Оптоволоконная сеть Ethernet

Введение

Существует множество способов классификации сетей. Основным критерием классификации принято считать способ администрирования. То есть в зависимости от того, как организована сеть и как она управляется, её можно отнести к локальной, распределённой, городской или глобальной сети. Управляет сетью или её сегментом сетевой администратор. В случае сложных сетей их права и обязанности строго распределены, ведётся документация и журналирование действий команды администраторов.

Компьютеры могут соединяться между собой, используя различные среды доступа: медные проводники (витая пара), оптические проводники (оптические кабели) и через радиоканал (беспроводные технологии). Проводные, оптические связи устанавливаются через Ethernet, беспроводные —через Wi-Fi, Bluetooth, GPRS и прочие средства. Отдельная локальная вычислительная сеть может иметь связь с другими локальными сетями через шлюзы, а также быть частью глобальной вычислительной сети (например, Интернет) или иметь подключение к ней.

Чаще всего локальные сети построены на технологиях Ethernet или Wi-Fi. Следует отметить, что ранее использовались протоколы Frame Relay, Token ring, которые на сегодняшний день встречаются всё реже, их можно увидеть лишь в специализированных лабораториях, учебных заведениях и службах. Для построения простой локальной сети используются маршрутизаторы, коммутаторы, точки беспроводного доступа, беспроводные маршрутизаторы, модемы и сетевые адаптеры. Реже используются преобразователи (конвертеры) среды, усилители сигнала (повторители разного рода) и специальные антенны.

Маршрутизация в локальных сетях используется примитивная, если она вообще необходима. Чаще всего это статическая либо динамическая маршрутизация (основанная на протоколе RIP).

Иногда в локальной сети организуются рабочие группы — формальное объединение нескольких компьютеров в группу с единым названием.

Сетевой администратор — человек, ответственный за работу локальной сети или её части. В его обязанности входит обеспечение и контроль физической связи, настройка активного оборудования, настройка общего доступа и предопределённого круга программ, обеспечивающих стабильную работу сети.

Технологии локальных сетей реализуют, как правило, функции только двух нижних уровней модели OSI - физического и канального. Функциональности этих уровней достаточно для доставки кадров в пределах стандартных топологий, которые поддерживают LAN: звезда, общая шина, кольцо и дерево. Однако из этого не следует, что компьютеры, связанные в локальную сеть, не поддерживают протоколы уровней, расположенных выше канального. Эти протоколы также устанавливаются и работают на узлах локальной сети, но выполняемые ими функции не относятся к технологии LAN.

Проектирование ЛВС на основе коммутаторов и концентраторов

Исторически впервые первые сети технология Ethernet были созданы на коаксиальном кабеле диаметром 0,5 дюйма. В дальнейшем были определены и другие спецификации физического уровня для стандарта Ethernet, позволяющие использовать различные среды передачи данных. Метод доступа CSMA/CD и все временные параметры остаются одними и тем же для любой спецификации физической среды технологии Ethernet 10 Мб/с.

Физические спецификации технологии Ethernet на сегодняшний день включают следующие среды передачи данных:

· 10 Base-5 – коаксиальный кабель диаметром 0,5 дюйма, называемый «толстым» коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента – 500 (без повторителей).

· 10 Base-2 – коаксиальный кабель диаметром 0,5 дюйма, называемый «тонким» коаксиалом. Имеет волновое сопротивление 50 Ом. Максимальная длина сегмента – 185 (без повторителей).

· 10 Base-T – кабель на основе неэкранированной витой пары (Unshielded Twisted Pair, UTP). Образует звездообразную топологию на основе концентратора. Расстояние между концентратором и конечным узлом–не более 100 м.

· 10 Base-F – волоконно – оптический кабель. Топология аналогична топологии стандарта 10 Base-T . Имеется несколько вариантов этой спецификации – FOIRL (расстояние до 1000 м), 10 Base-FL (расстояние до 2000 м), 10 Base-FB (расстояние до 2000 м).

