Построение локальных сетей по стандартам физического и канального уровня. Структурированная кабельная система. Иерархия в кабельной системе.
Кабельная система является фундаментом любой сети. Поэтому её организация будет требовать специальное структурирование. Структурированная кабельная система - это набор кабелей и коммутационного оборудования, а также методика их совестного использования.
СКС позволяет создавать регулярные легко расширяемые структуры связей в компьютерных (локальных) сетях.
СКС - это система с помощью которой проектировщик сети строит нужную ему конфигурацию.
при необходимости конфигурацию связи можно легко изменять: Добавлять сегменты, изменять оборудование, а даже и сам кабель. Хорошо структурированная система строится избыточной, у будущем это может охранить и время и энергию. Как правило СКС строится с главной магистралью и многочисленными ответвлениями.
Рисунок 4.1. Иерархия структурированной кабельной системы.
Горизонтальная подсистема соединяет кроссовый шкаф этажа с розетками пользователей в каждой комнате.
Подсистема этого типа соответствует этажу здания.
Вертикальная подсистема объединяет кроссовые шкафы этажей в центральной аппаратной, в которой может находится и сервер главного здания. Или ещё её называют системой Кампуса.
Системы Кампуса могу объединять в себе несколько зданий на определённых территориях.
Такая организация сетевой структуры имеет следующие преимущества:
1. Универсальность (система поддерживает телефонию, пожарную безопасность, охранную систему).
2. Увеличение срока службы такой сети (срок старения 10-15 лет).
3. Уменьшение стоимости при добавлении новых пользователей.
4. Обеспечивает более простое и эффективное обслуживание.
Выбор типа кабеля для подсистемы:
В горизонтальной подсистеме витая пара UTP 5E.
В вертикальной - оптоволокно, толстый каоксиал.
Выбор типа кабеля для подсистемы Кампуса - оптоволокно, толстый каоксиал.
Кабель кампуса должен быть в защитной полиэтиленовой оболочке, если он снаружи или под землей. А также металлическая оболочка от грызунов и вандалов.
Влагозащитный кабель имеет прокладку из инертного газа между диэлектриком между экраном и защитной оболочкой.
Кабель для прокладывания под землей не используют внутри помещения, так как при горении выделяется много дыма.
Сетевые адаптеры.
Сетевые адаптеры вместе со своими драйверами реализует второй канальный уровень в системе OSI.
Пара - адаптер и его драйвер в сетевой операционной системе выполняет функции физического и MAC уровней, а подуровень LLC реализуется модулями операционной системы едиными для всех драйверов и сетевых адаптеров. Например в Windows NT уровень LLC реализуется в модуле NDIS(общий для всех драйверов сетевых адаптеров). Независимо от того какую технологию поддерживает драйвер.
Основные функции сетевого адаптера и его драйверов - это передача в канал и прием из канала кадров.
Передача кадра в канал состоит из следующих этапов:
1. Прием кадра LLC по межуровневому интерфейсу вместе с адресной информацией МАС уровня.
Обычно взаимодействие между протоколами внутри компьютера происходит через буферы, расположенные в ОП.
Данные для передачи в сеть помещают в эти буферы протоколами верхних уровней.
2. Оформление кадра. Из буфера кадр записывается в выходной регистр МАС уровня. Кроме этого осуществляется заполнение адресов, назначение и источника, вычисляется контрольная сумма, которая присоединяется тоже к кадру. Вставляются начальные и конечные ограничители.
3. Формирование импульсных кодов физического уровня, логическое кодирование 4B, 5B или скремблирование. Для получения более равномерного спектра сигналов. Однако логическое кодирование или скремблирование используется не во всех технологиях. Например в Ethernet обходится без этого способа.
4. Выдача сигналов в кабель в соответствии с принятым линейным кодом. Чаще всего используется манчестерский код или код NRZI, либо код MLT3.
Прием кадра из кабеля в компьютер:
1. Приемы из кабеля битового потока.
2.Выделение сигналов на фоне шума. Это как правило выполняется сигнальным процессом DSP.
В результате в приемнике образуется некоторая битовая последовательность с большой степенью вероятности совпадающей с той, которая была послана передатчиком.
3. Если перед отправкой данные скремблировались, то поток данных сначала дескремблируются.
То есть восстанавливаются символы кодов посланные передатчиком.
Скремблирование - Bi=Ai + Bi -3 + Bi - 5. После этого в приемнике восстанавливается переданный кадр.
4. Считается контрольная сумма и сравнивается с переданной в кадре. Если контрольная сумма не верна, то кадр отбрасывается. А через межуровневый интерфейс протоколу LLC передается соответствующий код ошибки. Если контрольная сумма верна, то из МАС кадра извлекается LLC кадр и передается через межуровневый интерфейс наверх протоколу LLC и кадр LLC помещается в буфер оперативной памяти.
Распределение обязанностей между сетевым адаптером и его драйвером стандартами не определяется. Каждый производитель решает этот вопрос самостоятельно.
Сетевые адаптеры подразделяются на: адаптеры для клиентских ПК и для серверов.
Клиентские сетевые адаптеры - значительная часть работы перекладывается на драйверы а сам адаптер проще и дешевле.
Недостаток - загруженность центрального процессора.
Адаптеры серверов - имеют собственные процессоры, которые и выполняют работу передачи кадров из ОЗУ(ОП) в сеть и из сети в ОЗУ(ОП).
Адаптеры разрабатываются под конкретную топологию: Ethernet адаптер, Token Ring адаптер, FDDI адаптер. Некоторые адаптеры имеют свойство автоконфигурировании, то есть автоматически настраиваются под скорость передачи и приема.
Перед установкой в компьютер адаптер надо конфигурировать, то есть задать номер прерывания IRQ, номер канала прямого доступа в память DMA, адрес порта ввода-вывода. В режиме plug-n-play он автоматически выставляется.
Сетевые карты
ATM - асинхронный режим связи предназначен для международных цифровых сетей как ГВС так и ЛВС. Для реализации этой технологии необходим специальный скоростной коммутатор, которые присоединяется к ПК оптическим кабелем. Один кабель для передачи, другой для приема. ATM поддерживает одновременную передачу голоса, данных и видео по одной сетевой технологии.
Скорость передачи ATM - 155 Мб/сек. Скорость зависит от среды передачи.
Технология Радио Ethernet - стандарт IEEE 802.11 описывает методы передачи данных по воздушным каналам, типы модуляции сигналов.
Сетевой адаптер вместе с драйвером выполняет всего 2 операции: приём и передачу кадра.
Классификация сетевых адаптеров.
3-е поколение сетевых карт.
Осуществляется конвейерная система обработки кадров.
Процессы приёма кадра из ОЗУ в буфер карты и передача кадра в сеть совмещаются во времени, то есть после приёма первых байт начинается их передача в сеть. Этот метод на 50% увеличивает производительность цепочки ОЗУ <-> адаптер <-> физический канал, и в обратную строну.
Такая схема очень чувствительна к порогу начала передачи. То есть должна быт уже к этому времени прослушана сеть, и определить что канал свободен. Проанализировать среду, определить что она свободна и это выполняется без участия администратора.
Самонастройка обеспечивает максимальную производительность для конкретного сочетания производительности внутренней шины сетевого адаптера, его системы прерываний и прямого доступа в памяти.
Адаптеры 3его поколения строится на специальных интегральных схемах AZIC. Они повышают надежность и одновременное снижение себестоимости.
4-ое поколение сетевых карт.
Тоже построены на AZIC технологии. Которая выполняет функции МАС уровня.
А также большое количество высокоуровневых функций к которым относятся:
- Поддержка удаленного мониторинга RMON;
- Схема приоритезации кадров;
- Функции дистанционного управления;
В серверных вариантах сетевой карты обязательно присутствует мощный процессор разгружающий центральный процессор.
Пример: 3COM - FastEther Link 100 Sletch 1000.
Сетевые адаптеры вставляются через слоты ISO, PCI, EISO.
Сетевой адаптер соединяется через трансивер. Трансиверным кабелем. Через трансивер подключается к магистрали, на концах которой подключаются терминаторы.
Если сетевая карта подключается через витую пару, то используется разъем 8R(8C) - RJ-45.
Для шинной сети Ethernet используется репиттор - кабель с тройниковым соединением.
Если длина сети превышает максимальную длину сегмента, то кабель разбивается на 5 сегментов, соединенных через репитор.
Функции репиттора:
- Физическое подключение сегментов
- Восстановление передаваемой инормации.
Репиттор повышает надежность. Он имеет постоянное питание и должен работать в постоянном режиме.
Концентраторы, хабы, повторители.
Главная функция - повторение кадра на всех его портах. Имеет несколько портов и объединяют отдельные сегменты в единую среду приёма и передачи. Для каждой топологии сети используются свои концентраторы, иногда они называются своими именами. Например для TokenRing'a - MSAU.
Дополнительные функции концентратора:
- Отключает некоторые рабочие порты;
- Переходит на резервное кольцо в FDDI;
- Отслеживают рабочее состояние сети.
Они имеют от 8 до 72 портов. Основная часть которых - подключение витой пары.
Концентратор может быть подключен через порты MDI, MDI-X.
MDI-MDI
MDI - интерфейс зависящий от передающей среды используются контакты 1 и 2 для передачи (TX). 3 и 6 контакты для приема (RX).
Это порт Ethernet для абонентского устройства. MDI - это сетевой порт персонального компьютера.
MDI-X - интерфейс зависящий от передающей среды, только с перекрещиванием.
Контакты 1 и 2 используются для приема(RX). 3 и 6 для передачи (TX).
Для соединения портов MDI и MDI-X применяют прямой кабель UTP (связь компьютер - коммутатор).
Для соединения MDI-X(MDI) и MDI-X(MDI) используется кроссируемый(перекрестный) кабель. (связь компьютер - компьютер).
В концентраторах имеется кнопочный переключатель, для порта MDI - MDI-X и наоборот.
Могут быть активные хабы и пассивные хабы. Пассивные выполняют только функцию разветвления. Активные - содержат внутренние усилители. Максимальное расстояние от концентратора до рабочей станции 100 метров. Производительность 10 Мб/сек.
Концентратор имеет функцию отключения портов. Если подключена некорректно работающая станция.
Для FDDI эта функция является основной и определена в протоколе.
Для Ethernet'ов отключение станции происходит если отсутствует ответ на последовательность LinkTest, посылаемое во все порты каждые 16мсек.
Ситуации в которых концентратор отключает порты Ethernet:
- Ошибка на уровне кадра;
- Множественная коллизия;
- Затянувшаяся передача - если время передачи через порт увеличивается в 3 раза то он отключается.;
- Поддержка резервных связей - они необходимы на случай отключения портов.
- При конфигурировании сети Администратор определяет какие порты основные а какие порты резервные.
- Защита от несанкционированного доступа.
Способы зашиты от несанкционированого доступа:
- Назначение МАС адресов портам концентратора. При несанкционированном доступе к порту, порт отключается.
- Шифрация данных. Используются чаще всего случайные искажения поля данных. И только та станция которой предназначен этот кадр сможет понять его содержание.
Многосегментные концентраторы (программно управляемые концентраторы) - интеллектуальные кроссовые шкафы, которые выполняют новые соединения не за счёт механического подключения к новым портам, а за счёт программного изменения внутренней конфигурации устройства.
Управление концентратором по протоколу SNMP.
Многие дополнительные функции концентратора требуют его конфигурирования, например через интерфейс RS322C, которые имеются у любого концентратора имеющего блок управления и выполняют не только функции RS322C, но и наблюдение за состоянием конфигуратора. В каком состоянии работаю его порты. Эти функции выполняются протоколом управления SNMP и стеком TCP/IP.
Логическая структуризация сети с помощью мостов и коммутаторов.
Под логической структуризацией сети понимается разбиение общей разделяемой среды на логические сегменты каждой из которых представляет собой тое разделяемую среду но с меньшим количеством узлов. Такая организация сети обладает большей производительностью и надежностью.
Взаимодействие между этими сегментами осуществляется с помощью мостов и коммутаторов.
Коэффициент нагрузки сети определяется как отношение Трафика передачи к максимальной пропускной способности.
Большее быстродействие то есть меньшую задержку даёт Ethernet.
Полезная пропускная способность сети Ethernet падает при максимальном коэффициенте использования сети. Если организация использует общую разделяемую среду с большим количеством станций и для уменьшения задержки передачи используется логическая сегментация.
Разбиение общеразделяемой среды на отдельные сегменты которые объединяются коммутаторами или мостами.
Внутри отдельных сегментов могут находится повторители и коэффициент использования сети будет равняться сумме. Мосты и коммутаторы - это функциональные близнецы. Эти устройства продвигают кадры на основе одних и тех же алгоритмов. Один алгоритм "Прозрачного моста" записанный в стандарте IEEE 802.1d. Второй алгоритм моста с маршрутизацией источника (для кольца Token Ring).
Основное отличие моста от коммутатора: Мост обрабатывает кадры последовательно, а коммутатор параллельно. Коммутатор - это мультипроцессорный мост, способный параллельно продвигать кадры между всеми своими портами. Постепенно коммутаторы вытесняют мосты, увеличивая производительность.
Производительность коммутаторов - неск. мил. кадров в сек.
Производительность мостов - 3-5 тыс. кадров в сек.
Кроме этого у коммутаторов есть дополнительные функции:
- поддержка виртуальных сетей WLAN.
