Курс лекцій „Комп’ютерні мережі

Вид материала

Содержание

Оптоволоконний кабель.
1.5.5. Алгоритм роботи пристроїв фізичного рівня.
Трансивер (transceiver, TRANSmitter-reCEIVER)
Повторювач (repeater)
1.6. Канальний рівень.
Сервіс із установленням з'єднань і з підтвердженням LLC2
Керуючі кадри
Ненумеровані кадри

Подобный материал:

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Оптоволоконний кабель.

Оптоволоконний кабель служить середовищем передачі даних для модульованого електромагнітного випромінювання із певною, строго визначеною довжиною хвилі (світлових імпульсів). Його основною перевагою є значна швидкість передачі даних (до 10 Гб/с) та довжина фізичного сегменту (до 40 км) порівняно із середовищами на мідній основі, а також несприйнятливість до зовнішніх електромагнітних шумів. Однак цей кабель є значно дорожчим порівняно з іншими, а також більш складним у прокладанні.

Світло, яке є носієм сигналу у оптоволоконному середовищі – це один з видів електромагнітної енергії. ЯК відомо, ця енергія у формі хвиль може проходити через вакуум, повітря та через деякі матеріали – наприклад, скло. Важливою характеристикою будь-якої енергетичної хвилі є довжина. Довжина електромагнітної хвилі визначається частотою коливання електричного заряду, який генерує цю хвилю.

Для передачі інформації через оптоволокно використовуються електромагнітні хвилі із довжинами, що лежать поза межами видимого діапазону (400-700 нм). Як правило, це хвилі довжиною 850 нм, 1310 нм або 1550 нм. Ці довжини були вибрані, оскільки хвилі з такими параметрами проходять через оптоволокно краще, ніж хвилі з іншими параметрами.

В

иходячи з джерела, електромагнітні хвилі розповсюджуються по прямій. Ці прямі лінії називають променями. У вакуумі світлові промені розповсюджуються на швидкості 300000 км/с. Але у середовищі (вода, скло) ці швидкості є меншими.

Коли світловий промінь потрапляє на межу розділу двох середовищ (падаючий промінь), частина світлової енергії відбивається назад (відбитий промінь).

Та частина світлової енергії, яка не відбилася, буде поглинута іншим середовищем. Але через різницю оптичної густини падаючий промінь заломиться

Саме завдяки заломленню світлових променів на межі розділу середовищ можливе використання оптоволоконного кабелю для передачі інформації.

К

ут заломлення світлового променя залежить від оптичної густини матеріалу. Оптична густина визначає, наскільки швидкість розповсюдження світла у середовищі менша від швидкості розповсюдження світла у середовищі. Відношення швидкості світла у середовищі до швидкості світла у вакуумі називається індексом заломлення. Отже, мірою оптичної густини матеріалу є його індекс заломлення.

Збільшити індекс заломлення матеріалу (наприклад, скла) можна, додаючи до нього певні хімічні елементи.

Якщо падаючий промінь падає на межу розділу двох середовищ під кутом 90⁰, промінь не заломлюється. Але якщо кут відмінний від 90, промінь заломлюється, причому кут заломлення залежить як від індексу заломлення середовищ, так і від кута падіння променя. Якщо світловий промінь переходить із середовища з меншим індексом заломлення у середовище з меншим індексом заломлення, заломлений промінь загинається у сторону нормалі. Якщо ж навпаки – заломлений промінь загинається у протилежний до нормалі бік. Кут падіння, при якому промінь при переході з більш оптично густого середовища у менш оптично густе вже не заломлюється, а повністю відбивається у середовище, називається критичним кутом.

Світловий промінь, який несе інформацію у оптоволокні, мусить залишаться всередині оптоволокна на всьому шляху від відправника інформації до отримувача. Він не повинен заломлюватися всередину матеріалу, який знаходиться навколо світловоду, оскільки через заломлення буде втрачатися частина енергії.

