXT
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Виды переходного затухания
Переходное затухание на дальнем конце (FEXT, Far End Cross Talks).
С одной стороны кабеля сигнал пускают в линию, с другой на неактивной паре измеряют наводки. Также этот параметр актуален для систем, использующих несколько витых пар при передаче одновременно, например, Gigabit Ethernet. FEXT характеризует последствия полнодуплексных операций, когда сигналы генерируются одновременно на ближнем и дальнем концах.
Возратные помехи (Return Loss, см. рисунок на след. слайде).
Любое отклонение от импеданса кабельной сети по длине кабеля приведет к тому, что часть сигнала отразится назад к источнику данных (т.е. уменьшится энергия сигнала в прямом направлении). Изменение импеданса может быть вызвано множеством причин:
несоблюдение технологии в процессе изготовления (расстояние между проводниками, нарушение свойств изолирующего материала);
несоответствие компонентов (кабель 5 категории, розетка - для 3 кат.);
неправильная укладка СКС (несоблюдение норм на радиус изгиба, монтажа разъемов на кабель).
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Импеданс, возвратные помехи
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Перекос задержки
Перекос задержки (Skew) характеризует рассинхронизацию сигналов (например, из-за разного шага скрутки, а, сл., разной длины провода), идущих по разным витым парам внутри одного кабеля. Этот параметр важен для сетевых архитектур со скоростями передачи более 100 Мбит/с (каждый метр расхождений в длине витых пар - примерно 3нс расхождения по времени).
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Характеристика 100BaseT
Для сети Fast Ethernet (100BaseT) характерна следующая зависимость скорости передачи от качества СКС. Увеличение числа ошибок при передаче данных до одного процента приводит к снижению пропускной способности на 80%.
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Сравнит. показатели UTP
Att. (attenuation) - погонное затухание
NEXT - переходное затухание на ближнем конце
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Распространенность UTP
Распространенность разных категорий витой пары.
Источник: журнал LAN Technologies (Jan. 2003)
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Длина проводов UTP
Длина проводных сегментов в сетях, построенных на витой паре.
70% кабелей имеют длину менее 55 метров.
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Ошибки при монтаже СКС
При монтаже СКС следует избегать следующего:
перекручивания кабеля во время протягивания или монтажа;
растягивания кабельных пучков под действием собственного веса на кабельных подвесках;
тугого затягивания провода кабельными хомутами;
резких изгибов кабеля (Rизгиба>4*∅ внешней оболочки витой пары).
Горизонтальные кабели должны использоваться в сочетании с коммутационным оборудованием и пэтч-кордами (или кроссировочными перемычками) той же, или более высокой, категории рабочих характеристик.
Следует помнить, что смонтированная кабельная система UTP классифицируется в соответствии с наихудшими рабочими характеристиками компонента линии!
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Оптоволокно, физ. особенности
Широкополосность оптических сигналов, несущая f=1014-1015Гц. Следовательно в такой среде можно передавать полезный сигнал с частотой 1012Гц, или Тбит/с.
Скорость передачи может быть увеличена вдвое за счет того, что подному волокну можно передавать одновременно в двух направлениях.
Скорость можно поднять еще в два раза благодаря использованию волн перпендикулярных друг другу поляризаций.
Частотное уплотнение по оптоволоконным линиям связи - передача разных сигналов на разных длинах волн.
Очень малое затухание светового сигнала в среде передачи (до 0.15 dB/км, теоретический предел для фторцирконатных волокон 0.02 dB/км).
Неподверженность электромагнитным помехам.
Химическая стойкость.
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Оптоволокно, тех. особенности
Основа оптоволокна - кварц (SiO2), самый распространенный в природе материал, недорогой в отличие от меди.
Оптические волокна имеют диаметр менее 100 микрон, имеют малый вес, могут применяться в авиации, приборостроении, кабельной технике.
Оптоволокно - гальваническая развязка между контурами, существует возможность встраивать оптоволоконные кабеля в высоковольтные линии (человеку сложно навредить, и для волокна не надо делать подвесов - висит на силовом кабеле).
Долговечность (более 25 лет).
Возможность наращивать пропускную способность постоянно благодаря смене оконечного оборудования.
Сложно "подслушать" передачу неразрушающим среду способом, т.к целостность оптоволокна постоянно контролируется.
Тема 2. Оптоволоконный кабель
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Шифрация передачи по оптике
Можно модулировать сигнал не по амплитуде, а по фазе (например, с помощью интерферометра Майкельсона). При таком способе передачи информация не может быть перехвачена обычным амплитудным приемников, т.к. он зарегистрирует сигнал постоянной интенсивности.
Можно даже специально добавлять шумовой сигнал для ухудшения приема. Восстанавливать исходный сигнал придется также с использованием техники интерферометрии.
hν
~U
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Недостатки оптики
Электроника отстает от оптики по частотам.
Оконечное оборудование с электрооптическими и оптоэлектрическими преобразователями очень дорогое.
Необходимы оптические соединители с очень малыми потерями (иначе нагрев).
Технологически необходимы охладители мощных электрооптических преобразователей (например, лазеров).
