Основы построения компьютерных сетей

Основы построения компьютерных сетей

Основы передачи данных по физическим линиям связи

В первую очередь при организации передачи данных необходимо определить способ кодирования, т.е. представления информации в виде электрического или оптического сигнала. В вычислительных сетях, так же как и в большинстве областей, связанных с вычислениями принято пользоваться представлением чисел в двоичной системе счисления. Существуют различные способы кодирования двоичных цифр 0 и 1. Например, внутри микропроцессорной системы при передаче данных по внутренним линиям связи между ее компонентами, такими как процессор, память, контроллеры внешних устройств используется потенциальное кодирование, когда высокий уровень напряжения соответствует двоичной единице, низкий – двоичному нулю. При этом передача данных осуществляется параллельно по нескольким линиям, количество которых обычно бывает кратно восьми – 8, 16, 32 и т.д., что позволяет передавать за один такт один или несколько байтов информации. Количество параллельных линий связи называют также разрядностью (шины).

Главным отличием внешних линий связи от внутренних является гораздо большая их протяженность. Это обстоятельство вынуждает практически всегда использовать последовательную передачу данных в вычислительных сетях для сокращения количества проводов в линиях связи.

Электромагнитные характеристики длинных линий связи, а так же их подверженность помехам часто приводит к необходимости использовать более сложные способы кодирования, отличные от потенциального кодирования, используемого внутри микропроцессорной системы.

Кроме того, в вычислительных сетях может применяться модуляция сигнала, т.е. представление дискретного (импульсного) сигнала в виде синусоидального сигнала, частотный спектр которого соответствует полосе пропускания линии связи.

Еще одной проблемой передачи сигнала по длинным линиям связи является необходимость взаимной синхронизации приемника и передатчика. Внутри компьютера синхронизация осуществляется с использованием отдельного тактового сигнала, который вырабатывается тактовым генератором и передается по отдельной линии. Такая линия есть, например, в системной шине процессора. В сетях избегают использования дополнительных линий связи и стремятся организовать передачу данных с использованием всего одной пары проводов. Добиться синхронной работы приемника и передатчика за счет их собственных тактовых генераторов невозможно в силу погрешности настройки частот. Тактирование передаваемого сигнала осуществляется передатчиком, а приемник синхронизируется, подстраиваясь под частоту передатчика и ориентируясь на изменения передаваемого сигнала. При этом важно, чтобы изменения передаваемого сигнала происходили постоянно, вне зависимости от вида передаваемой битовой последовательности, даже если она состоит полностью только из нулей или единиц. Таким свойством обладают сигналы, закодированные при помощи самосинхронизирующихся кодов.

Логическое кодирование

Для улучшения характеристик потенциального кода может применяться логическое кодирование. Цель логического кодирования – заменить длинные последовательности единиц и нулей на последовательности с чередованием. Одним из методов логического кодирования является код 4 B/5 B. Он заменяет каждую последовательность длиной 4 бита последовательностью в 5 бит. При этом из 32 результирующих комбинаций можно выбрать 16 таких, которые не содержат большого количества повторяющихся нулей и единиц. Остальные комбинации являются запрещенными. При этом говорят, что способ кодирования является избыточным. Избыточность обеспечивает защиту от ошибок, если приемник принял избыточный код, то на линии произошло искажение сигнала. Кроме того, запрещенные коды иного используются для передачи служебной информации между передатчиком и приемником. Код 4B/5B обладает еще более узким спектром, чем манчестерский код, несмотря на то, что тактовая частота при кодировании 4B/5B увеличивается. Так, для передачи кодов 4B/5B со скоростью 100 Мбит/спередатчик должен работать с частотой 125 МГц.

 

Исходный код	Результирующий код	Исходный код	Результирующий код
0000	11110	1000	10010
0001	01001	1001	10011
0010	10100	1010	10110
0011	10101	1011	10111
0100	01010	1100	11010
0101	01011	1101	11011
0110	01110	1110	11100
0111	01111	1111	11101

 

Существуют логические коды, которые наоборот уменьшают количество бит в результирующей комбинации по сравнению с исходной. Код 8B/6T заменяет каждую последовательность длиной 8 бит последовательностью в 6 бит. Это делается для того, чтобы уменьшить тактовую частоту передатчика. При этом для кодирования используется сигнал с тремя состояниями. Избыточность кода 8B/6Т еще выше, чем у кода 4B/5B, так как на 256 исходных кодов приходится 3⁶=729 результирующих кодов.