З

акони відбивання та заломлення ілюструють, як спроектувати волокно, у якому світлова енергія буде втрачатися мінімально. Таке волокно повинно задовольняти двом умовам:

центральна частина оптоволокна повинна мати більший індекс заломлення, ніж матеріал, який її оточує;
кут падіння світлового променя повинен бути більшим за критичний кут для ядра та оболонки.

оли обидві ці умови виконуються, падаючий промінь повністю залишається у волокні. Це явище називається повним внутрішнім відбиванням.

Першу умову виконати легко, підібравши відповідним чином матеріали для ядра та оболонки. Контролювати кут падіння променя дозволяють два фактори:

числова апертура – межі кутів падіння променя, при яких він буде повністю відбиватися;
мода – шлях проходження променя через оптоволокно.

Отже, світлові промені можуть увійти в ядро лише у тому випадку, якщо кут падіння лежить у межах числової апертури волокна.

Якщо діаметр волокна дозволяє, можна одночасно пропустити через нього кілька променів. Говорять, що таке волокно є багатоходовим на відміну від одномодового, у якому може проходити лише один промінь у певний момент часу.

Кожен волоконно-оптичний кабель, який використовується для передачі інформації у мережах, складається з двох світловодів у спільній оболонці – для передачі інформації у двох напрямках.

Оскільки у оптоволоконному кабелі не виникає проблем, пов’язаних з перехресними наводками, немає потреби екранувати або перекручувати пари проводів. Тому один кабель може нести від 2 до 48 світловодів.

Я

к правило, волоконно-оптичний кабель має наступну будову:

зовнішня оболонка
підсилюючий матеріал
буфер
оболонка
ядро

Ядро оптоволокна виготовляється із світло провідного матеріалу – як правило, це скло, виготовлене з двоокису кремнію та інших матеріалів. Багатомодове оптоволокно використовує тип скла, який називають ступінчасто індексованим склом . У такого скла індекс заломлення зменшується у напрямку до зовнішнього краю ядра.

Оболонка навколо ядра виготовляється також з двоокису кремнію, але з меншим індексом заломлення, ніж ядро. Це дозволяє досягнути у ядрі ефекту повного внутрішнього відбивання. Як правило, стандартне багатомодове оптоволокно використовує 50-ти або 62,5-мікронне ядро та 125-ти мікронну оболонку. ЦЕ позначається як 62,5/125 µ або 50/125 µ оптоволокно.

В

якості буферизуючого матеріалу, як правило ,використовується пластик. Він дозволяє убезпечити оболонку та ядро від пошкоджень. Для цього існує 2 види дизайну кабелю: із вільним положенням ядра та із жорстко закріпленим ядром. Як правило, у LAN використовується багатомодовий кабель із жорстко закріпленим ядром. Він призначений для прокладки всередині будівель, тоді як кабель із вільним положенням ядра використовується для зовнішніх робіт.

Підсилюючий матеріал навколо буферизуючого шару попереджає ушкодження кабелю у процесі інсталяції. Для його виготовлення, як правило, використовують кевлар.

Зовнішня оболонка використовується для попередження забруднення кабелю розчинниками, абразивними речовинами та іншим.

У

якості джерела випромінювання у багатомодовому оптоволокні використовуються інфрачервоні фотодіоди (Light Emitting Diodes, LEDs) або лазери.Багатомодове оптоволокно можна використовувати для передачі інформації на відстань до 2 км.

У одномодовому оптоволокні (9/125 µ) у якості джерела використовується інфрачервоні лазери. Одномодове оптоволокно можна використовувати для передачі інформації на відстань до 40 км.

Оскільки інформація у мережних вузлах представлена у вигляді електричних сигналів, необхідна наявність пристою для перетворення електричних сигналів у оптичні і навпаки. Для цього використовуються:

фотодіоди, які можуть генерувати хвилі з довжиною 850 нм або 1310 нм. Для фокусування світла у ядро використовуються лінзи
лазери, які генерують вузький промінь когерентного випромінювання з довжиною 1310 нм або 1550 нм.

