Способы организации и передачи данных в сети интернет

• волоконно-оптический многомодовый кабель, в котором используются два волокна;
• витая пара категории 5, в которой используются две пары;
• витая пара категории 3, в которой используются четыре пары.

Коаксиальный кабель, давший миру первую сеть Ethernet, в число разрешенных  сред передачи данных новой технологии Fast Ethernet не попал. Это общая тенденция  многих новых технологий, поскольку  на небольших расстояниях витая пара позволяет передавать данные с той же скоростью, что и коаксиальный кабель, но сеть получается более дешевой и удобной в эксплуатации. На больших расстояниях оптическое волокно обладает гораздо более широкой полосой пропускания, чем коаксиальный кабель, а стоимость сети получается ненамного выше. Отказ от коаксиального кабеля привел к тому, что сети Fast Ethernet всегда имеют иерархическую древовидную структуру, построенную на концентраторах.

 

Основным отличием конфигураций сетей Fast Ethernet является сокращение диаметра сети примерно до 200 м, что объясняется  уменьшением времени передачи кадра  минимальной длины в 10 раз за счет увеличения скорости передачи в 10 раз  по сравнению с 10-мегабитным Ethernet. Тем  не менее, это обстоятельство не очень препятствует построению крупных сетей на технологии Fast Ethernet. Дело в том, что середина 1990-х годов отмечена не только широким распространением недорогих высокоскоростных технологий, но и бурным развитием локальных сетей на основе коммутаторов. При использовании коммутаторов протокол Fast Ethernet может работать в полнодуплексном режиме, в котором нет ограничений на общую длину сети, а остаются только ограничения на длину физических сегментов, соединяющих соседние устройства (адаптер − коммутатор или коммутатор - коммутатор). Поэтому при создании магистралей локальных сетей большой протяженности технология Fast Ethernet также активно

применяется, но только в  полнодуплексном варианте, совместно  с коммутаторами.

 

Стандарты Fast Ethernet:

• 100BASE-T — общий термин для обозначения стандартов, использующих в качестве среды передачи данных витую пару. Длина сегмента до 100 метров. Включает в себя стандарты 100BASE-TX, 100BASE-T4 и 100BASE-T2.
• 100BASE-TX, IEEE 802.3u — развитие стандарта 10BASE-T для использования в сетях топологии «звезда». Задействована витая пара категории 5, фактически используются только две неэкранированные пары проводников, поддерживается дуплексная передача данных, расстояние до 100 м.
• 100BASE-T4 — стандарт, использующий витую пару категории 3. Задействованы все четыре пары проводников, передача данных идёт в полудуплексе. Практически не используется.
• 100BASE-T2 — стандарт, использующий витую пару категории 3. Задействованы только две пары проводников. Поддерживается полный дуплекс, когда сигналы распространяются в противоположных направлениях по каждой паре. Скорость передачи в одном направлении — 50 Мбит/с. Практически не используется.
• 100BASE-SX — стандарт, использующий одномодовое волокно. Максимальная длина сегмента 400 метров в полудуплексе (для гарантированного обнаружения коллизий) или 2 километра в полном дуплексе.
• 100BASE-FX — стандарт, использующий многомодовое волокно. Максимальная длина ограничена только величиной затухания в оптическом кабеле и мощностью передатчиков, по разным материалам от 2х до 10 километров.
• 100BASE-FX WDM — стандарт, использующий одномодовое волокно. Максимальная длина ограничена только величиной затухания в волоконно-оптическом кабеле и мощностью передатчиков. Интерфейсы бывают двух видов, отличаются длиной волны передатчика и маркируются либо цифрами (длина волны) либо одной латинской буквой A(1310) или B(1550). В паре могут работать только парные интерфейсы: с одной стороны передатчик на 1310 нм, а с другой — на 1550 нм.

 

 

5.   Технология Gigabit и её стандарты

 

Достаточно быстро после  появления на рынке продуктов Fast Ethernet сетевые интеграторы и администраторы почувствовали определенные ограничения  при построении корпоративных сетей. Во многих случаях серверы, подключенные к 100-мегабитному каналу, перегружали  магистрали сетей, работающие также  на скорости 100 Мбит/с – магистрали FDDI и Fast Ethernet. Ощущалась потребность  в следующем уровне иерархии скоростей.