Модель OSI

В начале 1980-х годов несколько международных организаций по стандартизации, таких как ISO (InternationalStandardsOrganization), ITU (InternationalTelecommunicationsUnits) и др., разработали модель, которая сыграла большую роль в развитии компьютерных сетей. Эта модель называется моделью взаимодействия открытых систем (OpenSystemInterconnection, OSI). Модель OSI определяет различные уровни взаимодействия систем, дает им стандартные имена и указывает, какие функции должен выполнять каждый уровень. В модели OSI средства взаимодействия делятся на семь уровней. Каждый уровень имеет дело с одним определенным аспектом взаимодействия сетевых устройств.

МодельOpen System Interconnection (ISO/OSI)

Сетевой уровень

Канальный уровень

Подуровень LLC (LogicalLinkControl - управление логическим каналом) Функции: Обеспечение надежной доставки сообщений на основе процедур установления соединения и подтверждения Подуровень MAC (MediaAccessControl - управление доступом к среде) Функции: 1) Упаковка данных в кадры (пакеты) 2) Проверка доступности среды передачи и организация совместного использования разделяемых линий связи 3) Физическая адресация узлов сети (MAC-адрес)

Физический уровень

Структура канального уровня ISO/ OSI

В компьютерах функции канально­го уровня реализуются сетевыми адаптерами и их драйверами.В целом канальный уровень представляет собой весьма мощный и законченный набор функций по пересылке сообщений между узлами сети. В некоторых случаях протоколы канального уровня оказываются самодостаточными транспортными средствами и могут допускать работу поверх них непосредственно протоколов при­кладного уровня или приложений, без привлечения средств сетевого и транспорт­ного уровней.

Тем не менее, для обеспечения качественной транспортировки сообщений в составных сетях, имеющих сложную топологию и альтернативные маршруты для передачи пакетов,  функций канального уровня оказывается недо­статочно, поэтому в модели OSI решение этой задачи возлагается на два следующих уровня — сетевой и транспортный.

Стек протоколов TCP/IP

Модель взаимодействия открытых систем OSI является чисто теоретической разработкой, построенной в результате обобщения опыта построения уже существующих сетей. Поэтому чаще всего реальные стеки протоколов, которые появились задолго до разработки модели OSI, не соответствуют идеальному разбиению на уровни, рекомендованному моделью OSI.

Стек протоколов TCP/IP был разработан в начале 1980-х годов по инициативе Министерства обороны США в качестве основы экспериментальной сети ARPAnet. Большой вклад в развитие этого стека протоколов внес университет Беркли, реализовав протоколы стека в своей операционной системе UNIX. Популярность этой операционной системы привела к широкому распространению протоколов стека TCP/IP. Сегодня стек TCP/IP является основой функционирования глобальной сети Интернет, большого количества корпоративных сетей и поддерживается большинством операционных систем. На рисунке показана структура и состав стека TCP/IP, а так же соответствие протоколов стека уровням модели OSI. Можно заметить, что функции сеансового уровня объединены с транспортным, а представительного уровня –с прикладным. Функции физического и канального уровня также часто объединяются под общим термином технология канального уровня. К таким технологиям, например, относится технология Ethernet.

