Технологии локальных компьютерных сетей

Источники стандартов
ISO-International Organization for Standardisation (OSI)
IEEE –Institute of Electrical and Electronic Engineers(стандарты 802)
Internet Engineering Task Force (RFC)

Сеть - это …
совместное использование распределенных ресурсов:
принтера;
файлов;
доступ к базам данных;
общение в сети посредством электронной почты и др.

Аппаратные и программные компоненты сети
компьютеры;
коммуникационное оборудование и кабельная система (сеть передачи данных) или среда передачи данных;
операционная система;
сетевые приложения.

Возможности сети, предоставляемые предприятию
разделение дорогостоящих ресурсов и обеспечение совместного доступа к ним;
улучшение доступа к информации;
свобода в территориальном размещении компьютеров;
эффективный обмен информацией;
быстрое и качественное принятие решений при работе в группе.

Локальная вычислительная сеть (LAN)
Локальная вычислительная сеть (ЛВС) - это набор аппаратных средств и программных алгоритмов, обеспечивающих соединение компьютеров и других устройств и позволяющих им обмениваться информацией между любыми компьютерами и другими устройствами данной группы.

Отличительные признаки локальной вычислительной сети
Высокая скорость передачи информации, большая пропускная способность сети. Приемлемая скорость сейчас — не менее 10 Мбит/с.
Низкий уровень ошибок передачи (или, что то же самое, высококачественные каналы связи). Допустимая вероятность ошибок передачи данных должна быть порядка 10-8— 10-12.
Эффективный, быстродействующий механизм управления обменом по сети.
Заранее четко ограниченное количество компьютеров, подключаемых к сети.

Недостатки ЛВС
Сеть требует дополнительных материальных затрат
Сеть требует приема на работу специалиста (администратора сети)
Сеть ограничивает возможности перемещения компьютеров, подключенных к ней.
Сети представляют собой прекрасную среду для распространения компьютерных вирусов.
Сеть резко повышает опасность несанкционированного доступа к информации с целью ее кражи или уничтожения.

Функции устройств в сети
узел (node);
сервер (server);
клиент (client) или рабочая станция.

Витая пара
CAT 1 или 2 – передача звуковых сигналов или низкоскоростная передача данных (модем);
CAT 3 – передача данных со скоростью 10 Мбит/с;
CAT 4 – передача данных со скоростью 16 Мбит/с;
CAT 5 – передача данных со скоростью 100 Мбит/с.

Сетевой адаптер
Основные функции:
Преобразует данные для передачи по сети;
Посылает данные другому компьютеру;
Получает данные из сети и преобразует их в формат, понятный компьютеру

Сетевая операционная система
Связывает все компьютеры и периферийные устройства в сети;
координирует функции всех компьютеров и периферийные устройства;
обеспечивает защищенный доступ к данным и периферийным устройствам.

Развитие Ethernet
10 Mbps Ethernet
IEEE 802.3
1980s
100 Mbps Ethernet
IEEE 802.3u
1992 - 1995
1000 Mbps Ethernet
IEEE 802.3z, 802.3ab
1995 - 1999
10/100/1000 Mbps Ethernet Link AggregationIEEE 802.3ad
1998 - 2000
10 Gigabit Ethernet IEEE 802.3ae
1999 - March, 2002

ТОПОЛОГИИ
1.Спецификация 10Base-2
Предполагает построение Ethernet на основе тонкого коаксиального кабеля R6-58 A/H с волновым сопротивлением 50 Ом. Используется BNC-T-коннектор. Максимальная длина сегмента 300 м. Максимальное количество рабочих станций на сегмента – 30
Один из терминалов должен быть заземлён
Расстояние между рабочими станциями кратно 0,5 м.
Скорость передачи 10 Мбит/с

2.Магистральная топология 10Base-5
10Base-5 используется толстый коаксиальный кабель R6-11 (жёлтый Ethernet).
Максимальная длина кабеля 500 м.
Максимальное количество рабочих станций 100.
Максимальная длина трансиверного кабеля 50 м.
Расстояние между трансиверными блоками nx2,5 м.

