Построение компьютерных сетей на базе коммутаторов Ethernet:

Поле «Адрес отправителя» состоит из 6 байт и содержит физический адрес устройства в сети, которое отправило данный кадр. Первый бит адреса отправителя всегда равен нулю.

Поле «Протокол или тип» может содержать длину или тип кадра в зависимости от используемого кадра Ethernet. Если поле задает длину, она указывается в двух байтах. Если тип — то содержимое поля указывает на тип протокола верхнего уровня, которому принадлежит данный кадр. Например, при использовании протокола IP-поле имеет значение 8137, а для протокола IP - 0800.

Поле «Данные» содержит данные кадра. Чаще всего — это информация, нужная протоколам верхнего уровня. Данное поле не имеет фиксированной длины.

Поле «Контрольная сумма» содержит результат вычисления контрольной суммы всех полей за исключением преамбулы, признака начала кадра и самой контрольной суммы. Вычисление выполняется отправителем и добавляется в кадр. Аналогичная процедура вычисления выполняется и на устройстве получателя. В случае несовпадения результата вычисления со значением данного поля, предполагается, что произошла ошибка при передаче. В этом случае кадр считается испорченным и игнорируется.

Следует отметить, что  минимальная допустимая длина для  всех четырех типов кадров Ethernet составляет 64 байта, а максимальная — 1518 байт. Так как на служебную информацию в кадре отводится 18 байт, то поле «Данные» может иметь длину от 46 до 1500 байт. Если передаваемые по сети данные меньше допустимой минимальной длины, кадр будет автоматически дополняться до 46 байт. Столь жесткие ограничения на минимальную длину кадра введены для обеспечения нормальной работы механизма обнаружения коллизий.

Структура адреса показана на рис. 3.2.

 

 

 

 

Р и с. 3.2. Структура адреса Ethernet

 

В верхней части рисунка указана длина полей адреса, в нижней – нумерация разрядов. Субполе I/G представляет собой флаг индивидуального или группового адреса. I/G=0 – указывает на то, что адрес является индивидуальным адресом сетевого объекта. I/G=1 - характеризует адрес как мультикастинговый, в этом случае дальнейшее разбиение адреса на субполя теряет смысл. Субполе U/L является флагом универсального или местного управления (определяет механизм присвоения адреса сетевому интерфейсу). U/L=1 - указывает на локальную адресацию (адрес задан не производителем и ответственность за уникальность лежит на администраторе LAN). U/L=I/G=0 - характерно для стандартных уникальных адресов, присваиваемых интерфейсу его изготовителем. Субполе OUI (organizationally unique identifier) позволяет определить производителя сетевого интерфейса. Каждому производителю присваивается один или несколько OUI. Размер субполя позволяет идентифицировать около 4 миллионов различных производителей. За корректность присвоения уникального адреса интерфейса (OUA – organizationally unique address) несет ответственность производитель. Двух интерфейсов одного и того же производителя с идентичными номерами не должно существовать. Размер поля позволяет произвести примерно 16 млн интерфейсов. Комбинация OUI и OUA составляют UAA (universally administrated address = IEEE-адрес).

В Ethernet любая  станция, подключенная к сети, может  попытаться начать передачу пакета (кадра), если кабельный сегмент (или хаб), к которому она подключена, свободен. Свободен ли сегмент, интерфейс определяет по отсутствию «несущей» в течение 9,6 мкс. Так как первый бит пакета достигает остальных станций сети не одновременно, может случиться, что попытку передачи совершат две или более станций, тем более что задержки в повторителях и кабелях могут достигать достаточно больших величин. Такие совпадения попыток называются столкновениями. Столкновение (коллизия) распознается по наличию в канале сигнала, уровень которого соответствует работе двух или более трансиверов одновременно. При обнаружении столкновения станция прерывает передачу. Возобновление попытки может быть произведено после выдержки (кратной 51,2 мкс, но не превосходящей 52 мс), значения которой является псевдослучайной величиной и вычисляется каждой станцией независимо (t= RAND(0,2^min(n,10)), где n – содержимое счетчика попыток, а число 10 - backofflimit). После выдержки станция увеличивает на единицу счетчик попыток и начинает очередную передачу. Предельное число попыток по умолчанию равно 16, если число попыток исчерпано, связь прерывается и выдается соответствующее сообщение. Передаваемый длинный кадр способствует «синхронизации» начала передачи пакетов несколькими станциями. Ведь за время передачи с заметной вероятностью может возникнуть необходимость передачи у двух и более станций.