Application

HTTP

FTP

SMTP

POP3

Telnet

Bit Torrent

NNTP/ NNRP

SMB/NetBT (NetBIOS)

DNS

Application

Presentation

Session

SSL TCP

UDP

Transport

Transport

Network

IP

ARP

ICMP

IGMP

RIP

DHCP

Internet

Data Link

PDH/SDH /DWDM

GPRS/ EDGE/LTE

Ethernet/Fast Ethernet/Gigabit Ethernet

Wi-Fi

SLIP

PPP

ISDN

xDSL

DOCSIS

Network Access

Physical

Первичные сети

Первичные сети предназначены для создания коммутируемой инфраструктуры, с помощь которых можно организовать постоянный цифровой синхронный канал передачи между двумя узлами сети. В первичных сетях используется техника коммутации каналов. На основе каналов, образованных первичными сетями, работают наложенные компьютерные или телефонные сети. Каналы, образованные первичными сетями, являются синхронными, так как имеют постоянную пропускную способность. Существует три поколения технологий первичных сетей:

PDH (PlesiochronousDigitalHierarchy) – плезиохронная цифровая иерархия.

SDH (SynchronousDigitalHierarchy) – синхронная цифровая иерархия, которой в Америке соответствует стандарт SONET.

DWDM (DenseWaveDivisionMultiplexing) – технологияуплотненноговолновогомультиплексирования.

Сети PDH

Технология PDHбыла разработана в конце 60-х годов компанией AT&Tдля организации связи крупных коммутаторов между собой. Началом технологии PDHстало создание мультиплексора, обеспечивающего оцифровку голоса с частотой дискретизации 8000 Гц и разрядностью 8 бит с образованием цифрового потока 64 кбит/с и последующим объединением 24-х голосовых каналов в канал Т1. Канал Т1передает данные в кадре, в котором последовательно передается по одному байту от каждого из 24-х абонентов, а после 24 байта вставляется один бит синхронизации. Таким образом, суммарная скорость передачи пользовательских каналов составляет 24*64 = 1,536 Мбит/с. Но с учетом бита синхронизации получается (24*8+1)/8*64 = 1,544 Мбит/с.

Для соединения крупных телефонных станций пропускной способности канала Т1 недостаточно, поэтому были разработаны стандарты для объединения каналов Т1 в иерархию скоростей: четыре канала Т1 объединили в канал Т2 (6,312 Мбит/с), семь каналов Т2 объединили в канал Т3 (44,763 Мбит/с), а шесть каналов Т3 объединили в канал Т4 (274 Мбит/с). Иерархия Т-каналов была стандартизирована ANSI, а позднее – международным комитетом CCITT, в результате чего возникла несовместимость американской и международной (европейской) версий стандарта PDH. Аналогом Т-каналов в международной версии являются каналы Е1 (64 кбит/с), Е2 (64 кбит/с*30=2,048 Мбит/с), Е3 (2,048 Мбит/с *4=8,488 Мбит/с), Е4 (8,488 Мбит/с *4=34,368 Мбит/с).

Недостатком технологии PDHявляется сложность и неэффективность операций мультиплексирования и демультиплексирования. Сам термин «плезиохронный», то есть «почти синхронный» говорит о причине этой сложности – отсутствии полной синхронизации при объединении низкоскоростных каналов в высокоскоростные. В результате для извлечения пользовательских данных необходимо полностью демультиплексировать данные объединенного канала.

Сети SDH/SONET

Указанный выше недостаток сетей PDHбыл преодолен при разработке синхронных оптических сетей SONET (SynchronousOpticalNET), которая появилась в впоследствии была стандартизирована как международный стандарт SDH. Иерархия скоростей SONET/SDHподдерживает скорость до 39,81 Гбит/с.

Кадры SDHимеют достаточно сложную структуру, позволяющую агрегировать в общи магистральный поток потоки PDH и SDHразличных скоростей, а также выполнять операции ввода-вывода без полного демультиплексирования магистрального потока.

Кроме того, отличительной чертой SHDявляется разнообразный набор средств отказоустойчивости, который позволяет сети быстро (за десятки миллисекунд) восстановить работоспособность сети – линии связи или мультиплексора.

Сети DWDM

Технология уплотненного волнового мультиплексирования (DenseWaveDivisionMultiplexing, DWDM)предназначена для создания оптических магистралей нового поколения, работающих на мультигигабитных и терабитных скоростях. Рост производительности сетей DWDMобеспечивается за счет одновременной передачи по оптическому волокну большого количества световых волн различной длины волны. При этом каждая волна представляет собой спектральный канал и несет собственную информацию.

