M07. Technologie używane w sieciach.pdf

Moduł 7. Technologie używane w sieciach ETHERNET

Ethernet stał się najpopularniejszą technologią stosowaną w sieciach LAN głównie dlatego, że w porównaniu z

innymi technologiami jest łatwiejszy w implementacji. Sieci Ethernet zawdzięczają swoje powodzenie także

elastyczności tej technologii, która zmieniała się wraz z pojawianiem się nowych potrzeb użytkowników i

możliwości mediów. W tym module przedstawiono szczegółowe informacje dotyczące najważniejszych odmian

sieci Ethernet. Celem nie jest przekazanie wszystkich informacji o każdym rodzaju sieci Ethernet, a raczej

pokazanie elementów wspólnych wszystkim jej rodzajom.

Zmiany w technologii Ethernet zaowocowały znacznymi ulepszeniami w stosunku do sieci Ethernet 10 Mb/s z

początku lat osiemdziesiątych. Standard sieci Ethernet 10 Mb/s pozostawał praktyczne niezmieniony do roku

1995, kiedy organizacja IEEE ogłosiła standard Fast Ethernet 100 Mb/s. Ostatnie lata przyniosły jeszcze

gwałtowniejszy wzrost szybkości mediów, co spowodowało przechodzenie z sieci Fast Ethernet na sieć Gigabit

Ethernet. Standardy dla sieci Gigabit Ethernet pojawiły się w ciągu zaledwie trzech lat. Teraz ogólnie dostępna

jest jeszcze szybsza wersja sieci Ethernet, czyli 10 Gigabit Ethernet, a opracowywane są sieci o większej

prędkości.

W porównaniu z wcześniejszymi sieciami Ethernet w tych szybszych wersjach nie zmieniły się metody

adresowania MAC, algorytm CSMA/CD i format ramki. Zmianie uległy jednak inne elementy podwarstwy MAC,

warstwy fizycznej oraz samego medium. Często spotyka się teraz karty sieciowe (NIC) dla mediów miedzianych,

które mogą pracować z prędkościami 10/100/1000 Mb/s. W węzłach dystrybucji okablowania standardem stają się

gigabitowe porty w routerach i przełącznikach. Standardem w większości nowych okablowań szkieletowych jest

stosowanie sieci Gigabit Ethernet opartych na światłowodach.

7.1 Sieci Ethernet 10 Mb/s i 100

Mb/s

7.1.1. Sieć Ethernet 10 Mb/s

Sieci Ethernet 10BASE5, 10BASE2

i 10BASE-T są uznawane za

klasyczne sieci Ethernet; Klasyczne

sieci Ethernet mają cztery cechy

wspólne. Są to: parametry czasowe,

format ramki, proces transmisji oraz

podstawowe reguły obowiązujące

przy ich projektowaniu.

Rysunek pokazuje parametry

Ethernetu 10 Mb/s . Ten typ

Ethernetu oraz wersje wolniejsze są

asynchroniczne. Każda stacja

odbiorcza używa specjalnych ośmiu

oktetów do zsynchronizowania swych

układów odbiorczych z

nadchodzącymi danymi. Sieci

10BASE5, 10BASE2 i 10BASE-T

mają takie same parametry czasowe.

Dla przykładu czas przesłania 1 bitu

przy prędkości 10 Mb/s =

100 nanosekund (ns) =

0,1 mikrosekundy = 1

dziesięciomilionowa część sekundy.

To oznacza, że w Ethernecie 10 Mb/s przesłanie 1 bitu w podwarstwie MAC trwa 100 ns.

Dla wszystkich prędkości w Ethernecie, 1000 Mb/s lub wolniejszych, transmisja nie może być krótsza niż

szczelina czasowa. Szczelina czasowa jest minimalnie dłuższa niż czas, który jest teoretycznie potrzebny na

przejście od jednego końca maksymalnie dużej, prawidłowej domeny kolizyjnej do drugiego końca, kolizję z inną

transmisją możliwie późno, a następnie powrót uszkodzonego fragmentu, by został wykryty przez stację

nadawczą .

Sieci 10BASE5, 10BASE2 i 10BASE-T mają także wspólny format ramki.