Для прийому інформації і її зхворотнього перетворення використовуються фотоприймачі. Вони приймають світлові імпульси з чітко визначеною довжиною хвилі та конвертують їх у електричні сигнали.

Для приєднання кабелю до портів мережних пристроїв використовуються коннектори: з

багатомодовим оптоволокном - Subscriber Connector (SC-коннектор), з одномодовим - Straight Tip (ST-коннектор)

10

1.5.4. Основні фізичні топології локальних мереж.

Фізична топологія – це граф, вершинами якого є вузли мережі, а ребрами – фізичні зв’язки між ними. Логічна топологія описує, як циркулюють потоки інформації між вузлами. Фізична і логічна топологія мережі можуть не співпадати між собою. Фактично логічна топологія визначає алгоритм, згідно із яким мережеві вузли будуть отримувати доступ до середовище передачі даних (буде описано далі).

Визначають наступні фізичні топології:

шинна топологія

У цій топології всі вузли під’єднані безпосередньо до мережевого середовища. Зараз така топологія використовується досить рідко через значні недоліки – фізичний розрив між будь-якими вузлами призводить до непрацездатності всієї мережі. Реалізовувалася на коаксіальному кабелі.

кільцева топологія

Володіє тими ж недоліками, що і шинна, а тому на практиці реалізовується неявно. При явній реалізації вихід з ладу будь-якого вузла або зв’язку між ними призводить до непрацездатності мережі.

подвійне кільце

цій топології кожен мережевий вузол з’єднується із сусіднім двома каналами зв’язку, що значно підвищує надійність такої мережі. Але вона вимагає значних апаратних затрат, тому на практиці теж реалізовується неявно.

зіркова топологія

цій топології існує центральний вузол, до якого під’єднуються всі інші вузли. Це дозволяє підтримувати працездатність мережі у випадку виходу з ладу окремого кінцевого вузла або каналу між вузлами. Мережа перестає працювати лише у випадку виходу з ладу центрального вузла. Залежно від його природи зіркову топологію у деяких випадках можна розглядати як вироджену шину – тобто центральний вузол являє собою спільне розділюване середовище, до якого всі інші намагаються отримати доступ.

розширена зірка

Являє собою ту ж зірку, кожен кінцевий вузол якої служить центральним вузлом для іншої зірки. Одна з найчастіше використовуваних на практиці топологій на даний час. Володіє всіма перевагами зіркової топології; крім того, якщо з ладу виходить центральний вузол, мережа розпадається на кілька незалежних працездатних мереж.

деревовидна топологія

а структурою схожа на розширену зірку, але її центральним елементом є не центральний вузол, а так званий магістральний кабель. Як правило, він застосовується у випадку необхідності доступу багатьох вузлів до одного, у жорстко вираженому клієнт-серверному середовищі.

мішана топологія

цій топології немає очевидної послідовності зв’язків між вузлами. Резервні зв’язки, як правило, встановлюються у критичних місцях – там, де необхідно забезпечити надійну передачу даних. Можна вважати, що на цій топології побудовано більшість глобальних мереж; у локальних вона, як правило, не використовується.

повна топологія

цій топології кожен вузол зв’язаний із кожним. Завдяки наявності значної кількості резервних зв’язків вона є дуже надійною, але на практиці майже не застосовується, оскільки вимагає дуже значних апаратних затрат.

комірчаста (стільникова) топологія

астосовується у безпровідних мережах. Для надійного їх функціонування необхідно, щоб радіус дії кожного пристрою перекривався із радіусом дії сусіднього. Перевагою таких мереж є відсутність робіт по прокладанню фізичних середовищ передачі даних; недоліком – незахищеність сигналів від зовнішніх впливів та стороннього доступу.