Оборудование DWDMне занимается непосредственно проблемами передачи данных по каждому спектральному каналу – способом кодирования и протоколом передачи. Основной функцией DWDMявляются операции мультиплексирования и демультиплексирования. Революционная особенность мультиплексирования и коммутации DWDMзаключается в том, что эти операции выполняются над световыми сигналами, без преобразования их в электрическую форму. Все остальные сети, использующие оптоволокно в качестве среды передачи, например SDHили GigabitEthernet, обязательно преобразуют световые сигналы в электрические и только потом могут их мультиплексировать и коммутировать.

На сегодняшний день определены два частотных плана, т.е. набора частот, отстоящих друг от друга на некоторую постоянную величину:

1) Частотный план с разнесением частот между соседними каналами 100 ГГц (Δλ = 0,8 нм), в соответствии с которым применяется 41 волна в диапазоне от 1528,77 нм (196,1 ТГц) до 1560,61 нм (192,1 ТГц).

2) Частотный план с шагом 50 ГГц (Δλ = 0,4нм), позволяющий передавать в этом же диапазоне 81 длину волны.

Сама по себе технология DWDMне занимается кодированием передаваемой информации. Это задача технологии более высокого уровня, которая может использовать предоставленную ей длину волны по своему усмотрению и передавать по ней как цифровую, так и дискретную информацию. Такими технологиями могут быть SDHили 10 GigabitEthernet.

Технологии xDSL

Данная технология появилась в середине 90-х годов, как альтернатива цифровому абонентскому окончанию ISDN и включает в себя технологии:

1) Ассиметричного цифрового абонентского окончания (AsymmetricDigitalSubscriberLine, ADSL), которую иногда называют «широкополосным доступом».

2) Симметричного цифрового абонентского окончания (SymmetricDigitalSubscriberLine, SDSL).

3) Цифрового абонентскогоокончанияс адаптируемой скоростью передачи (RateAdaptiveDigitalSubscriberLine, RADSL).

4) Сверхбыстрого цифрового абонентского окончания (Veryhigh-speedDigitalSubscriberLine, VDSL).

Отличием данной технологии является то, что в отличие от аналоговых модемов, xDSL-модемы работают только на цифровом абонентском окончании, т.е. xDSL-сигнал не может проходить через транзитные телефонные коммутаторы.xDSL-модемы получают в свое распоряжение полосу пропускания около 1 МГц, в которой образуются три канала: высокоскоростной входящий, менее высокоскоростной исходящий и голосовой (рис.).

Распределение полосы абонентского окончания между каналами ADSL

В помещении абонента устанавливается разделитель (сплиттер), который обеспечивает разделение частот между ADSL-модемом и обычным аналоговым телефоном. Со стороны оператора связи устанавливается мультиплексор доступа к цифровому абонентскому окончанию (DigitalSubscriberLineAccessMultiplexer, DSLAM), который после преобразования сигналов в дискретную форму отправляет данные в сеть IP. Отделенный голосовой сигнал передается на телефонный коммутатор. Скорость работы ADSL-канала существенно зависит от качества физической линии и расстояния между модемом и оборудованием DSLAM.

Сетевой уровень

 

Канальный уровень

LLC

 

Логические процедуры передачи кадров, процедуры восстановления потерянных кадров, связь с сетевым уровнем (802.2)

 

MAC

 

Метод коллективного доступа с опознаванием несущей и разрешением коллизий

 

Ethernet (802.3)

Метод доступа к кольцу с передачей маркера

TokenRing (802.5)

Двойное кольцо

FDDI

(ANSIX3 T9.5)

Физический уровень

Ethernet

10 Мбит/с

Fast Ethernet

100 Мбит/с

Gigabit Ethernet

1000 Мбит/с

 

    IEEE 802.3 «Толстый» коаксиал 10 Base 5 IEEE 802.3a «Тонкий» коаксиал 10 Base 2 IEEE 802.3i Витая пара 3 кат. 10 BaseT IEEE 802.3j, Оптоволокно, 10BaseF (FOIRL, 10BASE-FL, 10BASE-FB) IEEE 802.3u, Витая пара 5 кат 100 BaseTX Витая пара 3 кат   100 BaseT 4 Одномодовое оптоволокно (от 2 до 10 км.), 100 BaseFX Многомодовое оптоволокно (до 400 м.), 100 BaseSX IEEE 802.3ab Витая пара 5e кат. 1000 BASE - T Витая пара 6 кат. 1000 BASE - TX IEEE 802.3z Многомодовое оптоволокно (до 550 м.), 1000 BaseSX IEEE 802.3z Одномодовое оптоволокно (до 5000 м.), 1000 BaseLX STP, 4 Мбит/с STP, 16 Мбит/с Оптоволокно, 100 Мбит/с UTP, 100 Мбит/с                                    

Структура стандартов физического и канального уровня локальных сетей

Технология Ethernet

Ethernet является самым распространенным стандартом построения локальных сетей на сегодняшний день. История Ethernet началась во второй половине 60-х годов, когда в радиосети передачи данных Гавайского университета были опробованы различные варианты коллективного случайного доступа к передающей среде (радиоэфиру). Название Ethernet можно перевести с английского как «эфирная сеть». Метод доступа оказался настолько удачным, что позднее, в 1975 г., фирма Xerox реализовала его для экспериментальной кабельной сети. В 1980 г. фирмы DEC, Intel и Xerox совместно разработали и опубликовали фирменный стандарт для сети на основе коаксиального кабеля, который был назван Ethernet II или Ethernet DIX.

Позднее на основе этого фирменного стандарта был разработан стандарт IEEE 802.3, который во многом совпадает со своим предшественником, однако имеет и некоторые отличия. В стандарте IEEE 802.3 уровни MAC и LLC различаются, а в оригинальном стандарте они объединены. Практически эти различия заключаются в том, что в разных стандартах Ethernet используются различные форматы кадра, о чем будет подробно сказано ниже.

В зависимости от типа используемой физической среды стандарт Ethernet имеет несколько спецификаций физического уровня. Однако для всех стандартов Ethernet характерным является использование манчестерского кода, а так же одного и того же метода доступа к разделяемой среде передачи данных – метода CSMA/CD.

Метод доступа CSMA/CD

Характерным свойством сети Ethernet является используемый в ней метод доступа, который называется методом коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий (carrier-sense-multiple-accesswithcollisiondetection, CSMA/CD). Этот метод предполагает использование исключительно разделяемой среды передачи данных. При этом все компьютеры подключаются к передающей среде (например, отрезку кабеля) одинаковым образом и могут одновременно работать в режиме приема данных. Вести передачу данных в каждый момент времени может только один компьютер.

Алгоритм доступа к среде

Все данные, передаваемые по сети, помещаются в кадры определенной структуры. Заголовок каждого кадра в обязательном порядке содержит уникальные физические адреса (MAC-адреса) станции-источника и станции назначения.

Любая станция может начать передачу кадра, но перед этим она должна убедиться, что передающая среда свободна. Это достигается прослушиванием среды передачи на частоте основной гармоники сигнала или несущей частоте, которая в случае передачи на скорости 10 Мбит/с равна 5-10 МГц, в зависимости от последовательности единиц и нулей. Признаком незанятости среды является отсутствие несущей.

Все станции распознают факт передачи кадра, и та станция, которая узнает свой адрес, как адрес назначения в заголовке кадра, записывает кадр в свой буфер и передает для дальнейшей обработке вышележащему уровню (обычно сетевому).

После окончания передачи кадра все узлы обязаны выждать технологическую паузу длительностью 9,6 мкс, которая так же называется межкадровым интервалом (InterPacketGap). После этого станция может начать передачу нового кадра. Практически не все станции строго одновременно фиксируют факт окончания передачи кадра из-за задержек в распространении сигнала.