Proces transmisji w klasycznych sieciach Ethernet przebiega w ten sam sposób aż do niższej części warstwy

fizycznej modelu OSI. Gdy ramka przechodzi z podwarstwy MAC do warstwy fizycznej, przed umieszczeniem

bitów z warstwy fizycznej w medium przeprowadzane są dodatkowe operacje. Jedną z ważnych operacji jest

wstawienie sygnału SQE (Signal Quality Error). SQE to transmisja wysyłana przez transceiver z powrotem do

kontrolera by sprawdzić, czy jego układy wykrywania kolizji działają prawidłowo. SQE jest też zwany sygnałem

bicia serca (heartbeat). Sygnał SQE został zaprojektowany do wcześniejszych wersji Ethernetu gdzie host nie

zawsze wiedział czy transceiver jest w danym momencie faktycznie przyłączony. Sygnał ten jest zawsze używany

w trybie półdupleksu. Sygnał SQE może być także używany w trybie pełnego dupleksu, ale nie jest to konieczne.

Sygnał SQE jest aktywny w następujących przypadkach:

W czasie od 4 do 8 mikrosekund po normalnej transmisji, sygnalizując, że wychodząca ramka została

pomyślnie przesłana.

W wypadku wystąpienia kolizji w medium.

Gdy w medium pojawi się nieprawidłowy sygnał, taki jak odbicia wynikające ze zwarcia kabla lub zbyt

długie ramki (jabber).

W wypadku przerwania transmisji.

Wszystkie rodzaje sieci Ethernet 10 Mb/s przeprowadzają na oktetach otrzymanych z podwarstwy MAC proces

zwany kodowaniem liniowym. Kodowanie liniowe opisuje sposób przesyłania bitów przez przewody. Najprostsze

metody kodowania mają niekorzystne charakterystyki czasowe i elektryczne. Ze względu na to zaprojektowano

takie kody, które mają pożądane własności transmisyjne. W sieci 10 Mb/s używany jest schemat kodowania

Manchester.

Do określenia wartości binarnej dla danego okresu bitu w kodowaniu Manchester wykorzystywany jest kierunek

zbocza pośrodku okna czasowego. Górny przebieg ma

opadające zbocze, więc jest interpretowany jako 0

binarne. Następny przebieg ma zbocze narastające, które

jest interpretowane jako 1 binarna. Trzeci przebieg

zawiera zmieniającą się sekwencję liczb binarnych. W

wypadku zmieniających się danych binarnych nie istnieje

potrzeba powrotu do poprzedniego poziomu napięcia. Jak

widać na trzecim i czwartym przebiegu, wartości binarne

są wyznaczone przez kierunek zmian w czasie trwania

danego bitu. Poziomy napięcia na początku i końcu

każdego okresu bitu nie wyznaczają wartości binarnych.

Architektura sieci klasycznego Ethernetu ma wiele cech

wspólnych. Sieci składają się zwykle z różnych rodzajów

mediów. Dzięki zgodności ze standardem mogą one ze

sobą współpracować. Ogólny projekt architektury nabiera

zasadniczego znaczenia przy tworzeniu sieci złożonej z

różnych mediów. Gdy sieć się rozrasta, łatwiej

przekroczyć maksymalne limity opóźnień. Limity czasowe zależą od takich parametrów, jak:

długość kabla i jego opóźnienie propagacji,

opóźnienia wtórników,

opóźnienia transceiverów,

zmniejszanie przerwy międzyramkowej,

opóźnienia wewnątrz stacji.

Sieć Ethernet 10 Mb/s może działać bez przekraczania limitów czasowych, jeśli składa się z nie więcej niż pięciu

segmentów oddzielonych nie więcej niż czterema wtórnikami. Jest to tak zwana reguła 5-4-3. Na drodze między

dwiema odległymi stacjami nie mogą znajdować się więcej niż cztery kolejne wtórniki. Pomiędzy tymi stacjami

nie mogą znajdować się także więcej niż trzy wykorzystywane segmenty.