11

1.5.5. Алгоритм роботи пристроїв фізичного рівня.

Пристрої фізичного рівня працюють виключно з електричними, світловими або електромагнітними сигналами. Вони приймають вхідний сигнал, при необхідності можуть підсилювати його, ресинхронізувати, очищати від шумів та передавати далі незалежно від його змісту та необхідності такої передачі. Пристрої фізичного рівня не проводять аналізу трафіку, вони працюють лише з сигналами.

Пристрої фізичного рівня поділяються на активні та пасивні. До перших належать:

трансивери (прийомопередавачі)
повторювачі
концентратори

Активні пристрої, як правило, виконують певні операції з сигналом, тобто можуть підсилювати його або перетворювати з одного виду в інший. Для цього вони вимагають наявності зовнішнього джерела живлення. Пасивні елементи просто передають сигнал без будь-яких змін у ньому.

До пасивних компонентів фізичного рівня відносять:

кабелі
розетки
штекери
патч-панелі

Патч-панель являє собою набір мережевих розеток, жорстко закріплених у єдиному корпусі. Як правило, вона розміщується у кросовій шафі або кімнаті і служить для полегшення прокладання та подальшої експлуатації кабельної системи мережі.

Трансивер (transceiver, TRANSmitter-reCEIVER) може конвертувати сигнал з однієї форми в іншу, тобто служити конвертором середовища. Крім використання у якості зовнішнього пристрою, трансивери входять до складу мережевих карт у якості сигнальної компоненти – вони кодують сигнал із вигляду, у якому він обробляється комп’ютером, у вигляд, у якому він передається мережею.

Повторювач (repeater) підсилює та ресинхронізує сигнал, що дозволяє збільшувати відстань між відправником та отримувачем повідомлень у мережі. Як правило, це двопортові пристрої (1 вхід – 1 вихід). Вони не здійснюють ніяких операцій над трафіком.

Рис. 1.5.9. Патч-панель.

Концентратор (hub) ще інколи називають багатопортовим повторювачем завдяки тому, що функції його нічим не відрізняються від попереднього пристрою. Єдина відмінність концентратора полягає в тому, що він, як правило, має більше ніж 2 порти – 5, 8, 12, 24 або навіть 48.

Концентратори можна також умовно розбити на певні групи:

активні – вони можуть регенерувати сигнали у мережі завдяки наявності зовнішнього джерела живлення, а значить, і збільшувати шлях проходження сигналу по середовищу;
пасивні – служать лише для організації фізичної зіркової топології і не підсилюють сигнал, не збільшуючи відстань від відправника до отримувача;
програмовані (intelligent) – мають консольні порти і можуть бути запрограмовані для управління мережевим трафіком;
непрограмовані (dumb) – не володіють можливостями управління трафіком; приймають сигнал на вхідному порті і передають його на всі інші порти крім вхідного без змін.

Більшість концентраторів, що використовуються на даний момент у мережах, є активними непрограмованими і працюють за їх алгоритмом.

12

1.6. Канальний рівень.

1.6.1. Структура канального рівня.

У 1980 році в інституті IEEE був організований "Комітет 802 по стандартизації локальних мереж", у результаті роботи якого було прийняте сімейство стандартів IEEE 802.х, що містять рекомендації для проектування нижніх рівнів локальних мереж. Пізніше результати його роботи лягли в основу комплексу міжнародних стандартів ISO 8802-1...5. Ці стандарти були створені на основі дуже розповсюджених фірмових стандартів мереж Ethernet, ArcNet і Token Ring.

(Крім IEEE у роботі зі стандартизації протоколів локальних мереж брали участь і інші організації. Так для мереж, що працюють на оптоволокні, американським інститутом по стандартизації ANSI був розроблений стандарт FDDI, що забезпечує швидкість передачі даних 100 Мб/с. Роботи зі стандартизації протоколів ведуться також асоціацією ECMA (European Computer Manufacturers Association), що прийняті стандарти ECMA-80, 81, 82 для локальної мережі типу Ethernet і згодом стандарти ECMA-89, 90 по методу передачі маркера.)