Число 10 в указанных выше названиях обозначает битовую скорость передачи данных этих стандартов – 10 Мбит/с, а слово «Base» - метод передачи на одной базовой частоте 10 МГц (в отличие от методов, использующих несколько несущих частот, которые называются Broadband – широкополосными). Последний символ в названии стандарта физического уровня обозначает тип кабеля.

Стандарт 10 Base – 5

Стандарт 10 Base – 5 в основном соответствует экспериментальной сети Ethernet фирмы Xerox и может считаться классическим стандартом Ethernet. Он использует в качестве среды передачи данных коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом, диаметром центрального медного провода 2,17 мм и внешним диаметром около 10 мм («толстый» Ethernet »). Такими характеристиками обладают кабели марок RG-8 и RG-11.

Различные компоненты сети, выполненной на толстом коаксиале и состоящий из трех сегментов, соединенных повторителями, показаны на рисунке 2.

Рис. 2 Компоненты физического уровня сети стандарта 10 Base-5, состоящий их трех сегментов

Кабель используется как моноканал для всех станций. Сегмент кабеля максимальной длины 500 м (без повторителей) должен иметь на концах согласующие терминаторы («заглушки») сопротивлением 50 Ом, поглощающиеся по кабелю сигналы и препятствующие возникновению отраженных сигналов. При отсутствии терминаторов в кабеле возникают стоячие волны, так что одни узлы получают мощные сигналы, а другие – настолько слабые, что их прием становится невозможным.

Станция должна подключаться к кабелю при помощи приемопередатчика – трансивера (transmitter + receiver = transceiver). Трансивер устанавливается непосредственно на кабеле и питается от сетевого адаптера компьютера. Трансивер может подсоединяться к кабелю как методом прокалывания, обеспечивающим непосредственный физический контакт, так и бесконтактным методом.

Трансивер соединяется с сетевым адаптером интерфейсным кабелем AUI (Attachment Unit Interface) длиной до 50 м, состоящий из 4 витых пар (адаптер должен иметь разъем AUI). Наличие стандартного интерфейса между трансивером и остальной частью сетевого адаптера очень полезно при переходе с одной типа кабеля на другой. Для этого достаточно только заменить трансивер, а остальная часть сетевого адаптера остается неизменной, так как она отрабатывает протокол уровня MAC. При этом необходимо только, чтобы новый трансивер (например, трансивер для витой пары) поддерживал стандартный интерфейс AUI. Для присоединения к интерфейсу AUI используется разъем DB-15.

Допускается подключение к одному сегменту не более 100 трансиверов, причем расстояние между подключениями трансиверов не должно быть меньше 2,5 м. На кабеле имеется разметка через каждые 2,5 м, обозначающая точка подключения трансиверов. При подсоединении компьютеров в соответствии с разметкой влияния стоячих волн в кабеле на сетевые адаптеры сводится к минимуму.

Трансивер – это часть сетевого адаптера, которая выполняет следующие функции:

· прием и передача данных с кабеля на кабель

· определение коллизий на кабель

· электрическая развязка между кабелем и остальной частью адаптера

· защита кабеля от некорректной работы адаптера.

Последнюю функцию иногда называют контролем «болтливости», что является буквальным переводом соответствующего английского термина (jabber control). При возникновении неисправностей в адаптере может возникнуть ситуация, когда на кабель будет непрерывно выдаваться последовательность случайных сигналов. Так как кабель – это общая среда всех станций, то работа сети будет заблокирована одним неисправным. Чтобы этого не случилось, на выходе передатчика ставится схема, которая проверяет время передачи кадра. Если максимально возможное время передачи пакета превышается (с некоторым запасом), то эта схема просто отсоединяет выход передатчика от кабеля. Максимально время передачи кадра (вместе с преамбулой) равно 1221 мкс, а время jabber – контроля устанавливается равным 4000 мкс (4 мс).

Упрощенная структурная схема трансивера показана на рисунке 3. Передатчик и приемник присоединяются к одной точке кабеля с помощью специальной схемы, например трансформаторной, позволяющий организовать одновременную передачу и прием сигналов с кабеля.

