Комп'ютерна мережа Ethernet

Вступ Сучасній людині важко уявити собі життя без різних засобів зв’язку. Пошта, телефон, радіо та інші комунікації перетворили людство в єдиний «живий» організм, змусивши його обробляти величезний потік інформації. Підручним засобом для обробки інформації став комп’ютер.

Однак масове використання окремих, не взаємопов'язаних комп’ютерів породжує ряд серйозних проблем: як зберігати використовувану інформацію, як зробити її загальнодоступною, як обмінюватися цією інформацією з іншими користувачами, як спільно використовувати дорогі ресурси (диски, принтери, сканери, модеми) декільком користувачам. Рішенням цих проблем є об'єднання комп’ютерів у єдину комунікаційну систему — комп’ютерну мережу.

Зокрема, локальна комп’ютерна мережа — це комунікаційна система, яка дозволяє користувачам комп’ютерів (в даному випадку — мережних робочих станцій) обмінюватися інформацією, спільно використовувати прикладні програми, передавати файли між комп’ютерами, розділяти доступ і спільно використовувати ресурси комп’ютерів.

Постійне зростання можливостей і продуктивності комп’ютерів призвело до того, що на сьогоднішній день комп’ютерні мережі - це складні системи, які вимагають кваліфікованого обслуговування і адміністрування.

1. Вихідні дані для проектування При проектуванні локальної мережі слід дотримуватися завдання, яке розміщуеться в таблиці 1.1.

Таблиця 1.1. Вхідні дані для проектування.

2. Теоретичні відомості

2.1 Мережні топології

Топологія мережі — це її геометрична форма або фізичне розташування комп’ютерів відносно один до одного. Топологія мережі дає змогу порівнювати та класифікувати різні мережі. Існує три основні типи топології: «зірка», «кільце» та «шина», а також є змішані топології.

Топологія «зірка»

Зірка — базова топологія комп’ютерної мережі, в якій всі комп’ютери мережі приєднані до центрального вузла (зазвичай мережевий концентратор). Одна з найбільш використовуваних топологій, оскільки легка в обслуговуванні.В основному використовується в мережах, де носієм виступає кабель «вита пара».

Рис. 2.1. Топологія «зірка».

В цьому випадку кожний комп’ютер (або інший пристрій) підключається окремим кабелем до окремого порту спеціального мережного пристрою, що утворює центр «зірки», яким може бути концентратор (Hub), повторювач (Repeater), комутатор (Switch) або міст (Bridge).

Центр «зірки» може бути як активними, так і пасивними. Якщо між підключеним до мережі пристроєм і, наприклад, концентратором відбувається розрив з'єднання, то вся інша мережа продовжує працювати.

Робоча станція, якій треба відправити дані, відправляє їх на концентратор, а той визначає адресата і відправляє йому інформацію. В певний момент часу тільки одна машина в мережі може пересилати дані, якщо на концентратор одночасно приходять два пакети, то вони обидва не приймаються і відправник чекатиме випадковий проміжок часу щоб відновити передачу даних.

Як передаюче середовище використовуються скручена пара та оптоволоконні кабелі.

Переваги :

Вихід з ладу однієї робочої станції не відображається на роботі всієї мережі в цілому;

Добра маштабність мережі;

Легкий пошук несправностей і обривів в мережі;

Висока продуктивність мережі

Гнучкі можливості адміністрування.

Недоліки:

Вихід з ладу центрального концентратора призведе до непрацездатності мережі в цілому;

Для прокладання мережі доволі часто необхідно більше кабеля ніж для більшості інших топологій;

Кінцева кількість робочих станцій (користувачів) обмежена кількістю портів в концентраторі.

В теперішній час 100 і 1000 Мбітні мережі Ethernet будуються переважно за топологією «зірка» .

2.2 Кабельні системи У будь-якій комп’ютерній мережі передавання даних здійснюється за допомогою електричних (електромагнітних) сигналів. Середовище передавання може бути обмеженим (фізичний провідник сигналу — кабель) або ж необмеженим (передавання мікрохвильових та подібних їм сигналів через відкритий ефір). Кожне середовище має свої переваги та вади. Одним з основних показників є швидкість затухання сигналу, яка визначається фізичними характеристиками середовища та природою сигналу. Вибираючи середовище передавання, беруть до уваги також інші показники: вартість (придбання, монтажу та обслуговування), пропускну здатність, безпеку передавання інформації тощо.

Таблиця 2.1. Категорії та класи кабелів.

Тип кабелю «скручена пара»

Мережа Ethernet на базі скрученої пари розвивається з 1990 року і стає все популярнішою, поступово витісняючи «класичний» Ethernet на основі коаксіального кабелю. У даному різновиді Ethernet передача сигналів здійснюється по двох кручених парах проводів, кожна з який передає тільки в одному напрямку (одна пара — передавальна, інша — приймаюча). Кожен з абонентів мережі приєднується кабелем, що містить дві, або чотири скручені пари, до концентратора, використання якого в даному випадку обов’язкове. Концентратор здійснює змішання сигналів від абонентів для забезпечення методу доступу CSMA/CD. Скручування дозволяє підвищити завадостійкість кабелю і зменшити вплив сигналу в кожній парі на всі інші. Максимальна відстань передавання при його використанні 1.5−2.0 км, а максимальна швидкість — 1.2 Гбіт/с. Тривалість поширення сигналу 8−12 нс/м. Загасання сигналу 12−28 Дб на 100 м на частоті 10 МГц.

UTP-кабелі не мають металевого екрану, тому їх монтаж і обслуговування набагато простіше коаксіальних кабелів. У цьому і полягає головна причина популярності стандарту 10BASE-T, незважаючи на те, що апаратура для нього коштує дорожче, ніж для 10BASE-2 (обов'язково потрібен концентратор). UTP-кабелі коштують приблизно вдвічі дешевше, ніж тонкий коаксіальний кабель, але при цьому треба враховувати, що у випадку конфігурації «пасивна зірка» кабелю потрібно набагато більше, ніж при «шині».

Екранована скручена пара суттєво дорожча неекранованої, але забезпечує кращу електромагнітну сумісність кабельної системи з джерелами і приймачами сигналів, та забезпечує менший рівень випромінювання в навколишнє середовище (показник ЕМІElectromagnetic Interference). Використовують фольговану (FTP), та екрановану (STP) скручені пари та їх комбінації.