Стандарти сімейства IEEE 802.x охоплюють тільки два нижніх рівні семирівневої моделі OSI - фізичний і канальний. Це пов'язано з тим, що саме ці рівні найбільшою мірою відбивають специфіку локальних мереж. Старші ж рівні, починаючи з мережного, у значній мірі мають загальні риси як для локальних, так і для глобальних мереж.

Специфіка локальних мереж знайшла також своє відображення в поділі канального рівня на два підрівні:

підрівень керування доступом до середовища (Media Access Control, MAC)
підрівень контролю логічного каналу (Logical Link Control, LLC).

MAC-рівень з'явився через існування в локальних мережах поділюваного середовища передачі даних. Саме цей рівень забезпечує коректне спільне використання загального середовища, надаючи його відповідно до визначеного алгоритму в розпорядження тієї або іншої станції мережі. Після того, як доступ до середовища отриманий, нею може користуватися наступний підрівень, що організує надійну передачу логічних одиниць даних - кадрів інформації. У сучасних локальних мережах одержали поширення кілька протоколів MAC-рівня, що реалізують різні алгоритми доступу до поділюваного середовища. Ці протоколи цілком визначають специфіку таких технологій як Ethernet, Token Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN.

Рівень LLC відповідає за достовірну передачу кадрів даних між вузлами, а також реалізує функції інтерфейсу з прилягаючим до нього мережним рівнем. Для рівня LLC також існує кілька варіантів протоколів, що відрізняються наявністю або відсутністю на цьому рівні процедур відновлення кадрів у випадку їхньої втрати або перекручування, тобто транспортних послуг, що відрізняються якістю, цього рівня.

Протоколи рівнів MAC і LLC взаємно незалежні - кожен протокол MAC-рівня може застосовуватися з будь-яким типом протоколу LLC-рівня і навпаки.

Стандарт IEEE 802 містить кілька розділів:

У розділі 802.1 приводяться основні поняття і визначення, загальні характеристики і вимоги до локальних мереж.
Розділ 802.2 визначає підрівень керування логічним каналом LLC.
Розділи 802.3 - 802.5 регламентують специфікації різних протоколів підрівня доступу до середовища MAC і їхній зв'язок з рівнем LLC:
стандарт 802.3 описує колективний доступ із упізнанням несучої і виявленням конфліктів (Carrier sense multiple access with collision detection - CSMA/CD), прототипом якого є метод доступу стандарту Ethernet;
стандарт 802.4 визначає метод доступу до шини з передачею маркера (Token bus network), прототип - ArcNet;
стандарт 802.5 описує метод доступу до кільця з передачею маркера (Token ring network), прототип - Token Ring.

Для кожного з цих стандартів визначені специфікації фізичного рівня, що визначають середовище передачі даних (коаксіальний кабель, вита пари або оптоволоконний кабель), його параметри, а також методи кодування інформації для передачі по даному середовищу.

Усі методи доступу використовують протоколи рівня керування логічним каналом LLC, описаним у стандарті 802.2. 13

1.6.2. Протокол LLC рівня керування логічним каналом

В основу протоколу LLC покладений протокол HDLC (High-level Data Link Control Procedure), що широко використовується в територіальних мережах.

У відповідності зі стандартом 802.2 рівень керування логічним каналом LLC надає верхнім рівням три типи процедур:

LLC1 - сервіс без установлення з'єднання і без підтвердження;
LLC2 - сервіс із установленням з'єднання і підтвердженням;
LLC3 - сервіс без установлення з'єднання, але з підтвердженням.

Цей набір процедур є загальним для всіх методів доступу до середовища, визначених стандартами 802.3-802.5.