Обозначим через IPG - interpacket gap – межпакетный интервал длиной 9,6 мкс или более. В момент, когда станции обнаружат завершение пакета, будут включены таймеры IPG. К счастью информация о завершении передачи пакета доходит до станций сегмента не одновременно. Но задержки, с которыми это связано, являются также причиной того, что факт начала передачи нового пакета одной из станций не становится известным немедленно. При вовлечении в столкновение нескольких станций они могут уведомить остальные станции об этом, послав сигнал «затора», который обозначим как jam, что в переводе с английского означает затор.  Длина  jam должна быть не менее 32 бит. Содержимое этих 32 бит не регламентируется. Такая схема делает менее вероятным повторное столкновение. Источником большого числа столкновений (помимо информационной перегрузки) может служить запредельная суммарная длина логического кабельного сегмента, слишком большое число повторителей, обрыв кабеля, отсутствие терминатора (50-омного согласователя кабеля) или неисправность одного из интерфейсов. Но сами по себе столкновения не являются чем-то негативным – это механизм, регулирующий доступ к сетевой среде.

     

 

             Р и с. 3.3. Алгоритм доступа к общей среде передачи

.Блок-схема реализации протокола CSMA/CD показана на рис. 3.3 [3]. Особое внимание необходимо обратить на влияние сигнала jam. В процессе пересылки столкнувшихся пакетов и за время передачи сигнала jam другие узлы могли захотеть что-то передать. Если таких узлов больше одного, то это приведет к синхронизации начала передачи этими узлами и к увеличению вероятности столкновения. Практически такую «синхронизацию» может осуществить любой достаточно длинный пакет. Такая синхронизация является причиной «коллапса» сети при большой загрузке.

Метод CSMA/CD создает  неопределенность времени доступа  к сети, что делает ее неудобной  для решения некоторых задач управления в реальном масштабе времени, где требуется малое время реакции системы на внешнее воздействие.

 

 

4. ФИЗИЧЕСКИЕ СРЕДЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ

ПРИ ПОСТРОЕНИИ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ

4.1. КОАКСИАЛЬНЫЙ КАБЕЛЬ

 

 

Первые сети Ethernet были построены  на протоколе 10Base5, использующей в качестве электрической среды передачи данных «толстый» коаксиальный кабель (ThickNet). Ввиду конструктивных особенностей этого кабеля работать с ним было неудобно, поэтому практически сразу появился более простой и дешевый вариант 10Вase2, использующий "тонкий" коаксиальный кабель (ThinNet). Конструкция  коаксиальных кабелей приведена на рис. 4.1.

 

 

Р и с. 4.1. Коаксиальные кабели

 

В настоящее время при  построении современных ЛВС коаксиальные кабели практически не используются.

4.2. ВИТАЯ ПАРА

 

 

Самая простая витая  пара (twisted pair) - это два изолированных медных провода, перевитых вокруг друг друга. Конструкция витой пары представлена на рис. 4.2. Существует два типа тонкого кабеля: неэкранированная (unshielded) витая пара (UTP) и экранированная (shielded) витая пара (STP).

Несколько витых пар  часто помещают в одну защитную оболочку. Их количество в таком кабеле может быть разным. Завивка проводов позволяет избавиться от электрических помех, наводимых соседними парами и другими источниками, например двигателями, реле и трансформаторами.

Неэкранированная витая  пара (спецификация lOBaseT) широко используется в ЛВС, максимальная длина сегмента составляет 100 м. Неэкранированная витая пара состоит из двух изолированных медных проводов. Существует несколько спецификаций, которые регулируют количество витков на единицу длины  в зависимости от назначения кабеля. Во многих странах UTP также используется в телефонных сетях.

 

 

Р и с. 4.2. Конструкция витой пары

 

UTP определена в особом стандарте - Electronic Industries Association and the Telecommunications Industries Association (EIA/T1A) 568 Commercial Building Wiring Standart. EIA/T1A 568 на основе UTP устанавливает стандарты для различных случаев, гарантируя единообразие продукции. Эти стандарты включают пять категорий UTP.

Категория 1- традиционный телефонный кабель, по которому можно передавать только речь, но не данные. Большинство телефонных кабелей, произведенных до 1983 г., относится к категории 1.

Категория 2 - кабель, способный передавать данные со скоростью до 4 Мбит/с. Состоит из четырех витых пар.