Для монтажа оптоволоконных линий требуется прецизионное оборудование.
Восстановление работоспособности при авариях оптомагистралей обходится намного дороже, чем при авариях на медных и радиорелейных линиях связи.
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Структура оптоволокна
Показатель преломления сердцевины больше показателя преломления оболочки (n1>n2), только тогда возникает эффект полного внутреннего отражения.
Сердцевина, n1
Оболочка, n2
Защитное покрытие
n1
n2
Луч поглощается
Луч отражается
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Виды волокон
Лучи, входящие под разными углами в оптоволокно называются модами, а волокно, поддерживающее несколько мод - многомодовым. По одномодовому волокну распространяется только один луч.
а). одномодовое оптоволокно
б). многомодовое оптоволокно
а).
б).
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Показатель преломления
Оптическое волокно различается по характеру распределения показателя преломления вдоль диаметра сердцевины.
Характерные размеры.
Одномодовое:
Диаметр сердцевины - 8-10 мкм.
Диаметр оболочки - 125 мкм. Близость к дифракционному пределу.
Многомодовое:
Диаметр сердцевины (градиентное оптоволокно) - 50-62.5 мкм.
Диаметр оболочки - 125 мкм.
Диаметр сердцевины (ступенчатое оптоволокно) - 100-500 мкм.
n
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Ход лучей в многомод. волокне
Сердцевина
ступенчатое
оптоволокно
градиентное
оптоволокно
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Спектр поглощения
Окна прозрачности (все в инфракрасном диапазоне): 0.85мкм, 1.3мкм, 1.55 мкм. В соответствие этим окнам выпускаются и излучатели. На данный момент все скоростные системы оптической передачи работают в одном из трех диапазонов:
Затухание (кварц), dB/км
L
C
C-полоса (1530-1565нм)
L-полоса (1565-1620нм)
окно прозрачности вблизи 1.3мкм
Источник: David R. Goff. Fiber Optic Reference Guide
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Дисперсия
Модовая дисперсия: лучи, одновременно вошедшие в оптоволокно, выйдут из него в разное время в зависимости от угла входа. Это явление характерно для многомодовых волокон, оно сильно понижает максимальную дальность передачи сигнала. Например, для 100Мбитной сети при использовании многомодовых оптических волокон максимальная длина сегмента составляет 2 км.
Материальная дисперсия обусловлена тем, что лучи света разных длин волн распространяются с разной скоростью, а, следовательно, размывают фронты импульсов. Это явление необходимо учитывать для одномодовых волокон.
расширение импульсов в оптоволокне
λ
I, n
V(λ)=c/n(λ)
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Полоса пропускания
Материальная дисперсия ограничивает полосу пропускания, которая измеряется в МГц/км (ГГц/км, ТГц/км).
Пример. Если ширина спектра излучения светодиода со свечением в ближнем инфракрасном диапазоне (800нм) составляет 50нм, то световые импульсы расширяются на 5нс при прохождении каждого километра, следовательно, сквозь такую километровую линию можно пропустить сигнал с максимальной частотой примерно 100МГц, а полоса пропускания кабеля будет 100МГц/км.
К счастью, длины волн 1.3мкм и 1.5мкм (минимумы по поглощению для волокон некоторых типов) являются также точками минимальной материальной дисперсии.
Подбор состава и легирование оптических волокон позволяют выровнять зависимость n(λ) в небольшом диапазоне длин волн.
λ
n
λ
n
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Затухание
Рассеяние энергии происходит из-за микроскопических неоднородностей в волокне.
Поглощение - преобразование энергии света в тепловую из-за микровкраплений.
Современные технологии позволяют создать такие среды, в которых поглощение на 6 метрах длины оказывается меньше, чем в обычном оконном стекле толщиной 3 мм.
Потери на стыках
Центровка, параллельность сколов, их качество.
Потери на изгибах
Выход излучения за пределы сердцевины и поглощение в оболочке.
Для оптических кабелей, на основе одномодовых волокон, работающих на длинах волн 1.3 и 1.5мкм, изгиб не сильно критичен, поскольку волокна в кабеле уже предварительно закручены вокруг оси.
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Монтаж оптоволокна, разъемы
В России при монтаже волоконно-оптических сетей используют следующие виды разъемов.
ST
FC
SC
LC
ST: дешевый, самый распространенный (используется обычно на 10 Мбит)
SC: также достаточно популярный
FC: с винтовой резьбой, похож на ST
LC: миниатюрен, более удобен в коммутационном оборудовании, но дорогой
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Монтаж оптоволокна
Сплайсы - коробочки с автоматическим центрированием жил без клея (до 0.1dB), нужен качественный перпендикулярный скол.
Либо во втулку наливают гель - он и герметик, и обеспечивает оптический контакт.
Сварка - 0.01dB
Последовательность операций при оконцовывании оптоволокна:
снятие изоляции, удаление грязи, протирка, защита оптоволокна кембриком, нанесение двухкомпонентного клея, продевание оптоволокна сквозь разъем, скол оптоволокна, шлифовка скола (контроль с помощью микроскопа).