3. 10Base-T
Используется кабель – витая пара ИТР3 (ИТР5) Используется разъём RJ-45

3 основных типа уровней доступа
к передающей среде в ЛВС:

В Ethernet CSMA/CD – случайный множественный метод доступа с
контролем несущей и обнаружением конфликтов. Его основная идея:
рабочая станция перед тем, как начать передачу прослушивает канал
на наличие в нём сигнала передачи. Для того, чтобы рабочая
станция однозначно идентифицировала занятость среды, в
передаваемый сигнал включается некоторая постоянная несущая,
наличие которой определяется сетевым адаптером как занятость
канала. Если среда свободна, то рабочая станция начинает
немедленно передавать данные следующего формата кадра:
1.Преамбула (начальный ограничитель) 8 байт
2.Адрес получателя 6 байт
3.Адрес отправителя 6 байт
4.Тип передаваемых данных 2 байта
5.Data 46-1500 байт
6.Контрольная сумма кадра 4 байт
Минимальная длина кадра - 72 байта
Ethernet CSMA/CD

Модификации CSMA/CD
1.
Рабочая станция не прослушивает среду передачи данных, а в любой момент может начать передачу, в случае коллизии передача повторяется через случайный интервал времени.
Рабочая станция прослушивает канал. Если канал свободен, то она выполняет передачу. Если канал занят, то через случайный интервал времени выполняется повторная попытка прослушивания канала.
2. Сеть с чисто контролем несущей

Компьютер А начинает передавать данные
Компьютер В начинает передавать данные
Компьютер В обнаруживает коллизию
Компьютер А обнаруживает коллизию
Коллизия (англ. collision — ошибка наложения, столкновения) — в терминологии компьютерных и сетевых технологий, наложение двух и более кадров от станций, пытающихся передать кадр в один и тот же момент времени.

Метод доступа CSMA/CD
Передача данных в сети Ethernet

Происхождение коллизии в сети Ethernet

Звездообразная топология Ethernet

Стандарты цветовых маркировок Т-568А и Т-568B
Соединение порта свитча\хаба с компьютером. В этом случае кабель с обеих сторон обжимается по одному и тому же стандарту или 568A или 568B.
Соединение порта свитча\хаба с портом другого свитча\хаба, или компьютера с компьютером. Необходимо перекрещивание информационных пар, т. е. с одной стороны кабель должен быть обжат по стандарту 568А, а с другой стороны по стандарту 568В

Стандарт Ethernet
(IEEE 802.3u 100Base-T)
Технология Fast Ethernet является эволюционным развитием классической технологии Ethernet. Ее основными достоинствами являются:
увеличение пропускной способности сегментов сети до 100 Мб/c;
сохранение метода случайного доступа Ethernet;
сохранение звездообразной топологии сетей и поддержка традиционных сред передачи данных - витой пары и оптоволоконного кабеля.

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
802.3 10Base-T
802.3u 100Base-T
Media
Dependent
Interface

ПОДУРОВНИ
PCS – подуровень физического кодирования.
PMA – подуровень физического присоединения.
PMD – подуровень, зависящий от физической среды.
Autonegotiation – подуровень определения скорости передачи.
Подуровень согласования предназначен для согласования параметров физического интерфейса и классического канального уровня стандарта Ethernet.
Интерфейс MII поддерживает независимый от физической среды способ обмена данными между MAC подуровнем устройством физического уровня.

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.

