Методы доступа к среде передачи данных

CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Accesswith Collision Detection — множественный доступ с прослушиванием несущей и обнаружением коллизий)

Этим методом устанавливается следующий порядок:

1. Если рабочая станция хочет воспользоваться сетью для передачи данных, она сначала должна проверить состояние канала, начинать передачу станция может, если канал свободен;

2. В процессе передачи станция продолжает прослушивание сети для обнаружения возможных конфликтов.

3. Если возникает конфликт, в случае, когда два узла попытаются занять канал, то обнаружившая конфликт интерфейсная плата, выдает в сеть специальный сигнал, и обе станции одновременно прекращают передачу.

4. Принимающая станция отбрасывает частично принятое сообщение, а все рабочие станции, желающие передать сообщение, в течение некоторого, случайно выбранного промежутка времени, прежде чем начать сообщение, ожидают передающую станцию.

Коллизия (англ. collision — ошибка наложения, столкновения) — в терминологии компьютерных и сетевых технологий, наложение двух и более кадров от станций, пытающихся передать кадр в один и тот же момент времени в среде передачи коллективного доступа.

Обнаружение коллизий: Коллизии могут быть обнаружены сравнением передаваемой и получаемой информации. Если она различается, то другая передача накладывается на текущую (возникла коллизия) и передача прерывается немедленно. Посылается jamsignal, что вызывает задержку передачи всех передатчиков на произвольный интервал времени, снижая вероятность коллизии во время повторной попытки.

 

Преимущества:

1. Лёгкость включения новых станций;

2. Отсутствие Управляющих кадров;

3. Разрешение конфликтов;

4. Возможность осуществления передачи данных между равноправными узлами, которая будет быстрее, чем в других методах;

5. Это наиболее подходящий метод для передачи между равноправными узлами он помогает создавать очень эффективную систему, подходящую для использования в слабо загруженных системах, он эффективен также для сильно загруженных систем;

6. Система позволяет изменить требования к передаче данных;

7. Срочные запросы на получение доступа к сети обрабатываются моментально, кроме тех случаев, когда другая станция уже получила доступ;

8. У некоторых протоколов есть метод приоритетного доступа;

9. Не нужен централизованный контроль шины.

 

Недостатки:

1. Сбой в передаче данных на определённый прибор будет обнаружена только тогда, когда станция запросит определённый ответ и не получит его (за исключением случаев, когда система CSMA/CD или центральный контроллер проводят фоновый опрос). Конфигурация сети очень сложна;

2. Компьютеры постоянно конкурируют за право передачи. Для этого все сетевые адаптеры, независимо от того собираются они передавать информацию или нет, «прослушивают» среду передачи, стремясь обнаружить передаваемые данные.

3. Не достегает чётко определённого времени отклика;

4. Конфликт (коллизии) данных является неотъемлемой частью этого метода, вынуждая систему постоянно обнаруживать конфликты, избегать их и реализовывать планы восстановления.

 

Множественный доступ с контролем несущей и с предотвращением коллизий (CSMA/CA)

Это метод доступа, в котором:

1. Используется схема прослушивания несущей волны;

2. Станция, которая собирается начать передачу, посылает jamsignal (сигнал затора);

3. После продолжительного ожидания всех станций, которые могут послать jamsignal, станция начинает передачу фрейма;

4. если во время передачи станция обнаруживает jamsignal от другой станции, она останавливает передачу на отрезок времени случайной длины и затем повторяет попытку.

CSMA/CA отличается от CSMA/CD тем, что коллизиям подвержены не пакеты данных, а только jam-сигналы. Отсюда и название «Collision Avoidance» — предотвращение коллизий. Предотвращение коллизий используется для того, чтобы улучшить производительность CSMA, отдав сеть единственному передающему устройству. Эта функция возлагается на «jammingsignal» в CSMA/CA.

 

Преимущества:

1. Простота реализации;

2. Все сетевые узлы передают и принимают сигналы в одной полосе частот;

3. Имеется один канал для передачи всех данных.

 

Недостатки:

1. Сеть оказывается загруженной широковещательными сообщениями;

2. Как следствие загруженности сети, производительность существенно понижается;

3. Только один узел может передавать данные в отдельный момент времени;

4. Узел может либо передавать, либо принимать данные (работать в полудуплексном режиме).