Рис. 3 Структурная схема трансивера

Детектор коллизий определяет наличие в коаксиальном кабеле по повышенному уровню постоянной составляющей сигналов. Если постоянная составляющая превышает определенный порог (около 1,5 В), значит, на кабель работает более одного передатчика. Развязывающие элементы (РЭ) обеспечивают адаптер и компьютер от значительных перепадов напряжения, возникающих на кабеле при его повреждении.

Стандарт 10 Base-5 определяет возможность использования в сети специального устройства – повторители (repeater).Повторитель служит для объединения в одну сеть нескольких сегментов кабеля и увеличения тем самым общей длины сети. Повторитель принимает сигналы, форму и мощность импульсов, а также синхронизируя импульсы. Повторитель состоит из двух (или нескольких) трансиверов, которые присоединяются к сегментам кабеля, а также блока повторения со своим тактовым генератором. Для лучшей синхронизации повторитель задерживает передачу нескольких первых битов преамбулы кадра, за счет чего увеличивается задержка передачи кадра с сегмента на сегмент, а также несколько уменьшается межкадровый интервал IPG.

Стандарт разрешает использование в сети не более 4 повторителей и, соответственно, не более 5 сегментов кабеля. При максимальной длине сегмента кабеля в 500 м это дает максимальную длину сети 10 Base-5 в 250 м. только 3 сегмента из 5 могут быть нагруженными, то есть такими, к которым подключается конечные узлы. Между нагруженными сегментами должны быть ненагруженные сегменты, так что максимальная конфигурация сети представляет собой два нагруженных крайних сегмента, которые соединяются ненагруженными сегментами еще с одним центральным нагруженным сегментом. Ранее на рисунке 1 был приведен пример сети Ethernet, состоящий из трех сегментов, объединенных двумя повторителями. Крайние сегменты являются нагруженными, а промежуточный – ненагруженным.

Правило применения повторителей в сети Ethernet10 Base-5 носит название правило 5-4-3: 5 сегментов, 4 повторителя, 3 нагруженных сегмента. Ограниченное число повторителей объясняется дополнительными задержками распространения сигнала, которые они вносят. Применение повторителей увеличивает время двойного распространения сигнала, которое для надежного распознавания коллизий не должно превышать время передачи кадра минимальной длины, то есть кадра в 72 байта или 576 бит.

Каждый повторитель подключается к сегменту одним своим трансивером, поэтому к нагруженным сегментам можно подключить не более 99 узлов. Максимальное число конечных узлов в сети 10Base-5 таким образом составляет 99*3=297 узлов.

К достоинствам стандарта 10Base-5 относятся:

· хорошая защищенность кабеля от внешних воздействий

· сравнительно большое расстояние между узлами

· возможность простого перемещения рабочий станции в пределах длины кабеля AUI.

Недостатками 10Base-5 являются:

· высокая стоимость кабеля

· сложность прокладки кабеля из – за большой жесткости

· потребность в специальном инструменте для заделки кабеля

· остановка работы всей сети при повреждении кабеля или плохом соединении

· необходимо заранее предусмотреть подводку кабеля ко всем возможным местам установки компьютеров.

Стандарт 10 Base-2

Стандарт 10Base-2 используют в качестве передающей среды, коаксиальный кабель с диаметром центрального медного провода 0,89 мм и внешним диаметром около 5 мм («тонкий» Ethernet). Кабель имеет волновое сопротивление 50 Ом. Такими характеристиками обладают кабели марок RG-58/U, RG-58A/U, RG-58C/U.

Максимальная длина сегмента без повторителей составляет 185 метров, сегмент должен иметь на концах согласующий терминаторы 50 Ом. Тонкий коаксиальный кабель дешевле толстого, поэтому сети 10Base-2 иногда называют сетями Cheaper–нет (от cheaper–более дешевый). Но за дешевизну кабеля приходится расплачиваться качеством – «тонкий» коаксиал обладает худшей помехозащищенностью, худшей механической прочностью и более узкой полости пропускания. Станция подключается к кабелю с помощью высокочастотного (BNC) Т-коннекторы, которые представляют собой тройник, один отвод которого соединяется с сетевым адаптером, а два других – с двумя концами разрыва кабеля. Максимальное количество станций, подключаемых к одному сегменту, - 30. Минимальное расстояние между станциями – 1 м. Кабель “тонкого” коаксиала имеет разметку для подключения узлов с шагом в 1 м.