Категория 3 - кабель, способный передавать данные со скоростью до 10 Мбит/с. Состоит из четырех витых пар с девятью витками на метр.

Категория 4 - кабель, способный передавать данные со скоростью до 16 Мбит/с. Состоит из четырех витых пар.

Категория 5 - кабель, способный передавать данные со скоростью до 100 Мбит/с. Состоит из четырех витых пар медного провода.

Категория 6 - кабель, способный передавать данные со скоростью до 1000 Мбит/с. Состоит из четырех витых пар медного провода.

Одной из потенциальных  проблем для всех типов кабелей являются перекрестные помехи - электрические наводки, вызванные сигналами в смежных проводах. Неэкранированная витая пара особенно страдает от перекрестных помех. Для уменьшения их влияния используют экран.

Кабель STP имеет медную оплетку, которая обеспечивает большую защиту, чем неэкранированная витая пара. Кроме того, пары проводов STP обмотаны фольгой. В результате экранированная витая пара обладает прекрасной электромагнитной изоляцией, защищающей передаваемые данные от внешних помех. Все это означает, что STP по сравнению с UTP меньше подвержена воздействию электрических помех и может передавать сигналы с более высокой скоростью и на большие расстояния.

 

4.3. ОДНОМОДОВЫЕ И МНОГОМОДОВЫЕ

 ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛОКНА

 

 

По типу конструкции, вернее, по размеру сердцевины, оптические волокна делятся на одномодовые  и многомодовые (рис. 4.3).

В случае многомодового волокна диаметр сердечника (обычно 50 или 62,5 мкм) почти на два порядка больше, чем длина световой волны. Это означает, что свет может распространяться в волокне по нескольким независимым путям (модам). При этом очевидно, что разные моды имеют разную длину, и сигнал на приемнике будет заметно «размазан» по времени.

Из-за этого тип ступенчатых волокон (вариант 1) с постоянным коэффициентом преломления (постоянной плотностью) по всему сечению сердечника, уже давно не используется из-за большой модовой дисперсии.

На смену ему пришло градиентное волокно (вариант 2), которое имеет неравномерную плотность материала сердечника. На рис.4.3 хорошо видно, что длины пути лучей сильно сокращены за счет сглаживания. Хотя лучи, проходящие дальше от оси световода, преодолевают большие расстояния, они при этом имеют большую скорость распространения. Происходит это из-за того, что плотность материала от центра к внешнему радиусу уменьшается по параболическому закону. А световая волна распространяется тем быстрее, чем меньше плотность среды.

В результате более длинные  траектории компенсируются большей скоростью. При удачном подборе параметров, можно свести к минимуму разницу во времени распространения. Соответственно, межмодовая дисперсия градиентного волокна будет намного меньше, чем у волокна с постоянной плотностью сердечника.

Однако, как бы не были сбалансированы градиентные многомодовые волокна, полностью устранить эту проблему можно только при использовании волокон, имеющих достаточно малый диаметр сердечника, в которых при соответствующей длине волны будет распространяться один единственный луч.

 

            

 

                          Рис.4.3 Одномодовые и многомодовые оптические волокна

Реально распространено волокно  с диаметром сердечника 8 микрон, что достаточно близко к обычно используемой длине волны 1,3 мкм. Межчастотная дисперсия при неидеальном источнике излучения остается, но ее влияние на передачу сигнала в сотни раз меньше, чем межмодовой или материальной. Соответственно, и пропускная способность одномодового кабеля намного больше, чем многомодового.

В таблице приведены некоторые основные характеристики одномодового и многомодового кабеля применительно к построению сетей на базе технологии Ethernet.

 

Сравнение одномодовых и многомодовых технологий

 

Параметры	Одномодовые	Многомодовые
Используемые длины волн	1,3 и 1,5 мкм	0,85 мкм, реже 1,3 мкм
Затухание, дБ/км.	0,4 - 0,5	1,0 - 3,0
Тип передатчика	лазер, реже светодиод	светодиод
Толщина сердечника	8 мкм	50 или 62,5 мкм
Дальность передачи Fast Ethernet	около 20 км	до 2 км
Дальность передачи специально разработанных устройств Fast Ethernet.	более 100 км	до 5 км
Возможная скорость передачи.	10 Гбит/с и более	до 1 Гбит/с на ограниченной длине
Область применения.	телекоммуникации	локальные сети