7.1.2 10BASE5

W oryginalnej sieci Ethernet 10BASE5 z roku 1980 dane były transmitowane z prędkością 10 Mb/s przez

magistralę, którą stanowił pojedynczy gruby kabel koncentryczny. Technologia 10BASE5 jest ważna, ponieważ

było to pierwsze medium używane przez sieci Ethernet. Technologia 10BASE5 stanowiła część oryginalnego

standardu 802.3. Podstawową zaletą technologii 10BASE5 był zasięg. Dziś można ją spotkać w starszych typach

instalacji, nie jest jednak zalecana w nowych instalacjach. Systemy zbudowane w technologii 10BASE5 są

niedrogie i nie wymagają konfiguracji, ale bardzo trudno dziś znaleźć na rynku takie podstawowe komponenty,

jak karty sieciowe, zaś sama technologia nie jest odporna na odbicia sygnału w kablu. Systemy 10BASE5 cechują

się także pojedynczym punktem awarii.

W systemach tych stosowane jest kodowanie typu Manchester. W kablu znajduje się jednolity centralny

przewodnik. Każdy z maksymalnie pięciu segmentów grubego kabla koncentrycznego może mieć do 500 metrów

długości. Okablowanie jest duże, ciężkie i trudne w instalacji. Jednak stosunkowo duża dopuszczalna długość

segmentu stanowiła zaletę, co przedłużyło korzystanie z tej technologii w pewnych zastosowaniach.

Ponieważ medium jest

pojedynczy kabel

koncentryczny, tylko jedna

stacja może transmitować

pakiety w danej chwili,

gdyż w przeciwnym

wypadku nastąpi kolizja. Z

tego powodu sieć 10BASE5

działa tylko w trybie

półdupleksu, przez co

maksymalna prędkość

przesyłania danych wynosi

10 Mb/s.

7.1.3 10BASE2

Technologia 10BASE2

została wprowadzona w

roku 1985. Proces instalacji

stał się prostszy dzięki

mniejszemu rozmiarowi i

wadze oraz większej

elastyczności kabla. Ta

technologia jest nadal

używana w starszych sieciach natomiast stosowanie jej w nowych instalacjach nie jest zalecane, podobnie jak

sieci 10BASE5. Jest ona tania i nie wymaga stosowania hubów. Także w jej wypadku trudno jest znaleźć na rynku

odpowiednie karty sieciowe.

Również w technologii 10BASE2 wykorzystywane jest kodowanie typu Manchester. Komputery w sieci LAN są

łączone ze sobą za pomocą nieprzerwanego łańcucha odcinków kabli koncentrycznych. Kable przyłącza się do

złączy typu T na kartach sieciowych za pomocą złączy BNC.

W technologii 10BASE2 jako wewnętrzną żyłę używa się linki. Każdy z maksymalnie pięciu segmentów kabla

koncentrycznego może mieć długość do 185 metrów, a każda stacja jest podłączona bezpośrednio do złącza BNC

typu T na kablu.

Tylko jedna stacja może transmitować dane naraz, gdyż w przeciwnym razie nastąpi kolizja. Również w

technologii 10BASE2 używany jest tryb półdupleksu. Maksymalna szybkość transmisji w technologii 10BASE2

wynosi 10 Mb/s.

Do pojedynczego segmentu 10BASE2 można przyłączyć do 30 stacji. Spośród pięciu kolejnych segmentów

między dwiema stacjami tylko do trzech z nich mogą być podłączone komputery.

7.1.4 10BASE-T

Technologia 10BASE-T została

wprowadzona w roku 1990.

Zamiast kabla koncentrycznego

jest w niej używana tańsza i

łatwiejsza w instalacji skrętka

nieekranowana (UTP) kategorii 3.

Kabel jest podłączany do

centralnego urządzenia

zawierającego wspólną szynę.

Tym urządzeniem jest hub.

Znajduje się on w środku zestawu

kabli, które rozchodzą się do

komputerów w podobny sposób jak szprychy w kole. Taki układ określa się mianem topologii gwiazdy. Długość

kabli wychodzących z huba oraz sposób instalacji skrętki nieekranowanej przyczynił się do tworzenia układów

gwiazd złożonych z gwiazd, nazywanych topologią gwiazdy rozszerzonej. Technologia 10BASE-T była

początkowo półdupleksowa. Później dodano możliwość pracy w pełnym dupleksie. Gwałtowny wzrost

popularności Ethernetu nastąpił w drugiej połowie lat dziewięćdziesiątych, kiedy Ethernet stał się dominującą

technologią sieci LAN.