 

Маркерный метод доступа

Это метод доступа к среде, в котором от рабочей станции к рабочей станции передается маркер, дающий разрешение на передачу сообщения. При получении маркера рабочая станция может передавать сообщение, присоединяя его к маркеру, который переносит это сообщение по сети. Каждая станция между передающей станцией и принимающей видит это сообщение, но только станция – адресат принимает его.

Каждый узел принимает пакет от предыдущего и передает дальше. Передаваемый пакет может содержать данные или являться маркером. Когда рабочей станции необходимо передать пакет, ее адаптер дожидается поступления маркера, а затем преобразует его в пакет, содержащий данные.

Пакет распространяется по ЛВС от адаптера к адаптеру, пока не найдет своего адресата, который установит в нем определенные биты для подтверждения того, что данные достигли адресата, и ретранслирует его вновь в ЛВС. После чего пакет возвращается в узел из которого был отправлен. Здесь после проверки безошибочной передачи пакета, узел освобождает ЛВС, выпуская новый маркер.

 

Сетевая инфраструктура

Коммутаторы Cisco Catalyst серии 2960

Это интеллектуальные коммутаторы Ethernet с фиксированной конфигурацией, портами FastEthernet и GigabitEthernet. В соответствии с рисунком 7они предназначены для небольших предприятий и филиалов, обеспечивают передачу данных со скоростью 100 Мбит/сек и 1 Гбит/сек, имеют расширенные LAN сервисы.

 

Рисунок 7 – Коммутаторы Cisco Catalyst серии 2960

 

Характеристики: Возможность установки в стойку, количество LAN-портов: 24, базовая скорость передачи данных: 100 Мбит/с, сетевые стандарты: IEEE 802.1ax, IEEE 802.3ad, IEEE 802.3z, IEEE 802.3u, IEEE 802.1q (VLAN), IEEE 802.1p (Prioritytags), IEEE 802.1d (Spanning Tree), Jumbo Frame, авто определение MDI/MDIX, IEEE 802.1s (Multiple Spanning Tree), особенности: поддержка PoE.

Поддержание протоколов: CLI, Telnet, SNMP 2c, RMON 2, SNMP 1, SNMP 3, SSH, TFTP, HTTP.

 

Маршрутизатор CISCO2911R-V

Маршрутизатор CISCO2911R-V с 3-мя портами GigabitEthernet обладает интегрированным сервисом услуг, мощным цифровым процессором и качественным брандмауэром, которые в совокупности обеспечивают высокий уровень обслуживания. В соответствии с рисунком 8 изготовленный специально для российского потребителя, маршрутизатор обеспечит надежное и защищенное подключение сотрудников к одному или нескольким офисным серверам.

Рисунок 8 - Маршрутизатор CISCO2911R-V

 

Протоколы маршрутизации

EIGRP, RIP, OSPF, IS-IS, BGP, PBR, GRE, DVMRP, IFMPv3, PIM-SSM, PIM-SM, статическая IPv4 иIPv6 маршрутизация.

Особенности конфигурации:

1. Поддерживает: VPN, DMVPN, IPv6, MPLS, Syslog;

2. Установлены: файрвол, функция фильтрации контента, DMVPN, WRED, CBWFQ.

Сетевая карта

Общие характеристики:

Чип – Производитель и название чипсета, на котором построен сетевой адаптер. Качество чипсетана котором построен сетевой адаптер, определяет качество работы всей карты. Чипсет от известного производителя от известного производителя — это гарантия стабильной работы устройства и отсутствия проблем с совместимостью.

Скорость передачи данных – характеристика указывает на возможную скорость передачи информации. На рисунке 9 изображён пример сетевой карты, разные сетевые карты поддерживают разные режимы работы: 10, 100, 1000 Мбит/с. Для работы на скорости 1000 Мбит/с необходимо, чтобы не только сетевая карта поддерживала данную скорость, но, и чтобы в сети использовался кабель, предназначенный для работы на этой скорости. А также не нужно забывать про другое сетевое оборудование, необходимо чтобы оно тоже поддерживало данную скорость.