Коллизии

При описанном подходе возможна ситуация, когда две или более станции начали передачу одновременно, так как механизм прослушивания несущей не гарантирует от такой ситуации. При этом говорят, что произошла коллизия (collision). При этом сигналы разных станций накладываются друг на друга и происходит искажение информации. Коллизия является нормальной ситуацией в работе сети Ethernet. При этом для возникновения коллизии две станции не обязательно должны начать передачу строго одновременно, чаше всего один узел начинает передачу немного раньше, но сигналы просто не успевают дойти до второго узла. Таким образом, коллизии - следствие распределенного характера сети.

Чтобы корректно обработать коллизию, передающая станция наблюдает за возникающими в кабеле сигналами. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, фиксируется обнаружение коллизии (collisiondetection). Для увеличения вероятности скорейшего обнаружения коллизии всеми станциями сети, станция, которая обнаружила коллизию, прерывает передачу своего кадра и искусственно усиливает состояние коллизии посылкой в сеть специальной последовательности из 32 бит, которая называется jam-последовательностью.

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

Из описания метода доступа видно, что он носит вероятностный характер, и вероятность успешного получения в свое распоряжение общей среды зависит от загруженности сети, то есть от интенсивности возникновения в станциях потребности в передаче кадров. При значительной интенсивности коллизий полезная пропускная способность сети Ethernet резко падает, так как сеть почти постоянно занята повторными попытками передачи кадров. 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 коэффициенте использования сети, приближающемся к 1, такое событие становится очень вероятным. Этот недостаток метода случайного доступа — плата за его чрезвычайную простоту, которая сделала технологию Ethernet самой недорогой.

Кадр 802.3/ LLC

6	6	2	1	1	1(2)	46-1497(1496)	4
DA	SA	L	DSAP	SSAP	Control	Data	FCS
			Заголовок LLC

Кадр RAW802.3/ Novell 802.3

6	6	2	46-1500	4
DA	SA	L	Data	FCS

Кадр Ethernet SNAP

6	6	2	1	1	1	3	2	46-1492	4
DA	SA	L	DSAP	SSAP	Control	OUI	T	Data	FCS
			AA	AA	03	000000
			Заголовок LLC			Заголовок SNAP

Форматы кадров технологии Ethernet

Кадр Raw 802.3 (Novell 802.3)

Из рисунка 2.4 видно, что это кадр подуровня MAC стандарта 802.3, но без вложенного кадра подуровня LLC. Компания Novell долгое время не использовала служебные поля кадра LLC в своей операционной системе NetWare из-за отсутствия необходимости идентифицировать тип информации, вложенной в поле данных, – там всегда находился пакет протокола IPX, долгое время бывшего единственным протоколом сетевого уровня в ОС NetWare.

Теперь, когда необходимость идентификации протокола верхнего уровня появилась, компания Novell стала использовать возможность инкапсуляции в кадр подуровня MAC кадра LLC, то есть использовать стандартные кадры 802.3/LLC. Такой кадр компания обозначает теперь в своих операционных системах как кадр 802.2, хотя он является комбинацией заголовков 802.3 и 802.2.

Кадр Ethernet SNAP

Для устранения разнобоя в кодировках типов протоколов, сообщения которых вложены в поле данных кадров Ethernet, комитетом 802.2 была проведена работа по дальнейшей стандартизации кадров Ethernet. В результате появился кадр Ethernet SNAP (SNAP –SubNetworkAccessProtocol, протокол доступа к подсетям). Кадр Ethernet SNAP (см. рис 2.4) представляет собой расширение кадра 802.3/LLC за счет введения дополнительного заголовка протокола SNAP, состоящего из двух полей: OUI и Туре. Поле Туре состоит из 2-х байт и повторяет по формату и назначению поле EtherТуре кадра Ethernet II (то есть в нем используются те же значения кодов протоколов). Поле OUI (OrganizationallyUniqueIdentifier) определяет идентификатор организации, которая контролирует коды протоколов в поле Туре. С помощью заголовка SNAP достигнута совместимость с кодами протоколов в кадрах Ethernet II, а также создана универсальная схема кодирования протоколов. Коды протоколов для технологии 802 контролирует IEEE, которая имеет OUI, равный 000000. Если в будущем потребуются другие коды протоколов для какой-либо новой технологии, для этого достаточно указать другой идентификатор организации, назначающей эти коды, а старые значения кодов останутся в силе (в сочетании с другим идентификатором OUI).