Стандарт 10Base-2 также предусматривает использование повторителей по “правилу 5 – 4 – 3”. В этом случае сеть будет иметь максимальную длину в 5*185=925 м. Очевидно, что это ограничение является более сильной, чем общее ограничение в 2500 м.

Для построения корректной сети Ethernet нужно соблюсти много ограничений, причем некоторые из них относятся к одним и тем же параметрам сети –например: максимальная длина или максимальное количество компьютеров в сети должно удовлетворять одновременно нескольким разным условиям. Корректная сеть Ethernet должна соответствовать всем требованиям, но на практике достаточно соблюсти только наиболее жесткие. Так если в сети Ethernet не должно быть более 1024 узлов, а стандарт 10Base-2 ограничивает число нагруженных сегментов тремя, то общее количество узлов в сети 10Base-2 не должно превышать 29*3=87. Менее жесткое ограничение в 1024 конечных узла в сети 10Base-2 никогда не достигается.

Стандарт 10Base-2 очень близок к стандарту 10Base-5. Но трансиверы в нем объединены с сетевыми адаптерами за счет того, что более гибкий тонкий коаксиальный кабель может быть подведен непосредственно к выходному разъему платы сетевого адаптера, установленный в шасси компьютера. Кабель в данном случае «висит» на сетевом адаптере, что затрудняет физическое перемещение компьютера.

Типичный состав сети стандарта 10 Base-2,состоящий из одного сегмента кабеля, показан на рисунке 4.

Рис. 4 Сеть стандарта 10 Base-2

Реализация этого стандарта на практике приводит к наиболее простому решению для кабельной сети, так как для соединения компьютеров требуется только сетевые адаптеры, T-коннекторы и терминаторы 50 Ом. Однако вид кабельных соединений наиболее сильно подвержен авариям и сбоям: кабель более восприимчив к помехам, чем «толстый» коаксиал, в моноканале имеется большее количество механических соединений (каждый Т-коннектор дает три механических соединения, два из которых имеют жизненно важное значение для всей сети), пользователи имеют доступ к разъемам и могут нарушать целостность моноканала. Кроме того, эстетика и эргономичность этого решения оставляют желать лучшего, так как от каждой станции через Т-коннектор отходит два довольно заметных провода, которые под столом часто образуют моток кабеля – запас необходимый на случай даже небольшого перемещения рабочего места.

Общим недостатком стандартов 10Base-5 и 10Base-2 является отсутствие оперативной информации о состоянии моноканала. Повреждения кабеля обнаруживается сразу же, (сеть перестает работать) но для поиска отказываемого отрезка кабеля необходим специальный прибор – кабельный тестер.

2.3 Стандарт 10 Base-Т

Стандарт 10Base-Т принят в 1991 году, как дополнение к существующему набору стандартов Ethernet, и имеет обозначение 802.3i.

Сети 10Base-Т используют в качестве среды две неэкранированные витые пары (Unshielded Twisted Pair, UTP). Многопарный кабель на основе неэкранированной витой пары категории 3(категория определяет полосу пропускания кабеля, величину перекрестных наводок NEXT и некоторые другие параметры его качества) телефонные компании уже достаточно давно использовали для подключения телефонных аппаратов внутри зданий. Этот кабель носит также название Voice Grade, говорящее о том, что он предназначен для передачи голоса.

Идея приспособить этот популярный вид кабеля для построения локальных сетей оказалась очень плодотворной, так как многие здания уже были оснащены нужной кабельной системой. Оставалось разработать способ подключения сетевых адаптеров и прочего коммуникационного оборудования к витой паре таким образом, чтобы изменения в сетевых адаптерах и программном обеспечении сетевых операционных систем были бы минимальными по сравнению с сетями Ethernet на коаксиале. Это удалось, поэтому переход на витую пару требует только замены трансивера сетевого адаптера или порта маршрутизатора, о метод доступа и все протоколы канального уровня остались теми же, что и в сетях Ethernet на коаксиале.