Физический уровень 100Base-FX
2 многомодовых оптических волокна 62,5х125 микрон. Максимальная длина сегмента 2 км.
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

Физический уровень 100Base-TX
Двухпарная неэкранированная UTP 5 кат.(длина сегмента 100м)
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)

Физический уровень 100Base-T4
Четырехпарная витая пара 3, 4, 5 категорий. Максимальная длина сегментов до 100м
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

Для упрощенного перехода со V=10 Мбит/с на V=100 Мбит/с и обеспечения совместимой работы в одной сети стандарт 100Base-T включает средства автоматического определения скорости работ, т.е. сетевой адаптер после включения питания выполняет тест целостности сети, посылая импульсы быстрой связи FLP. Если устройство на другом конце сегмента поддерживает стандарт FEthernet, то оно воспринимает эти импульсы и в ответ посылает импульсы FLP. В результате V=100 Мбит/с, иначе (если ответа нет) V=10 Мбит/с .
FLP
100 Мбит/с
10 Мбит/с
hub

Топологические характеристики Fast Ethernet

Топологические характеристики Fast Ethernet

Топологические правила 100Base-T
В спецификации FE выделяют 2 класса концентраторов и говорят, что в домене коллизии допускается наличие только одного кон-ра 1-ого и двух конц-ров 2-ого класса.
switch
switch
Hub II
Hub II
switch
MMF
2 км
100 м
100 м
5 м
100 м
100 м
MMF
160 м
UTP
100 м
100 м
MMF
412 м
100 м
100 м
100 Base-T hub

В результате диаметр домена коллизии для концентраторов I класса для UTP 5 cat. составляет 200 м.
Диаметр домена коллизий для концентраторов II класса для UTP 5 cat. составляет 205 м.
При использовании одного сегмента на оптике и несколько сегментов на витой паре, диаметр домена коллизии – 260 м.

При наличии нескольких сегментов на оптическом кабеле, а также сегментов на витой паре, диаметр домена коллизии 272м, где 136м отводится на оптоволокно.
При соединении многомодовым оптическим волокном в полудуплексе расстояние между коммутаторами 412м.
При соединении с полным дуплексом расстояние между коммутаторами не>2 км.

Архитектура сети Token Ring

Звездно-кольцевая топология
802.5
V=14-16 Мбит/сек
MSAU

Сеть способна обнаруживать неисправности
При включении питания на рабочей станции сетевой адаптер выполняет тестирование соединения кабеля через петлю обратной связи в кабеле находится фантомный ток, который вызывает срабатывание релейных схем блока MSAU и подключение рабочих станций к кольцу.

Маркерный метод доступа

Движение маркера

Принцип действия концентратора Token Ring (MSAU)

Оборудование
Сетевой адаптер Token Ring

Структура маркера
1 байт начальный ограничитель
1 байт поле управления
1 байт конечный ограничитель

Структура кадра
Начальный ограничитель
Поле управления
Управление кадром
Адрес получателя
Адрес отправителя
Полезная информация
Контрольная сумма
Конечный ограничитель
Статус кадра
- 1 байт

Архитектура сети
Arcnet

Топология сети Arcnet
Шинная топология
Двухточечное соединение
Звездообразная топология на основе хаба (активный и пассивный хаб)

Шинная топология
Максимальная длина 300м
8 рабочих станций
RG-62/V 93 Ом

Двухточечное соединение
Максимальная длина 600м

Звездная топология на основе хаба. С активным и пассивным хабом
Длинна сегмента 600м для активного хаба
Длинна сегмента 30м для пассивного хаба

Полная организация сети Arcnet

Оборудование
Hub Arcnet
Кабель
Плата Arcnet

Arcnet Hub AN-808

Основные характеристики
Скорость сети: 2,5Мбит/сек
В сети не должно быть более 255 рабочих станций
Используется детерминированный маркерный метод доступа

Метод доступа Arcnet
Данный метод подразумевает, что право на использование общей среды передачи информации передается организованным способом при помощи уникального кадра, маркера на основе логического кольца.
Каждый узел знает свой собственный идентификатор и знает адрес следующего узла, которому он должен передать маркер.

Потеря маркера в сети Arcnet
Потеря маркера произойти из-за повреждения одного из узлов логического кольца , т.е. маркер приходит в определенный узел и дальше не передается.
Реконфигурация кольца выполняется при добавлении или удалении рабочей станции из кольца.