Таблиця 2.2. Порівняльні характеристики скручених пар.

Все ж таки всі види скручених пар мають гірший захист від завад, ніж у коаксіальному кабелі.

Згідно європейського стандарту мережне обладнання в промислових умовах повинно мати випромінювання до 40 Дб на відстані 10 м, а для комерційних та непромислових умов експлуатації - до 30 Дб (показник ЕМІ).

Найбільш популярним видом середовища передачі даних на невеликі відстані (до 100 м) стає неекранована скручена пара (UTP), що включена практично в усі сучасні стандарти і технології локальних мереж і забезпечує пропускну здатність до 100 Мб/с (на кабелях категорії 5).

Оптоволоконний кабель

В оптоволоконних кабелях сигнали передаються у вигляді модульованих світлових імпульсів. У якості світловода виступає тонкий скляний циліндр. Довкола нього — скляна оболонка з великим коефіцієнтом переломлення. Усе це знаходиться під зовнішньою полівінілхлоридною оболонкою. Зверху може знаходитися броньоване плетіння зі сталі, чи пластику. Чим кабель краще захищений, тим він товстіший, і з ним складніше працювати. Останнім часом все ширше використовують прозорі пластикові волокна.

Оптоволоконні кабелі поділяються на 2 види — одномодові і багатомодові.

В одномодовому кабелі товщина внутрішньої жили дорівнює довжині хвилі світлового сигналу (~10мкм), ослаблення сигналу незначне. Для генерації світла використовуються напівпровідникові лазери. Теоретично можлива максимальна швидкість передавання доходить до 200 Гбіт/с, а відстань передачі до 110 км.

У багатомодовому кабелі декілька жил, є можливість одночасно посилати кілька потоків даних. Відстань передачі до 2−3 км.

Сигнал в оптоволокні майже не загасає і не спотворюється. Немає залежності і від електромагнітних перешкод. Оптоволоконні кабелі в основному використовують при створенні магістральних ліній зв’язку комп’ютерних мереж.

Стандарт FOIRL (Fiber Optic Inter-Repeater Link) представляє собою перший стандарт комітету 802.3 для використання оптоволокна в мережах Ethernet. Він гарантує довжину оптоволоконного зв’язку між повторювачами до 1 км при загальній довжині мережі не більш 2500 м. Максимальне число повторювачів між будь-якими вузлами мережі - 4. Максимального діаметра в 2500 м тут досягти можна, хоча максимальні відрізки кабелю між усіма 4 повторювачами, а також між повторювачами і кінцевими вузлами неприпустимі - інакше вийде мережа довжиною 5000 м.

Стандарт 10Base-FL представляє собою незначне поліпшення стандарту FOIRL. Збільшено потужність передавачів, тому максимальна відстань між вузлом і концентратором збільшилося до 2000 м. Максимальне число повторювачів між вузлами залишилося рівним 4, а максимальна довжина мережі - 2500 м.

2.3 Комунікаційні мережні засоби

Комутатори (Switches)

Зменшення числа вузлів в мережі називається сегментацією. Вона здійснюється за рахунок поділу великої мережі на менші частини — сегменти. Оскільки користувачам, як правило, необхідно мати доступ до ресурсів всіх сегментів, потрібні механізми забезпечення міжсегментного обміну з досить високою швидкістю. Пристрої, які називаються комутаторами, надають такі можливості.

Комутатори подібно мостам і маршрутизаторам здатні сегментувати мережі. Як і багатопортові мости, комутатори передають пакети між портами на основі адреси одержувача, яка включена до кожного пакета. Реалізація комутаторів звичайно відрізняється від мостів у частині можливості організації одночасних з'єднань між будь-якими парами портів пристрою — це значно розширює сумарну пропускну здатність мережі. Більше того, мости у відповідності із стандартом IEEE 802.1d, повинні прийняти весь пакет до того моменту, як він почне передаватись адресату, а комутатори можуть почати передачу пакета, не прийнявши його повністю.

Технологія комутації сегментів Ethernet була запропонована фірмою Kalpana у 1990 році у відповідь на зростаючі потреби у підвищенні пропускної здатності зв’язків високопродуктивних серверів із сегментами робочих станцій.

Віртуальні з'єднання. Комутатор Ethernet підтримує внутрішню таблицю, яка зв’язує порти з адресами підключених до них пристроїв. Цю таблицю адміністратор мережі може створити самостійно або задати її автоматичне створення засобами комутатора.

Таблиця 2.3. Внутрішня таблиця комутатора.

Використовуючи таблицю адрес і адресу одержувача, що міститься в пакеті, комутатор організує віртуальне з'єднання порту відправника з портом одержувача і передає пакет через це з'єднання. На рис. 2.5. вузол, А посилає пакет вузлу D. Знайшовши адресу одержувача у своїй внутрішній таблиці, комутатор передає пакет у порт 4.

Рис. 2.2. Віртуальне з'єднання.

Віртуальне з'єднання між портами комутатора зберігається на час передачі одного пакета, тобто для кожного пакета віртуальне з'єднання організується знову на основі адреси, що міститься в даному пакеті.

Оскільки пакет передається тільки в той порт, до якого підключений адресат, інші користувачі (у нашому прикладі - B і C) не отримають цей пакет. Таким чином, комутатори забезпечують засоби безпеки, недоступні для стандартних повторювачів Ethernet.

Рис. 2.3. Одночасні з'єднання.

Одночасні з'єднання. У комутаторах Ethernet передача даних між будь — якими парами портів відбувається незалежно і, отже, для кожного віртуального з'єднання виділяється вся смуга перепускання каналу. Наприклад, комутатор 10 Mбіт/с на рис. 2.6. забезпечує одночасну передачу пакета з A в D і з порту B порт C зі смугою 10 Mбіт/с для кожного з'єднання.