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
История развития
В 1870 году Джон Тиндалл (John Tyndall) продемонстрировал движение светового луча внутри оптически более плотной среды.
В 1880 году Александр Грахам Белл (Alexander Graham Bell) создал систему передачи звука по световому лучу (расстояние 200 метров).
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Поколения ВОЛС
Поколения передачи и приема оптической информации:
1975 г. - диод, работающий на длине волны 0.85 мкм, многомодовое оптоволокно, AlGaAs/GaAs светодиодный или лазерный передатчик, кремниевый детектор.
1982 г. - одномодовые передатчики, работающие на длине волны 1.3 мкм.
1989 г. - диодные лазеры 1.55 мкм, одномодовое волокно со смещенной дисперсией.
Когерентные системы связи, частотная или фазовая модуляция - большая дальность передачи. Безрегенераторная когерентная ВОЛС STM-16 на скорость передачи 2.48832 Гбит/с протяженностью в 300 км. В лабораториях NTT в 1990 году ученые впервые создали систему связи с применением оптических усилителей на скорость 2.5 Гбит/с на расстояние 2223 км.
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Поколения ВОЛС
5. Положение дел сейчас:
Применение с сер. 1990х годов оптических усилителей на основе световодов, легированных эрбием, усиление до 30 dB. В эксплуатации трансатлантические линии связи США-Европа ТАТ-8 и ТАТ-9, Тихоокеанская линия США-Гавайские острова-Япония ТРС-3. ВОЛС прокладываются по побережьям всех континентов.
Специалистам компании Alcatel удалось передать данные по подводному оптоволоконному кабелю на расстояние свыше 320 км со скоростью 1,6 Тбит/c без применения повторителей. Flag-Atlantic (FA-1) - 2001 г. - 2.4Тбит/сек. Развивается технология DWDM.
6. В последние годы наряду с когерентными системами связи развивается альтернативное направление: солитоновые системы связи. Солитон - это световой 10пс импульс с необычными свойствами: он сохраняет свою форму и теоретически может распространяться по "идеальному" световоду бесконечно далеко. Солитоновые системы, в которых отдельный бит информации кодируется наличием или отсутствием солитона, могут иметь пропускную способность не менее 5 Гбит/с на расстоянии 10 000 км.
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Стоимость ВОЛС
Прокладка 1 км. оптоволоконного кабеля под водой - 80000$.
Прокладка 1 км. кабеля под землей - 10000$ (2000 год, Россия).
Стоимость сооружения ВОЛС в расчете на 1 Мбит/сек:
1998 год -- 650000$ за 1Мбит/сек.
2001 год -- 400$ в FA-1 за 1Мбит/сек.
Соответственно, тарифы на трафик должны постоянно уменьшаться.
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
DWDM
Dense Wavelength Division Multiplexing
(спектральное уплотнение с мультиплексирование по длине волны)
лазер накачки
Мульти-
плексор
DWDM
Демульти-
плексор
DWDM
λ1
λ2
λn
λ1
λ2
λn
. . .
. . .
оптоволокно
Усилитель на волокне, легированном эрбием
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
WDM демультиплексор
λ1
λ2
λn
. . .
Оптический демультиплексор работает по принципу спектрометра (фильтра определенных частот).
дифракционная решетка или другой спектральный элемент
суммарный оптический сигнал
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
DWDM, прогресс
Кол-во каналов WDM
Пропускная способность одного канала
Общая пропускная способность кабеля
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
История создания Ethernet
В 1973 году Роберт Меткалф и Давид Боггс (R. Metcalfe, D. Boggs) сотрудники лаборатории Xerox в Пало-Альто разработали Ethernet, как сеть передачи информации между первыми графическими PC. Скорость передачи - 2.94 Мбит/с. По аналогии с законом Мура (Gordon Moore, сооснователь Intel), Р.Меткалф предсказал экспоненциальный рост сетей.
Эскиз технологии Ethernet (Р.Меткалф)
Р.Меткалф
Лекция 5. Сетевое оборудование Ethernet
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
История создания Ethernet
Эскиз технологии Ethernet (Р.Меткалф)
Источник: http://www1.chapman.edu/soe/faculty/piper/teachtech/history.htm
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
История развития сетей
Источник: http://www.ciw.cl/recursos/Ferguson/new_networks.htm
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
История развития Ethernet
Источник: http://www.dcs.gla.ac.uk/~bryce/Ethernet/IEEE_802.3_Extensions.htm
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

Характеристики Ethernet
Ethernet – технология (сетевая архитектура) локальных вычислительных сетей, описанная стандартами физического и канального уровней модели OSI/RM.
Скорость передачи данных – 10 Мбит/с, 100 Мбит/с (Fast Ethernet), 1 Гбит/с (Gigabit Ethernet), 10 Гбит/с (10 Gigabit Ethernet). Внутри каждой спецификации существует еще несколько подвидов (например, 100Base-TX, 100Base-FX для Fast Ethernet), характеризуемых разными видами подключения к среде передачи (оптоволокно, витая пара, коаксиальный кабель), а также методами кодирования сигнала и включением/выключением тех или иных коммуникационных опций.