- приоритетность трафика.
- использование магистрального порта по умолчанию.
Отличие моста от повторителя в том что повторитель передаёт кадр побитно а мост осуществляет передачу с буферизацией кадра.
Если передача осуществляется на все порты, то такая передача будет называться широковещательным штормом. Мосты не защищают сеть от ошибочного трафика, как делают коммутаторы.
Функции доступа к среде выполняется микросхемой МАС.
Коммутаторы - наиболее быстродействующие коммутационные устройства.
Недостатки коммутаторов:
1. Пассивный способ построения адресной таблицы приводит к невозможности работы в сетях с петлевыми связями.
2. Отсутствие защиты от широковещательного шторма.
Применение коммутаторов позволяет работать в полнодуплексном режиме и скорость передачи информации удваивается.
В полнодуплексном режиме работы имеет место затапливание сети, то у коммутатора есть возможность полностью приостановить трафик.
Существует большое разнообразие коммутаторов (свичей), они отличаются как внутренней организацией, количеством портов которые могут работать, поддерживать алгоритм покрывающего дерева. Также они могут быть использоваться в виртуальных связях.
По внутренней организации они разделяются на: коммутаторы построенные на коммутационной матрице (самые быстрые), коммутаторы на базе разделяемой памяти и коммутаторы на базе общей шины.
Коммутаторы построенные на коммутационной матрице.
Рис 4.32 Реализация коммутационной матрицы 8х8 с помощью свичных переключателей.
Тег представляет собой 3-х, 4-х разрядные двоичные числа соответствующие номеру выходного порта.
Недостаток такой организации: отсутствие буферизации кадра внутри матрицы и невозможность увеличения количества портов вывода.
Достоинства: высокое быстродействие, регулярная структура, которую легко реализовать в виде интегральной схемы.
Коммутаторы с общей шиной.
Рис 4.33. Архитектура коммутатора с общей шиной.
Недостатки: Установка модулей с высокоскоростными портами блокирующим элементом станет общая шина, поэтому производительность шины должна равняться сумме производительности всех портов.
Для того чтобы шина не блокировала работу коммутатора решили делать так чтобы кадр передавался частями по 48 байт. Выполняется функция - коммутация пакетов, а не каналов.
Коммутаторы с разделяемой памятью.
Рис 4.34. Архитектура разделяемой памяти.
Входные блоки процессоров портов соединяются с переключаемым входом разделяемой памяти. А выходные блоки этих же процессоров портов подключаются к выходам этой памяти. Переключением входа и выхода разделяемой памяти управляется менеджером очереди. В разделяемой памяти менеджера организует несколько очередей данных. Разделяемая память гибко распределяется между выходными портами а размер буфера на памяти может быть переменным.
Комбинированные коммутаторы.
Рис 4.35. Комбинирование архитектур коммутационной матрицы и общей шины.
Процессоры портов построены на коммутационной матрице.
Если порты ввода вывода принадлежат одному модулю то работает коммутационная матрица, а если порты принадлежат разным сегментам то работают шина и матрица совместно.
Скорость общей шины может достигать 20-30 Гбит/сек.
Автономные коммутаторы - коммутаторы с фиксированный количеством портов, используются для организации с небольшими рабочими группами.
Модульные коммутаторы на основе шасси - используются на магистрали сети, могут перекоммутироваться на ходу без отключения источника питания.
Стековые коммутаторы - работают автономно, их можно использовать для увеличения количества портов. Объединяются высокоскоростными каналами.
Основные характеристики:
1. Производительность коммутаторов - это скорость фильтрации кадров равно скорости с которой коммутатор выполняет следующие действия:
1. Приём кадра в буфер.
2. Просмотр адресной таблицы с целью нахождения порта по которому будет находится адреса.
3. Если приемник и передатчик принадлежат одному сегменту то кадр будет уничтожаться.
2. Скорость продвижения кадра =
1. Скорости приема кадра в свой буфер.
2. Просмотр адресной таблицы с целью нахождения порта выхода.
3. Передача кадра в порт выхода.
3. Пропускная способность (Мбит/сек)
4. Задержка передачи - промежуток между приемом и передачей кадра.
Дополнительные характеристики:
1. Тип коммутации
2. Размер буферной памяти
3. Производительность внутренней шины
4. Производительность процессора.
Шлюз - программно аппаратные комплексы, соединяющие однотипные сети, или сетевые устройства.
Шлюзы позволяют решать проблемы различия протоколов или систем адресации. Шлюзы действуют на сеансовом, представительном и прикладном уровнях системы OSI.