Сети. 10. Архитектура сетей Ethernet (10 Base 5, 10 Base 2, 10 Base t, 10 Base f, Fast Ethernet 100, gigabit Ethernet)

Реализация 10BASE-5

10 – скорость передачи 10 Мбит

BASE – передача идет без частотной модуляции в основной частоте. На физическом уровне информация представлена манчестерским кодом.

5 и 2 – реализованы на коаксиальном кабеле. Физическая среда из сегментов 500 метров с точностью до 100 метров.

10BASE-5 основан на применении «толстого» коаксиального кабеля полужесткого типа (с волновым сопротивлением 50 Ом, диаметром центрального медного провода 2,17 мм и внешним диаметром около 10 мм) RG-8 или RG-11. Экран в кабеле сплошной (как волновод). RG-11 — центральная жила посеребрена, RG-8 — медная основная жила. Полихлорвинил — «желтый Ethernet». Изгибать нельзя, R_гибк = 500мм. По задержке 4,5 нс на 1м, затухание 8 дБ/км. В сегмент не более 500 метров. Для удлинения кабеля используют баррель-коннектор

Метод прокола — «разъем-вампир»

На концах кабеля имеются согласующие звенья — термисторы (резисторы). Сопротивление резистора с точностью до 5% (ставить в меньшую сторону). Лучше передавать аналоговый сигнал, чем цифровой для уменьшения широкополосных помех. Коаксиальный сегмент должен быть заземлен строго в одной точке — 0,05 В не выше 2,05 В для манчестерского кода разрешено.

Drop-кабель.

Drop-кабель не должен проходить параллельно коаксиальному кабелю и силовым проводам, иначе создается синфазная наводка. Модуль доступа имеет 15-контактный соединитель. Есть гальванически развязанная пара на передачу и прием, пара на управление (передача, сигнал о коллизии), пара, по которой поступает питание (трансформаторное преобразование). В Drop-кабеле каждая пара экранирована. Экранирована пара подачи питания. В жестких условиях применяются drop-кабели до 50 метров. Гибкие и более мягкие до 12,5 метров. Строится по правилу 3-4-5. Максимальная конфигурация 5 сегментов коаксиального кабеля.

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, поглощающие распространяющиеся 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, состоящим из 4 витых пар (адаптер должен иметь разъем AUI). Наличие стандартного интерфейса между трансивером и остальной частью сетевого адаптера очень полезно при переходе с одного 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 точки подключения трансиверов. При подсоединении компьютеров в соответствии с разметкой влияние стоячих волн в кабеле на сетевые адаптеры сводится к минимуму.

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

q прием и передача данных с кабеля на кабель;

q определение коллизий на кабеле;

q электрическая развязка между кабелем и остальной частью адаптера;

q 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 для всех станций, то работа сети будет заблокирована одним неисправным адаптером. 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. Максимальное время передачи кадра (вместе с преамбулой) равно 1221 мкс, а время jabber-контроля устанавливается равным 4000 мкс (4 мс).

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 10Base-5 в 2500 м. Только 3 сегмента из 5 могут быть нагруженными, то есть такими, к которым подключаются 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.

Правило применения повторителей в сети Ethernet 10Base-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.

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 х 3 = 297 узлов.

Коллизия — нормальное явление для сетей стандарта Ethernet. Уведомление о том, что канал свободен — отсутствие постоянной составляющей в канале. Минимальная длина кадра 512 интервалов.

Параметры протокола 10BASE-5:

Битовая скорость: 10 Мбит/с

Окно положения(интервал отсрочки, окно коллизии): 512 бит. интервалов

Межкадровый интервал (IPG): 96 бит

Максимальное число попыток интервалов передачи при обнаружении коллизии: 16

Максимальная длина случайной паузы: от 0 до 2¹⁹

Максимальная длина кадра: 1518 октетов

Длина преамбулы 8 октетов

преамбула обеспечивает побитовую и пооктетную синхронизацию

Максимальное число станций в сети: 297

Достоинства стандарта:

1) Высокозащищенная среда

2) Достаточно большое расстояние для локальных сетей (до 3 км)

3) Возможность относительно легкого перемещения абонента относительно точки доступа

Недостатки:

1) Высокая стоимость компонентов

2) Сложность прокладки

3) Специальный инструмент для монтажа

4) Надо заранее предусмотреть все возможные точки подключения

5) Трудность поиска неисправностей

Минимальный набор оборудования для односегментной сети:

1) Число сетевых адаптеров=числу компьютеров (максимум 100 на одном сегменте)

2) Сам толстый кабель N-типа с разъемами. Длина не более 500м.

3) Трансиверные 4-х парные специальные кабели

4) Сами трансиверы (модули доступа) по числу сетевых адаптеров

Реализация 10BASE-2

Стандарт 10Base-2 использует 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-58 A/U, RG-58 C/U.

Кабель 58А — центральный проводник многожильный. Максимальная длина сегмента без повторителей составляет 185 м, сегмент должен иметь на концах согласующие терминаторы 50 Ом. Тонкий коаксиальный кабель дешевле толстого, поэтому сети 10Base-2 иногда называют сетями Cheaper-net (от cheaper – более дешевый). Но за дешевизну кабеля приходится расплачиваться качеством – «тонкий» коаксиал обладает худшей помехозащищенностью, худшей механической прочностью и более узкой полосой пропускания.