Так как SNAP представляет собой протокол, вложенный в протокол LLC, то в полях DSAP и SSAP записывается код 0хАА, отведенный для протокола SNAP. Поле Control заголовка LLC устанавливается в 0x03, что соответствует использованию ненумерованных кадров.

Base-5

Считается классическим Ethernet. Используется «толстый» коаксиальный кабель RG-8 с диаметром центрального провода 2 мм и внешним диаметром 10 мм. Волновое сопротивление кабеля 50 Ом. Один сегмент (отрезок) кабеля может иметь максимальную длину 500 м (см. рис.) и должен иметь на концах согласующие сопротивления 50 Ом (terminator), препятствующие распространению в кабеле отраженных волн. Согласующее сопротивление включается между центральным и внешним проводниками кабеля.

Станция подключается к кабелю при помощи специального приемопередатчика – трансивера (рис.). Трансивер устанавливается непосредственно на кабеле, при этом электрическое соединение с кабелем обеспечивается через отверстия в изоляции (физическая целостность отрезка кабеля не нарушается). Трансивер соединяется с сетевым адаптером компьютера интерфейсным кабелем AUI (AttachmentUnitInterface) длиной до 50 м, состоящим из 4-х витых пар. К одному сегменту кабеля допускается подсоединение не более 100 трансиверов. Минимальное расстояние между трансиверами – 2,5 м. Помимо приема и передачи данных между кабелем и сетевым адаптером в функции трансивера входит обнаружение коллизий и защита передающей среды от некорректной работы сетевого адаптера.

 

Сеть стандарта 10Base-5

 

 

Трансивер стандарта 10Base-5(vampiretap)

 

Стандарт 10Base-5 допускает использование специальных устройств – повторителей (repeater) – для соединения в одну сеть разных сегментов кабеля (рис.). Повторитель выполняет функции регенерации электрических сигналов, передаваемых по кабелю, и вносит дополнительную задержку распространения сигнала. Стандарт допускает использование 4-х повторителей и 5-и последовательно соединенных сегментов кабеля, при этом общая длина (диаметр) сети может достигать 2500 метров.

Соединение сегментов 10Base-5при помощи повторителей

 

К достоинствам стандарта 10Base-5 относятся:

- высокая механическая прочность кабеля;

- большой максимальный диаметр сети (2500 м).

К недостаткам стандарта 10Base-5 относятся:

- высокая стоимость кабеля и трансиверов;

- сложность монтажа кабеля из-за его жесткости и необходимость использования специального инструмента для монтажа трансиверов;

- низкая надежность (при единичном повреждении кабеля или выходе из строя одного трансивера отказывает вся сеть).

Стандарт 10Base-2

Стандарт 10Base-2 (рис.) использует в качестве среды передачи «тонкий» коаксиальный кабель марки RG-58 с диаметром центрального провода 0,89 мм и внешним диаметром 5 мм. Максимальная длина сегмента без повторителей составляет 185 м, сегмент должен иметь на концах согласующие сопротивления (terminator) 50 Ом (рис.). Станции подключаются к кабелю с помощью высокочастотного BNC Т-коннектора, который представляет собой тройник, один отвод которого соединяется с сетевым адаптером, а два других – с двумя концами разрыва кабеля, либо на один из отводов устанавливается согласующее сопротивление (рис.). Одно из согласующих сопротивлений должно быть заземлено. Максимальное количество станций, подключаемых к одному сегменту – 30. Минимальное расстояние между станциями – 1м.

Сеть стандарта 10Base-2

Согласующее сопротивление (терминатор) с отводом для заземления

 Т-коннектор с подключенным кабелем и терминатором

Стандарт 10Base-2 также предусматривает использование 4-х повторителей и 5-и сегментов кабеля. В этом случае сеть будет иметь максимальную длину в 5*185 - 925 м.