Оскільки для кожного з'єднання дається смуга 10 Mбіт/с, сумарна перепускна здатність комутатора в наведеному прикладі складає 20 Mбіт/с. Якщо дані передаються між великою кількістю пар портів, інтегральна смуга відповідно розширюється. Наприклад, 24 портовий комутатор Ethernet може забезпечувати інтегральну пропускну здатність до 120 Mбіт/с при одночасній організації 12 з'єднань зі смугою 10 Mбіт/с для кожного з них. Теоретично, інтегральна смуга комутатора росте пропорційно кількості портів. Однак, в реальності швидкість пересилання пакетів, що вимірюється в Mбіт/с, менша ніж сумарна смуга пар портів за рахунок так званого внутрішнього блокування. Для комутаторів високого класу блокування незначно знижує інтегральну перепускну смугу пристрою.

Комутатор Ethernet 10Mбіт/с може забезпечити високу перепускну здатність за умови організації одночасних з'єднань між усіма парами портів. Однак, реально трафік звичайно являє собою ситуацію «один до багатьох» (наприклад, безліч користувачів мережі звертається до ресурсів одного сервера). У таких випадках перепускна здатність комутатора в нашому прикладі не буде перевищувати 10 Mбіт/с і комутатор не забезпечить істотної переваги в порівнянні зі звичайним концентратором (повторювачем) з точки зору режиму, що розглядається.

На рис. 2.4. три вузли A, B і D передають дані вузлу C. Комутатор зберігає пакети від вузлів A і B у своїй пам’яті доти, доки не завершиться передача пакета з вузла D. Після завершення передачі цього пакета комутатор починає передавати пакети від вузлів, А та В, які зберігаються в пам’яті.

Рис. 2.4. Варіант блокування.

У даному випадку перепускна здатність комутатора визначається смугою каналу C (у даному випадку 10 Mбіт/с). Описана в даному прикладі ситуація є іншим варіантом блокування.

Продуктивність комутатора. Іншим важливим параметром комутатора є його продуктивність. В якості характеристик продуктивності використовують такі показники:

1. Швидкість передачі між портами.

2. Загальна перепускна здатність.

3. Затримка.

Швидкість передачі між портами. При смузі 10Mбіт/с Ethernet може передавати 14 880 пакетів мінімального розміру (64 байта) в секунду (PPS). Цей параметр (PPS) визначається властивостями середовища. Комутатор, що здатний забезпечити швидкість 14 880 PPS між портами, цілком використовує можливості середовища. Смуга перепускання середовища є важливим параметром, оскільки комутатор, що забезпечує передачу пакетів з такою швидкістю, цілком використовує можливості середовища, надаючи користувачам максимальну смугу.

Загальна перепускна здатність. Вимірювана в Mбіт/с або PPS, загальна перепускна здатність характеризує максимальну швидкість, з якою пакети можуть передаватися через комутатор адресатам. В комутаторах, усі порти яких мають смугу 10 Mбіт/с, сумарна перепускна здатність дорівнює швидкості порту, помноженої на число віртуальних з'єднань, що можуть існувати одночасно (це число портів комутатора, поділене на 2). Комутатор, здатний забезпечувати максимальну швидкість передачі, не має внутрішнього блокування.

Затримка. Затримка — це проміжок часу між отриманням пакета від відправника і передачею його адресату. Звичайно затримку вимірюють щодо першого біта пакета.

Комутатори Ethernet можуть забезпечувати дуже низьку затримку після того, як буде визначений адресат. Оскільки адреса одержувача розміщається на початку пакета, передачу можна почати до того, як пакет буде цілком прийнятий від відправника. Такий метод називається комутацією на льоту (cut-through) і забезпечує мінімальну затримку. Мала затримка важлива, оскільки з нею безпосередньо пов’язана продуктивність комутатора. Але метод комутації на льоту не перевіряє пакети на предмет помилок При такому методі комутатор передає всі пакети (навіть ті, які містять помилки). Наприклад, при виникненні колізії після початку передачі пакета (адреса вже отримана) отриманий фрагмент все одно буде переданий адресату. Передача таких фрагментів займає частину смуги каналу і знижує загальну продуктивність комутатора.

При передачі пакетів з низькошвидкісного порту у високошвидкісний (наприклад, з порту 10Mбіт/с у порт 100Mбіт/с) комутацію на льоту використовувати взагалі неможливо. Оскільки порт — приймач має більшу швидкість, ніж передавач, при використанні комутації на льоту неминуче виникнуть помилки. При організації віртуального з'єднання між портами з різною швидкістю потрібна буферизация пакетів.

Мала затримка підвищує продуктивність мереж, у яких дані передаються у виді послідовності окремих пакетів, кожний з який містить адресу одержувача. У мережах, де дані передаються у формі послідовності пакетів з організацією віртуального каналу, мала затримка менше впливає на продуктивність.

Медіаконвертори

Медіаконвертер (також перетворювач середовища) — це пристрій, що перетворює середовище розповсюдження сигналу з одного типу в інший. Найчастіше середовищем розповсюдження сигналу є мідні дроти й оптичні кабелі. Також середовищем розповсюдження сигналу називають повітряне середовище, хоча вона такою і не є, оскільки повітря не бере безпосередньої участі у поширенні сигналу електромагнітних хвиль високої частоти.

Традиційно, стосовно до мережних технологій, медиаконвертери здійснюють свою роботу на 1-му рівні Моделі ОСІ. У цьому випадку неможливо перетворення швидкості передачі даних між 2-ма середовищами, а також неможлива інша інтелектуальна обробка даних. У цьому випадку медиаконвертери також можуть називати трансивери. З розвитком технологій медиаконвертери забезпечили додатковими інтелектуальними можливостями, щоб забезпечити стиковку старих пристроїв з більш новими. Медіаконвертери стали працювати на 2-му рівні моделі ОСІ і отримали можливість перетворювати не тільки середовище, а також і швидкість передачі даних, володіти іншими сервісними функціями, як сповіщення про обрив лінії зв’язку на протилежній стороні, контроль за потоком передачі даних, іншими технічними можливостями. Ethernet медиаконвертери традиційно діляться на прості (1-й рівень моделі ОСІ), які підпорядковуються правилу 5−4-3 і на комутуючі (2-й рівень моделі ОСІ), на які не діють обмеження за кількістю медиаконвертери на ділянці мережі, що сполучає її сегменти. У таких медиаконвертери в описі вказується 10/100TX для Fast Ethernet, або 10/100/1000T для Gigabit Ethernet, що означає їх можливість перетворювати не тільки середу передачі, а також і швидкість, що характерно для комутуючих пристроїв. 2.4. Особливості мережної технології Ethernet

2.4 Етапи розвитку технології Ethernet

Ethernet — це найпоширеніший на сьогоднішній день стандарт локальних мереж. Загальна кількість мереж, що працюють за протоколом Ethernet у теперішній час, оцінюється в 5 мільйонів, а кількість комп’ютерів з установленими мережними адаптерами Ethernet — у 50 мільйонів.