Как уже было сказано, на канальном уровне все устройства имеют свой адрес, обычно определенный аппаратно. В технологии Ethernet в качестве адреса используется 6-байтовый идентификатор МАС (medium access control, например, 00:00:C0:5E:83:0E).
Различают широковещательные (broadcast), уникальные (unicast) MAC-адреса и МАС-адреса групповой рассылки (multicast).
Net Security
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Характеристики Ethernet
10 Мбит/с —Ethernet (10Base)
100 Мбит/с — Fast Ethernet (100Base)
1000 Мбит/с — Gigabit Ethernet (1000Base)
10 Гбит/с (некоторые спецификации на стадии принятия)
Среда передачи: экранированная и неэкранированная витая пара, оптоволокно, радиоволны.
Кодирование на физическом уровне (для 10Мбит/с): манчестерский код (униполярный сигнал), повышение среднего напряжения в линии в случае коллизий отлавливается аппаратурой.
Характеристики: широковещательная система, станция может начать передачу в любой момент, конкуренция за среду передачи.
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
CSMA/CD
Метод доступа к среде передачи - множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов CSMA/CD.
CS (carrier sense) - постоянная проверка среды передачи (idle, busy).
MA (multiple access) - если среда свободна, любая станция может начать передачу.
CD (collision detect) - обнаружение коллизий.
CSMA/CD работает только при включении полудуплексного режима.
репитеры
А
В
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
CSMA/CD
При обнаружении коллизии станция выдает в среду передачи специальный сигнал, называемый jam-последовательностью, облегчающий обнаружение коллизии другими станциями. Обычно jam-последовательность выдается с нарушением схемы физического кодирования.
После обнаружения коллизии каждый узел, который передавал кадр и столкнулся с коллизией, после некоторой задержки пытается повторно передать свой кадр.
Длина кабельной системы выбирается таким образом, чтобы за время передачи кадра минимальной длины сигнал коллизии успел бы распространиться до самого дальнего узла сети.
Между двумя последовательно передаваемыми по общей шине кадрами информации должна выдерживаться пауза в 96 тактов (9.6 мкс для скорости 10 Мбит/сек); эта пауза нужна для приведения в исходное состояние сетевых адаптеров узлов, а также для предотвращения монопольного захвата среды передачи данных одной станцией.
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Алгоритм CSMA/CD (передача)
1. Подготовка кадра к передаче
2. Число попыток = 0
Среда передачи занята?
1. Ожидание: 96 тактов (IFG)
2. Начало передачи
Коллизия произошла?
Завершение передачи
1. Выдача jam-сигнала
2. Число попыток ++
Число попыток >16?
1. Вычисление экспоненциаль-
ной задержки
2. Ожидание
Передача не прошла,
число попыток превышено
нет
нет
нет
да
да
да
k:=Min(attempts,10)
r:=Random(0,2k) delay:=r*Slot_time
{Slot_time~t512 бит}
IFG (InterFrame Gap)=96
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Алгоритм CSMA/CD (прием)
Сигнал обнаружен?
Получение SFD, подстройка синхронизации, прием кадра, расчет контрольной суммы. В случае коллизии - jam-последовательность, возврат.
FCS верное?
Кадр сбрасывается
Передача данных кадра на обработку протоколам высшего уровня
нет
да
да
Совпадает адрес назначения с собственным или широковещательным адресом?
да
нет
нет
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Домены коллизий
Домен коллизий - часть сети Ethernet, в которой нет буферизирующих кадры устройств (например, коммутаторов с проверкой корректности полученного кадра) или множество всех станций сети, одновременная передача любой пары из которых приводит к коллизии.
.
Коллизий не существует (сетевые карты работают в дуплексном режиме)
Если сеть построена на репитерах, то домен коллизий включает в себя всю кабельную систему, (сетевые карты работают в режиме полудуплекса)
Домен коллизий ограничен кабелем от сетевой карты до коммутатора (сетевые карты работают в полудуплексном режиме)
А
В
витые пары
репитер
коммутатор
домены коллизий
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Полудуплекс Ethernet
Сравнительные характеристики Ethernet, Fast Ethernet и Gigabit Ethernet для полудуплексного режима передачи
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Форматы кадров Ethernet
Pre - преамбула (7 байт 10101010) для синхронизации на приемной стороне
SFD - начальный ограничитель кадра (Starting Frame Delimiter, 10101011)
DA - адрес назначения (Destination Address, 6 байт - МАС адрес)
SA - адрес источника (Source Address, 6 байт - МАС адрес)
T - тип кадра, 2 байта (для кадра Ethernet II)
L - длина кадра, 2 байта (для кадров Ethernet 802.3, Ethernet 802.2, Ethernet SNAP)
LLC data - 0-1500 байт, информация с заголовками верхних уровней
Pad - поле заполнения, если поле LLC data меньше 46 байт
FCS - контрольная сумма кадра (Frame Check Status, 4 байта, циклический избыточный код по всем полям, кроме Pre+SFD и FCS)
Общая длина кадра Ethernet - 64-1518 байт, длина заголовочной и трейлерной частей (без преамбулы) - 18 байт
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Типы МАС адресов
Unicast
Каждое терминальное коммуникационное устройство, как правило, имеет уникальный адрес канального уровня. Первый бит шестибайтовой последовательности всегда 0.