Również w technologii 10BASE-T wykorzystywane jest kodowanie typu Manchester. Skrętka nieekranowana

10BASE-T ma jednolity przewodnik w każdym przewodzie kabla poziomego o maksymalnej długości 90 metrów.

Do skrętki nieekranowanej używane są ośmiostykowe złącza RJ-45. Chociaż kabel kategorii 3 jest wystarczający

dla sieci 10BASE-T, do wszelkich nowych instalacji zaleca się używanie kabla kategorii 5e lub lepszego. We

wszystkich czterech parach przewodów należy zastosować wyprowadzenia styków T568-A lub T568-B. Instalacja

tego typu kabli umożliwia korzystanie z różnych protokołów bez potrzeby zmiany okablowania. Na rysunku

pokazano wyprowadzenia styków dla połączenia w technologii 10BASE-T. Para transmitująca po stronie

odbiorczej jest połączona z parą odbiorczą w dołączonym urządzeniu.

W zależności od konfiguracji używany jest tryb półdupleksu bądź pełnego dupleksu. Sieć 10BASE-T przenosi

dane z prędkością 10 Mb/s w trybie półdupleksu i z prędkością 20 Mb/s w trybie pełnego dupleksu.

7.1.5 Okablowanie i architektura w technologii 10BASE-T

Łącza w sieci 10BASE-T składają się zwykle z połączeń stacji z hubem lub z przełącznikiem. Huby są

wieloportowymi wtórnikami i należy je uwzględniać przy obliczaniu limitu liczby wtórników między odległymi

stacjami. Huby nie dzielą segmentów sieci na oddzielne domeny kolizyjne. Ze względu na to, że huby i wtórniki

zwiększają długość segmentu wewnątrz pojedynczej domeny kolizyjnej, istnieje ograniczenie co do liczby hubów

w danym segmencie. Mosty i przełączniki dzielą segment na osobne domeny kolizyjne; w takiej sytuacji jedynym

ograniczeniem dotyczącym odległości między przełącznikami są ograniczenia narzucane przez medium. W

sieciach 10BASE-T odległość między przełącznikami jest ograniczona do 100 m.

Chociaż huby można łączyć, lepiej unikać takiego układu. Zapobiega to przekroczeniu maksymalnego opóźnienia

między odległymi stacjami. Jeśli potrzebnych jest wiele hubów, najlepiej jest ułożyć je hierarchicznie, tworząc

strukturę podobną do drzewa. Wydajność zwiększy się, jeżeli między stacjami będzie mniej wtórników.

Na rysunku przedstawiono przykładową architekturę. Wszystkie odległości między stacjami są dopuszczalne.

Jednak całkowita odległość między skrajnymi punktami sieci jest taka, że architektura zbliża się do swego

górnego limitu. Najważniejszym zagadnieniem, które należy rozpatrzyć, jest utrzymanie minimalnych opóźnień

między odległymi stacjami, niezależnie od architektury i użytych mediów. Krótsze maksymalne opóźnienie

zaowocuje lepszą ogólną wydajnością.

Łącza 10BASE-T bez wtórników

mogą mieć długość do 100 m.

Wydaje się, że to duża odległość,

jednak w praktyce przy

okablowywaniu budynku długość ta

jest zwykle w całości

wykorzystywana. Huby mogą

rozwiązywać problemy z

odległością, ale pozwalają na

propagację kolizji. Powszechne

użycie przełączników przyczyniło się

do zmniejszenia znaczenia problemu

odległości. Jeżeli stacje robocze

znajdują się w odległości mniejszej

niż 100 m od przełącznika, to za

przełącznikiem odległość tę można

zacząć mierzyć od początku.

7.1.6 Sieć Ethernet 100 Mb/s

Technologia Ethernet 100 Mb/s

jest znana również pod nazwą

Fast Ethernet. Dwie technologie,

które zyskały na znaczeniu, to

100BASE-TX, używająca

miedzianej skrętki

nieekranowanej UTP, oraz

100BASE-FX, używająca

światłowodu wielomodowego.