Реализация этого стандарта на практике приводит к наиболее простому решению для кабельной сети, так как для соединения компьютеров требуются только сетевые адаптеры и Т-коннекторы. Однако этот вид кабельных соединений наиболее сильно подвержен авариям и сбоям: кабель восприимчив к помехам, в моноканале имеется большое количество механических соединений (каждый T-коннектор дает три механических соединения, два из которых имеют жизненно важное значение для всей сети), пользователи имеют доступ к разъемам и могут нарушить целостность моноканала. Кроме того, эстетика и эргономичность этого решения оставляют желать лучшего, так как от каждой станции через T-коннектор отходят два довольно заметных провода, которые под столом часто образуют моток кабеля - запас, необходимый на случай даже небольшого перемещения рабочего места.

К достоинствам стандарта 10Base-2 относятся:

- низкая стоимость;

- простота монтажа сети;

К недостаткам стандарта 10Base-2 относятся:

- низкая надежность (при единичном повреждении кабеля или некорректной работе одного сетевого адаптера отказывает вся сеть).

Стандарт 10Base-T

Сети 10Base-T используют в качестве среды две неэкранированные витые пары - UnshieldedTwistedPair, UTP (рис.) категории 3 (категория определяет полосу пропускания кабеля, величину перекрестных наводок и некоторые другие параметры его качества).

Компьютеры соединяются по топологии «точка-точка» со специальным устройством –многопортовым повторителем с помощью двух витых пар (см. рис.). Одна витая пара требуется для передачи данных от станции к повторителю (выход Тх сетевого адаптера), а другая — для передачи данных от повторителя к станции (вход Rx сетевого адаптера). Повторитель принимает сигналы от одного из конечных узлов и синхронно передает их на все свои остальные порты, кроме того, с которого поступили сигналы.

Сеть стандарта 10 Base- T

Многопортовые повторители в данном случае обычно называются концентраторами (англоязычные термины - hub или concentrator). Концентратор (рис. 2.4.8) осуществляет функции повторителя сигналов на всех отрезках витых пар, подключенных к его портам, так что образуется единая среда передачи данных. Кроме того, повторитель обнаруживает коллизию в сегменте в случае одновременной передачи сигналов по нескольким своим Rx входам и посылает jam-последовательность на все свои Tx-выходы.

 

Концентраторы стандарта 10 Base- T

Несмотря на то, что отрезки кабеля в стандарте 10Base-T по-прежнему образуют общую разделяемую среду, их физическое разделение позволяет концентратору контролировать их состояние и отключать в том случае если порт работает некорректно. Автоматическое отключение порта (автосегментация порта - autopartitioning) производится в случае обрыва или короткого замыкания кабеля, а так же в том случае, если сетевой адаптер формирует кадры недопустимого формата или является источником постоянных коллизий.

Максимальное расстояние отрезка витой пары между двумя непосредственно связанными узлами (станциями и концентраторами) не более 100 м при использовании витой пары качества не ниже категории 3.

 

Кабель UTP «неэкранированная витая пара» и разъем RJ-45

Возможно иерархическое соединение концентраторов в дерево (рис. 2.4.10). Концентраторы 10Base-T можно соединять друг с другом с помощью тех же портов, которые предназначены для подключения конечных узлов. При этом передатчик и приемник одного порта соединяются соответственно с приемником и передатчиком другого порта. Между любыми двумя станциями сети может находиться максимум 4 последовательно соединенных концентратора. При построении сетей очень часто используют иерархическое двухуровневое соединение концентраторов (см. рис. 2.8). Очевидно, что если между любыми двумя узлами сети не должно быть больше 4-х повторителей, то максимальный диаметр сети 10Base-T составляет 5*100 - 500 м.

Для удобства соединения концентраторов между собой каждый концентратор обычно имеет один порт, называемый MDI-X или UpLink. Этот порт имеет кроссированную разводку (в нем поменяны местами пары Rx и Tx). Это позволяет использовать для соединения концентраторов стандартные отрезки соединительного кабеля с некроссированными парами проводов, которые используются для подключения компьютеров к концентратору. При этом порт UpLink концентратора, нижележащего в иерархии, подключается к одному из обычных портов концентратора, являющегося корневы