Multicast
Такой адрес идентифицирует станции, выделенные в группу администратором. Первый бит - 1, остальные любые, кроме всех 1. Не может быть адресом отправителя SA.
Broadcast
Все биты адреса выставляются в 1, т.е. адреса выглядит FF-FF-FF-FF-FF-FF. Кадр с таким адресом предназначен для всех станций в сети.
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Форматы кадров Ethernet
Если значение поля Тип>1500 (0x05DC), то данный кадр - Ethernet II, а значение в этом поле указывает на протокол верхнего уровня.
0x0800 для IP, 0x0806 для ARP, 0x809B для AppleTalk, 0x0600 для XNS, и 0x8137 для IPX/SPX.
LLC data = LLC заголовок (3 байта: DSAP, SSAP, поле управления) + данные.
DSAP, SSAP - Destination (Source) Service Access Point - код службы на приемной и передающей сторонах.
Если Длина<1500, то:
Если 2 байта (DSAP, SSAP) = 0xFFFF, то кадр - Ethernet 802.3 (устарел);
Если 2 байта (DSAP, SSAP) = 0xАААА, то Ethernet SNAP (популярный формат в сетях TCP/IP, более гибкий стандарт, чем Ethernet II);
Иначе - кадр Ethernet 802.2 (используется фирмой Novell).
Кадры различных форматов могут сосуществовать в одной сети. Различия в форматах кадров технологии Ethernet могут иногда приводить к несовместимости аппаратуры, рассчитанной на работу только с одним стандартом. Производится автоматическое детектирование типов кадров по характерным значениям некоторых полей.
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Типы процедур обмена данными
Три типа процедур обмена данными:
LLC 1 определяет обмен данными без предварительного установления соединения и без повторной передачи кадров в случае обнаружения ошибочной ситуации, то есть является процедурой дейтаграммного типа. Этот тип процедуры используется во всех практических реализациях Ethernet. Поле управления для этого типа процедур имеет значение 03, что определяет все кадры как ненумерованные.
LLC 2 определяет режим обмена с установлением соединений, нумерацией кадров, управлением потоком кадров и повторной передачей ошибочных кадров. В локальных сетях Ethernet этот режим используется редко.
LLC 3 определяет режим передачи данных без установления соединения, но с получением подтверждения о доставке информационного кадра адресату. Только после этого может быть отправлен следующий информационный кадр.
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Спецификации Ethernet
10Base-5 - коаксиальный кабель диаметром 0.5 дюйма, называемый "толстым" коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента - 500 метров (без повторителей).
10Base-2 - коаксиальный кабель диаметром 0.25 дюйма, называемый "тонким" коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента - 185 метров (без повторителей).
10Base-T - кабель на основе неэкранированной витой пары (Unshielded Twisted Pair, UTP). Образует звездообразную физическую топологию с концентратором. Расстояние между концентратором и конечным узлом - не более 100 м. Передача и прием ведется по двум парам из четырех.
10Base-F - оптоволоконный кабель. Топология аналогична стандарту на витой паре. Имеется несколько вариантов этой спецификации - FOIRL, 10Base-FL, 10Base-FB.
Для всех стандартов Ethernet логическая топология - шина (если сеть построена не на коммутаторах).
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Ethernet 10Base-T
10Base-T может поддерживать как дуплексную, так и полудуплексную передачу, поскольку передача ведется по двум симплексным витым парам с использованием разъема RJ-45.
10Base-T
10Base-T
RJ-45
RJ-45
Четырех-парный кабель UTP 3 и 5 категории.
Используется только две однонаправленных пары.
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Стеки Ethernet и Fast Ethernet
LLC (802.2)
MAC
LLC (802.2)
MAC
п/у согласования
п/у физ. кодирования PCS
Physical Medium
Attachment (PMA)
PM Dependent
autonegotiation
MDI
Physical Medium
Attachment (PMA)
Medium Dependent Interface
(разъем)
AUI
Medium
Independent Interface (MII)
физический уровень
канальный уровень
802.3i 10Base-T
802.3u 100Base-T
Media
Dependent
Interface
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Fast Ethernet (100 Mbps)
В мае 1995 года комитет IEEE принял спецификацию Fast Ethernet в качестве стандарта 802.3u. Отличия FE от E обусловлены не только использованием различных вариантов кабельных систем и электрических параметров импульсов, как это сделано в технологии 10 Мб/с Ethernet, но и способом кодирования сигналов и количеством используемых в кабеле проводников.