Конечные узлы соединяются с помощью двух витых пар по топологии «точка – точка со специальным устройством многопортовом повторителем. Одна витая пара требует для передачи данных от станции к повторителю (выход Тx сетевого адаптера), а другая для передачи данных от повторителя к станции (выход Rx сетевого адаптера). На рисунке 5 показан пример трехпортового повторителя. Повторитель принимает сигналы от одного из конечных узлов и синхронно передает их на все свои остальные порты, кроме того, с которого поступили сигналы.

Многопортовые повторители в данном случае обычно называются концентраторами (англоязычный термин – hub, или концентратор). Концентратор осуществит функции повторителя сигналов на всех отрезках витых пар, подключенных к его портам, так что образуется единая среда передачи данных – логический моноканал (логическая общая шина). Повторитель обнаруживает коллизию в сегменте в случае одновременной передачи сигналов по нескольким своим Rx-входом и посылает jam-последовательность на все свои Тx-выходы. Стандарт определяет битовую скорость передачи данных 10Мбит/с и максимальное расстояние отрезка витой пары между двумя непосредственно связанными узлами (станциями и концентраторами) не более 100 м. при наличии витой пары качество не ниже категории 3. Это расстояние определяется полосой пропускания витой пары–на длине 100 м. она позволяет передавать данные со скоростью 10Мбит/с при пользовании манчестерского кода.

Рис. 5 Сеть стандарта 10 Base-Т: Тx – передатчик; Rx – приемник

Концентраторы 10Base-Т можно соединять друг с другом с помощью тех же портов, которые предназначены для подключения конечных узлов. При этом нужно позаботиться о том, чтобы передатчик и приемник одного порта были соединены соответственно с приемником и передатчиком другого порта.

Для обеспечения синхронизации станций при реализации процедур доступа CSMA/CD и надежного распознания станциями коллизий в стандарте определено максимальное число концентраторов между любыми двумя станциями сети, а именно 4. Это правило носит название «Правило 4 хабов» и оно заменяет «правило 5 -4 -3», применяемое к коаксиальным сетям. При создании сетей 10Base-Т с большим числом станций концентраторы можно соединять друг с другом иерархическим способом, образуя древовидную структуру (рисунок 6).

Петлевидное соединение концентраторов в стандарте 10Base-Т запрещено, так как он: приводит к некорректной работе сети. Это требование означает, что в сети 10Base-Т не разрешается создавать параллельные каналы связи между критически важными концентраторами для резервирования связи на случай отказа порта, концентратора или кабеля. Резервирование связей возможно только за счет перевода одной из параллельных связей в неактивное (заблокированное) состояние.

Рис. 6 Иерархическое соединение концентраторов

Рис. 7 Схема с максимальным количеством станций

Общее количество станций в сети 10Base-Т не должно превышать общего придела в 1024, и для данного типа физического уровня это количество действительно достижимо. Для этого достаточно создать двухуровневую иерархию концентраторов, расположив на нижнем уровне достаточное количество концентраторов общем количеством портов 1024 (Рисунок 7). Конечные узлы нужно подключить к портам концентраторов нижнего уровня. Правило 4 хабов при этом выполняется – между любыми конечными узлами будет ровно три концентратора. Максимальная длина сети в 2500 м. здесь понимается как максимальное расстояние между любыми двумя конечными узлами сети (часто применяется также термин «максимальный диаметр сети»). Очевидно, что если между любыми двумя узлами сети не должно быть больше четырех повторителей, то максимальный диаметр сети 10Base-Т составляет 5*100=500.

Сети построенные на основе стандарта 10Base-Т, обладают по сравнению с коаксиальными вариантами Ethernet многими преимуществами. Эти преимущества связаны с разделением общего физического кабеля на отдельные кабельные отрезки, подключенные к центральному коммуникационному устройству. И хотя логически эти отрезки по–прежнему образуют общую разделяемую среду, их физическое разделение позволяет контролировать их состояние и отключать в случае обрыва, короткого замыкания или неисправности сетевого адаптера на индивидуальной основе. Это обстоятельство существенно облегчает эксплуатацию больших сетей Ethernet, так как концентратор обычно автоматически выполняет такие функции, уведомляя при этом администратора сети о возникшей проблеме.