Trzy charakterystyczne elementy,

wspólne dla technologii

100BASE-TX i 100BASE-FX, to

parametry czasowe, format ramki

i elementy procesu transmisji. Obie technologie, 100BASE-TX i 100BASE-FX, mają jednakowe parametry

czasowe. Zauważmy, że czas przesłania jednego bitu z prędkością 100 Mb/s wynosi 10 ns = 0,01 mikrosekundy =

1 stumilionową część sekundy.

Format ramki sieci 100 Mb/s

jest taki sam, jak w sieci

10 Mb/s. Sieć Fast Ethernet jest

dziesięć razy szybsza niż sieć

10BASE-T. Z powodu większej

prędkości należy zachować ostrożność, gdyż wysyłane bity są krótsze i występują częściej. Sygnały o większej

częstotliwości są bardziej narażone na szumy. W celu zaradzenia tym problemom w sieciach Ethernet 100 Mb/s

używane są dwa oddzielne etapy kodowania. W pierwszym etapie kodowania używana jest metoda o nazwie

4B/5B, a w drugiej właściwe kodowanie liniowe, zależne od typu medium, którym jest kabel miedziany lub

włókno światłowodowe.

7.1.7 100BASE-TX

W roku 1995 technologia 100BASE-TX (używająca skrętki nieekranowanej kategorii 5) stała się standardem,

który odniósł sukces komercyjny.

Oryginalna technologia Ethernet, używająca kabli koncentrycznych, działała w trybie transmisji półdupleksowej,

tak więc tylko jedno urządzenie w danym czasie mogło przesyłać dane. Jednak w roku 1997 możliwości Ethernetu

zostały poszerzone o transmisję w trybie pełnego dupleksu, co umożliwiło przesyłanie danych przez więcej niż

jeden komputer w tym samym czasie. Przełączniki zaczęły wypierać huby. Umożliwiały one bowiem transmisję w

trybie pełnego dupleksu, a czas obsługi ramek sieci Ethernet był bardzo krótki.

W technologii 100BASE-TX dane są kodowane przy użyciu kodu 4B/5B, a następnie konwertowane przy użyciu

kodu MLT-3 (Multi-Level Transmit-3). Na rysunku przedstawiono wyprowadzenia styków połączenia w

standardzie 100BASE-TX. Należy zauważyć, że istnieją dwie oddzielne ścieżki nadawczo-odbiorcze. Tak

samo jest w sieci 10BASE-T.

W sieci 100BASE-TX dane mogą być przesyłane z prędkością 100 Mb/s w trybie półdupleksu. W trybie pełnego

dupleksu możliwe jest przesyłanie danych z prędkością 200 Mb/s. Tryb pełnego dupleksu będzie zyskiwał na

znaczeniu wraz ze zwiększaniem prędkości sieci Ethernet.

7.1.8 100BASE-FX

Wraz z wprowadzeniem sieci Fast

Ethernet opartej na kablach miedzianych

powstała potrzeba utworzenia jej wersji

światłowodowej. Wersja oparta na

światłowodach mogłaby być używana w sieciach szkieletowych, połączeniach między piętrami i budynkami,

gdzie kable miedziane są mniej przydatne, oraz w środowiskach o dużych zakłóceniach. Aby zaspokoić te

potrzeby, wprowadzono technologię 100BASE-FX. Jednak technologia 100BASE-FX nigdy nie odniosła sukcesu.

Powodem tego było szybkie wprowadzenie standardów Gigabit Ethernet dla kabli miedzianych i światłowodów.

Standardy Gigabit Ethernet są obecnie dominującą technologią w instalacjach szkieletowych, szybkich

przełącznicach oraz w innych zastosowaniach związanych z infrastrukturą.

Taktowanie, format ramki i transmisja są takie same dla obydwu wersji technologii Fast Ethernet 100 Mb/s.

Na rysunku przedstawiono podsumowanie informacji dotyczących łącza i wyprowadzeń styków w technologii

100BASE-FX. Najczęściej używana jest para światłowodów ze złączami ST lub SC. Możliwa jest transmisja z

prędkością 200 Mb/s, ponieważ w sieci 100BASE-FX wykorzystywane są oddzielne włókna optyczne dla ścieżki

nadawczej (Tx) i odbiorczej (Rx).

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: