Сделай Сам Свою Работу на 5

Структурированная кабельная система





Лекция 7. Протоколы и стандарты локальных сетей

Общая характеристика протоколов локальных сетей

Первые локальные вычислительные сети появились в 70-х годах 20 века. Целью тогда было нахождение простого и дешевого способа объединения нескольких десятков компьютеров в пределах одного здания. Для упрощения и удешевления тогда остановились на совместном использовании кабелей всеми компьютерами сети в режиме разделения времени. В 1976 году в исследовательском центре Xerox была создана сеть Ethernet, в которой канал физически представлял собой неделимый коаксиальный кабель, а к нему с помощью приемопередатчиков (трансиверов) подключались компьютеры. Система называлась моноканалом, длина кабеля могла достигать 2,5 км (с повторителями через каждые 500 м), число компьютеров – до 256, скорость – 2,94 Мбит/с.

Со временем Ethernet развивался: были введены другие типы кабелей, наметился отказ от разделяемых сред и переход к применению активных коммутаторов, к которым конечные узлы присоединяются индивидуальными линиями связи.

В 1983 году появился стандарт IEEE 802.3, описывающий технологию Ethernet.

Ethernet – это не единственный стандарт ЛВС.



«Маркерная шина» (IEEE 802.4, предложена General Motors) повторяет линейную шину, но имеет особый способ определения очередности передачи. От компьютера к компьютеру пересылается специальный короткий пакет, называемый маркером. Начать передачу мог только тот, кто захватил маркер. Так решался вопрос коллизий в моноканале.

«Маркерное кольцо» (IEEE 802.5, разработана в IBM) – шина имеет кольцевую структуру, используется маркеры.

Однако, маркерная шина и маркерное кольцо не получили широкого распространения.

Структура стандартов IEEE 802.x

Стандарты семейства IEEE 802.x охватывают только два нижних уровня модели OSI – физический и канальный (уровень передачи данных). Это связано с тем, что именно эти уровни в наибольшей степени отражают специфику локальных сетей.

Канальный уровень в локальных сетях делят на два подуровня, которые часто также называют уровнями:

· логической передачи данных (Logical Link Control, LLC);

· управления доступом к среде (Media Access Control, MAC).

Уровень MAC появился из-за существования разделяемой среды передачи данных. Этот уровень в соответствии с некоторым алгоритмом предоставляет среду передачи тому или иному узлу. После того, как доступ получен, уровень LLC организует передачу данных, кадров информации.



Протоколы уровней MAC и LLC взаимно независимы – каждый MAC-протокол может применяться с любым протоколом уровня LLC и наоборот.

Протокол LLC

В основу протокола LLC положен протокол HDLC, входящий в стандарт ISO (см. лекцию 3).

Протокол LLC предоставляет верхним уровням три типа процедур:

LLC1 – процедура без установления соединения и без подтверждения. Дает пользователю средства передачи данных с минимумом издержек. Используется, если восстановление от ошибок и упорядочение данных осуществляется на более высоких уровнях.

LLC2– процедура с установлением соединения и с подтверждением. Протокол LLC2 работает в режиме скользящего окна.

LLC3 – процедура без установления соединения, но с подтверждением. Используется, когда временные издержки на установление соединения неприемлемы, но подтверждение корректности приема данных необходимо (например, в системах реального времени, управляющими промышленными объектами).

Все кадры уровня LLC, называемые блоками данных – Protocol Data Unit, PDU, подразделяются на информационные, управляющие, ненумерованные.

Информационные кадры (Information) предназначены для передачи информации, поэтому обязательно содержат поле информации.

Управляющие кадры (Supervisory) предназначены для передачи команд и ответов в процедурах с установлением логического соединения LLC2, в том числе запросов на повторную передачу искаженных информационных блоков.



Ненумерованные кадры (Unnumbered) предназначены для передачи ненумерованных команд и ответов, выполняющих в процедурах без установления соединения передачу информации, идентификацию и тестирование, а в процедурах с установлением соединений – установление и разъединение соединения, а также информирование об ошибках.

Все типы кадров имеют формат:

Флаг Адрес точки входа службы назначения (DSAP) Адрес точки входа службы источника (SSAP) Управляющее поле (Control) Данные (Data) Флаг

Флаги используются на уровне MAC для определения границ кадра. Кадр LLC вкладывается в кадр уровня MAC: кадр Ethernet, Token Ring и т.д.

Адресные поля DSAP (Destination Service Access Point) и SSAP (Source Service Access Point) занимают по 1 байту. Они позволяют указать, какая служба верхнего уровня пересылает данные с помощью этого кадра. Для всех протоколов введены адреса точек входа SAP.

Содержание поля управления зависит от типа кадра.

Поле данных может отсутствовать в управляющих кадрах и некоторых ненумерованных.

 

Структура стандартов IEEE 802.x:

 

IEEE 802.3 Ethernet (802.3u – 100 Мбит/с, 802.3z – 1Гбит/с)

IEEE 802.11 Беспроводные сети

IEEE 802.15 Bluetooth

Сеть Ethernet

Наиболее распространенные типы кабелей Ethernet:

Название Тип Максимальная длина сегмента Узлов на сегмент Особенности
10Base5 Толстый коаксиальный 500 м Цельный кабель, ответвители «зуб вампира». Ныне устарел
10Base2 Тонкий коаксиальный 185 м Разделен на сегменты, подключаемые BNC-коннекторами. Не нужны концентраторы.
10Base-T Витая пара 100 м Низкая цена
10Base-F Оптоволокно 2000 м Лучший вариант при прокладке между зданиями

Число 10 обозначает битовую скорость (10 мбит/с), слово Base – передачу на одной несущей частоте, последние символы – тип кабеля.

Коаксиальный кабель образует соединение «общая шина», для которого существуют проблемы выхода из строя ответвителей и соединителей, сложности поиска обрывов кабеля. Поэтому в системе 10Base-T нет общего кабеля, а используется концентратор, к которому каждый компьютер присоединяется собственным кабелем. В такой конфигурации добавление и удаление станции осуществляется проще, а обрыв кабеля обнаруживается довольно легко. Недостатком системы является ограничение длины кабеля 100 м. Тем не менее в настоящее время это наиболее распространенный тип.

Для построения сетей больших размеров несколько кабелей соединяются повторителями. Повторитель – это устройство, которое принимает, усиливает и передает сигналы в обоих направлениях. С точки зрения ПО ряд кабелей, соединенных повторителями, не отличается от сплошного кабеля. Система может состоять из большого количества сегментов кабеля и повторителей, однако два приемопередатчика должны располагаться на расстоянии не более 2,5 км, и между ними должно быть не более четырех повторителей.

Для передачи информации по сетям Ethernet используют манчестерское кодирование.

В манчестерском коде каждый временной интервал передачи одного бита делится на два равных периода.

1 – высокое напряжение (+0,85 В) в первой половине интервала и низкое (-0,85 В)– во второй;

0 – низкое напряжение, а затем высокое. Такая схема гарантирует смену уровня напряжения в середине и позволяет синхронизировать приемник с передатчиком.


 

В сетях Ethernet используется метод доступа к среде передачи данных, называемый методом коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий (carrier-sense-multiply-access with collision detection, CSMA/CD).

Все данные помещаются в кадры определенной структуры и снабжаются уникальным адресом станции назначения.

Чтобы получить возможность передавать кадр, станция должна убедиться, что разделяемая среда свободна. Признаком незанятости является отсутствие несущей частоты. Если среда свободна, то узел начинает передачу данных. Все станции, подключенные к кабелю, могут распознать факт передачи кадра, и та станция, которая узнает собственный адрес в заголовках кадра, записывает его содержимое в свой внутренний буфер, обрабатывает полученные данные, передает их вверх по своему стеку, а затем посылает по кабелю кадр-ответ.

