Содержание

Лекция 1. (+)Эволюция компьютерных систем. 2

Лекция 2. (+)Кабельные системы связи. 5

Лекция 3. (+)Физическая передача цифровой информации. 9

Лекция 4. +)Синхронизация сигнала. 13

Лекция 5. (+)Топологии связей. Сетевые адаптеры и концентраторы. 15

Лекция 6. (+)Технологии Ethernet, Fast Ethernet. 19

Лекция 7. (+)Коммутация каналов и пакетов. 25

Лекция 8. (+)Принцип работы прозрачного моста (bridge) 30

Лекция 9. (+)Технологии Token Ring, FDDI. 33

Лекция 10. (+)Основы работы коммутаторов. 38

Лекция 11. (+)Архитектуры и конструкции коммутаторов. 42

Лекция 12. (+)Дополнительные функции коммутаторов 47

Лекция 13. (+)Сетевая модель OSI 52

Лекция 14. (+) Сетевой уровень. 54

Лекция 15. (+)Структура TCP/IP. 56

Лекция 16. (+)IP адреса с использованием масок. 62

Лекция 17. (+)Маршрутизация 65

Лекция 18. (+)Динамическая маршрутизация 69

Лекция 19. (+) Дополнительные возможности маршрутизаторов. 73

Лекция 20. (+) Удаленный доступ. 76

Лекция 21. (+)Аналоговые каналы 79

Лекция 22. (+)Цифровые магистральные каналы 81

Лекция 23. (+)Оптические сети DWDM 85

Лекция 24. (+)Беспроводная передача данных. Спутники. 88

Лекция 25. (+)Компьютерные беспроводные сети. Двухточечная связь 92

Лекция 26. (+)Технологии - 802.11х 96

Лекция 27. (+)ISDN - цифровые сети с интегральными услугами 99

Лекция 28. (+) xDSL. Кабельное ТВ (CATV) 101

Лекция 29. (+) Техника виртуальных каналов. 104

Лекция 30. (+) Сети Х.25. и Frame Relay 107

Лекция 31. (+) Технология АТМ 111

Лекция 32. (+)Технология АТМ как транзит для других сетей 116

Лекция 1.(+)Эволюция компьютерных систем.

Прообраз сети – система мэйнфрейма и терминалов

Первые компьютеры были громоздкими и дорогими. Они предназначались для небольшого числа избранных пользователей.

Первые системы строились на базе мощного и надежного компьютера – мэйнфрейма, который выполнял все необходимые вычислительные операции. При этом пользователи были лишены интерактивного( непосредственного) режима работы с мэйнфреймом. Они записывались в очередь для получения времени работы за комп’ютером.

Для одновременной работы нескольких пользователей с большим компьютером появились многотерминальные системы. Каждый пользователь получал в свое распоряжение терминал, с помощью которого он мог вести диалог с мэйнфреймом. Пользователь мог получить доступ к общим файлам и периферийным устройствам мэйнфрейма, при этом у него создавалась иллюзия полного владения компьютером. На самом деле все вычисления выполнял мэйнфрейм, а терминал только вводил и выводил информацию пользователю.

Р ис 1.Соединение Мэйнфрейма с терминалами

Вскоре появились удаленные связи двух мэйнфреймов, которые получили возможность обмениваться данными друг с другом в автоматическом режиме. Это и была первая вычислительная сеть. Таким образом, компьютерная сеть – это взаимосвязь нескольких самостоятельных компьютеров. Этим она отличается от системы мэйнфрейм – терминалы.

В начале 70-х годов стоимость компьютеров значительно уменьшилась, а функциональные возможности возросли. Использование системы на базе некоторого количества мини-компьютеров стало эффективнее, чем системы на базе мэйнфрейма. Потребность пользователей вычислительной техники в возможности обмена данными с другими близко расположенными компьютерами привела к появлению первых локальных вычислительных сетей.

Телекоммуникационные сети

Большую роль в появлении компьютерных сетей играют телекоммуникационные сети: это телефонные, телевизионные и радиосети. Развитие этих сетей в большой степени способствовало развитию компьютерных сетей.

Следует отметить, что и компьютерные технологии повлияли на развитие телекоммуникационных сетей. Поэтому сегодня наблюдается тенденция сближения этих сетей.

Первые глобальные сети (WAN - Wide Area Network)

К появлению первых глобальных вычислительных сетей привела задача удаленного доступа от одного мэйнфрейма к другому. Для этого использовались существующие телефонные линии связи.

В первых глобальных сетях в основном передавались файлы и электронная почта. Это ограничение было из-за низкой скорости передачи через аналоговые телефонные линии: от 9 до 33 Кбит/сек.

Т.к. телефонные линии были низкого качества (они не были рассчитаны на большие потоки цифровой информации), то при передаче данных происходили искажения данных и сбои из-за различных помех в линии. Поэтому для этих линий были разработаны сложные программы контроля качества переданных данных.

Для работы компьютеров в сети необходимо было «научить» этому операционные системы. Появились новые версии ОС со встроенными модулями для работы с сетью. Такие ОС получили название «Сетевые ОС».

В 1969 г. по инициативе министерства обороны США была разработана единая сеть, объединяющая оборонные и исследовательские центры, ARPANET . Эта сеть в дальнейшем распространилась по всему миру и получила название INTERNET.

Первые локальные сети (LAN – Local Area Network)

В начале 70-х гг. с появлением микросхем появились различные модели микрокомпьютеров. Их стоимость была значительно меньше стоимости мэйнфреймов. Появление большого числа микрокомпьютеров на одном предприятии и на его филиалах потребовало устанавливать связь между ними. Т.к. расстояния между компьютерами одного предриятия, как правило, были небольшими ( в пределах одного здания), то возникли кабельные системы связи компьютеров, которые не были привязаны к старым телефонным линиям и позволяли достичь очень высоких скоростей ( 4 – 10 Мбит/сек). Для такой связи потребовалось создать новое оборудование, что обусловило появление первых технологий локальных компьютерных сетей.

Технология – это согласованный набор программ ( драйверов), аппаратуры( сетевые адаптеры) и линий связи ( кабели, радиосвязь …)

Однако следует отметить, что каждая из этих технологий создавалась не как стандарт, а как индивидуальная разработка отдельной фирмы. Это создавало много трудностей для пользователей: если нужно было соединить две подсети с разными технологиями, то приходилось либо заказывать разработку специальных программ сопряжения или заменять оборудование одной технологии на другую.

Поэтому в середине 80-х гг.появились первые стандарты на локальные сети: Ethernet, Arcnet, TokenRing. Лидером из этих технологий стала технология Ethernet, которая распространилась по всему миру.

Большим достижением глобальных сетей стало создание в 1991 г. WEB - технологий

Различия между локальными и глобальными сетями в 70 – 80 гг были очень заметными:

1. Глобальные сети действовали на больших расстояниях, а локальные в основном в пределах 1 здания.

2. Глобальные сети были очень медленными т.к. линиями связи в основном были старые аналоговые телефонные каналы ( со скоростями 2,4 – 10 Кбит/сек). Локальные сети наоборот, были более скоростными т.к. в них использовалась хорошо защищенная от помех кабельная система, позволяющая достигать высоких скоростей ( 4 – 10 Мбит/сек).

3. Разнообразие услуг в глобальных сетях из-за низких скоростей было также ограничено в основном передачей файлов и электронной почты. А локальные сети кроме того позволяли делать совместный доступ к разным ресурсам в сети ( папкам, файлам, факсам …), передавать звуковую и видео информацию и.др.

Сближение локальных и глобальных сетей.

Однако, с развитием телекоммуникационных технологий, которые позволяли на протяженных каналах связи достигать все больших и больших скоростей и улучшили качество передачи сигнала, различие глобальных и локальных сетей стало все больше уменьшаться:

1. локальные сети стали соединять одну с другой с помощью технологий глобальных сетей.- такая объединенная сеть как бы становилась локальной,но с глобальными соединениями.

2. Появились новые кабельные технологии – оптоволокно, которое позволяло на больших расстояниях в глобальных сетях достигать скоростей и качества локальных сетей.