Коли говорять про Ethernet то під цим, звичайно, розуміють будь-який із варіантів цієї технології. У більш вузькому розумінні Ethernet — це мережний стандарт, впроваджений на експериментальній мережі Ethernet Network, яку фірма Xerox розробила й реалізувала в 1975 році. Метод доступу було випробувано ще раніше. У другій половині 60-х років у радіомережі Гавайського університету Aloha використовувалися різні варіанти конкурентного доступу до загального передаючого середовища (CSMA/CD).B 1980 році фірми DЕС, Intel та Xerox спільно розробили й опублікували стандарт Ethernet версії II для мережі, побудованої на основі коаксіального кабелю, який став останньою версією фірмового стандарту Ethernet. Тому фірмову версію стандарту Ethernet називають стандартом Ethernet DIX або Ethernet II.

Дещо пізніше на його основі з’явився стандарт IEEE 802.3. За першими літерами назв цих фірм утворено скорочення DIX, що фігурує в описі цієї технології. Слово Ether (ефір) в назві технології означає різноманіття можливих середовищ передачі. Перші версії - Ethernet v1.0 і Ethernet v2.0 застосовувались тільки для коаксіального кабелю, стандарт IEEE 802.3 розглядає і інші варіанти середовищ передачі - виту пару і оптоволокно. У стандарті IEEE 802.3 розрізняють рівні MAC і LLC, в оригінальному Ethernet обидва ці рівні об'єднані в єдиний канальний рівень.

У Ethernet DIX визначається протокол тестування конфігурації (Ethernet Configuration Test Protocol), що відсутній у IEEE 802.3. Трохи відрізняється і формат кадру, хоча мінімальні і максимальні розміри кадрів у цих стандартах збігаються. Часто для того, щоб відрізнити Ethernet, визначений стандартом IEEE, і фірмовий Ethernet DIX, перший називають технологією 802.3, а за фірмовим залишають назву Ethernet без додаткових позначень.

У залежності від типу фізичного середовища стандарт IEEE 802.3 має різні модифікації - 10Base-5, 10Base-2, 10Base-T, 10Base-FL, 10Base-FB.

Технологія Fast Ethernet є еволюційним розвитком класичної технології Ethernet. 10-мегабітний Ethernet влаштовував більшість користувачів протягом близько 15 років. Проте на початку 90-х років почала відчуватися його недостатня перепускна здатність. Якщо для комп’ютерів на процесорах Intel 80 286 чи 80 386 із шинами ISA (швидкість обміну 8 Мбайт/с) чи EISA (32 Мбайт/с) перепускна здатність сегмента Ethernet складала 1/8 чи 1/32 каналу «пам'ять — диск», то це добре узгоджувалося із співвідношенням обсягів обміну локальними і зовнішніми даними для комп’ютера. В теперішній час в потужних клієнтських станціях із процесорами Pentium (або аналогами інших фірм) і шиною PCI (133 Мбайт/с) ця частка впала до 1/133, що явно недостатньо. Тому багато сегментів 10-Мегабітного Ethernet стали працювати з перевантаженням, швидкість реакції серверів на них значно впала, а частота виникнення колізій істотно зросла, ще більше знижуючи номінальну перепускну здатність.

У 1992 році група виробників мережного устаткування, включаючи таких лідерів технології Ethernet як SynOptics, 3Com та ряд інших, утворили некомерційне об'єднання Fast Ethernet Alliance для розробки стандарту нової технології, яка узагальнила б досягнення окремих компаній в області Ethernet-спадкоємного високошвидкісного стандарту. Нова технологія отримала назву Fast Ethernet.

Одночасно почалися роботи в інституті IEEE зі стандартизації нової технології - там була сформована дослідницька група з вивчення технічного потенціалу високошвидкісних технологій. За період з кінця 1992 року і по кінець 1993 року група IEEE розглянула 100-Мегабітні рішення, запропоновані різними виробниками. Поряд із пропозиціями Fast Ethernet Alliance ця група розглянула також і іншу високошвидкісну технологію, запропоновану компаніями Hewlett-Packard і AT&T.

У центрі дискусій була проблема збереження конкурентного методу доступу (CSMA/CD). Пропозиція по Fast Ethernet зберігала цей метод і тим самим забезпечувала спадковість і погодженість мереж 10Base-T і 100Base-T. Коаліція HP і AT&T, що мала підтримку набагато меншого числа виробників у мережній індустрії, ніж Fast Ethernet Alliance, запропонувала зовсім новий метод доступу, названий Demand Priority. Він істотно змінював картину поведінки вузлів у мережі, тому не зміг вписатися в технологію Ethernet і стандарт 802.3, і для його стандартизації був організований новий комітет IEEE 802.12.

У травні 1995 року комітет IEEE прийняв специфікацію Fast Ethernet як стандарт 802.3u, який не є самостійним стандартом, а є доповненням до існуючого стандарту 802.3.

Відмінності Fast Ethernet від Ethernet зосереджені на фізичному рівні (рис. 2.5). Більш складна структура фізичного рівня технології Fast Ethernet викликана тим, що в ній можуть використовуватись три варіанти кабельних систем: оптоволокно, 2-х парна скручена пари категорії 5 і 4-х парна скручена пара категорії 3, причому в порівнянні з варіантами фізичної реалізації Ethernet (а їх нараховується шість), тут відмінності кожного варіанта від інших глибша — міняється і кількість провідників, і методи кодування. А тому, що фізичні варіанти Fast Ethernet створювалися одночасно, а не еволюційно, як для мереж Ethernet, то існувала можливість детально визначити ті підрівні фізичного рівня, які не змінюються від варіанта до варіанта, а також підрівні, специфічні для кожного варіанту .

Основними перевагами технології Fast Ethernet є: — збільшення перепускної здатності сегментів мережі до 100 Мбіт/c; - збереження методу конкурентного (випадкового) доступу Ethernet; - збереження зіркоподібної топології мереж і підтримка традиційних середовищ передачі даних (скрученої пари й оптоволоконного кабеля).

Зазначені властивості дозволяють здійснювати поступовий перехід від мереж 10Base-T (найбільш популярного на сьогоднішній день варіанту Ethernet) до швидкісних мереж, які зберігають спадковість з добре знайомою технологією: Fast Ethernet не вимагає суттєвого перенавчання персоналу і заміни устаткування у всіх вузлах мережі, а також кабельної системи.

Офіційний стандарт 100Base-T (802.3u) встановив три різних специфікації для фізичного рівня (у термінах семирівневої моделі OSI) з підтримкою таких кабельних систем: 100Base-TX для двохпарного кабеля на неекранованій скрученій парі UTP категорії 5, або екранованій скрученій парі STP Type 1; 100Base-T4 для чотирьохпарного кабеля на неекранованій скрученій парі UTP категорії 3, 4 або 5; 100Base-FX для многомодового оптоволоконного кабелю.

Усі види стандартів Ethernet (у тому числі Fast Ethernet і Gigabit Ethernet) використовують той самий метод розділення середовища передачі даних — метод CSMA/CD.

Рис. 2.5. Відмінність технології Fast Ethernet від технології Ethernet.

2.4.1 Метод доступу до середовища CSMA/CD

Підрівні LLC і MAC у стандарті Fast Ethernet не зазнали змін. Їхні функції такі:

Підрівень LLC забезпечує інтерфейс протоколу Ethernet із протоколами вищих рівнів, наприклад, із IP чи IPX. Кадр LLC, зображений на рис 2.6., вкладається в кадр MAC і дозволяє за рахунок полів DSAP і SSAP ідентифікувати адреси сервісів призначення й джерела відповідно. Наприклад, при вкладенні в кадр LLC пакету IPX, значення як DSAP, так і SSAP повинні бути рівні Е0. Поле керування кадру LLC дозволяє реалізувати процедури обміну даними трьох типів:

Процедура типу 1 визначає обмін даними без попереднього встановлення з'єднання і без повторної передачі кадрів у випадку виявлення помилкової ситуації, тобто є процедурою датаграмного типу. Поле керування для цього типу процедур має значення 03, що визначає всі кадри як ненумеровані.

Процедура типу 2 визначає режим обміну з установленням з'єднань, нумерацією кадрів, керуванням потоком кадрів і повторною передачею помилкових кадрів. У цьому режимі протокол LLC аналогічний протоколу HDLC.

Процедура типу 3 визначає режим передачі даних без встановлення з'єднання, але з одержанням підтвердження про доставку інформаційного кадру адресату.

Рис. 2.6. Формат кадру LLC із розширенням SNAP.

Існує розширення формату кадру LLC, називане SNAP (Subnetwork Access Protocol). У випадку використання розширення SNAP у поля DSAP і SSAP записується значення AA, тип кадру як і раніше дорівнює 03, а для позначення типу протоколу, вкладеного в поле даних, використовуються наступні 4 байти, причому байти ідентифікатора організації (OUI) завжди рівні 00 (за винятком протоколу AppleTalk), а останній байт (TYPE) містить ідентифікатор типу протоколу (наприклад, 0800 для IP).Заголовки LLC чи LLC/SNAP використовуються мостами й комутаторами для трансляції протоколів канального рівня за стандартом IEEE 802.2H.

Підрівень MAC відповідальний за формування кадру Ethernet, одержання доступу до середовища передачі даних і за відправлення за допомогою фізичного рівня кадра по фізичному середовищу вузлу призначення.

Розділюване середовище Ethernet, незалежно від її фізичної реалізації (коаксіальний кабель, скручена пара чи оптоволокно з повторювачами), у будь-який момент часу знаходиться в одному із трьох станів: — вільне, зайняте, колізія. Стан зайнятості відповідає нормальній передачі кадра одним із вузлів мережі. Стан колізії виникає при одночасній передачі кадрів більш ніж одним вузлом мережі.

MAC-підрівень кожного вузла мережі одержує від фізичного рівня інформацію про стан розділюваного середовища. Якщо вона вільна, і в MAC-підрівня є кадр для передачі, то він передає його через фізичний рівень у мережу. Фізичний рівень одночасно з побітною передачею кадру стежить за станом середовища. Якщо за час передачі кадру колізія не виникла, то кадр вважається переданим. Якщо ж за цей час колізія була зафіксована, то передача кадра припиняється, і у мережу видається спеціальна послідовність з 32 біт (jam-послідовність), що повинна допомогти однозначно розпізнати колізію всіма вузлами мережі.

Після фіксації колізії MAC-підрівень робить випадкову паузу, а потім знову намагається передати даний кадр. Випадковий характер паузи зменшує ймовірність одночасної спроби захоплення передаючого середовища декількома вузлами при наступній спробі. Інтервал, з якого вибирається випадкова величина паузи, зростає з кожною спробою (до 10-ої), так що при великому завантаженні мережі і частому виникненні колізій відбувається гальмування вузлів. Максимальна кількість спроб передачі одного кадру — 16, після чого MAC-підрівень залишає даний кадр і починає передачу наступного кадру, що надійшов із LLC-підрівня. MAC-підрівень вузла приймача, що одержує біти кадру від свого фізичного рівня, перевіряє поле адреси кадру, і якщо адреса збігається з його власною, то він копіює кадр у свій буфер. Потім він перевіряє, чи не містить кадр специфічних помилок : — невідповідність контрольної суми (FCS error); - порушення максимально допустимого розміру кадра (jabber error); - порушення мінімально допустимого розміру кадру (runts); - невірно знайдені межи байт (alignment error). Якщо кадр коректний, то його поле даних передається на LLC-підрівень, якщо ні - то кадр відкидається.

2.4.2 Формати кадрів технології Ethernet

Формати кадрів технології Fast Ethernet не відрізняються від форматів кадрів технологій 10-мегабітного Ethernet. На рис. 2.7. приведений формат MAC-кадру Ethernet, а також часові параметри його передачі по мережі для швидкості 10 Мбіт/сек і для швидкості 100 Мбіт/сек. У кадрах стандарту Ethernet-II (чи Ethernet DIX), опублікованого компаніями Xerox, Intel і Digital ще до появи стандарту IEEE 802.3, замість двобайтового поля L (довжина поля даних) використовується двобайтовое поле T (тип кадру). Значення поля типу кадру завжди більше 1518 байт, що дозволяє легко розрізнити ці два різних формати кадрів Ethernet DIX і IEEE 802.3. Усі часові параметри передачі кадрів Fast Ethernet у 10 разів менше відповідних параметрів технології 10-Мегабітного Ethernet: міжбітовий інтервал складає 10 нс замість 100 нс, а міжкадровий інтервал — 0.96 мкс замість 9.6 мкс відповідно.

Рис. 2.7. Формат MAC-кадру та час його передачі.

2.4.3 Правила побудови мереж Ethernet стандарту 10 Base F

Широко використовувати оптоволоконний кабель в Ethernet почали порівняно недавно. Його застосування дозволило відразу ж значно збільшити допустиму довжину сегменту і завадостійкість передачі. Важлива також і повна гальванічна розв’язка комп’ютерів мережі, яка досягається тут без всякої додаткової апаратури, через специфіку середовища передачі. Ще одна перевага оптоволоконних кабелів полягає в можливості поступового переходу на Fast Ethernet без заміни кабелів, оскільки пропускна спроможність оптоволокна дозволяє досягти не тільки 100 Мбіт/с, але і вищих швидкостей передачі.

Передача інформації в даному випадку йде по двох оптоволоконних кабелях, передаючи сигнали в різні боки (як і в 10BASE-T). Іноді використовуються двопровідні оптоволоконні кабелі, два кабелі, що містять, в загальній зовнішній оболонці, але частіше — два одиночні кабелі. Всупереч поширеній думці, вартість оптоволоконного кабелю не дуже висока (вона близька до вартості тонкого коаксіального кабелю). Правда, в цілому апаратура в даному випадку виявляється помітно дорожче, оскільки вимагає використання дорогих оптоволоконних трансіверів.

Апаратура 10BASE-FL має схожість як з апаратурою 10BASE5 (тут теж можуть застосовуватися зовнішні трансівери, сполучені з адаптером трансіверним кабелем), так і з апаратурою 10BASE-T (тут також застосовуються топологія пасивна зірка і два різноспрямовані кабелі). Схема з'єднання мережевого адаптера і концентратора показана на рис. 2.8.

Оптоволоконний трансівер називається FOMAU (Fiber Optic MAU) .Він виконує всі функції звичайного трансівера (MAU), але, крім того, перетворює електричний сигнал в оптичний при передачі і назад при прийомі. FOMAU також формує і контролює сигнал цілісності лінії зв’язку, переданий в паузах між пакетами. Для приєднання трансsвера до адаптера застосовується стандартний AUI-кабель, такий же, як і у разі 10BASE 5, але довжина його не повинна перевищувати 25 метрів.

Рис. 2.8. З'єднання адаптера і концентратора в 10BASE-FL.

Є також мережеві адаптери з вбудованими трансіверами FOMAU, які мають тільки зовнішні оптоволоконні роз'єми і не потребують трансіверных кабелів.

Довжина оптоволоконних кабелів, сполучаючих трансівер і концентратор, може досягати 2 кілометрів без застосування яких би то не було ретрансляторів. Таким чином, можливе об'єднання в локальну мережу комп’ютерів, що знаходяться в різних будівлях, рознесених територіально.

Спочатку оптоволоконний зв’язок застосовувався переважно для зв’язку між репітерами. Перший стандарт FOIRL (Fiber Optic Inter-Repeater Link), розроблений на початку 80-х років 20 століть, перетбачував якраз зв’язок між двома репітерами на відстань до 1000 метрів при загальній довжині мережі не більш 2500 м. Максимальне число повторювачів між будь-якими вузлами мережі — 4. Максимального діаметра в 2500 м тут досягти можна, хоча максимальні відрізки кабелю між усіма 4 повторювачами, а також між повторювачами і кінцевими вузлами неприпустимі — інакше вийде мережа довжиною 5000 м. Потім були розроблені оптоволоконні трансівери для підключення до репітера окремих комп’ютерів і стандарт 10BASE-F, включає в себе наступні три типи сегментів:

Стандарт 10Base-FL являє собою незначне поліпшення стандарту FOIRL. Збільшено потужність передавачів, тому максимальна відстань між вузлом і концентратором збільшилося до 2000 м. Максимальне число повторювачів між вузлами залишилося рівним 4, а максимальна довжина мережі — 2500 м.

Стандарт 10Base-FB призначений тільки для з'єднання повторювачів. Кінцеві вузли не можуть використовувати цей стандарт для приєднання до портів концентратора. Між вузлами мережі можна установити до 5 повторювачів 10Base-FB при максимальній довжині одного сегмента 2000 м і максимальній довжині мережі 2740 м. Повторювачі, з'єднані по стандарту 10Base-FB, при відсутності кадрів для передачі постійно обмінюються спеціальними послідовностями сигналів, що відрізняються від сигналів кадрів даних, для підтримки синхронізації. Тому вони вносять менші затримки при передачі даних з одного сегмента в інший, і це є головною причиною, по якій кількість повторювачів вдалося збільшити до 5. Як спеціальні сигнали використовуються манчестерские коди J і К в наступної послідовності: J-J-K-K-J-J-… Ця послідовність породжує імпульси частоти 2,5 МГц, що і підтримують синхронізацію приймача одного концентратора з передавачем іншого. Тому стандарт 10Base-FB має також назва синхронний Ethernet.

Стандарт 10BASE-FP (Fiber Passive) — призначений для об'єднання в топологію зірка без використання репітерів до 33 комп’ютерів (для цього застосовуються спеціальні оптичні розгалужувачі). Максимальна відстань від комп’ютера до розгалужувача — 500 метрів. Таке значне скорочення допустимої відстані пояснюється сильним загасанням в пасивному оптичному розгалужувачі. Стандарт несумісний з 10BASE-FL. Широкого розповсюдження цей тип сегменту також не отримав.

Таким чином, зараз реально використовується тільки стандарт 10BASE-FL.

У 10BASE-FL застосовується багатомодовий кабель і світло з довжиною хвилі 850 нанометрів, проте є апаратура і для використання одномодового кабелю (з граничною довжиною до 5 км.).

Сумарні оптичні втрати в сегменті (як у кабелі, так і в роз'ємах) не повинні перевищувати 12,5 дБ. При цьому втрати в кабелі складають близько 5 дБ на кілометр довжини кабелю, а втрати в роз'ємі - від 0,5 до 2,0 дБ (ця величина сильно залежить від якості установки роз'єму). Тільки при таких величинах втрат можна гарантувати стійкий зв’язок на граничній довжині кабелю. На практиці краще не ризикувати і брати довжину кабелю відсотків десять менше граничною (що і рекомендується стандартом).

Стандартний оптоволоконний кабель 10BASE-FL повинен мати на обох кінцях оптоволоконні ST-раз'єми, показані на рис. 2.9. Приєднання цього роз'єму до трансівера або концентратора не складніше, ніж BNC-разъема в мережі 10BASE-2.

Рис. 2.9. ST-раз'єм для оптоволоконного кабеля.

Використовуються також оптоволоконні роз'єми типу SC, що приєднуються подібно RJ-45 шляхом простого вставляння в гніздо. Роз'єми SC зазвичай жорстко сполучені по два для двох кабелів (рис. 2.10).

Рис. 2.10. SC-раз'єм для оптоволоконного кабеля.

Існують також роз'єми типу MIC FDDI, аналогічні роз'ємам SC що вставляється в гніздо. Правда, вони використовуються рідше. При покупці устаткування 10BASE-FL треба стежити за відповідністю роз'ємів, встановлених на кабелі, і відповідних роз'ємів трансиверів або концентраторів.

Приклад з'єднання комп’ютерів за допомогою оптоволоконного кабелю у топологію зірка показаний на рис. 2.11.

Рис. 2.11. Об'єднання комп’ютерів у мережу по стандарту 10BASE-FL.

Як і у разі 10BASE-T, декілька концентраторів може об'єднуватися між собою для отримання деревовидної топології. Взагалі, найчастіше сегмент 10BASE-FL якраз і використовується для з'єднання двох концентраторів. А до концентраторів підключаються комп’ютери за стандартом 10BASE-T. Таким чином, вдається сумістити достоїнства обох сегментів — низьку вартість 10BASE-T і великі відстані 10BASE-FL.

Мінімальний набір устаткування для з'єднання оптоволоконним кабелем двох комп’ютерів включає наступні елементи:

два мережеві адаптери з трансіверними роз'ємами;

два оптоволоконні трансивери (FOMAU);

два трансіверних кабеля;

два оптоволоконні кабелі з ST-разъемами (або з SC або з MIC роз'ємами) на кінцях.

Якщо потрібно з'єднати більше двох комп’ютерів, то треба використовувати концентратор, що має оптоволоконні порти. Кожен комп’ютер забезпечується своїм трансівером і трансіверним кабелем, а також двома оптоволоконними кабелями з відповідними роз'ємами для підключення до концентратора.

3. Опис проекту мережі

Згідно завдання, дана мережа повинна бути реалізована, як мережа в межах одного будинку. Архітектура даної будівлі така: є поверх, з 6 кімнатами. Габарити поверху: 16 м х 16 м. Детальний план будинку подано в додатку.

Отже мережа має наступний вигляд:

існує 4 робочі кімнати в кожній з яких по 7 терміналів, та одна кімната адміністративна, в якій знаходиться 5 терміналів. Та зарезервовано місце ще під 3 термінали .

також для забезпечення обмеженості доступу до мережного обладнання існує в адміністративній кімнаті приміщення для такого обладнання.

на поверсі робочі станції з'єднуються з комутатором по технології 10Base-FL;

План поверху та його розміри наведені нижче у додатку. На плані використано наступні умовні позначення:

В додатку, А показаний план поверху. Відповідно до умовних графічних позначень, що описані вище, на кресленні представлені всі зв’язки мережі та проставлені усі розміри для визначення довжини кабеля.

Нижче перелічені всі матеріали потрібні для реалізації побудови даної мережі по стандартам 10Base-FL.

3.1 Пристрої необхідні для побудови даної мережі

Комутатор (рис. 3.1):

Рис. 3.1 Cisco catalyst 5500 5 slot chassis with AC power

Технічна характеристика комутатора TRENDnet TE100-S32plus

Виробник/модель: Cisco catalyst 5500 5 slot chassis with AC power

Слоти лінійних карт: 5

Протокол комутації: Ethernet, Fast Ethernet, Fiber Distributed Data Interface (FDDI), Token Ring и ATM

Розмір MAC таблиці: 16 000

Режим з'єднання: Повно-дуплексний та напів-дуплексний.

Енергетичні

характеристики: Постійна напруга: 110/220 V

Частота 50 — 60 Hz

Фізичні розміри: 43.97×31.70×44.13 (см) Температури: Робоча 0 — 50 С.

Відносна вологість 90% максимум, без конденсації

Підтримка стандартів: IEEE 802.1Q, 802.1p, 802.3x, Ethernet: IEEE 802.3, 10BaseT, 10BaseFL, Fast Ethernet: IEEE 802.3u, 100BaseTX, 100BaseFX, Gigabit Ethernet: IEEE 802.3z, Fiber Distributed Data Interface (FDDI): ISO 9314−1 FDD PHY (Physical sublayer) standard; ISO 9314−3 FDDI PMD (Physical Medium Dependent) standard; Copper Distributed Data Interface (CDDI): TP-PMD standard; ANSI FDDI X3T9.5 SMT (Station Management) 7.3, ATM: ATM Forum 3.1 UNI (User-Network Interface) specification, Q.2931 signaling protocols, LANE v.1.0, LUNI v.2.0, MPOA (Multiprotocol Over ATM).