В стандарте 10Base-Т определена процедура тестирования физической работоспособности двух отрезков витой пары, соединяющих трансивер конечного узла и портов повторителя. Это процедура называется тестом связности {Link test} и основан на передаче каждые 16 мс специальных импульсных импульсов J и K манчестерского кода между передатчиком и приемником каждой витой пары. Если тест не проходит, то порт блокирует и отключает проблемный узел от сети. Так как коды J и K являются запрещенными при передаче кадров, то тестовые последовательности не являют на работу алгоритма доступа к среде.

Появление между конечными узлами активного устройства, которое может контролировать работу узлов и изолировать от сети некорректно работающие, является главным преимуществом технологии 10Base-Т по сравнению со сложными в эксплуатации коаксиальными сетями. Благодаря концентраторам сети Ethernet приобрела некоторые черты отказоустойчивой системы.

Оптоволоконная сеть Ethernet

В качестве среды передачи данных 10–Мегабитная сеть Ethernet использует оптическое волокно. Оптоволоконные стандарты в качестве основного типа кабеля рекомендуют достаточно дешевое многомодовое оптическое волокно, обладающее полосой пропускания 500 – 800 МГц при длине кабеля 1 км. Допустимое более дорогое одномодовое оптическое волокно с полосой пропускания в несколько МГц, но при этом нужно применять специальный тип трансивера.

Функционально сеть Ethernet на оптическом кабеле состоит из тех же элементов, что и сеть стандарта 10Base-Т – сетевых адаптеров, многопортового повторителя и отрезков кабеля. Соединяющее адаптера с повторителем используются два оптоволокна – одно соединяет выход Тx адаптера с входом Rх повторителя, а другое - вход Rх адаптера с выходом Tх повторителя.

Стандарт FOIRL(Fiber Optic Inter – Repeater Link) представляет собой первый стандарт комитета 802.3 для использования оптоволокна в сетях Ethernet. Он гарантирует длину оптоволоконной связи между повторителями до 1 км при общей длине сети не более 2500 м. Максимальное число повторителей между любыми узлами сети – 4. Максимального диаметра в 2500 м здесь достичь можно, хотя максимальные отрезки кабеля между всеми 4 повторителями, а также между повторителями и конечными узлами недопустимы – иначе получится сеть длиной 5000м.

Стандарт 10 Base-FL представляет собой незначительное улучшение стандарта FOIRL. Увеличена мощность передатчиков, поэтому максимальное расстояние между узлом и концентратором до 2000 м. Максимальное число повторителей между узлами осталась равной 4, а максимальная длина сети 2500 м.

Стандарта 10 Base-F Bпредназначен только для соединения повторителей. Конечные узлы не могут использовать этот стандарт для присоединения к портам концентратора. Между узлами сети можно установить до 5 повторителей 10Base-FE при максимальной длине одного сегмента 2000 м. и максимальной длине сети 2740 м.

Повторители, соединенные по стандарту 10Base-FB, при отсутствии кадров для передачи постоянно обмениваются специальными последовательности сигналов, отличающихся от сигналов кадров данных, для поддержания синхронизации. Поэтому они вносят меньшие задержки при передачи данных из одного сегмента в другой, и это является главной причиной по которой количество повторителей удалось увеличить до 5. В качестве специальных сигналов используются манчестерские коды j и k в следующей последовательности: J-J-K-K-J-J-…Эта последовательность порождает импульсы частоты 2,5МГц, которой и поддерживают синхронизацию приемника одного концентратора с передатчиком другого. Поэтому стандарт 10Base-FB имеет также название синхронный Ethernet.

Как и в стандарте 10Base-Т, оптоволоконные стандарты Ethernet разрешают соединяться концентраторы только в древовидные иерархические структуры. Любые петли между портами концентраторов не допускаются.