Отсутствует модуля доступа. Он «растворен» в Ethernet-карте. Карта заканчивается штыковым BNC-разъемом. Выходной разъем гальванически развязан с корпусом машины.

Общий вид сети стандарта 10BASE-2

Один из терминаторов должен быть заземлен. 5 пассивных сегментов длиной 185м с числом подключений 30. Реализация этого стандарта на практике приводит к наиболее простому решению для кабельной сети, так как для соединения компьютеров требуются только сетевые адаптеры, Т-коннекторы и терминаторы 50 Ом. Однако этот вид кабельных соединений наиболее сильно подвержен авариям и сбоям: кабель более восприимчив к помехам, чем «толстый» коаксиал, в моноканале имеется большое 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 нарушить целостность моноканала. Кроме того, эстетика и эргономичность этого решения оставляют желать лучшего, так как от каждой станции через Т-коннектор отходят 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. Повреждение кабеля обнаруживается сразу же (сеть перестает работать), но для поиска отказавшего отрезка кабеля необходим специальный прибор – кабельный тестер.

BASE T. Распайка кабеля

Стандартная распайка кабеля: В качестве разъема используется RJ-45. Максимальная длина кабеля может составлять 100 м.

Остальные пары проводов не используются.

+Tx – бело-оранжевый провод

–Тх – сплошной оранжевый провод

+Rx – бело-зеленый провод

–Rx – сплошной зеленый провод

До 1982 г. был распространен кабель 1 категории – использовался для передачи голоса и данных на скорости до 20 кбайт/сек. Позднее появился кабель 2 категории – его полоса была расширена до 1 МГц.

В 1991 г. появляется кабель 3 категории: полоса пропускания 16 МГц, волновое сопротивление 110 Ом, шаг скрутки – 1 виток на 10 см. Этот кабель использовался для передачи данных и голоса внутри офисных зданий и стал основой стандарта.

4 категория – обеспечивает меньшее затухание по сравнению с 3 категорией и имеет полосу 20 МГц.

5 категория: полоса пропускания – 100 МГц, волновое сопротивление – 100 Ом ± 15% (на 100 МГц), на длине 100 м на 100 МГц возможно затухание сигнала до 22 дБ. Активное сопротивление не более 9,4 Ом, емкость – 5600 пФ, перекрестные помехи не должны превышать -32 дБ на 100 МГц (гораздо больше, чем у коаксиального кабеля), задержка распространения сигнала = 5 нс/м. Из четырех витых пар для передачи данных используются две.

6 категория: полоса пропускания 200 МГц, возможно экранирование пар проводов.

7 категория: полоса пропускания 600 МГц, экранирована каждая витая пара и сам кабель.

6 и 7 категории используются редко, т.к. в этом случае лучше использовать оптоволокно.

Все эти кабели описаны в стандарте ISO 1180i.

Еще существует стандарт IBM на экранированные кабели (STP – shielded twisted pair)/ Эти кабели делятся на 9 типов – от TYPE 1 до TYPE 9.

TYPE 1: две витые пары, каждая экранирована – по частотным свойствам примерно 5 категория, но волновое сопротивление 150 Ом.

Ограничения на реализацию

Сеть стандарта 10BASE T имеет следующие ограничения на реализацию:

1) Среда передачи - неэкранированный кабель на основе витой пары (UTP - Unshielded Twisted Pair) категории 3 и выше. При этом задействуются 2 пары - одна на прием, вторая на передачу. Предельная полоса пропускания 16 Мгц, волновое сопротивление 110 Ом, шаг скрутки 1 виток на 10 см. Кабель широко используется за рубежом для передачи внутри коммерческих зданий.

2) Физическая топология «звезда». Это базовая топология компьютерной сети, в которой все компьютеры сети присоединены к центральному узлу (сетевой концентратор – хаб). В отличие от предыдущих систем, хаб отвечает за обнаружение коллизий. Если одновременно задействовано более одного порта хаба по приему информации, хаб выдает во все выходные формирователи сигнал-пробку. Отправителям нужно подождать случайный промежуток времени, чтобы возобновить передачу. Для обеспечения синхронизации станций при реализации процедур доступа CSMA/CD и надежного распознавания станциями коллизий в стандарте определено максимальное число концентраторов между любыми двумя станциями сети, а именно 4.

3) Длина кабеля между станцией и концентратором не более 100 м. Это расстояние определяется полосой пропускания витой пары – на длине 100 м она позволяет передавать данные со скоростью 10 Мбит/с при использовании манчестерского кода.

4) Максимальный диаметр сети не более 500 метров. Максимальная длина сети в 500 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 4 повторителей, то максимальный диаметр сети 10Base-T составляет 5 х 100 = 500 м.

5) Количество станций в сети не более 1024. Общее количество станций в сети 10Base-T не должно превышать общего предела 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 с общим количеством портов 1024. Конечные узлы нужно подключить к портам концентраторов нижнего уровня. Правило 4 хабов при этом выполняется – между любыми конечными узлами будет ровно три концентратора.