Сервіс без установлення з'єднання і без підтвердження LLC1 дає користувачеві засоби для передачі даних з мінімумом витрат. Звичайно, цей вид сервісу використовуються тоді, коли такі функції як відновлення даних після помилок і впорядкування даних виконуються протоколами вищих рівнів, тому немає потреби дублювати їх на рівні LLC.

Сервіс із установленням з'єднань і з підтвердженням LLC2 дає користувачеві можливість установити логічне з'єднання перед початком передачі будь-якого блоку даних і, якщо це потрібно, виконати процедури відновлення після помилок і впорядкування потоку цих блоків у рамках установленого з'єднання. Протокол LLC2 багато в чому аналогічний протоколам сімейства HDLC (LAP-B, LAP-D, LAP-M), що застосовуються в глобальних мережах для забезпечення надійної передачі кадрів на зашумлених лініях.

У деяких випадках (наприклад, при використанні мереж у системах реального часу, керуючих промисловими об'єктами), коли тимчасові витрати встановлення логічного з'єднання перед відправленням даних неприйнятні, а підтвердження коректності прийому переданих даних необхідно, базовий сервіс без установлення з'єднання і без підтвердження не підходить. Для таких випадків передбачений додатковий сервіс, що називається сервісом без установлення з'єднання, але з підтвердженням LLC3.

Найчастіше в локальних мережах використовуються протоколи LLC1. Це пояснюється тим, що кабельні канали локальних мереж забезпечують низьку імовірність перекручувань біт і втрати кадрів. Тому, використання підвищеної надійності обміну протоколу LLC2 часто приводить до невиправданої надмірності, що тільки сповільнює загальну пропускну здатність стека комунікаційних протоколів. Проте, іноді протокол LLC2 застосовується й у локальних мережах. Так, цей протокол використовується стеком SNA у тому випадку, коли мейнфрейми або мінікомп’ютери IBM взаємодіють через мережі Token Ring. Протокол LLC2 використовується також компанією Hewlett-Packard у тому випадку, коли принтери підключається до мережі Ethernet безпосередньо, за допомогою убудованих мережних адаптерів.

За своїм призначенням всі кадри рівня LLC ( підрозділяються на три типи - інформаційні, керуючі і ненумеровані:

Інформаційні кадри призначені для передачі інформації в процедурах із установленням логічного з'єднання і повинні обов'язково містити поле інформації. У процесі передачі інформаційних блоків здійснюється їхня нумерація в режимі ковзаючого вікна.
Керуючі кадри призначені для передачі команд і відповідей у процедурах із установленням логічного з'єднання, у тому числі запитів на повторну передачу перекручених інформаційних блоків.
Ненумеровані кадри призначені для передачі ненумерованих команд і відповідей, що виконують у процедурах без установлення логічного з'єднання передачу інформації, ідентифікацію і тестування LLC-рівня, а в процедурах із установленням логічного з'єднання - встановлення і роз'єднання логічного з'єднання, а також інформування про помилки.

Усі типи кадрів рівня LLC мають єдиний формат (рис. 1.6.1). Вони містять чотири поля:

адреса точки входу сервісу призначення (Destination Service Access Point, DSAP),
адреса точки входу сервісу джерела (Source Service Access Point, SSAP),
керуюче поле (Control)
поле даних (Data)

Кадр LLC обрамляється двома однобайтовими полями "Прапор", що мають значення 01111110. Прапори використовуються на MAC-рівні для визначення границь блоку. (Відзначимо, що формат кадрів LLC, за винятком поля адреси точки входу сервісу джерела, відповідає форматові кадру HDLC, а також одного з варіантів протоколу HDLC - протоколу LAP-B, що використовується в мережах X.25).

Прапор (01111110)

Адреса точки входу сервісу призначення DSAP

Адреса точки входу сервісу джерела SSAP

Керуюче поле Control

Дані Data

Прапор (01111110)

Blog

Курс лекцій „Комп’ютерні мережі

Содержание