3. Т.к. улучшилось качество передачи сигнала в глобальных сетях, то упростились протоколы глобальных сетей и стали похожими на протоколы локальных . А такой протокол как TCP/IP стал единым сетевым протоколом и для глобальных и для локальных сетей.

4. Количество услуг, предоставляемых пользователям глобальной сети почти сравнялось с количеством услуг локальных сетей В глобальных сетях стала доступна и видеопередача, и голосовая передача, и совместный доступ к различным ресурсам как и в локальных.

5. Раньше локальные сети были обособлены друг от друга и вопросы несанкционированного доступа извне к их ресурсам не рассматривались. Сегодня практически все локальные сети имеют выход в глобальную сеть и вопрос защиты в них стал таким же актуальным как и в глобальных сетях.

6. Появились единые технологии для локальных и глобальных сетей – ATM

7. Появились смешанные сети: городские, корпоративные в которых технологии локальных и глобальных сетей тесно смешались друг с другом.

Вопросы самостоятельной работы:

1. Чем отличалась система Мэйнфрейм – терминалов от компьютерной сети. Как обозначаются локальные и глобальные сети. Что такое технология.

2. По каким характеристикам различаются и происходит сближение локальных и глобальных сетей.

Лекция 2.(+)Кабельные системы связи.

Линия связи (канал связи) состоит в общем случае из физической среды, по которой передаются электрические информационные сигналы, аппаратуры передачи данных и промежуточной аппаратуры

Линии связи вычислительных сетей отличаются по своим характеристикам от тех, что существуют внутри компьютера. Главное отличие в гораздо большей протяженности и том, что они подвержены воздействию внешних помех.

Типы линий связи

Проводные

Проводные линии связи представляют собой провода, без каких либо изолирующих или экранирующих оплеток, проложенные между столбами и висящие в воздухе. По таким линиям традиционно передаются телефонные и телеграфные сигналы. Скоростные качества и помехозащищенность таких линий очень низкая.

Кабельные

Кабель состоит из проводников, заключенных в несколько слоев изоляции. Кабель оснащается различными разъемами, позволяющими быстро присоединять к нему различного оборудования.

В компьютерных сетях применяются три основных типа кабеля: витая пара, коаксиальные кабели и оптоволокно.

Стандарты кабелей

К абель – это достаточно сложное изделие, состоящие из проводников, слоев экрана и изоляции. В компьютерных сетях применяются кабели и разъемы, удовлетворяющие определенным стандартом, что позволяет строить кабельную систему из продукции разных производителей.

Коаксиальные кабели

Коаксиальный кабель (coaxial) состоит из внутренней медной жилы и оплетки, отделенной от жилы слоем изоляции. Существует несколько типов коаксиального кабеля:

• RG-8 и RG-11 - «толстый» коаксиальный кабель, разработанный для магистральных линий. Имеет волновое сопротивление 50 Ом и внешний диаметр 0,5 дюйма (около 12 мм). Этот кабель имеет толстый внутренний проводник. Этот кабель сложно монтировать - он плохо гнется.

• RG-58 (/U, A/U) - разновидности «тонкого» коаксиального кабеля для локальных сетей с сопротивлением 50 Ом,. Кабель RG-58/U имеет сплошной внутренний проводник, а кабель RG-58 A/U - многожильный. Этот кабель имеет худшие механические и электрические характеристики по сравнению с «толстым» , зато он обладает гораздо большей гибкостью, удобной при монтаже.

• RG-59 - телевизионный кабель с волновым сопротивлением 75 Ом. Широко применяется в кабельном телевидении.

• RG-62 - кабель с волновым сопротивлением 93 Ом, использовался в сетях ArcNet, оборудование которых сегодня практически не выпускается..

В итая пара

Скрученная пара проводов называется витой парой (twisted pair). Витая пара существует в экранированном варианте (Shielded Twistedpair, STP), когда пара медных проводов обертывается в изоляционный экран, и неэкранированном (Unshielded Twistedpair, UTP), когда изоляционная обертка отсутствует. Скручивание проводов снижает влияние внешних помех на полезные сигналы, передаваемые по кабелю.

Кабели на основе неэкранированной витой пары

Кабели категории 1 применяются там, где требования к скорости передачи минимальны. Обычно это кабель для цифровой и аналоговой передачи голоса и низкоскоростной (до 20 Кбит/с) передачи данных. До 1983 года это был основной тип кабеля для телефонной разводки.

Кабели категории 2 были впервые применены фирмой IBM при построении собственной кабельной системы. Главное требование к кабелям этой категории - способность передавать сигналы со спектром до 1 МГц.

Кабели категории 3 были стандартизованы в 1991 году в диапазоне до 16 МГц, поддерживающих высокоскоростные сетевые приложения. Кабель категории 3 предназначен как для передачи данных, так и для передачи голоса. Раньше они составляли основу многих кабельных систем зданий для передачи и голоса, и данных.

Кабели категории 4 представляют собой несколько улучшенный вариант кабелей категории 3 на частоте передачи сигнала 20 МГц и обеспечивать повышенную помехоустойчивость и низкие потери сигнала. Они хорошо подходят для применения в системах с увеличенными расстояниями (до 135 метров. На практике используются редко.

Кабели категории 5 были специально разработаны для поддержки высокоскоростных протоколов в диапазоне до 100 МГц.. На этом кабеле работают протоколы со скоростью передачи данных от 100 Мбит/с до 1000 Мбит/с. Кабель категории 5 пришел на замену кабелю категории 3.

Все кабели UTP независимо от их категории выпускаются в 4-парном исполнении. Каждая из четырех пар кабеля имеет определенный цвет и шаг скрутки. Обычно две пары предназначены для передачи данных, а две - для передачи голоса.

Для соединения кабелей с оборудованием используются вилки и розетки RJ-45, представляющие 8-контактные разъемы, похожие на обычные телефонные разъемы. RJ-11.

Особое место занимают кабели категорий 6 и 7. Для кабеля категории 6 характеристики определяются до частоты 200 МГц, а для кабелей категории 7 - до 600 МГц. Кабели категории 7 обязательно экранируются, причем как каждая пара, так и весь кабель в целом. Кабель категории 6 может быть как экранированным, так и неэкранированным. Основное назначение этих кабелей - поддержка высокоскоростных протоколов на отрезках кабеля большей длины, чем кабель UTP категории 5. Некоторые специалисты сомневаются в необходимости применения кабелей категории 7, так как стоимость кабельной системы при их использовании получается соизмеримой по стоимости сети с использованием волоконно-оптических кабелей, а характеристики кабелей на основе оптических волокон выше.

Экранированная витая пара STP хорошо защищает передаваемые сигналы от внешних помех, а также меньше излучает электромагнитных колебаний вовне, что защищает, в свою очередь, пользователей сетей от вредного для здоровья излучения. Наличие заземляемого экрана удорожает кабель и усложняет его прокладку, так как требует выполнения качественного заземления. Экранированный кабель применяется только для передачи данных, а голос по нему не передают.

Основным стандартом, определяющим параметры экранированной витой пары, является фирменный стандарт IBM. В этом стандарте кабели делятся не на категории, а на типы: Type I, Type 2,..., Type 9.

Электрические параметры кабеля Type 1 примерно соответствуют параметрам кабеля UTP категории 5. Однако волновое сопротивление кабеля Type 1 равно 150 Ом , а UTP категории 5 имеет волновое сопротивление 100 Ом, поэтому простое «улучшение» кабельной проводки сети путем замены неэкранированной пары UTP на STP Type 1 невозможно – придется менять и сетевое оборудование.

Экранированные витые пары используются также в кабеле IBM Type 2, который представляет кабель Type 1 с добавленными 2 парами неэкранированного провода для передачи голоса.

Для присоединения экранированных кабелей к оборудованию используются разъемы конструкции IBM.

Не все типы кабелей стандарта IBM относятся к экранированным кабелям - некоторые определяют характеристики неэкранированного телефонного кабеля (Type 3) и оптоволоконного кабеля (Type 5).

. Волоконно-оптические кабели

В олоконно-оптические кабели состоят из центрального проводника света (сердцевины) - стеклянного волокна, окруженного другим слоем стекла - оболочкой, обладающей меньшим показателем преломления, чем сердцевина. Распространяясь по сердцевине, лучи света не выходят за ее пределы, отражаясь от покрывающего слоя оболочки. В зависимости от угла преломления и от величины диаметра сердечника различают:

• многомодовое волокно со ступенчатым изменением показателя преломления (рис а);

• многомодовое волокно с плавным изменением показателя преломления (рис.6);

• одномодовое волокно (рис. в).