Если узел попытается начать передачу в момент занятости среды, то он будет вынужден ждать.

После окончания передачи кадра все узлы сети обязаны выдержать технологическую паузу – межкадровый интервал равный 9,6 мкс.

При описанном подходе возможна ситуация, когда две станции одновременно пытаются передать кадр данных по общей среде. Механизм прослушивания среды и пауза между кадрами не гарантирует от возникновения коллизий. Чтобы корректно обработать коллизию, все станции одновременно наблюдают за сигналами в кабеле. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется обнаружение коллизии. Станция, которая обнаружила коллизию, прерывает передачу данных и посылает в сеть специальную последовательность из 32 бит – jam-последовательность. После возникновения коллизии время делится на дискретные интервалы, длительность которых равна максимальному времени кругового обращения сигнала (то есть его прохождению в прямом и обратном направлениях), 2t. При максимальном размере сети необходимо, чтобы один интервал составлял 512 битовых интервалов, или 51,2 мкс.

После первого столкновения каждая передающая станция ждет 0 или 1 интервал, перед тем, как попытаться передавать опять. Если они столкнутся снова, то будут выбирать случайный из 0,1,2,3 интервалов.

Столкновение 1 0, 1
Столкновение 2 0, 1, 2, 3
Столкновение 3 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7
Столкновение n, где n<10 0..2n-1

После 10 столкновений подряд интервал рандомизации фиксируется на 1023, а после 16 – контроллер признает свое поражение и возвращает ошибку. Дальнейшим восстановлением занимаются более высокие уровни. Этот алгоритм называется двоичным экспоненциальным алгоритмом отката.

Метод разрабатывался, когда загрузка сетей была небольшой. При большом же количестве коллизий метод доступа CSMA/CD вообще не гарантирует станции, что она когда-либо сможет получить доступ к среде. Этот недостаток – плата за простоту, которая сделала технологию Ethernet самой недорогой и распространенной.

Максимальная производительность сети Ethernet рассчитывается для идеального случая без коллизий и дополнительных задержек.

Для коммуникационного оборудования наиболее тяжелым режимом является обработка кадров минимальной длины. Это объясняется тем, что на обработку каждого кадра мост, маршрутизатор или коммутатор тратят одинаковое время, а количество кадров минимальной длины, поступающих на устройство в единицу времени, естественно больше, чем кадров большей длины.

Размер кадров минимальной длины составляет 72 байт или 576 бит. При скорости 10 Мбит/с на передачу кадра затрачивается 57,6 мкс. Прибавив межкадровый интервал в 9,6 мкс получим, что период следования кадров минимальной длины 67,2 мкс. Отсюда пропускная способность составляет: 1 с/67,2 мкс=106/67,2»14880 (кадр/с).

Кадры максимальной длины составляют 1526 байт или 12208 бит. На передачу кадра – 1220,8 мкс, период следования 1220,8+9,6= 1230,4 (мкс). Пропускная способность: 106/1230,4»813 (кадр/с).

Под полезной пропускной способностью протокола понимается скорость передачи пользовательских данных.

Для кадров максимальной длины полезная пропускная способность равна:

С=813х1500х8=9,76 Мбит/с, где 1500 байт – длина поля данных в пакете максимальной длины, что близко к номинальной скорости протокола 10 Мбит\с. Однако на практике пакеты имеют меньшую длину, поэтому полезная пропускная способность еще ниже, а из-за коллизий и задержек передачи пропускная способность еще снижается.

Быстрый Ethernet

Со временем скорости 10 Мбит/с стало недостаточно, поэтому в 90-х годах были разработаны новые стандарты для сетей Ethernet. Протоколы, форматы кадров, интерфейсы и процедуры оставили без изменений, но ввели другие типы кабелей, что позволило увеличить скорость до 100 Мбит/с.