Объем буфера характеристика указывает объём буфера (оперативной памяти), установленного на данной сетевой карте. В буфере хранятся принятые, но ещё не обработанные адаптером данные. При заполнении буфера сетевой адаптер перестаёт принимать новые данные. Большой объём буфера повышает общую производительность адаптера (это актуально для гибридных адаптеров)

Рисунок 9 – Сетевая карта

 

Подключение

Количество разъёмов RJ-45 - это фактическое количество разъемовRJ-45, располагающихся на данной сетевой карте. Наличие нескольких разъёмов позволяет подключить к компьютеру с таким сетевым адаптером несколько компьютеров без использования дополнительных устройств.

Витая пара — вид кабеля связи, в соответствие с рисунком 10 представляет собой одну или несколько пар изолированных проводников, скрученных между собой (с небольшим числом витков на единицу длины), покрытых пластиковой оболочкой. Свивание проводников производится с целью повышения степени связи между собой проводников одной пары (электромагнитные помехи одинаково влияют на оба провода пары) и последующего уменьшения электромагнитных помех от внешних источников, а также взаимных наводок при передаче дифференциальных сигналов. Для снижения связи отдельных пар кабеля (периодического сближения проводников различных пар) в кабелях UTP категории 5 и выше провода пары свиваются с различным шагом. Витая пара — один из компонентов современных структурированных кабельных систем. Используется в телекоммуникациях и в компьютерных сетях в качестве физической среды передачи сигнала во многих технологиях. В настоящее время, благодаря своей дешевизне и лёгкости монтажа, является самым распространённым решением для построения проводных (кабельных) локальных сетей.

 

Категории кабеля витая пара

CAT1 (Полоса частот 0.1 МГц) – телефонный кабель, всего 1 пара. Применяется кабель либо в скрученном виде, либо вообще без скруток («лапша» - у неё характеристики не хуже, но больше влияние помех). Используется только для передачи голоса или данных при помощи модема (не подходит для современных систем)

CAT2 (Полоса частот 1 МГц) – 2 пары проводников, поддерживал передачу данных на скоростях до 4 Мбит/с, использовался в сетях Tokenring и Arcnet (не подходит для современных систем). Сейчас иногда встречается в телефонных сетях.

CAT3 (Полоса частот 16 МГц) – 4-парный кабель, используется при построении телефонных и локальных сетей 10BASE-T и tokenring, поддерживает скорость передачи данных до 10 Мбит/с или 100 Мбит/с по технологии 100BASE-T4 на расстоянии не дальше 100 метров. В отличие от предыдущих двух, отвечает требованиям стандарта IEEE 802.3. Сейчас используется в основном для телефонных линий.

CAT4 (Полоса частот 20 МГц) – кабель состоит из 4‑х скрученных пар, использовался в сетях tokenring, 10BASE-T, 100BASE-T4, скорость передачи данных не превышает 16 Мбит/с по одной паре. Сейчас не используется

CAT5 (Полоса частот 100 МГц) – 4-парный кабель, это и сеть что сейчас обычно называют «витой парой», благодаря высокой скорости передачи, до 100 Мбит/с при использовании 2-х пар и до 1000 Мбит/с при использовании 4-х пар, являлся самым распространённым сетевым носителем, использующимся в компьютерных сетях до появления CAT5e т.к. категория 5е его усовершенствованный аналог.

CAT5e (Полоса частот 125 МГц) –4-парный кабель, усовершенствованная категория 5 (уточненные/улучшенные спецификации). Скорость передач, данных до 100 Мбит/с при использовании 2 пар и до 1000 Мбит/с при использовании 4 пар. Кабель категории 5e является самым распространённым и используется для построения компьютерных сетей. Иногда встречается двупарный кабель категории 5e. Преимущества данного кабеля в более низкой себестоимости и меньшей толщине.

CAT6 (Полоса частот 250 МГц) – неэкранированный кабель (UTP) состоит из 4 пар проводников и способен передавать данные на скорости до 10 Гбит/с. Применяется в локальных сетях FastEthernet и GigabitEthernet.

CAT6e (Полоса частот 500 МГц)– Состоит из 4 пар проводников и способен передавать данные на скорости до 10 Гбит/с. Кабель этой категории имеет либо общий экран (F/UTP), либо экраны вокруг каждой пары (U/FTP).

CAT7 (Полоса частот 600 МГц) –Скорость передачи данных до 10 Гбит/с. Кабель этой категории имеет общий экран и экраны вокруг каждой пары (F/FTP или S/FTP).

Рисунок 10 – Витая пара категории 6

 

Разъём RJ-45 соответствии с рисунком 11 используется для подключения сетевых карт с концентраторами на кабель 10 base-T и 100 base-TX в сетях RJ-45 являются стандартным типом физического соединения для сетевых кабелей. Разъём RJ-45 модульный 8-позиционный, 8- контактный разъём, используемый для подключения компьютеров в локальных сетях с концентраторами.

 

Рисунок 11 –

 

Данный вид разъёмного соединения не требует предварительной зачистки жил кабеля от изоляции. Жилы вставляются в отверстия разъёма и соединяются с контактом методом врезания IDC ножей коннектора в жилу при его обжиме.

 

Требования к расположению оборудования и прокладке сетевого кабеля

Общие требования к прокладке и креплению кабелей излагаются в стандартах монтажа СКС, таких как ISO/IEC IS 11801 или ГОСТ Р 53246.

Очень важно, чтобы кабельные трассы проходили на достаточном удалении от источников электромагнитных помех.

К источникам электромагнитных помех относятся силовая электропроводка, трансформаторное оборудование, крупные электродвигатели или электрогенераторы, радиопередатчики и мощная копировальная техника. Еще на этапе проектирования необходимо учесть взаимное местоположение телекоммуникационных кабелей и источников помех.

Однако на практике далеко не всегда удается соблюсти достаточное расстояние. В этом случае используются защищенные и экранированные кабели или экранированные короба и кабель-каналы.

Для снижения воздействия электромагнитных помех кабельные каналы, по которым прокладываются телекоммуникационные кабели, в процессе монтажа СКС необходимо заземлять. Это относится ко всем типам металлических кабельных трасс, как экранированных, так и обычных.

Нередко кабели СКС прокладываются параллельно силовым кабелям электропитания:

1. В этом случае следует соблюдать минимальное расстояние, которое зависит от мощности силового кабеля. Стандарт EIA/TIA 569 определяет это расстояние в 127 мм для кабелей до 2 кВт, не менее 305 мм — от силового кабеля 2-5 кВт, и не менее 610 мм — от кабелей более 5 кВт. Если телекоммуникационный кабель размещен в заземленном металлическом кабельном канале, то это расстояние уменьшается вдвое. Если в заземленных металлических кабельных каналах располагаются и силовой, и телекоммуникационный кабели, то требования к минимальному расстоянию снижаются в четыре раза.

Кабельные трассы при монтаже СКС желательно не прокладывать вплотную к трубам и радиаторам системы отопления, а также иным нагревательным приборам.

При монтаже кабелей необходимо избегать образования механического напряжения, которое может образоваться в результате скручивания, натяжения или слишком резкого изгиба кабеля.

Минимальный радиус изгиба кабеля определен в стандартах монтажа СКС, так, российский ГОСТ Р 53246 подробно регламентирует допустимый радиус изгиба для кабелей разных типов.

Кабельные трассы разных типов должны иметь специализированные приспособления, которые препятствуют перегибу и перекручиванию кабелей как в процессе монтажа СКС, так и в ходе эксплуатации.

Кабель в процессе монтажа СКС, а также в процессе эксплуатации может испытывать механические нагрузки:

1. при этом необходимо, чтобы они не превышали максимально допустимой силы натяжения. В противном случае целостность и работоспособность кабеля могут быть нарушены.

Максимально допустимая сила натяжения зависит от типа кабеля и обычно устанавливается производителем. Стандарт выдвигает требование только в отношении четырехпарных кабелей на основе витой пары всех типов, для них максимальное натяжение установлено в 110 H.

В обязательном порядке при монтаже СКС следует оставлять запас кабеля в телекоммуникационных помещениях.

Для телекоммуникационной, аппаратной и городского ввода стандарт рекомендует оставлять не менее трех метров кабеля витой пары. На рабочем месте, как правило, у точки терминирования кабеля в модульную розетку RJ-45, также необходимо оставлять запас в 30 см.

Это необходимо для того, чтобы была возможность осуществить перестановку оборудования без необходимости менять кабель целиком. Кроме того, запас кабеля может понадобиться при необходимости ремонта, например, в результате обрыва кабеля или повреждения модульной розетки.

При укладке запасов кабеля следует отдавать предпочтение U-образным петлям или бухтам в виде цифры 8 с большим радиусом окружностей. Очень нежелательна укладка витой пары в бухты с небольшим диаметром колец, поскольку кабель, уложенный таким образом, становится источником сильных электромагнитных помех.

Для крепления кабеля и формирования его в бухты широко используются: разного рода хомуты, бандажи, стяжки.

Хомуты при монтаже СКС используются не только для фиксации кабеля в лотках и кабельных каналах, но и для крепления отдельных кабелей и пучков на стены при прокладке открытым способом или на приборные стойки.

Стандарты требуют, чтобы после затяжки хомута он сохранял подвижность и в продольном и поперечном направлении. Подобное требование объясняется стремлением избежать передавливания и деформации кабеля в процессе монтажа СКС.

Один из достаточно распространенных способов крепления открытой проводки, широко используемый при прокладке силовых кабелей и телефонии, это применение скоб и специализированных степлеров. На практике они нередко применяются и для крепления витой пары при монтаже СКС. При этом использование скоб для крепления телекоммуникационных кабелей всех типов отечественный стандарт категорически не рекомендует.

 

Практическая часть

Характеристика проектируемой сети. Исходные данные

Согласно исходным условиям задания, сеть должна обеспечивать работу 30 рабочим станциям (N=30), которые необходимо равномерно разделить по 5 подсетям, т.е. в каждой подсети может находиться 6 рабочих станций (N/H=30/5=6), что в полной мере удовлетворяет условию равномерного распределения.

Исходные данные сети:

1. Количество рабочих станций N=30;

2. Количество беспроводных устройств 6;

3. Количество подсетей H=5;

4. Адреса подсетей маршрутизаторов 10.15.0.0 /24;

5. Адреса подсетей рабочих станций 192.168.0.0 /16;

Доступное адресное пространство адресов для подсетей маршрутизаторов 254, адресов для рабочих станций 16777214.

В соответствии с заданием топология ядра сети представлена на рисунке 12.

 

Рисунок 9 – граф сети

 

 

Построение графа сети

Объединение рабочих станций с отсутствием беспроводного подключения будет производиться посредством управляемых коммутаторов: S1; S2; S4. У данных коммутаторов присутствует 24 физических порта FastEthernet. Подключение рабочих станций с беспроводным подключением к сети будет производиться посредством управляемого коммутатора: S3. У данного коммутатора имеется 4 физических порта FastEthernet.

Из физических портов коммутаторов S1, S2, S4 6 портов используется для объединения рабочих станций в локальную сеть и один порт для подключения к маршрутизаторам R ядра сети. На коммутаторе S3 используется только 1 физический порт для подключения к беспроводному маршрутизатору и 1 один порт для подключения к маршрутизаторам R ядра сети. Оставшиеся порты у коммутаторов можно использовать для каскадного подключения коммутаторов при возможном расширении подсетей или в качестве технического резерва.

Согласно исходному графу и в соответствии с заданием эксплуатационную нагрузку сети обеспечивают 4 маршрутизатора R. В зависимости от расположения, маршрутизаторы имеют 3 интерфейса GigabitEthernet. Маршрутизация пакетов между любыми подсетями обеспечивается при наличии 4 подсетей. Однако используя маршрутизатор R1, можно организовать набор резервных связей между подсетями рабочих станций и подсетями маршрутизаторов сети. Учитывая данное предположение следует использовать 4 подсети маршрутизаторов.

На графе сети нанесены следующие буквенно-цифровые наименования:

6. H1-H24 – рабочие станции сети;

7. R1-R4– маршрутизаторы сети;

8. S1-S4– коммутаторы подсети рабочих станций;

9. WR1 – беспроводной маршрутизатор;

10. BDR1-BRD4– границы широковещательных доменов подсетей рабочих станций;

11. - 4– подсети рабочих станций;

12. 1- 4– подсети маршрутизаторов.

На графе также обозначены соответствующие номера интерфейсов маршрутизаторов R, беспроводного маршрутизатора WR и порты коммутаторов S.

Граф сети представлен в графической части, приложение 1.