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Физический уровень FEthernet
Физический уровень состоит из трех подуровней:
подуровень согласования (reconciliation sublayer)
независимый от среды интерфейс (Media Independent Interface, MII, внутренний и внешний (40 Pin, 1м, 5v)) - поддерживает независимый от используемой физической среды способ обмена данными между MAC-подуровнем и подуровнем PHY. Похож на AUI, только AUI между PHY (там всегда одинаковое кодирование) и PMA
устройство физического уровня (Physical layer device, PHY) - обеспечивает кодирование данных, поступающих от MAC-подуровня для передачи их по кабелю определенного типа, синхронизацию передаваемых по кабелю данных, а также прием и декодирование данных в узле-приемнике
LLC (802.2)
MAC
п/у согласования
PHY
TX
PHY
T4
опто-
волокно
витая пара
MII
PHY
FX
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Media Independent Interface
Media Independent Interface, MII.
Интерфейс MII может использоваться не только для связи PHY с MAC, но и для соединения устройств PHY с микросхемой повторения сигналов в многопортовом повторителе-концентраторе.
Данные о конфигурации, а также о состоянии порта и линии хранятся соответственно в двух регистрах: регистре управления (Control Register, для установки скорости работы порта, для указания, будет ли порт принимать участие в процессе автопереговоров о скорости линии (наиб. высокоскоростной режим), для задания режима работы порта - полудуплексный или полнодуплексный, и т.п.) и регистре статуса (Status Register, информацию о действительном текущем режиме работы порта).
ИМС репитера (коммутатора)
порты репитера
(коммутатора)
MII
MII
MII
PHY
TX
PHY
TX
PHY
FX
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Физический уровень 100Base-FX
Многомодовое оптоволокно.
Прием данных в параллельной форме от MAC-подуровня, трансляция их в один поток бит (TX или FX) и передача их через разъем в кабель и наоборот на приемной стороне.
PHY FX == PCS (4b/5b), PMA, PMD. PHY FX и TX похожи.
4b/5b: физ. кодирование - NRZI, сл. для того, чтобы избавиться от длинных последовательностей 0 применяют логического кодирование - 4b/5b.
Из 32 комбинаций 5 бит используется 16, остальные - под служебные.
Схема непрерывного обмена информацией. В отличие от 10BaseT, незанятая сеть наполнена символами Idle (11111) - поддерживается синхронизм и проверяется целостность сети. Есть запрещенные комбинации, сл. повышается устойчивость сети за счет отбрасывания таких символов.
MII
PHY FX/TX
MAC
MDI
MII
PHY FX/TX
MAC
MDI
Tx
Tx
Rx
Rx
11111
11111
11111
11111
11111
11111
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Кадр Fast Ethernet
Для отделения кадра Ethernet от символов Idle используется комбинация символов Start Delimiter (пара символов JK, также из числа избыточных символов для логического кодирования 4b/5b), а после завершения кадра перед первым символом Idle вставляется символ T - ограничитель конца потока значащих символов.
Результирующий код (4b/5b+NRZI) передается со скоростью 125Мбод (125МГц - тактовая частота), 8нс - битовое расстояние.
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Физический уровень 100Base-TX
Двухпарная витая пара (5 кат. или STP 150 Ом).
PHY FX == PCS (4b/5b), PMA, TP-PMD + Auto-negotiation.
Отличия от FX - использование метода MLT-3 для передачи 5-битовых порций и договор о скорости работы порта.
Auto-negotiation - автопереговоры по принятию режима работы порта (PHY TX и PHY T4).
Автопереговоры позволяют сетевым картам проделать следующее:
сообщить о спецификации Ethernet и доп. возможностях на другой конец UTP и договориться о максимальном приемлемом для обоих режиме (из пяти возможных по убыванию для Fast Ethernet):
- 100Base-TX full-duplex (2 пары категории 5 (или Type 1A STP)
- 100Base-T4 (4 пары категории 3)
- 100Base-TX (2 пары категории 5 (или Type 1A STP)
- 10Base-T full-duplex (2 пары категории 3)
- 10Base-T (2 пары категории 3)
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Autonegotiation
Переговорный процесс происходит при включении питания устройства, а также может быть инициирован и в любой момент модулем управления.
Для организации переговорного процесса используются служебные сигналы проверки целостности линии технологии 10Base-T - link test pulses, если узел-партнер поддерживает только стандарт 10Base-T. Внутрь них инкапсулируется информация переговорного процесса Auto-negotiation - Fast Link Pulse burst (FLP).
Устройство, начавшее процесс auto-negotiation, посылает своему партнеру пачку импульсов FLP, в котором содержится 8-битное слово, кодирующее предлагаемый режим взаимодействия, начиная с самого приоритетного, поддерживаемого данным узлом. Если узел не понимает автодоговора, то он шлет в сеть каждые 16мс link test pulses.
Пример: две сетевых карты 100Base-TX, но только одна может работать в полнодуплексном режиме. Установленный режим в результате autonegotiation - 100 Мбит/с полудуплекс.
10Base-T и 100Base-TX --> 10Base-T (скорее всего полудуплекс), редко бывает, что вообще не договорятся.
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Физический уровень 100Base-T4
Четырехпарная витая пара PHY T4 для старых сетей на категории 3.
PHY T4 == PCS (8B/6T), PMA + Auto-negotiation.
8B/6T (8 бит / 6 триад): каждые 8 бит информации MAC-уровня кодируются 6-ю троичными цифрами (ternary symbols), то есть цифрами, имеющими три состояния, битовое расстояние - 40 наносекунд. (28=256, 36=729, введена избыточность)
Группы из 6-ти троичных цифр затем передаются в три передающих витых пары. Четвертая пара - для прослушивания несущей частоты в целях обнаружения коллизии. 3*25МГц(такт)*8/6=3*33.3 Мбит/c=100Мбит/с.
Соединение RJ-45 карты с портом репитера по спецификации PHY T4:
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
передача (1-2)
прием (3-6)
двунаправ. пара (4-5)
двунаправ. пара (7-8)
MDI сетевой карты
MDI-X концентратора
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Две разводки кабеля (А и В)
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Поддержка VLAN
VLAN - Virtual Local Area Networks, возможность создания виртуальных локальных сетей на коммутаторах (1998 год).
Технология коммутации кадров позволяет сделать логическую конфигурацию локальной сети независимой от ее физической инфраструктуры.
Цели нововведения:
1. обеспечить средства поддержки приложений, критичных ко времени задержки и стабильности пропускной способности;
2. позволить объединять станции в независимые логические группы, обеспечить коммуникацию внутри группы, разграничив внутренний и внешний трафики (коммутаторы отсылают кадры, в том числе широковещательные, только станциям в группе, идентификатор которой обнаружен в заголовках кадра);
3. упростить конфигурирование локальных сетей.
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Кадр с тегом VLAN
Кадр МАС уровня был увеличен до 1522 байт (добавлено 4 байта).
Заголовок VLAN состоит из двух полей:
VLAN type ID (два байта на прежнем месте поля T|L, имеющие заранее определенное стандартное значение) и
Tag Control Information (два байта, указывающие на приоритетность кадра (0-минимальный, 7 - максимальный), а также на идентификатор конкретной VLAN).
Информацией в заголовке VLAN пользуется коммутаторы при принятии решения в какой(ие) порт(ы) переправлять кадр. При принятии кадра VLAN конечной станцией, она выбрасывает информацию в теге VLAN и обрабатывает кадр как обычно.
Для функционирования сетей VLAN необходимо, чтобы все станции "понимали" этот формат кадра!
46-1500 байт
2 байта
2 байта
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Реализация VLAN
Появилась возможность защищать корпоративные сети благодаря выделению части станций в недоступную для всех VLAN.
Показателем правильной конфигурации топологии VLAN и размещения информационно-вычислительных ресурсов является соотношение объема внутрисетевого трафика к трафику, передаваемому в другие VLAN. Хорошим соотношением является 80/20, когда 80% трафика передается в рамках одной VLAN и не требует маршрутизации, а обмен данными с другими виртуальными сетями составляет 20%.
Желательно, чтоб каждая виртуальная сеть имела канал с маршрутизатором (или маршрутизаторами), адекватный по пропускной способности интенсивности межсетевого трафика.
VLAN коммутатор
маршрутизатор
"закрытая" для всех сеть, свой домен коллизий (если нет буферизации кадров)
ЛВС с доступом в Интернет
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Gigabit Ethernet
Подуровни Gigabit MAC и согласования (reconciliation)
Gigabit Media Independent Interface (опционален)
1000Base-X PCS (8B/10B), PMA, autonegotiation
1000Base-T PCS, PMA, autonegotiation
CX-PMD
LX-PMD
SX-PMD
1000Base-T
PMD
2 витых пары STP
2 одно- или много-модовых оптоволокна
4 витых пары UTP 5 категории и выше
2 много-модовых оптоволокна
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Соединение 1000Base-T
PMA
PCS
PMA
PCS
4 витых
пары
PAM-5 кодирование (обычно)
номера битов
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Спецификации GEthernet
9 мкм, одномодовое
50 или 62.5 мкм, многомодовое
400 или 500 МГц-км
50 мкм, многомодовое
500 МГц-км
50 мкм, многомодовое
400 МГц-км
62.5 мкм, многомодовое
200 МГц-км
62.5 мкм, многомодовое
160 МГц-км
4 пары кат. 5
UTP
витая пара STP
1000Base-CX
1000Base-T
1000Base-SX
λ=850нм
1000Base-LX
λ=1300нм
25м
220м 275м
500м 550м
5км
Кроме этого вне основных стандартов 802.3 существуют
1000Base-LH (10км) и 1000Base-ZX (90км)
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Кодирование 8B/10B
Кодирование 8B/10B (8 бит --> 10 бит) применяется также в Fibre Channel.
Характеристики:
введена избыточность (256 состояний кодируются в 1024);
избыточность позволяет восстанавливать неправильно переданный сигнал без повторной передачи;
возможность самосинхронизации за счет часто встречающихся фронтов импульсов;
убран дисбаланс между количеством "0" и "1" по сравнению с 4b/5b (нет зависимости нагрева лазеров от передаваемых данных, повышается стабильность, а также нет накопления потенциала для электропроводных линий);
кодирование позволяет отличать данные от управляющих сигналов.