Название Тип Максимальная длина сегмента Особенности
100Base-T4 Витая пара 100 м Использование неэкранированной витой пары категории 3
100Base-TX Витая пара 100 м Витая пара категории 5
100Base-FX Оптоволокно 2000 м Большая длина сегмента

Для кабелей 100Base-TX из 4-х витых пар одна всегда направляется на концентратор, одна – от концентратора, а две оставшиеся не используются. От манчестерского кодирования пришлось отказаться, но, учитывая скорость и небольшие расстояния между станциями в нем уже нет необходимости. Система является полнодуплексной, станции могут одновременно передавать и принимать данные на скорости 100 Мбит/с. Используется специальная система кодирования 4B/5B, при которой каждые 4 бита представляются 5 битами. Существует 32 пятибитовых комбинаций, из которых 16 используют для передачи данных, а 16 – для служебных целей (например, маркировки границ кадров).

В концентраторе все приходящие кадры буферизуются на плате, обслуживающей линию. Концентратор становится дороже, но все станции могут передавать кадры одновременно.

100Base-FX использует два оптических многомодовых кабеля по одному для передачи в каждом из направлений.

Гигабитная сеть Ethernet

Не успел повсеместно распространиться быстрый Ethernet, как началась работа над следующим стандартом, который был принят в 1998 году и известен под названием гигабитная сеть Ethernet.

Главные предпосылки создания те же – повысить скорость в 10 раз, сохранив обратную совместимость с предыдущими стандартами.

Гигабитные сети Ethernet строятся по принципу «точка-точка», в них не применяется моноканал, как в классическом Ethernet. Простейшая сеть состоит из двух компьютеров, напрямую соединенных друг с другом. В более общем случае имеется коммутатор или концентратор, к которому подсоединяются компьютеры или другие коммутаторы или концентраторы.

Гигабитный Ethernet может работать в двух режимах: полнодуплексном и полудуплексном. «Нормальным» считается полнодуплексный, при этом трафик может идти одновременно в обоих направлениях. Этот режим используется, когда имеется центральный коммутатор, соединенный с периферийными компьютерами или коммутаторами. В такой конфигурации сигналы всех линий буферизируются, поэтому абоненты могут отправлять данные, когда им вздумается. Отправитель не прослушивает канал, потому что ему не с кем конкурировать. На линии между компьютером и коммутатором компьютер — это единственный потенциальный отправитель; передача произойдет успешно даже в том случае, если одновременно с ней ведется передача со стороны коммутатора (линия полнодуплексная). Так как конкуренции в данном случае нет, протокол CSMA/CD не применяется, поэтому максимальная длина кабеля определяется исключительно мощностью сигнала, а вопросы времени распространения шумового всплеска здесь не встают. Коммутаторы могут работать на смешанных скоростях; более того, они автоматически выбирают оптимальную скорость.

Полудуплексный режим работы используется тогда, когда компьютеры соединены не с коммутатором, а с концентратором. Хаб не буферизирует входящие кадры. Вместо этого он электрически соединяет все линии, симулируя моноканал обычного Ethernet. В этом режиме возможны коллизии, поэтому применяется CSMA/CD. Для повышения эффективности используется пакетная передача данных. Это означает, что отправитель передает не отдельные кадры, а их группы, образующие пакет.

Название Тип Максимальная длина сегмента Особенности
1000Base-SX Оптоволокно 550 м Многомодовое волокно (50, 62,5 мкм)
1000Base-LX Оптоволокно 5000 м Одномодовое (10 мкм) или многомодовое (50, 62,5 мкм) волокно
1000Base-CX 2 экранированные витые пары 25 м Экранированная витая пара
1000Base-T 4 неэкранированные витые пары 100 м Витая пара категории 5

Стандарт использует новые правила кодирования. Применяется схема 8B/10B, т.е. каждые 8 битов кодируются 10 битами. Т.к. комбинаций при таком кодировании более чем достаточно, то при выборе кодовых слов принимаются в расчет правила:

- ни одно кодовое слово не должно иметь более четырех одинаковых битов подряд;

- ни в одном кодовом слове не должно быть более 6 нулей или 6 единиц.