Ціна: 270 $

Модуль 10Base-FL (рис. 3.2)

Рис. 3.2 Cisco catalyst 5000 series 12 port 10bFL switching module

Виробник: Cisco Systems, Inc

Фірмове найменування: Cisco

Модель: WS-X5011

Найменування: 12 портів Ethernet комутаційний модуль Тип продукту: комутаційний модуль

Інтерфейси / порти: 12 X ST конектор 10Base-FL

Ціна: 215 $

Мережева карта (рис. 3.3):

Рис. 3.3 3Com EtherLink 10 PCI Fiber Network Adapter

Тип мережі: Ethernet/Fast Ethernet

Інтерфейси/порти: Ethernet 10Base-FL

Інтерфейс ПК: 32-bit PCI

Ціна: 52 $

Оптоволоконний двухжильний багатомодовий кабель (рис. 3.4):

Рис. 3.4 Оптоволоконний кабель 50/125 багатомодовий двухжильний

Технічна характеристика оптоволоконного кабелю

Макс.загасання (Дб / км): 850 нм — 3.2, 1300 нм — 0.8

Мін. смуга пропускання МГК * км: 850 нм — 200, 1300 нм — 500.

Коефіцієнт залом.: 850 нм — 1.495, 1300 нм -1.490

Ціна: 2 $

ST конектор (рис. 3.5):

Рис. 3.6 ST коннектор, багатомодовий 0,9 мм

Технічна характеристика коннектора

Провідник: 7 мідних жил O0.20 мм, 24 AWG

Діаметр провідника в ізоляції: 0.98±0.05 мм

Кількість пар: 4

Оболонка: ПВХ O5.5±0.2 мм

Ціна: 1,25 $

Короб (Рис. 3.6):

Рис. 3.8 Короб TANG 180X90

Технічна характеристика короба

Ширина короба: 180 мм,

Висота короба: 90 мм.

Колір: білий

Матеріал: пластик

Ціна: 1 $

Антивандальна шафа (Рис. 3.7):

Рис. 3.7 Антивандальна шафа CLASSIC 530×500 TWC-50−1

Техничні характеристики

Ціна:156 $

4. Розрахунки працездатності мережі

4.1 Розрахунок PDV для мережі 10Base-FL

Для спрощення обрахунків зазвичай використовують довідкові дані, що містять значення затримок розповсюдження сигналів в повторювачах і в різних фізичних середовищах. Відповідні дані для стандарту 10Base-TX та 10Base-FL мережі Ethernet приведені в таблиці 4.1.

Таблиця 4.1. Дані для обрахунку значення PDV.

Лівим сегментом називається сегмент, з якого починається шлях сигналу від виходу передавача (вихід Тх) кінцевого вузла. Потім сигнал проходить через проміжні сегменти і доходить до приймача (вхід Rх) найбільш віддаленого вузла найбільш віддаленого сегмента, який називається правим. З кожним сегментом пов’язана постійна затримка, що називається базовою, яка залежить тільки від сегменту і від положення сегмента на шляху сигналу (лівий, проміжний, правий). Крім того, з кожним сегментом пов’язана затримка розповсюдження сигналу вздовж кабеля сегмента, яка залежить від довжини сегмента і обраховується шляхом множення часу розповсюдження сигналу по одному метру кабеля (в бітових інтервалах) на довжину кабеля в метрах.

Загальне значення PDV рівне сумі базових та змінних затримок всіх сегментів мережі. Значення констант в таблиці 4.1 приведені з врахуванням подвоєння величини затримки.

Перед розрахунком PDV слід визначити які дві станції і відповідні сегменти є найбільш віддаленими.

Використовуються наступні позначення:

T — S: зв’язок між найбільш віддаленим терміналом та комутатором в даній кімнаті; (31.5)

S — T: зв’язок між комутатором та найбільш віддаленим терміналом;

Рис. 4.1 Найдовший шлях проходження сигналу

Обраховуємо значення PDV :

Лівий сегмент (1- поверх T — S): 12.3 (база) + 34.5 * 0,1 = 15.75 bt

Правий сегмент (2 — поверх S — T): 156.5 (база) + 31.5 * 0,1 = 159.65 bt

PDV: 15.75 + 159.65 = 175.4 bt

Сума всіх складових: PDV = 175.4 bt. Оскільки значення PDV менше максимально допустимої величини 575 bt, то ця мережа відповідає критерію максимально можливої затримки подвійного обертання сигналу.

4.2 Розрахунок PVV для мережі 10Base-FL

Для розрахунку PVV також можна скористатися табличними значеннями максимальних величин зменшення міжкадрового інтервалу при проходженні повторювачів для різних фізичних середовищ. Для 10Base-FL дані наведені в таблиці 4.2.

Таблиця 4.2. Дані для обрахунку значення PVV.

Відповідно за цими даними розрахуємо значення PVV для нашої мережі:

Передаючий сегмент: 10,5 bt.

PVV = 10,5 bt

Отже, для цієї мережі PVV = 10,5 bt, що менше граничного значення в 49 інтервалів. Таким чином комп’ютерна мережа, яка наведена у додатку А, відповідає стандартам Ethernet за усіма показниками.

4.3 Розрахунок вартості мережі

Таблиця 4.3. Вартість мережних компонентів.

Висновок

ethernet мережа комунікаційний

Згідно поставленого завдання була розроблена проста комп’ютерна мережа, в якій використовується стандарт 10Base-FL. Для 10Base-FL було обраховано параметри PDV та PVV, значення яких не перевищили максимальних значень:

Значення PDV 175.4 bt, менше за максимальне (575 bt);

Значення PVV 10.5 bt, менше за максимальне (49 bt);

Також в даній мережі не перевищено максимальну довжину оптоволоконного сегменту 2000 м. Отже в цілому дана мережа являється працездатною.

Для забезпечення з'єднання 10BaseFL використовувався Switch на 60 портів.

Вартість побудови мережі стандарту 10Base-FL становить 7444.5 $.

Список літератури

Комп’ютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. В. Г. Олифер, Н. А. Олифер. — СПб.: Питер, 2001. — 672 с.: ил.

Комп’ютерные сети. Учебный курс, 2-е изд. (+ СD-ROM). Дж. Челлис, Ч. Перкинс, М. Стриб; перевод с англ. — Лори, 1997.

Буров Є. Комп’ютерні мережі. — Львів: БАК, 1999 — 468 с.

Конспект лекцій з дисципліни «Комп'ютерні мережі та телекомунікації» для студентів спеціальності 6.50 201 «Менеджмент організацій» заочної форми навчання / Укладач: Є. М. Литвиненко — Харків: ХДТУБА, 2007. — 29 с.

http://provod-ok.com.ua/

http:// http://www.cisco.com/

http://www.ebay.com