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Расширение кадра GEthernet
Slot_time (окно коллизий) зависит от размеров сегмента и должно быть больше, чем время двойного прохождения сигнала по среде передачи.
Для того, чтобы надежно обнаруживать коллизию при повышении скорости передачи есть два способа:
а) уменьшить длину сегмента коллизий, а, следовательно, и Slot_time;
б) увеличить минимальную длину кадра.
При переходе от Ethernet к Fast Ethernet был уменьшен размер сегмента коллизий до 205 метров для UTP.
Для функционирования Gigabit Ethernet выбрали путь увеличения минимальной длины кадра до 416 байт (для 1000Base-X) или 520 байт (для 1000Base-T) путем добавления к нему расширения кадра. Различия в длине связаны с дополнительным логическим кодированием 8B/10B для 1000Base-X. Расширение кадра игнорируется на приемной стороне.
расширение
416 байт для 1000Base-X
520 байт для 1000Base-T
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Уплотнение (Packet bursting)
Расширение кадра позволило избежать проблем с Slot_time, но во многих случаях для маленьких пакетов приходится передавать слишком много ненужной информации (448 байт расширения из 520). Пропускная способность падает до скоростей Fast Ethernet.
Во избежание неполного использования канала передачи используется уплотнение кадров. Первый кадр передается, если нужно, с расширением, а вместо межкадровых промежутков (IFG*), когда станция должна "молчать", она выдает в среду символы расширения (для того, чтобы другие станции не захватили среду), а затем после первого IFG* следуют другие кадры, но уже без расширения (промежутки между кадрами опять заполняются символами расширения). В этом случае полоса пропускания используется намного более практично.
Макс. последовательность - два кадра максимальной длины
IFG* - во время межкадрового интервала станция выдает в среду передачи символы расширения кадра. Ethernet и Fast Ethernet не поддерживают расширение кадров и packet bursting.
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Применение GEthernet
Переход от Fast Ethernet к более высокоскоростным сетям (напр., Gigabit Ethernet) происходит либо заменой (дополнительной закупкой) оборудования (коммутаторов, репитеров), либо благодаря использованию агрегации каналов (возможность параллельной пересылки данных между коммутаторами по нескольким витым парам одновременно).
Агрегация каналов FE
6-ти портовый комму-татор FE
6-ти портовый комму-татор FE
Использование GE в качестве остовной сети (backbone)
коммутатор (репитер) GE
коммутатор FE
коммутатор FE
коммутатор FE
коммутатор FE
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
10 Gigabit Ethernet
10 Gigabit Ethernet Alliance -> IEEE 802.3ae
Работа над стандартом началась в 1999 году, закончилась в середине 2002.
Особенности 10GE:
а) сохранен формат кадра (МАС подуровень);
б) передача только в полнодуплексном режиме;
в) использование оптоволокна (преимущественно одномодового) в качестве среды передачи (на 2003 год не было спецификаций на меди, но работа ведется, завершение ожидалось в 2006 году, гарантируется поддержка 100 метровых сегментов для витой пары 7 категории, 55-100 метров для 6 категории);
г) метод доступа CSMA/CD не нужен.
Для небольших расстояний в сетях на одномодовых оптоволокнах могут использоваться неохлаждаемые оптические элементы, а иногда и п/п лазерные диоды, что сильно удешевляет технологию.
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Сравнение GE и 10GE
Разница в стоимости портов GE и 10GE в течение 5 лет снизится до 2-3 раз (8-9 раз в 2004 году).
Также будут стремительно развиваться спецификации 10GE на медных проводах (в 2008 году ожидается соотношение стоимости 10 GE медь/оптоволокно = 0.15).
Источник: Cahners In-stat, CFI Group
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Стек 10 Gigabit Ethernet
WWDM
PMD
1310 нм
Serial
PMD
850 нм
Serial
PMD
1310 нм
Serial
PMD
1550 нм
Serial
PMD
850 нм
Serial
PMD
1310 нм
Serial
PMD
1550 нм
WWDM
LAN PHY
(8B/10B)
Serial
LAN PHY
(64B/66B)
Serial
WAN PHY
(64B/66B + WAN I-face Sublayer)
10 Gigabit Media Independent Interface (XGMII) или
10 Gigabit Attachment Unit Interface (XAUI)
Media Access Control (MAC)
Full Duplex
Две спецификации устройств физического уровня: LAN и WAN для использования в локальных и глобальных сетях соответственно.
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Спецификации 10 GEthernet
Спецификация WAN основана на использовании глобальных сетей SONET/SDH (Synchronous Optical Network / Synchronous Digital Hierarchy) благодаря инкапсуляции данных в кадр SONET канала ОС-192, пропускная способность которого близка к 10 Гбит/сек.
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008

NETS and OSs
Многомодовое волокно и 10GE
Использование многомодового оптоволокна в различных спецификациях 10 Gigabit Ethernet (по стандарту 802.3ae)
Технологии построения локальных компьютерных сетей кафедра ОПДС 2008