 

Летом 1996 года было объявлено  о создании группы 802.3z для разработки протокола, максимально подобного Ethernet, но с битовой скоростью 1000 Мбит/с. Как и в случае Fast Ethernet, сообщение было воспринято сторонниками Ethernet с большим энтузиазмом.

 

Основной причиной энтузиазма была перспектива такого же плавного перевода магистралей сетей на Gigabit Ethernet, как были переведены на Fast Ethernet перегруженные сегменты Ethernet, расположенные на нижних уровня иерархии сети. К тому же опыт передачи данных на гигабитных скоростях уже имелся как в территориальных сетях (технология SDH), так и в локальных.

 

Gigabit Ethernet, так же как  и его менее скоростные собратья, на уровне протокола не будет  поддерживать:

• качество обслуживания;
• избыточные связи;
• тестирование работоспособности узлов и оборудования.

Почему же авторы Gigabit Ethernet отказываются от них? По поводу качества обслуживания коротко можно ответить так: «сила есть – ума не надо». Если магистраль сети будет работать со скоростью, в 20 000 раз превышающей среднюю скорость сетевой активности клиентского компьютера и в 100 раз превышающей среднюю сетевую активность сервера с сетевым адаптером 100 Мбит/с, то о задержках пакетов на магистрали во многих случаях можно не заботиться вообще. При небольшом коэффициенте загрузки магистрали 1000 Мбит/с очереди в коммутаторах Gigabit Ethernet будут небольшими, а время буферизации и коммутации на такой скорости составляет единицы и даже доли микросекунд.

 

Ну а если все же магистраль загрузится на достаточную величину, то приоритет чувствительному к  задержкам или требовательному  к средней скорости трафику можно  предоставить с помощью техники  приоритетов в коммутаторах.

 

Стандарты Gigabit Ethernet:

• 1000BASE-T, IEEE 802.3ab — стандарт, использующий витую пару категорий 5e. В передаче данных участвуют 4 пары. Скорость передачи данных — 250 Мбит/с по одной паре. Используется метод кодирования PAM5, частота основной гармоники 62,5 МГц. Расстояние до 100 метров
• 1000BASE-TX был создан Ассоциацией Телекоммуникационной Промышленности (англ. Telecommunications Industry Association, TIA) и опубликован в марте 2001 года как «Спецификация физического уровня дуплексного Ethernet 1000 Мб/с (1000BASE-TX) симметричных кабельных систем категории 6 (ANSI/TIA/EIA-854-2001)» (англ. «A Full Duplex Ethernet Specification for 1000 Mbis/s (1000BASE-TX) Operating Over Category 6 Balanced Twisted-Pair Cabling (ANSI/TIA/EIA-854-2001)»). Стандарт, использует раздельную приёмо-передачу (по одной паре в каждом направлении), что существенно упрощает конструкцию приёмопередающих устройств. Ещё одним существенным отличием 1000BASE-TX является отсутствие схемы цифровой компенсации наводок и возвратных помех, в результате чего сложность, уровень энергопотребления и цена процессоров становится ниже, чем у процессоров стандарта 1000BASE-T. Но, как следствие, для стабильной работы по такой технологии требуется кабельная система высокого качества, поэтому 1000BASE-TX может использовать только кабель 6 категории. На основе данного стандарта практически не было создано продуктов, хотя 1000BASE-TX использует более простой протокол, чем стандарт 1000BASE-T, и поэтому может использовать более простую электронику.
• 1000BASE-X — общий термин для обозначения стандартов со сменными приёмопередатчиками GBIC или SFP.
• 1000BASE-SX, IEEE 802.3z — стандарт, использующий многомодовое волокно. Дальность прохождения сигнала без повторителя до 550 метров.
• 1000BASE-LX, IEEE 802.3z — стандарт, использующий одномодовое волокно. Дальность прохождения сигнала без повторителя до 5 километров
• 1000BASE-CX — стандарт для коротких расстояний (до 25 метров), использующий твинаксиальный кабель с волновым сопротивлением 75 Ом (каждый из двух волноводов). Заменён стандартом 1000BASE-T и сейчас не используется.
• 1000BASE-LH (Long Haul) — стандарт, использующий одномодовое волокно. Дальность прохождения сигнала без повторителя до 100 километров.

 

 

 

6.   Коммутируемый Ehternet

 

В основе коммутируемого Ethernet лежит применение более интеллектуальных устройств – коммутаторов. Коммутатор – это многопортовое устройство, к портам которого подключаются либо отдельные станции, либо целые сегменты сети, составляющие домены коллизий. Порты  коммутатора передают пакеты друг другу  на основании таблиц, причем пакеты, предназначенные для передачи в  одном сегменте, на другие порты  не передаются. Это значительно повышает скорость передачи пакетов в сети, так как снижается вероятность  появления коллизий.

 

Очень распространена технология ЛВС на коммутаторах, когда к каждому  порту коммутатора подключен  один компьютер. В этом случае вероятность  появления коллизий снижается еще  больше, но до конца не исчезает. Дело в том, что в полудуплексном режиме передатчики сетевой карты компьютера и порты коммутатора могут  включаться независимо друг от друга  и создавать общую нагрузку в  одной линии. Тем не менее, такой режим работы позволяет обеспечить скорость передачи 7440 пакетов в секунду при минимальной длине пакета.

 

Наибольшая скорость передачи реализуется в полнодуплексном  режиме передачи (fullduplex), когда передатчики  и приемники сетевой карты  и порта коммутатора попарно  соединены между собой двумя  независимыми линиями передачи. В  этом случае коллизии отсутствуют (метод CSMA/CD практически не реализуется). Полудуплексный режим работы ЛВС на коммутаторах очень распространен в настоящее  время.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.  Организация сети Ethernet

1. Топология сети Ethernet

Под топологией (компоновкой, конфигурацией, структурой) компьютерной сети обычно понимается физическое расположение компьютеров в сети относительно друг друга и способ соединения их линиями связи.  Топология определяет требования к оборудованию, тип используемого кабеля, возможные и наиболее удобные методы управления обменом, возможность расширения сети, характер связи (а именно – степень отказоустойчивости сети, наиболее подходящий метод направления обменом, необходимость электрического согласования и другое). В сети Ethernet, в основном,  используется топология пассивной звезды или пассивного дерева – в центре сети помещается не компьютер, а концентратор (хаб), выполняющий следующие функции – он восстанавливает приходящие сигналы и пересылает их в другие линии связи. Эта топология представляет ряд дополнительных возможностей. Например, все точки подключения связаны в одном месте – это позволяет легко контролировать работу сети, локализовать неисправности путем простого отключения от центра тех или иных абонентов, а также ограничивать доступ лиц к жизненно важным для сети точкам подключения.

 

Рис 3.1.1. –Топология «пассивное дерево»

 

 

 

Рис 3.1.2. – Топология «пассивная звезда»

 

Несмотря на то, что теоретически возможно подключение к одному кабелю (сегменту) витой пары более чем  двух устройств, работающих в симплексном  режиме, такая схема никогда не применяется для Ethernet, в отличие  от работы с коаксиальным кабелем. Поэтому, все сети на витой паре используют топологию «звезда», в то время как, сети на коаксиальном кабеле построены на топологии «шина». Терминаторы для работы по витой паре встроены в каждое устройство, и применять дополнительные внешние терминаторы в линии не нужно.

B текущий момент времени в сети Ethernet может передавать только одна станция – остальные, прослушивая текущую передачу, ждут ее окончания.

Перед началом передачи станция выдерживает определенный интервал времени, а только затем начинает передавать, одновременно прослушивая среду на предмет возникновения конкурирующей передачи, возникшей одновременно с текущей. Если посторонняя передача обнаружена, то станция прекращает передачу на некоторое случайное время (аналогично поступают и другие станции, притом даже не участвовавшие в данном конфликте), а затем делает попытку повторной передачи. Сети Ethernet обладают очень полезным свойством – широковещательностью, которая очень часто используется протоколами верхних уровней в служебных целях.

 

Рис 3.1.3 – Общая схема функционирования сети Ethernet

 

 

В сетях Ethernet нет отдельных  линий связи для передачи сигналов синхронизации между передатчиком и приемником, т.е. синхронизация осуществляется за счет выделения приемником синхросигнала непосредственно из принимаемой битовой последовательности. Такой метод синхронизации носит название «в основной полосе» (in band), и он предъявляет некоторые требования к методу линейного кодирования.

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Спецификация физических сред

Исторически первые сети технологии 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 теми же для любой спецификации физической среды технологии Ethernet 10 Мбит/с.

 

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

• 10Base-T. Эта разновидность Ethernet получила наибольшее распространение. Буква «Т» в названии означает, что средой передачи является неэкранированная витая пара (Unshielded Twisted Pair, UTP).

 

Спецификация предусматривает  использование концентратора для  подключения пользователей по топологии  «звезда». Применение дешевых кабелей UTP является одним из основных преимуществ 10Ваsе-Т. Подключение узлов к сети осуществляется с помощью телефонных гнезд RJ-45 и RJ-11 и четырехпарного телефонного  кабеля UTP. Вилка RJ-45 вставляется напрямую в сетевую плату. Протяженность отрезка кабеля от концентратора до станции не должна превышать 100 м (в случае UTP категории 3) или 150 м (в случае UTP категории 5).

 

• 10Base-F. Эта спецификация использует в качестве среды передачи оптоволоконный кабель. Применение оптоволоконной технологии приводит к высокой стоимости комплектующих материалов. Однако нечувствительность к электромагнитным помехам позволяет использовать спецификацию в особо ответственных случаях и для связи далеко расположенных друг от друга объектов.

 

Каждая из разновидностей Ethernet предусматривает те или иные ограничения на протяженность сегмента кабеля. Для создания более протяженной сети несколько кабелей могут соединяться с помощью повторителей. Повторитель представляет собой устройство физического уровня. Он принимает, усиливает и передает сигнал дальше. С точки зрения программного обеспечения, последовательность кабельных сегментов, связанных повторителями, ничем не отличается от единого кабеля. Сеть может содержать несколько сегментов кабеля и несколько повторителей. Однако каждая спецификация накладывает ограничения на протяженность сегмента кабеля и на количество сегментов в сети.

 

В технологии Ethernet, независимо от применяемого стандарта физического уровня, существует понятие домена коллизий. Домен коллизий (collision domain) – это часть сети Ethernet, все узлы которой распознают коллизию независимо от того, в какой части этой сети коллизия возникла. Сеть Ethernet, построенная на повторителях, всегда образует один домен коллизий. Домен коллизий соответствует одной разделяемой среде. Мосты, коммутаторы и маршрутизаторы делят сеть Ethernet на несколько доменов коллизий. Приведенная на рис. 3.2.1 сеть представляет собой один домен коллизий. Если, например, столкновение кадров произошло в концентраторе 4, то в соответствии с логикой работы концентраторов 10Base-T сигнал коллизии распространится по всем портам всех концентраторов. Если же вместо концентратора 3 поставить в сеть мост, то его порт

C, связанный с концентратором 4, воспримет сигнал коллизии, но не передаст его на свои остальные порты, так как это не входит в его обязанности. Он отдаст его на свои остальные порты, так как это не входит в его обязанности.

 

Мост просто отработает ситуацию коллизии средствами порта «С», который подключен к общей среде, где эта коллизия возникла. Если коллизия возникла из-за того, что мост пытался передать через порт C кадр в концентратор 4, то, зафиксировав сигнал коллизии, порт «C» приостановит передачу кадра и попытается передать его повторно через случайный интервал времени. Если порт «C» принимал в момент возникновения коллизии кадр, то он просто отбросит полученное начало кадра и будет ожидать,