Эти правила, во-первых, обеспечивают достаточное количество изменений состояния в потоке данных, необходимое для того, чтобы приемник оставался синхронизированным с передатчиком.

Во-вторых, количество нулей и единиц примерно выровняется. Сбалансированное количество 0 и 1 позволяет держать постоянную составляющую сигнала на минимально низком уровне.

1 Гбит/с – это много. Так за 1 мс может быть передано в среднем 1953 кадра. Для предотвращения «заваливания» подключенных по предыдущим стандартам или при сбоях введен контроль потока. Для контроля потока одна из сторон посылает служебный кадр, сообщающий, что второй стороне необходимо приостановиться на некоторое время. Продолжительность паузы указывается в единицах времени передачи минимального кадра. Для гигабитного Ethernet это 512 нс, а паузы могут длиться до 33,6 мс.


Структурированная кабельная система

При организации крупных локальных сетей обязательны предварительные работы по расчетам и проектированию. Правильно спланированная и смонтированная сеть легко расширяется позволяет быстро находить и устранять неисправности, которые возникают нечасто.

Структурированная кабельная система (Structured Cabling System, SCS) – это набор коммутационных элементов (кабелей, разъемов, коннекторов, кроссовых панелей и коммуникационных шкафов), а также методика их совместного использования, которая позволяет создавать регулярные, легко расширяемые структуры связей в вычислительных сетях.

При построении структурированной кабельной системы подразумевается, что каждое рабочее место будет оснащено розетками для подключения компьютера, даже если пока этого не требуется. Т.е. система строится с большой избыточностью, что позволяет в дальнейшем сэкономить на подключении дополнительных узлов сети (как правило, прокладка отдельных дополнительных кабелей очень трудоемко и не всегда возможно без ремонтно-отделочных работ).

Типичная иерархическая структура структурированной кабельной системы включает:

- горизонтальные подсистемы (в пределах этажа);

- вертикальные подсистемы (внутри здания);

- подсистему кампуса (в пределах одной территории с несколькими зданиями).

Горизонтальная подсистема соединяет кроссовый шкаф этажа с розетками пользователей. Вертикальная подсистема соединяет кроссовые шкафы каждого этажа с центральной аппаратной здания. Следующий шаг – соединение с аппаратной кампуса. Эта часть кабельной системы обычно называют магистралью.

Преимущества структурированной кабельной системы:

Универсальность. При продуманной организации система может служить не только для передачи данных, но и для подключения телефонов, пожарной сигнализации и охранных систем.

Увеличение срока службы. Срок морального старения хорошо структурированной системы 10-15 лет.

Уменьшение стоимости добавления новых пользователей и изменения мест их размещения.Стоимость кабельной системы определяется не столько стоимостью кабеля, сколько стоимостью работ по его прокладке.

Возможность легкого расширения сети.

Обеспечение более эффективного обслуживания. Структуризация позволяет локализовать неисправность и облегчает ее поиск.

Надежность.

Помимо структуры кабельной системы при проектировании ЛВС выбирают также количество, тип и взаимное расположение повторителей, концентраторов, коммутаторов.

Для повышения эффективности сети проводят логическую структуризацию. Деление сети на сегменты снижает время ожидания доступа и интенсивность коллизий.

Преимущества сегментирования:

Сегментация увеличивает гибкость сети. Каждая подсеть может быть адаптирована к потребностям рабочей группы или отдела.

Подсети повышают безопасность данных.

Подсети упрощают управление сетью.


 

 








Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.