Рис 1. Типы оптического кабеля

Понятие «мода» описывает режим распространения световых лучей во внутреннем сердечнике кабеля (кварцевый волосок внутри кабеля). В одномодовом кабеле (Single Mode Fiber, SMF) используется центральный проводник очень малого диаметра, соизмеримого с длиной волны света - от 5 до 10 мкм. При этом практически все лучи света распространяются вдоль оптической оси световода, не отражаясь от внешнего проводника. Полоса пропускания одномодового кабеля очень широкая - до сотен гигагерц на километр. Изготовление тонких качественных волокон для одномодового кабеля представляет сложный технологический процесс, что делает одномодовый кабель достаточно дорогим. Кроме того, в волокно такого маленького диаметра достаточно сложно направить пучок света, не потеряв при этом значительную часть его энергии.

В многомодовых кабелях (Multi Mode Fiber, MMF) используются более широкие внутренние сердечники, которые легче изготовить технологически. В стандартах определены два наиболее употребительных многомодовых кабеля: 62,5/125 мкм и 50/125 мкм, где 62,5 мкм или 50 мкм - это диаметр центрального проводника, а 125 мкм - диаметр внешнего проводника.

В многомодовых кабелях во внутреннем проводнике одновременно существует несколько световых лучей, отражающихся от внешнего проводника под разными углами. Угол отражения луча называется модой луча. В многомодовых кабелях с плавным изменением коэффициента преломления режим распространения каждой моды имеет более сложный характер.

Многомодовые кабели имеют более узкую полосу пропускания - от 500 до 800 МГц/км. Сужение полосы происходит из-за потерь световой энергии при отражениях, а также из-за интерференции лучей разных мод.

В качестве источников излучения света в волоконно-оптических кабелях применяются:

• светодиоды;

• полупроводниковые лазеры.

Для одномодовых кабелей применяются только полупроводниковые лазеры, так как при таком малом диаметре оптического волокна световой поток, создаваемый светодиодом, невозможно без больших потерь направить в волокно. Для многомодовых кабелей используются более дешевые светодиодные излучатели.

Волоконно-оптические кабели обладают отличными характеристиками всех типов: электромагнитными, механическими (хорошо гнутся, а в соответствующей изоляции обладают хорошей механической прочностью). Однако у них есть один серьезный недостаток - сложность соединения волокон с разъемами и между собой при необходимости наращивания длины кабеля.

Сама стоимость волоконно-оптических кабелей ненамного превышает стоимость кабелей на витой паре, однако проведение монтажных работ с оптоволокном обходится намного дороже из-за трудоемкости операций и высокой стоимости применяемого монтажного оборудования. Так, присоединение оптического волокна к разъему требует проведения высокоточной обрезки волокна в плоскости строго перпендикулярной оси волокна, а также выполнения соединения путем сложной операции спаивания, а не обжатия, как это делается для витой пары.

Вопросы самостоятельной работы:

1. Перечислите кабельные линии связи и их главные особенности.

Лекция 3.(+)Физическая передача цифровой информации.

Аналоговая и дискретная передача

В телекоммуникационных и компьютерных сетях используется две разновидности передачи сигналов: аналоговая и дискретная.

Источниками дискретных данных являются компьютеры и другие вычислительные устройства, а источниками аналоговых данных являются такие устройства, как телефоны, видеокамеры, звуко- и видеовоспроизводящая аппаратура.

На ранних этапах решения этой проблемы в территориальных сетях все типы данных передавались в аналоговой форме, при этом дискретные по своему характеру компьютерные данные преобразовывались в аналоговую форму с помощью модемов.

Однако по мере развития техники выяснилось, что передача их в аналоговой форме не позволяет улучшить качество принятых на другом конце линии данных, если они существенно исказились при передаче. Сам аналоговый сигнал не дает никаких указаний ни о том, что произошло искажение, ни о том, как его исправить, поскольку форма сигнала может быть любой,. Кроме того скорость передачи аналогового сигнала ограничена реальным временем его формирования. Поэтому на смену аналоговой технике записи и передачи звука и изображения пришла цифровая техника. Эта техника использует так называемую дискретную модуляцию исходных аналоговых сигналов.

Принцип дискретной модуляции заключается в том, что через заданные промежутки времени выполняется замер характеристик сигнала ( частота, амплитуда) и записывается в виде двоичного кода ( кодируется). Набор таких кодов заменяет аналоговый сигнал. По линиям связи передается не произвольной формы сигнал(аналоговый), а набор кодов, которые его заменяют т.е. поток 1 и 0. Устройство, которое выполняет подобную функцию, называется аналого-цифровым преобразователем (АЦП).Искажения сигнала при передаче в этом случае проверяются, например, с помощью контрольных сумм и повторной передачи неправильно пришедших данных. А скорость можно увеличить за счет одновременной передачи нескольких 1 и 0 по одному кабелю на разной частоте или с разной фазой.

Аналоговая модуляция

На больших расстояниях невозможно передать сигнал с постоянным напряжением т.к. он быстро затухает. На малых расстояниях, например шины материнской платы кеомпьютера, 1 и 0 передаются с помощью 2 напряжений , которые постоянны при передаче одного бита.( одно для 1 , а другое для 0).

Компьютерные сети представляют собой линии передачи на больших расстояниях, а в этом случае более устойчивым является сигнал переменного напряжения, который на графике можно изобразить в виде волны ( синусоиды)

Р ис 1. График несущей сигнала

Эту исходную волну называют несущей сигнала или просто несущей.

Для передачи бита =1 и бита=0 эту несущую изменяют для 1 одним способом, а для 0 другим т.е. выполняют модуляцию ( изменение) исходного сигнала несущей.

Устройство, которое выполняет функции модуляции несущей синусоиды на передающей стороне и демодуляции на приемной стороне, носит название модем (модулятор - демодулятор).

Методы аналоговой модуляции

Основные способы аналоговой модуляции показаны на рис. 3.

Рис 2. Различные типы модуляции

а) (рис. 3, а) Передача 1 и 0 с помощью постоянного тока на шинах материнской платы.

б) Амплитудная модуляция (рис. 2, б) для единицы выбирается большая амплитуда, а для нуля - малая. Этот способ редко используется в чистом виде на практике из-за низкой помехоустойчивости, но часто применяется в сочетании с другим видом модуляции - фазовой модуляцией ( Рис 2, г).

в) Частотная модуляция (рис. 2, в) значения 0 и 1 исходных данных передаются с различной частотой - f0 и f1. Этот способ модуляции не требует сложных схем в модемах и обычно применяется в низкоскоростных модемах, работающих на скоростях 300 или 1200 бит/с.

г) Фазовая модуляция (рис.2, г) значениям данных 0 и 1 соответствуют сигналы одинаковой частоты, но с различной фазой ( волна начинается с разных точек отсчета), например для бита=1 волна сначала идет от 0 вниз, а затем вверх, а для бита=0 сначала вверх, а затем вниз.

В скоростных модемах часто используются комбинированные методы модуляции, как правило, амплитудная в сочетании с фазовой, а несущая имеет постоянную частоту.

Характеристики линий связи

К основным характеристикам линий связи относятся:

• амплитудно-частотная характеристика;

• полоса пропускания;

• затухание;

• помехоустойчивость;

• пропускная способность;

• достоверность передачи данных;

• стоимость.

Амплитудно-частотная характеристика показывает, как затухает амплитуда синусоиды на выходе линии связи по сравнению с амплитудой на ее входе для всех возможных частот передаваемого сигнала.

Полоса пропускания Изменение амплитуды, при котором исходный сигнал нормально распознается принимающей стороной наблюдается только для определенного набора частот несущей.

Этот набор (диапазон) частот называется Полосой пропускания (bandwidth) Ширина полосы пропускания – это величина диапазона частот. Чем больше разных частот, тем полоса пропускания больше. Полоса пропускания зависит от типа линии и ее протяженности. На рисунке 8 показаны полосы пропускания линий связи различных типов, а также наиболее часто используемые в технике связи частотные диапазоны.

Рис 3. Полосы пропускания линий связи и популярные частотные диапазоны

Как видно из рисунка оптический кабель имеет самую большую ширину полосы пропускания частот - от 100 Гц до 10ГГц. Коаксиальный кабель меньше – от 100 Гц до 1ГГц, а витая пара еще меньше.

Затухание (attenuation) – это уменьшение амплитуды или мощности сигнала на удаленном конце кабеля при передаче для определенной частоты.

П омехоустойчивость При передаче сигналов из-за того, что физические параметры линии отличаются от идеальных искажается форма сигнала Вследствие этого на приемнике в конце линии сигналы могут плохо распознаваться.

Рис 4. Искажение сигнала в линии.

Если линия связи включает промежуточную аппаратуру, то она также может вносить дополнительные искажения, так как невозможно создать устройства, которые бы одинаково хорошо передавали. Существуют и внешние помехи, которые вносят свой вклад в искажение формы сигналов на выходе линии. Эти помехи создают различные электрические двигатели, электронные устройства, атмосферные явления и т. д.

Пропускная способность (throughput) линии характеризует максимально возможную скорость передачи данных по линии связи. Пропускная способность измеряется в битах в секунду - бит/с, а также в производных единицах, таких как килобит в секунду (Кбит/с), мегабит в секунду (Мбит/с), гигабит в секунду (Гбит/с) и т. д.

Количество изменений несущего сигнала в секунду измеряется в бодах (baud). Пропускная способность линии в битах в секунду в общем случае не совпадает с числом бод. Она может быть как выше, так и ниже числа бод, и это соотношение зависит от способа кодирования.

Если сигнал имеет более двух различимых состояний, то пропускная способность в битах в секунду будет выше, чем число бод. Например, если изменяющимися параметрами являются фаза и амплитуда синусоиды, причем различаются 4 состояния фазы в 0,90,180 и 270 градусов и два значения амплитуды, то сигнал может иметь 8 ( 4 фазы * 2 амплитуды) различимых состояний. Каждое состояние может быть закодировано 2-ым числом , состоящим из 3 бит: 000, 001, 010, 011,100,101,110,111. Поэтому каждое из 8 состояний сигнала включает в себя по 3 бита. Каждое изменение сигнала – это 1 бод, которое передает сразу по 3 бита т.е. битов в 3 раза больше, чем бод. Например, модем, работающий со скоростью 2400 бод (с тактовой частотой 2400 Гц) передает информацию со скоростью 7200 бит/с, так как при одном изменении сигнала передается 3 бита информации.

При использовании сигналов с двумя различимыми состояниями может наблюдаться обратная картина. Это часто происходит потому, что для надежного распознавания приемником пользовательской информации каждый бит в последовательности кодируется с помощью нескольких изменений несущего сигнала. Например, при каждого бита физический сигнал дважды изменяет свое состояние. При таком кодировании пропускная способность линии в два раза ниже, чем число бод, передаваемое по линии.

В первую очередь разработчика вычислительной сети интересуют пропускная способность и достоверность передачи данных, поскольку эти характеристики прямо влияют на производительность и надежность создаваемой сети.

Вопросы самостоятельной работы:

1. В чем различие аналоговой и дискретной передачи данных. Как выполняется преобразование аналоговых сигналов в дискретные.

2. Поясните понятия: полоса пропускания, затухание и искажение сигнала, пропускная способность в битах и бодах.

Лекция 4.+)Синхронизация сигнала.

Методы кодирования информации с целью синхронизации

Синхронизация передатчика и приемника нужна для того, чтобы приемник точно знал, в какой момент времени заканчивается передача одного бита информации и начинается другой. На больших расстояниях неравномерность скорости распространения сигнала может привести к тому, что бит данных будет пропущен или считан повторно. Например, передатчик передает 10 бит за 1 сек т.е. на каждый бит тратится 0,1 сек. Однако эти биты поступают на приемник в течение 1,1 сек и он считает , что пишло не 10 бит, а 11.

П оэтому в сетях применяются так называемые самосинхронизирующиеся коды, сигналы которых несут для передатчика указания о том, в какой момент времени нужно осуществлять распознавание очередного бита. Любой резкий перепад сигнала может служить хорошим указанием того, что один бит закончился и начался другой. Интервал времени от одного бита до другого это такт.

Рис 1. Методы кодирования.

а) Потенциальный код без возвращения к нулю (Non Return to Zero, NRZ): При передаче длинной последовательности единиц или нулей сигнал на линии не изменяется, поэтому приемник лишен возможности определять по входному сигналу моменты времени, когда поступает очередной бит. Поэтому при высоких скоростях и длинных последовательностях единиц или нулей может привести к считыванию некорректного значения бита.

б) Биполярное кодирование с альтернативной инверсией (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI). В этом методе используются три уровня потенциала - отрицательный, нулевой и положительный. бит 0 – это нулевой потенциал, а бит 1 кодируется либо положительным потенциалом, либо отрицательным, при этом потенциал каждой новой единицы противоположен потенциалу предыдущей.Таким образом, для бит=1 сигнал меняется, а для бит=0 нет. Поэтому длинные последовательности нулей плохо распознаются

в) Биполярный импульсный код, в котором бит 1 положительной полярности, а бит 0 – отрицательной. Каждый бит передается только половину такта, а вторую половину такта импульс отсутствует. Такой код обладает отличными самосинхронизирующими свойствами, но из-за слишком аппаратура, распознающая 3 состояния сигнала дорогая. Поэтому биполярный импульсный код используется редко.

г) Манчестерский код. В локальных сетях Ethernet и Token Ring.он является самым распространенным методом кодирования. В нем для кодирования единиц и нулей используется перепад потенциала. При кодировании каждый такт делится на две части. Первая часть используется для передачи значения бита, а вторая – противоположным значением (перепадом потенциала). Так как сигнал изменяется по крайней мере один раз за такт передачи одного бита данных, то манчестерский код обладает хорошими самосинхронизирующими свойствами. Манчестерский код имеет еще одно преимущество перед биполярным импульсным кодом: в нем используются не три уровня сигнала, а два.

Дополнительно:

д) Потенциальный код 2B1Q

На рис. 5- д показан потенциальный код с четырьмя уровнями сигнала для кодирования данных. Это код 2B1Q, название которого отражает его суть - каждые два бита (2В) передаются за один такт сигналом, имеющим четыре состояния (1Q), Паре бит 00 соответствует потенциал -2,5 В, паре бит 01 соответствует потенциал -0,833 В, паре 11 - потенциал +0,833 В, а паре 10 - потенциал +2,5 В. При этом способе кодирования требуются дополнительные меры по борьбе с длинными последовательностями одинаковых пар бит, так как при этом сигнал превращается в постоянную составляющую. При случайном чередовании бит спектр сигнала в два раза уже, чем у кода NRZ, так как при той же битовой скорости длительность такта увеличивается в два раза. Таким образом, с помощью кода 2B1Q можно по одной и той же линии передавать данные в два раза быстрее, чем с помощью кода AMI или NRZI. Однако для его реализации мощность передатчика должна быть выше, чтобы четыре уровня четко различались приемником на фоне помех.

Избыточные коды

Существуют и другие методы кодирования, которые улучшают синхронизацию, а также улучшают контроль передачи данных. Например, методы кодирования с избыточными кодами. Избыточные коды основаны на разбиении исходной последовательности бит на порции, которые часто называют символами. Затем каждый исходный символ заменяется на новый, который имеет большее количество бит, чем исходный. Например, логический код 4В/5В, используемый в технологиях FDDI и Fast Ethernet, заменяет исходные символы длиной в 4 бита на символы длиной в 5 бит. Соответствие исходных и результирующих кодов 4В/5В представлено ниже на рисунке.

Р ис 2. Кодирование 4В/5В.

Такое дополнение 1 битом позволяет не только улучшить синхронизацию (набор из 5 бит выбирается так, чтобы не было длинных последовательностей 1 или 0), но и проконтролировать правильность переданных данных. В таблице представлено 16 вариантов из 5 бит, а всего существует 32. Если приемник получает набор, которого нет в таблице, то это для него сигнал о неверно принятых данных.

Использование таблицы перекодировки является очень простой операцией, поэтому этот подход не усложняет сетевое оборудование.

Скрэмблирование

Скрэмблером ( специальной программой встроенной в оборудование) выполняется перемешивание данных перед передачей их в линию так, чтобы поток 1 и 0 максимально перемешивался. На другом конце выполняется дисскрэмблирование т.е. обратное преобразование.

Вопросы самостоятельной работы:

1. Что такое синхронизация сигналов. Опишите принцип кодирования спомощью изменения потенциала.

2. Опишите суть методов кодирования 4В/5В и скрэмблирования

Лекция 5.(+)Топологии связей. Сетевые адаптеры и концентраторы.

При объединении в сеть большего числа компьютеров возникает целый комплекс проблем:

• как по одной линии передачи передавать сигналы нескольких компьютеров так, чтобы они не мешали друг другу?

• как соединить компьютеры между собой: сколько линий связи нужно и в каком порядке соединять?

• Одинаковая ли скорость должна быть на всех линиях?

• Как передавать пакет удаленному компьютеру через множество промежуточных узлов сети так,чтобы он был доставлен точно по адресу?

• и.т.д.

Топологии физических связей компьютеров.

топологией называется способ организации физических связей между узлами сети (компьютерами).

Компьютеры, подключенные к сети, часто называют станциями или узлами сети.

П олносвязная топология соответствует сети, в которой каждый компьютер сети связан со всеми остальными. Несмотря на простоту, этот вариант оказывается громоздким и неэффективным. Действительно, каждый компьютер в сети должен иметь большое количество портов для связи с каждым из остальных компьютеров сети. Для каждой пары компьютеров должна быть выделена отдельная электрическая линия связи. Полносвязные топологии применяются редко, Чаще она используется в многомашинных комплексах или глобальных сетях при небольшом количестве компьютеров.

Все другие варианты основаны на неполносвязных топологиях, когда для обмена данными между двумя компьютерами может потребоваться промежуточная передача данных через другие узлы сети

Я чеистая топология (mesh) получается из полносвязной путем удаления некоторых возможных связей В сети с ячеистой топологией непосредственно связываются только те компьютеры, между которыми происходит интенсивный обмен данными, а для обмена данными между компьютерами, не соединенными прямыми связями, используются транзитные передачи через промежуточные узлы. Ячеистая топология допускает соединение большого количества компьютеров и характерна, как правило, для глобальных сетей.

Т опология Общая шина до 2000г являлась очень распространенной топологией для локальных сетей. В этом случае компьютеры подключаются к одному коаксиальному кабелю. Передаваемая информация распространяется в обе стороны по всему кабелю ( шине).

Преимущества: дешевизна и простота разводки кабеля по помещениям.

Недостатки: - коллизии – это наложение двух или нескольких сигналов, посланных компьютерами одновременно. В этом случае образуется как бы «шум» в линии, который распознается сетевым оборудованием и называется коллизией.Количество коллизий увеличивается с увеличением количества узлов сети. Поэтому эффективными могут быть шины до 20 узлов, а при большем количестве коллизии очень «тормозят» сеть. - низкая надежность - любой дефект кабеля или какого-нибудь из многочисленных разъемов полностью парализует всю сеть. К сожалению, дефект коаксиального разъема редкостью не является. - невысокая производительность, так как при таком способе подключения в каждый момент времени только один компьютер может передавать данные в сеть. Поэтому пропускная способность канала связи всегда делится здесь между всеми узлами сети.

Т опология Звезда. В этом случае каждый компьютер подключается отдельным кабелем к общему устройству, называемому концентратором. В функции концентратора входит направление передаваемой компьютером информации одному или всем остальным компьютерам сети.

Преимущества: - существенно большая надежность. Любые неприятности с кабелем касаются лишь того компьютера, к которому этот кабель присоединен, и только неисправность концентратора может вывести из строя всю сеть. - концентратор может играть роль фильтра информации, поступающей от узлов в сеть, и при необходимости блокировать запрещенные администратором передачи.

Н едостатки: - коллизии при использовании простых концентраторов тормозят сеть как и в шине. - более высокая стоимость сетевого оборудования из-за необходимости приобретения концентратора и большего количества проводов и монтажа. - увеличение количества узлов ограничиваются количеством портов концентратора.

Расширенна звезда. Имеет смысл строить сеть с использованием нескольких концентраторов, иерархически соединенных между собой связями типа звезда. В настоящее время эта топология является самой распространенной как в локальных, так и глобальных сетях.

Т опология кольцо. Данные передаются по кольцу от одного компьютера к другому в одном направлении. Если компьютер распознает данные как «свои», то он копирует их себе во внутренний буфер, а если нет, то передает их следующему по кольцу узлу.

Преимущества: - постоянная скорость из-за отсутствия коллизий - контроль доставки данных за счет их возврата источнику по кольцу

Недостатки: - в случае выхода из строя или отключения какой-либо станции прерывается канал связи между остальными станциями.

В то время как небольшие сети, как правило, имеют типовую топологию - звезда, кольцо или общая шина, для крупных сетей характерно наличие произвольных связей между компьютерами. В таких сетях можно выделить отдельные произвольно связанные фрагменты (подсети), имеющие типовую топологию, поэтому их называют сетями со смешанной топологией

Индивидуальные линии связи и разделяемые.

В вычислительных сетях используют как индивидуальные линии связи между компьютерами, так и разделяемые (shared), когда одна линия связи попеременно используется несколькими компьютерами. Только в сети с полносвязной топологией для соединения каждой пары компьютеров имеется отдельная линия связи. Во всех других топологиях линии связи используются совместно несколькими компьютерами сети. Такие связи используются в локальных сетях с большим количеством компьютеров, где громоздкость и дороговизна индивидуальных линий не разумна.

Сеть с разделяемой средой при большом количестве узлов будет работать всегда медленнее, чем аналогичная сеть с индивидуальными линиями связи, так как пропускная способность индивидуальной линии связи достается одному компьютеру, а при ее совместном использовании - делится на все компьютеры сети.

В глобальных сетях отказ от разделяемых линий связи объясняется техническими причинами. Здесь большие временные задержки распространения сигналов принципиально ограничивают применимость техники разделения линии связи. Компьютеры могут затратить больше времени на переговоры о том, кому сейчас можно использовать линию связи, чем непосредственно на передачу данных по этой линии связи.

Концентраторы и сетевые адаптеры

Концентраторы вместе с сетевыми адаптерами, а также кабельной системой представляют тот минимум оборудования, с помощью которого можно создать локальную сеть. Такая сеть будет представлять собой общую разделяемую среду.

Функции и характеристики сетевых адаптеров

Сетевой адаптер (Network Interface Card, NIC) вместе со своим драйвером выполняет только. две операции: передачу и прием сетевого кадра

Передача кадра из компьютера в кабель состоит этапов:

• Прием кадра данных в буфер адаптера от компьютера.

• Форрмирование заголовка кадра: формирование адресов отправителя и получателя, вычисление контрольной сумм…

• кодирование 4В/5В или скрэмблирование

• Выдача сигналов в кабель в соответствии с кодом синхрогизации - манчестерским, NRZI, MLT-3 и т. п.

Прием кадра из кабеля в компьютер включает следующие действия.

• Прием из кабеля сигналов в виде битового потока.

• Выделение сигналов на фоне шума.

• Если данные перед отправкой в кабель подвергались кодированию или скрэмблированию, то они пропускаются через декодер или дескрэмблер

• Проверка контрольной суммы кадра. Если она неверна, то кадр отбрасывается и передается соответствующий код ошибки службан компьютера. Если контрольная сумма верна, то кадр помещается в буфер оперативной памяти для извлечения службами или протоколами компьютера.

Распределение обязанностей между сетевым адаптером и его драйвером стандартами не определяется, поэтому каждый производитель решает этот вопрос самостоятельно.

Сетевые адаптеры делятся на адаптеры для клиентских компьютеров и адаптеры для серверов.

В адаптерах для клиентских компьютеров значительная часть работы перекладывается на драйвер, тем самым адаптер оказывается проще и дешевле. Недостатком такого подхода является высокая степень загрузки центрального процессора компьютера рутинными работами по передаче кадров из оперативной памяти компьютера в сеть. Центральный процессор вынужден заниматься этой работой вместо выполнения прикладных задач пользователя.

Поэтому адаптеры, предназначенные для серверов, обычно снабжаются собственными процессорами, которые самостоятельно выполняют большую часть работы по передаче кадров из оперативной памяти в сеть и в обратном направлении.

Основные и дополнительные функции концентраторов

Концентратор (hub), многопортовый повторитель (repeator) это разные названия одного устройства. Концентратор обычно имеет несколько портов, к которым с помощью отдельных физических сегментов кабеля подключаются конечные узлы сети - компьютеры. Концентратор объединяет отдельные физические сегменты сети в единую разделяемую среду/

Его задачей является получение кадра от узла сети на какой-либо порт и передача его либо на все остальные порты (в Ethernet) либо на конкретные (Token Ring).

Концентраторы различаются по правилам работы для разных технологий.

Кроме основной задачи концентратор может выполнять и дополнительные функции:

• отключение некорректно работающих портов и перехода на резервное кольцо.

• Фильтрацию кадров по номерам портов ( можно заблокировать прием или передачу кадров с конкретного порта.

.

Рис 1. Концентратор Ethernet

Вопросы для самостоятельной работы

1. Перечислите основные топологии связей компьютеров, их преимущества и недостатки

2. Перечислите основные функции и конструктивные элементы сетевых адаптеров и концентраторов.

Лекция 6.(+)Технологии Ethernet, Fast Ethernet.

Структура стандартов IEEE 802.X

В 1980 году в институте IEEE был организован комитет 802 по стандартизации локальных сетей, в результате работы которого было принято семейство стандартов IEEE 802-х, которые содержат рекомендации по проектированию физического устройства локальных сетей. Эти стандарты были созданы на основе очень распространенных фирменных стандартов сетей Ethernet, ArcNet и Token Ring. Один из них – это стандарт широко распространенных локальных сетей Ethernet - 802.3

Технология Ethernet

Ethernet - это первый стандарт семейства локальных сетей Ethernet. Он обеспечивает пропускную способность 10 Мбит/с, используя манчестерский код. Сетевой адаптер Ethernet получает от компьютера пакет с данными и формирует кадр т.е. добавляет к пакету заголовок Ethernet и контрольную сумму.

Рис 1. Формат кадра Ethernet

• Загодовок содержит: Адрес назначения и Адрес источника (по 6 байт), Длина кадра ( 2 байт) и служебные поля типов передачи

• Данные клиента содержат от 46 до 1500 байт.

• Контрольная сумма - 4 байт, После получения кадра рабочая станция выполняет собственное вычисление контрольной суммы для этого кадра, сравнивает полученное значение со значением поля контрольной суммы и, таким образом, определяет, не искажен ли полученный кадр.

Все виды семейства Ethernet (в том числе Fast Ethernet и Gigabit Ethernet) используют один и тот же метод разделения среды передачи данных - метод случайного доступа CSMA/CD.

Метод передачи CSMA/CD (carrier-sense-multiply-access with collision detection,) -метод коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий. Этот метод применяется исключительно в сетях с логической общей шиной (к которым относятся и радиосети, породившие этот метод). Все компьютеры такой сети имеют непосредственный доступ к общей шине.

Чтобы получить возможность передавать кадр, станция должна убедиться, что линия свободна. Для этого прослушивается линия (есть ли несущая частота сигнала - carrier-sense, CS).

Если линия свободна ( нет несущей частоты) , то узел имеет право начать передачу кадра. В сети Ethernet с топологией «шина» сигналы узла распространяются во все стороны, так что все узлы сети их получают.

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 и обрабатывает полученные данные,

После окончания передачи кадра все узлы сети обязаны выдержать технологическую паузу (Inter Packet Gap) в 9,6 мкс. Эта пауза, называемая также межкадровым интервалом, нужна для приведения сетевых адаптеров в исходное состояние, а также для предотвращения монопольного захвата среды одной станцией. После окончания технологической паузы узлы имеют право начать передачу своего кадра, так как среда (линия) свободна.

Возникновение коллизии

Возможна ситуация, когда две станции одновременно пытаются передать кадр по общей среде. Механизм прослушивания среды и пауза между кадрами не гарантируют, что две или более станции одновременно начинают передавать свои кадры. Говорят, что при этом происходит коллизия (collision), так как содержимое обоих кадров сталкивается на общем кабеле и происходит искажение информации

Обнаружившая коллизию передающая станция обязана прекратить передачу и сделать паузу в течение короткого случайного интервала времени. Затем она может снова предпринять попытку передачи кадра.

Следует отметить, что метод доступа CSMA/CD вообще не гарантирует станции, что она когда-либо сможет получить доступ к среде. Конечно, при небольшой загрузке сети вероятность такого события невелика, но при большом количестве узлов такое событие становится очень вероятным. Этот недостаток метода случайного доступа - плата за его чрезвычайную простоту, которая сделала технологию Ethernet самой недорогой.

Спецификации физической среды Ethernet

Физические спецификации технологии Ethernet на сегодняшний день включают следующие среды передачи данных.

• l0Base-5 - коаксиальный кабель диаметром 0,5 дюйма, называемый «толстым» коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента - 500 метров (без повторителей).

• l0Base-2 - коаксиальный кабель диаметром 0,25 дюйма, называемый «тонким» коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента - 185 метров (без повторителей).

• l0Base-T - кабель на основе неэкранированной витой пары (Unshielded Twisted Pair, UTP). Образует звездообразную топологию на основе концентратора. Расстояние между концентратором и конечным узлом - не более 100 м.

• l0Base-F - волоконно-оптический кабель. Топология аналогична топологии стандарта l0Base-T. Имеется несколько вариантов этой спецификации - FOIRL (расстояние до 1000 м), l0Base-FL (расстояние до 2000 м), l0Base-FB (расстояние до 2000 м).

Число 10 в указанных выше названиях обозначает битовую скорость передачи данных этих стандартов - 10 Мбит/с, а слово Base - метод передачи на одной базовой частоте 10 МГц (в отличие от методов, использующих несколько несущих частот, которые называются Broadband - широкополосными). Последний символ в названии стандарта физического уровня обозначает тип кабеля.

Таблица 1. Общие характеристики стандартов Ethernet

Характеристика	10Base-5	10Base-2	10Base-T	10Base-F
Кабель	RG-8, RG-11	RG-58	UTP-3	многомодовое оптоволокно
Максимальная длина сегмента, м	500	185	100	2000
Максимальное расстояние между узлами сети, м	2500	925	500	2500 (2740)
Максимальное число станций в сегменте	100	30	1024	1024
Максимальное число повторителей между любыми узлами сети	4	4	4	4(5)

Стандарт 10Base-2

Станции подключаются к кабелю с помощью BNC-T коннекторов по топологии шина. Максимальное число станций подключаемых к одному сегменту – 30. Минимальное расстояние между станциями – 1м.

Достоинства:

• дешевизна кабельной системы;

• простота и удобство организации сети.

Недостатки:

• кабель более восприимчив к помехам;

• большое количество механических соединений;

• повреждения кабеля или разъема приводит к выходу из строя всей сети;

• поиск повреждения кабеля или разъема достаточно сложен.

Стандарт 10Base-T

использует неэкранированную витую пару 3-й категории. Компьютеры соединяются концентратором или коммутатором по топологии звезда. Концентратор осуществляет функции повторителя сигналов на всех отрезках витых пар, подключенных к его портам, так что образуется логическая общая шина, которая вместет с подключенными к ней компьютерами образует Домен коллизий.

Домен коллизий – это участок сети, по которому свободно распространяется сигнал без проверки, переданный от одного узла.

Максимальное расстояние между двумя непосредственно связанными узлами не более 100м.

Концентраторы можно объединять друг с другом , но не более 4 между узлами. петлевидное соединение концентраторов запрещено, т.к. может привести к некорректной работе.

Конечные узлы соединяются с концентратором с помощью двух витых пар. Одна витая пара для передачи данных ( Т_х ), а другая - для приема данных ( R_х). На рис. 2 показан пример трехпортового повторителя. Концентратор принимает сигналы от одного из конечных узлов и синхронно передает их на все свои остальные порты, кроме того, с которого поступили сигналы.

Рис 2. .Подключение узлов к трехпортовому концентратору: Тх - передатчик; Rх - приемник

Достоинства:

• легкость обнаружения и устранения повреждений в сети;

• применение концентратора способного контролировать и изолировать из сети некорректно работающие узлы.

Недостатками стандарта является более высокая стоимость сети из-за необходимости покупать концентратор и большее количество кабеля..

Стандарт 10Base-F

Использует в качестве кабеля оптоволокно. Рекомендуется использование недорогого оптоволокна с длиной кабеля 1км, но возможна протяженность до 2 км..

Функционально сеть состоит из тех же элементов, что и в стандарте 10Base-T – сетевых адаптеров, концентраторов и сегментов кабеля, соединяющих адаптер с портом концентратора. Для соединения сетевого адаптера и концентратора используется два оптоволокна (объединенных в один кабель).

К достоинствам стандарта следует отнести значительное увеличение расстояния от узла сети до концентратора. К недостаткам относится высокая стоимость кабеля и сложность его монтажа.

Fast Ethernet как развитие технологии Ethernet

Классический 10-мегабитный Ethernet устраивал большинство пользователей на протяжении около 15 лет. Однако в начале 90-х годов начала ощущаться его недостаточная пропускная способность. Назрела необходимость в разработке «нового» Ethernet, то есть технологии, которая была бы такой же эффективной по соотношению цена/качество при производительности 100 Мбит/с. В результате поисков и исследований специалисты разделились на два лагеря, что в конце концов привело к появлению новой технологии - Fast Ethernet.

технология Fast Ethernet

В Fast Ethernet сохранен метод CSMA/CD и только увеличена скорость до 100 Мбит/с .

В ней используются три варианта кабельных систем:

• волоконно-оптический многомодовый кабель, используются два волокна;

• витая пара категории 5, используются две пары;

• витая пара категории 3, используются четыре пары.

Коаксиальный кабель, давший миру первую сеть Ethernet, в число разрешенных сред передачи данных новой технологии Fast Ethernet не попал. Это общая тенденция многих новых технологий, поскольку на небольших расстояниях витая пара категории 5 позволяет передавать данные с той же скоростью, что и коаксиальный кабель, но сеть получается более дешевой и удобной в эксплуатации. На больших расстояниях оптическое волокно обладает гораздо более широкой полосой пропускания, чем коаксиал, а стоимость сети получается ненамного выше, особенно если учесть высокие затраты на поиск и устранение неисправностей в крупной кабельной коаксиальной системе

При использовании коммутаторов протокол Fast Ethernet может работать в полнодуплексном режиме, в котором нет ограничений на общую длину сети, а остаются только ограничения на длину физических сегментов, соединяющих соседние устройства (адаптер - коммутатор или коммутатор - коммутатор)

• 100Base-TX для двухпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 5 или экранированной витой паре STP Type 1;

• 100Base-T4 для четырехпарного кабеля на неэкранированной витой паре UTP категории 3, 4 или 5;

• 100Base-FX для многомодового оптоволоконного кабеля, используются два волокна.

Таблица 2. Общие характеристики стандартов FastEthernet

Характеристика	100Base-FX	100Base-TX	100Base-T4
Кабель	многомодовое оптоволокно 62,5 / 125 мкм	UTP-5, STP	UTP-3
Максимальная длина сегмента, м	412м / 2км	100	100
Максимальное расстояние между узлами сети, м	272	205	205
Максимальное число станций в сегменте	1024
Максимальное число повторителей между любыми узлами сети	1(2)

100Base-FX - многомодовое оптоволокно, два волокна, работа в полудуплексном и полнодуплексном режимах на основе схемы кодирования - 4В/5В.

100Base-TX - витая пара5 категории.

Всего в настоящее время определено 5 различных режимов работы, которые могут поддерживать устройства l00Base-TX или 100Base-T4 на витых парах;

100Base-T4 - витая пара UTP Cat 3, четыре пары

100Base-T4 была разработана для того, чтобы можно было использовать для высокоскоростного Ethernet имеющуюся проводку на витой паре категории 3. Ее самое главное преимущество состояло не столько в стоимости, а в том, что она была уже проложена в подавляющем числе зданий. Эта спецификация позволяет повысить общую пропускную способность за счет одновременной передачи потоков бит по всем 4 парам кабеля.

Четвертая пара всегда используется для прослушивания несущей частоты в целях обнаружения коллизии. Скорость передачи данных по каждой из трех передающих пар равна 33,3 Мбит/с, поэтому общая скорость протокола 100Base-T4 составляет 100 Мбит/с.

Высокоскоростная технология Gigabit Ethernet

Достаточно быстро после появления на рынке продуктов Fast Ethernet сетевые интеграторы и администраторы почувствовали определенные ограничения при построении корпоративных сетей. Назрела необходимость увеличения скорости передачи, но с увеличением скорости возникает ряд проблем:

1. Диаметр сети в полудуплексном режиме приувеличении скорости и сохранении параметров Fast Ethernet сокращается до 25м, а нужно сохранить хотя бы 200

2. Увеличить скорость до 1000 Мбит на витой паре при том, что в Fast Ethernet была использована максимально допустимая частота сигнала и эффективный метод кодирования. Однако успехи специалистов по кодированию, проявившиеся в последнее время в новых стандартах модемов, показали, что задача имеет шансы на решение.

Летом 1996 года создана группа Gigabit Ethernet Alliance, которая разработала новую технологию.

Что же общего имеется в технологии Gigabit Ethernet с технологиями Ethernet и Fast Ethernet?

• Сохраняются все форматы кадров Ethernet.

• По-прежнему будут существовать полудуплексная версия протокола, поддерживающая метод доступа CSMA/CD, и полнодуплексная версия, работающая с коммутаторами.

• Поддерживаются все основные виды кабелей, используемых в Ethernet и Fast Ethernet: волоконно-оптический, витая пара категории 5, коаксиал.

Тем не менее разработчикам технологии Gigabit Ethernet для сохранения приведенных выше свойств пришлось внести изменения не только в физический уровень, как это было в случае Fast Ethernet, но и в уровень MAC.

В Gigabit Ethernet были выполнены изменения:

• Минимальный размер кадра был увеличен с 64 до 512 байт.

• Разрешили конечным узлам передавать несколько кадров подряд, без передачи среды другим станциям.

Таблица 3. Характеристики стандартов Gigabit Ethern

Характеристика	1000Base-LX	1000Base-SX	1000Base-CX	1000Base-T
Кабель	одно- многомод. оптоволокно	многомодовое оптоволокно	STP	UTP-5
Максимальная длина сегмента, м	5000, 550	100, 220, 500	25	100
Максимальное число станций в сегменте	2

Передача по оптическому кабелю.

Для передачи данных по многомодовому оптическому кабелю используются светодиодные излучатели, работающие на двух длинах волн: 1300 и 850 нм. Применение светодиодов 850 нм намного дешевле, чем на волне 1300 нм, хотя при этом максимальная длина кабеля уменьшается, так как затухание многомодового оптоволокна на волне 850 м более чем в два раза выше, чем на волне 1300 нм. Однако возможность удешевления чрезвычайно важна для такой в целом дорогой технологии, как Gigabit Ethernet.

l000Base-SX -используется длина волны 850 нм (S означает Short Wavelength, короткая волна)

Для полнодуплексной передачи данных предельная длина оптоволоконного сегмента для кабеля 62,5/125 оставляет 220 м, а для кабеля 50/125 - 500 м. Эти расстояния в 220 и 500 м рассчитаны для худшего случая полосы пропускания многомодового кабеля.

Для полудуплексной передачи максимальные значения сегментов оптоволоконного кабеля всегда должны быть меньше 100 м.

l000Base-LX применяется полупроводниковый лазер с длиной волны 1300 нм (L - от Long Wavelength, длинная волна).

В основном l000Base-LX - это одномодовое оптоволокно. Максимальная длина кабеля для одномодового волокна равна 5000 м.

l000Base-LX может работать и на многомодовом кабеле. В этом случае предельное расстояние получается небольшим - 550 м. Для присоединения лазерного трансивера к многомодовому кабелю необходимо использовать специальный адаптер.

1000Base-T - Gigabit Ethernet на витой паре категории 5

Для передачи по такому кабелю данных со скоростью 1000 Мбит/с была организоватна параллельная передача одновременно по всем 4 парам кабеля.

Для кодирования данных был применен код РАМ5, использующий 5 уровней потенциала: -2, -1,0, +1, +2. Поэтому за один такт по одной паре передается 2,3 бит информации.

В этом случае для поддержки технологии Gigabit Ethernet не нужно будет заменять уже установленную проводку категории 5 на оптоволокно или проводку категории 7.

Вопросы для самостоятельной работы

1. Опишите метод случайного доступа CDMA/CD

2. Перечислите основные характеристики и различия технологий Ethernet, Fast Ethernet, GigabitEthernet

Лекция 7.(+)Коммутация каналов и пакетов.

Методы коммутации

Л юбые сети связи поддерживают некоторый способ коммутации (т.е. соединения) своих абонентов между собой. Этими абонентами могут быть удаленные компьютеры, локальные сети, факс-аппараты или просто собеседники, общающиеся с помощью телефонных аппаратов. Практически невозможно предоставить каждой паре абонентов свою собственную физическую линию связи, которой они могли бы монопольно «владеть» в течение длительного времени. Поэтому в любой сети всегда применяется какой-либо способ коммутации абонентов, который обеспечивает использование имеющихся физических каналов одновременно для нескольких абонентов сети. На рис. 10 показана типичная структура сети с коммутацией абонентов.

Рис 1.Общая структура сети с коммутацией абонентов

Абоненты ( обозначены цифрами) соединяются с коммутаторами ( обозначены буквами) индивидуальными линиями связи, каждая из которых используется в любой момент времени только одним, закрепленным за этой линией абонентом. Линии связи между коммутаторами разделяются несколькими абонентами, то есть используются совместно. Таким образом:

Коммутация – это соединение линий связи.

Коммутатор – это устройство, которое соединяет отдельные участки линий связи.

Первым коммутатором был человек на телефонной станции ( соединял контакты)

Существуют две принципиально различные схемы коммутации абонентов в сетях:

• коммутация каналов (circuit switching),

• коммутация пакетов (packet switching)

Внешне все эти схемы соответствуют приведенной на рис.10. структуре сети, однако возможности и свойства их различны. Сети с коммутацией каналов имеют более богатую историю, они ведут свое происхождение от первых телефонных сетей. Сети с коммутацией пакетов сравнительно молоды, они появились в конце 60-х годов как результат экспериментов с первыми глобальными компьютерными сетями.

Каждая из этих схем имеет свои преимущества и недостатки, но по долгосрочным прогнозам многих специалистов будущее принадлежит технологии коммутации пакетов, как более гибкой и универсальной.

Как сети с коммутацией пакетов, так и сети с Коммутацией каналов можно разделить на два класса по другому признаку - на сети с динамической коммутацией и сети с постоянной коммутацией.

• динамическая коммутация (коммутируемый канал) - это соединение линий по мере необходимости для клиентов :телефонные соединения абонентов, соединения компьютеров на время передачи данных, локальные сети…

• постоянная коммутация ( выделенный канал(dedicated) или арендуемый (leased)) - это соединение линий на длительное время, заказанное клиентом: постоянное соединение с помощью модемов, соединения между узлами на магистральных линиях, заказанные абонентом выделенные телефонные каналы.

Коммутация каналов - образование непрерывного физического канала из отдельных участков линий связи.

Процедура установления соединения - создается составной канал из общественных линий связи для соединения двух абонентов..

Преимущества:

• Гарантированная максимальная пропускная способность сети после установления соединения.

• Простота оборудования

Недостатки:

• Созданный канал между узлами не может использоваться другими клиентами, которые будут ожидать освобождения канала неизвестное время.

• невозможность работы пользовательской аппаратуры с разной скоростью.

мультиплексирование FDM :

• Как сделать так, чтобы магистральные каналы могли одновременно использовать несколько клиентов не ожидая завершения связи другого?

Решение - техника частотного мультиплексирования (Frequency Division Multiplexing, FDM) - разработана для телефонных сетей, но применяется для других сетей (соединений XDSL, каб телевидение).

• сигналы разных абонентов поступают на коммутатор с одинаковой частотой и при попытке одновременной из передачи по одной линии накладываются, образуя неразличимый «шум»

• Поэтому к коммутатору добавляют мультиплексор, который преобразует сигналы каждого абонента - в свою частоту и посылает их одновременно по одной динии

• Так как частоты каждого абонента разделены определенным интервалом, то они не мешают друг другу.Полосы делают шириной в 4 кГц, оставляя между ними страховой промежуток в 900 Гц.

• Такой канал называют уплотненным.

Рис 2. Коммутация на основе частотного уплотнения

WDM (Wave Division Multiplexing) - в волоконно-оптических кабелях в одном направлении световой пучек одной длины волны, а в обратном - другой длины волны. Такая техника относится к методу FDM, используя от 2 до 16 каналов.

Коммутация пакетов - разработана для эффективной передачи компьютерного трафика.

1. Разбивка на пакеты одинаковой величины всего потока информации

2. Добаваление к каждому пакету заголовка, в котором указываются: адрес отправителя и получателя, приоритет пакета, контрольная сумма …

3. Буферная память. Ее нет в коммутаторах каналов, но в коммутаторах пакетов она обязательна. В ней временно собираются пакеты перед отправкой или в нее временно складываются пакеты, пришедшие из сети.

4. Сглаживание пульсации трафика на магистральных связях – линии связи более равномерно загружены, чем в линиях с коммутацией каналов т.к. пока один абонент простаивает, канал занимают другие абоненты.

5. Неопределенная пропускная способность сети с коммутацией пакетов - это плата за ее общую эффективность: пропускная способность зависит от количества одновременно работающих абонентов. Чем абонентов больше, тем медленне пропускаются пакеты каждого. Пропускная способность для каждого абонента неизвестна в каждый момент времени т.к. число абонентов все время меняется.

6. Выбор размера пакета: чем больше пакет, тем больше времени ожидают другие абоненты своей очереди. Но есть такие типы трафика, как передача голоса, которые не не могут ждать ( речь будет прерываться и пропадать на время ождидания). Кроме того, если произошла ошибка при передаче пакета, то его придется передавать заново, а чем больше пакет, тем больше времени тратится на повторение. Поэтому выбор размера пакета зависит от качества линии и от типа трафика, который по ней передается.

TDM - техника мультиплексирования с разделением времени (Time Division Multiplexing,) -разработана для цифровой передачи по линиям с коммутацией пакетов.

• Идея аналогична FDM - передача по одной линии информации сразу нескольких клиентов

• данные передаются только в цифровой форме

• Данные разных клиентов передаются так: - заданное количество пакетов нескольких абонентов объединяются в обойму и по мультиплексированному каналу передаются не отдельные пакеты, а обойма.

• В отличие от передачи отдельных пакетов в обойме нет промежутков времени между пакетами для их различия. Кроме того обойма передается с большей частотой, чем приходящие пакеты и таким образом достигается большая скорость передачи данных по каналу НАПРИМЕР: пакеты приходят на скорости 10 Мбит/сек, а передача по мультиплексированному каналу 100 Мбит/сек.

• В обойме пакету каждого клиента отведено строго определенное место для того, чтобы на другом конце демультиплексор точно в таком же порядке их разобрал снова на пакеты и отправил в другие линии.

• Хотя в каждый момент времени передаются данные одного клиента, но за счет быстрого чередования передачи данных разных клиентов создается впечатление, что передаются данные всех клиентов одновременно.

Рис 3. Коммутация на основе разделения канала во времени

В данном примере показана передача уплотненного кадра на выходной канал Т1 с битовой скоростью, равной N*64 Кбит/с. (N - количество каналов) – 24 канала. На коммутаторе могут быть перестановки пакетов в обойме, если на другом участке линии абоненты принимают пакеты в другом порядке по ругому. В примере показана перестановка пакетов клиентов 1 и 2 т.к. второй передает первому , а первый – второму.

• Демультиплексор - выполняет обратную задачу – «вынимает пакеты из обоймы и распределяет по линиям связи..