6805

Пасивне мережеве обладнання

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Мета роботи: дослідити принципи побудови та функціонування мереж типу Ethernet. Теоретична частина Загальні відомості. Ethernet був започаткований у 1970 році (Dr. Robert M. Metcalfe) в дослідницькому центрі фірми Xerox. Перша система Ethernet...

Украинкский

2013-01-08

109 KB

15 чел.

Мета роботи: дослідити принципи побудови та функціонування мереж типу Ethernet.

Теоретична частина

  1.  Загальні відомості.

Ethernet був започаткований у 1970 році (Dr. Robert M. Metcalfe) в дослідницькому центрі фірми Xerox. Перша система Ethernet працювала із швидкістю 3 Мб/с і була відома під назвою “експериментальний Ethernet”. Формальна специфікація для Ethernet була опублікована в 1980 році консорціумом DIX, утвореним фірмами DEC, Intel і Xerox; ця система вже працювала із швидкістю 10 Мб/с. На початку 80-х років DIX запропонував IEEE стандарт Ethernet, який став моделлю сьогоднішнього стандарту IEEE 802.3. Після 1985 року до нього були введені специфікації нових середовищ для 10 Мб/с Ethernet; наприклад, скручені пари провідників, а останньою - специфікації для 100 Мб/с Fast Ethernet. На сьогодні стандарт IEEE 802.3 описує всі мережі, базовані на Ethernet, із швидкостями 10, 100 і 1000 Мб/с. Це означає, що вони придатні до простого з'єднання одна з одною, бо належать до однієї спільноти. Для сполучення двох різних мереж Ethernet 10 Мб/с між ними достатньо ввімкнути повторювач з відповідними інтерфейсами; те ж саме справедливе для двох мереж 100 Мб/с із різними стандартами. Однак для з'єднання мереж 10 Мб/с і 100Мб/с потрібний міст. Відмінності між різними стандартами для 10 Мб/с зосереджені на Рівні 1 еталонної моделі OSI, тоді як різниці між мережами 10 Мб/с і 100 Мб/с локалізовані на підрівні MAC Рівня 2 цієї моделі.

Протокол доступу до середовища CSMA/CD і формат рамки Ethernet ідентичні для всіх варіантів середовищ (кабельних систем) Ethernet, однак, варіанти мереж Ethernet для швидкостей передавання 10 Мб/с і 100 Мб/с застосовують відмінні кабельні системи, різні компоненти і мають різні правила конфігурування. Оригінальний Ethernet працює із швидкістю 10 Мб/с і використовує чотири основні типи середовищ, визначені стандартами і описані нижче.

Згідно із стандартами IEEE згадані чотири типи середовищ позначаються відповідними ідентифікаторами. Стандартний ідентифікатор складається із трьох частин. Перша частина містить число “10”, яке вказує, що швидкість передавання даних становить 10 Мб/с. Друга частина - слово “Base” - означає “основна смуга частот” (baseband), тобто вказує вид сигналів (не модульовані) , які передаються через середовище. Третя частина позначає тип сегменту мережі або його довжину (заокруглене значення). Для товстого коаксіального кабеля (Thick Coax) цифра “5” означає максимальну можливу довжину окремого сегменту мережі, яка становить 500 м, для тонкого коаксіалу (Thin Coax) цифра “2” означає максимальну довжину окремого сегменту 185 м, заокруглену до сотень метрів (тобто до 200 м). Літери “T” або “F” відповідно позначають тип кабеля “скручена пара” (Twisted pair - T) або “оптоволоконний” (Fiber optic - F).

У порівнянні з специфікаціями Ethernet 10 Мб/с, система Ethernet 100 Мб/с (Fast Ethernet - швидкий Езернет) має у десять разів коротшу тривалість бітів, тобто 10-кратно менші витрати часу на передавання бітів через канали Ethernet або швидкість передавання, більшу у 10 разів. Однак формат рамок, кількість даних в рамці та управління доступом до середовища залишені без змін. Специфікації Fast Ethernet включають механізм автоузгодження (Auto-Negotiation) щодо швидкості передавання даних в середовищах. Це дає виробникам можливість забезпечити двошвидкісний інтерфейс, який дозволяє автоматично використовувати будь-яку з вказаних систем - із швидкістю 10 Мб/с або 100 Мб/с.

Ідентифікатори середовищ згідно із стандартом IEEE складаються із трьох частин. Цифра “100” означає швидкість передавання даних, рівну 100 Мб/с. Слово “Base” означає застосування основної смуги частот сигналу. Третя частина визначає вид середовища: “Т4” - кабель типу “скручена пара” телефонної якості (категорія 3), “TX” - кабель типу “скручена пара” для передавання даних (категорія 5), “FX” - оптоволоконний кабель із використанням двох оптичних волокон для передавання даних. Середовища TX і FX разом позначають як 100Base-X.

Характеристики мереж Ethernet представлені у зведених таблицях 1.1 та 1.2.

Вита пара" є симетричним кабелем і має в своїй основі пару абсолютно однакових провідників, скручених між собою. В залежності від кроку скрутки, ці кабелі поділяються на категорії. При малому кроці скрутки кабель набуває додаткових властивостей : різко зростає завадостійкість, і він може обслуговувати високошвидкісні з'єднання  (до 155 Мбіт/с). Таким кабелям була присвоєна 5-а категорія. У вітчизняній літературі "неекранована вита пара" або UTP відповідає симетричним кабелям із скруткою подвійною зіркою. Цей кабель представляє собою чотири виті пари, які скручені разом методом зірки, тим самим утворюючи вісімку. Неекранована вита пара знайшла широке використання при підключенні абонентів до АТС та в ЛКМ. Недорога, зручна та проста в експлуатації кабельна система на основі UTP завоювала світ. Саме дослідження таких кабелів для передавання високошвидкісних потоків інформації є найпоширенішим у світі. Можливість передавання інформації на швидкостях до 155Мбіт/с (і навіть до 1 Гбіт/с) є одним з найважливіших нещодавніх досягнень.

Коаксіальні кабелі, на відміну від симетричних кабелів (UTP та STP) - несиметричні. Один провідник (центральна жила) розміщується в середині іншого (сплетіння тонких провідників або трубка). Головною перевагою коаксіального кабелю є висока завадостійкість, що зростає із ростом частоти  сигналів, які передаються.  Це пояснюється тим, що центральна жила такого кабелю знаходиться в оточенні діелектрика, а обгортка відіграє для неї роль екрана. Ось чому, коаксіальний кабель може працювати в області високих частот, та по ньому можна передавати в десятки більше інформації, ніж по симетричних кабелях. Коаксіальні кабелі також використовуються в мережах кабельного телебачення, в антено-фідерних трактах апаратури телебачення та радіозв’язку. На жаль, коаксіальні кабелі також є досить дорогими для побудови структурованих кабельних систем. Радіус згину є досить великим, до того ж, виникає ряд проблем, пов’язаних із під’єднанням до таких кабелів, вирішення яких веде до значного зростання загальної вартості системи.

Широкосмуговий коаксіальний кабель захищений від завад, легко нарощується, але ціна його висока. Швидкість передачі інформації рівна 500 Мбіт/с. При передачі інформації в базовій смузі частот на відстань більше 1,5 км потрібний підсилювач, або репітер (повторювач). Тому сумарна відстань при передачі інформації збільшується до 10 км. Для комп’ютерних мереж з топологією шина або дерево коаксіальний кабель повинен мати на кінці узгоджуючий резистор (термінатор).

Ethernet-кабель також є коаксіальним кабелем з хвильовим опором 50 Ом. Його називають ще товстий Ethernet (thick) або жовтий кабель (yellow cable). Він використовує 15-контактне стандартне підключення. Внаслідок завадозахищеності є дорогою альтернативою звичайним коаксіальним кабелям. Максимальна доступна відстань без повторювача не перевищує 500 м, а загальна відстань мережі Ethernet - біля 3000  м. Ethernet-кабель, завдяки своїй магістральній топології, використовує в кінці лише один резистор навантаження.

Оптоволоконний кабель представляє собою двошарове скляне волокно, по якому передаються світлові імпульси, що утворюються при модуляції джерела когерентного випромінювання (лазера або світлодіода). Список переваг оптоволоконнних кабелів є досить великий. Серед них висока завадостійкість, що дозволяє їх використання в умовах сильних електромагнітних випромінюванях. Використання світлової енергії забезпечує високий захист інформації та надійну електромагнітну сумісність. В конструкції кабелів майже повністю відсутні дорогі кольорові та дорогоцінні метали (мідь, срібло, тощо). Затухання сигналу в оптичних кабелях значно менше, ніж в електричних, тому значно скорочується кількість регенераторів, що відновлюють передаючий сигнал. Їх можна встановлювати не частіше, ніж через 70-100 км (В традиційних системах передавання регенератори необхідно було встановлювати через кожні 3-5 км). Запровадження оптоволоконних кабелів обмежується в першу чергу такими факторами, як значна працеємність їх монтажу, високі ціни на обладнання для зварки волокон та вимірювальне обладнання. В основному оптоволоконні кабелі знаходять своє використання у побудові магістральних ліній зв’язку.

Порівняльні показники трьох типових середовищ передачі даних приведені у таблиці 2. 

Таблиця 1.1

Загальний огляд мереж Ethernet зі швидкістю 10 Мбіт/с

10Base-5

10Base-2

10Base-Т

10Base-F

Специфікація IEEE

802.3e

802.3

802.3

802.3j

Максимальна швидкість

10 Мб/с

10 Мб/с

10 Мб/с

10 Мб/с

Кабелі

Стандартний коаксіальний        кабель  Ethernet

RG-58

UTP Категорії 3, 4, 5

Контакти 1&2, 3&6

50, 62.5 або 100 мкм
(найпоширеніший 62.5 мкм)

З'єднувачі

Тип N

BNC

RJ-45

подвійний ST або подвійний SMA

Навантаження (термінатори)

50 Ом

50 Ом

-

-

Максимальна довжина сегменту

500 м

185 м

100 м

до 2 км

Максимальна кількість зєднань у сегменті

100

30

2

2

Мінімальна відстань між відгалуженнями

2.5 м

0.5 м

-

-

Максимальна довжина кабеля трансівера

50 м

-

-

-

Максимальна кількість повторювачів

4

4

4

4

Топологія

Шина

Шина

Зірка

Зірка

Таблиця 1.2.

Загальний огляд мереж Ethernet зі швидкістю 100 Мбіт/с

100Base-TX

100Base-FX

100Base-Т4

Специфіфкація IEEE

802.3u

802.3u

802.3u

Максимальна швидкість

100 Мб/с

100 Мб/с

100 Мб/с

Кабелі

UTP Категорії 5

Оптоволоконні

UTP Категорії 3 або кращий

З'єднувачі

RJ-45

Різні

RJ-45

Використані контакти

1&2, 3&6

-

1&2, 3&6, 4&5, 7&8

Максимальна довжина сегменту

100 м

2000 м

100 м

Максимальна кількість під'єднань у сегменті

2

2

2

Максимальна кількість повторювачів

2

2

2

Топологія

Зірка

Зірка

Зірка

Таблиця 2

Показники трьох типових середовищ передачі даних

Показники

Середовище передачі даних

Кабель - вита пара

Коаксіальний кабель

Оптичний кабель

Ціна

Невисока

Відносно висока

Висока

Нарощування

Дуже просте

Проблематичне

Просте

Захист від прослуховування

Незначний

Добрий

Високий

Проблеми з заземленням

Немає

Можливі

Немає

Чутливість до завад

Існує

Існує

Відсутня

  1.   Елементи системи Ethernet.

Систему Ethernet складають три основні елементи:

  •  фізичне середовище, яке застосоване для переносу сигналів Ethernet між комп’ютерами;
  •  рамка (пакет) Ethernet, яка складається із стандартизованої системи бітів, використаної для переносу даних через систему;
  •  правила доступу до середовища, вбудовані в кожний інтерфейс Ethernet, що дозволяє багатьом комп’ютерам коректно здобувати доступ до спільних каналів Ethernet.

Локальні мережі Ethernet використовують широкомовну мережеву топологію, тобто сигнал, який передається довільною станцією, досягає до всіх інших станцій в мережі. Щоб вислати дані, станція спочатку прослухує канал, і коли канал простоює, станція висилає свої дані, упаковані у вигляді рамки або пакету Ethernet.

Після передавання кожної рамки, всі станції в мережі мусять змагатися за нагоду передати наступну рамку. Цим досягається коректність доступу до мережевого зв'язкового каналу, завдяки чому жодна станція не може блокувати інші станції. Доступ до спільного каналу визначений механізмом управління доступом до середовища (Medium Access Control - MAC), вбудованим в інтерфейс Ethernet, розміщений у кожній станції. Механізм управління доступом до середовища оснований на системі, яка називається множинний доступ з розпізнаванням носія і виявленням колізій (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection - CSMA/CD).

Кожна станція в мережі має унікальну адресу. Повідомлення може бути адресоване таким чином:

  •  Адресація конкретній станції - повідомлення адресується тільки одній станції в мережі.
  •  Багатоадресна адресація -  повідомлення адресується групі станцій через зв’язок їх унікальних адрес з логічним ім’ям (наприклад, файлові сервери, принт-сервери).
  •  Широкомовна адресація - повідомлення адресується всім станціям.
  1.  Адреси і рамки Ethernet.

Основою системи Ethernet є пакет або рамка Ethernet, яка застосовується для передачі даних між комп’ютерами. Рамка складається із системи бітів, організованих в окремі поля. Загальний вигляд типової рамки Ethernet показаний на рис. 1.

Перші два поля в рамці переносять 48-бітові (8-октетні) адреси, які називають адресою призначення та адресою джерела. IEEE керує призначенням цих адрес шляхом адміністрування порцією адресного поля. Ця 48-бітова адреса відома як фізична адреса, адреса обладнання або MAC-адреса.

Границі байтів (октетів)   

1

2

3

4

5

6

7

8

Преамбула/початковий обмежувач рамки (8)

Адреса призначення (6)

Адреса джерела (6)

Поле рамки

14

Тип рамки (2)

Дані

(46...1500)

.

.

.

Поле даних

46...
1500

Доповнення( якщо потрібно)

Контрольна послідовність (4)

Поле рамки

4  

Повна довжина рамки

64...
1518
байт

Рис. 1. Рамка в стандарті Ethernet II.

  1.  Протокол CSMA/CD.

Протоколи, в яких станції прослуховують носія (тобто розпізнають наявність передавання) і діють відповідно до його присутності або відсутності, називають протоколами з розпізнаванням носія. Це означає, що принципово можна розрізнити сигнали для логічних "1", "0" і відсутність сигналів у каналі зв'язку. В термінології Ethernet, будь-який інтерфейс мусить очікувати до моменту, коли в каналі немає сигналу, і тільки тоді починати передавання. Якщо в цей час передає інший інтерфейс, то в каналі буде наявний сигнал, який називають носієм. Всі інші інтерфейси мусять чекати, доки наявність носія припиниться, перш ніж пробувати передавати, і цей процес називають розпізнаванням носія. 

Всі інтерфейси Ethernet рівні у своїй можливості вислати пакет у мережу, тобто жоден не має вищого пріоритету. Це називають множинним доступом.

Оскільки сигнал потребує певного часу, щоб переміститися з одного кінця мережі до іншого, то перший біт переданого пакету не осягає всіх частин мережі одночасно. Отже, можливо, що два інтерфейси, прослуховуючи мережу, встановлюють, що вона простоює і одночасно починають передавання своїх пакетів. Якщо це остається , то система Ethernet має шлях для виявлення колізії, зупинки передавання і повторного передавання пакетів. Це називають виявленням колізії. При виявленні колізії кожна із станцій повинна негайно припинити передавання, перш ніж завершиться висилання їх рамок. Негайне припинення висилання фрагментів рамок зберігає час та ширину смуги.

  1.  Продуктивність мережі з протоколом CSMA/CD.

Оцінимо продуктивність мережі 802.3, яка використовує протокол CSMA/CD. Приймемо високе і постійне навантаження на мережу, коли багато станцій постійно готові до передавання.

Рис. 2. Ефективність каналу в залежності від кількості станцій при різних довжинах рамок.

На рис. 2. показані результати розрахунку ефективності каналу для смуги 10 Мб/с.

Чим більша кількість вузлів і чим більша кількість фізичних сегментів, з'єднаних через повторювачі, тим більша ймовірність виникнення колізії.

Внаслідок цього продуктивність мереж Ethernet швидко спадає більш ніж на 40% від смуги пропускання 10 Мб/с, тобто на понад 4 Мб/с для мереж з номінальною швидкістю 10 Мб/с і на більш ніж на 40 Мб/с для номіналу 100 Мб/с. Максимальна продуктивність в дійсності не перевищує 6 Мб/c або 60 Мб/c відповідно.


Порядок виконання роботи

  1.  Запустіть програму-практикум.
  2.  Ознайомтеся з правилами функціонування програми-практикуму в розділі “Про програму”.
  3.  Зайдіть в розділ “Мережі Ethernet.
  4.  Запустіть анімаційні фільми, використовуючи кнопки тематичних підрозділів. Паралельно ознайомтеся з теоретичним матеріалом у текстовому вікні.
  5.  Дайте відповіді на тестові запитання в розділі “Завдання”  та на контрольні запитання в методичних вказівках.
  6.  Намалювати план-схему структурованої кабельної системи частини корпусу, вказаної викладачем.

Контрольні питання.

  1.  Які основні  типи передавальних  середовищ використовує стандарт Ethernet зі швидкістю 10 МБіт/с? 100 Мбіт/с?
  2.  Розшифруйте ідентифікатори: 10 BASE T, 10 BASE 2, 100 BASE TX, 100 BASE F.
  3.  Які основні елементи складають систему Ethernet?
  4.  Яка повна довжина рамки Ethernet? Скільки октетів складають адреса призначення та адреса відправника? Що собою представляють ці адреси?
  5.  Що таке протокол CSMA/CD? Опишіть загальний принцип роботи протоколу.
  6.  Як впливатиме на продуктивність мережі та на кількість колізій збільшення кількості робочих станцій? Збільшення довжини сегменту при стабільному числі станцій? Чому?

Список літератури.

  1.  Буров Є. Комп’ютерні мережі. Львів БаК, 1999р.-468с.
  2.  М. Павликевич. Телекомунікаційні мережі. Лекції для студентів спеціальності "Інформаційні мережі зв'язку, 2001.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

78998. Проблема генезиса научного знания и плюрализма историко-научных концепций. Интернализм и экстернализм в анализе факторов развития науки 15.95 KB
  Интернализм и экстернализм в анализе факторов развития науки. Средоточием научных знаний является философия и ее предмет неотделим от философии науки и от естественных наук вообще. В истории формирования и развития науки можно выделить две стадии которые соответствуют двум различным методам построения знаний и двум формам прогнозирования результатов деятельности. создавших принципиально новое по сравнению с античностью и средневековьем понимание мира и началась классическая наука ознаменовавшая генезис науки как таковой как целостного...
78999. Позитивистская традиция философии науки: эволюция основных подходов и концепций. Критический рационализм и перспективы его развития 17.51 KB
  Позитивистская традиция философии науки: эволюция основных подходов и концепций. и был ориентирован на развитие науки. Позитивисты видели роль философии в развитии науки исследования закономерностей языка науки. Позитивизм – наиболее широко распространенное течение западной философии второй половины XIXXX веков утверждающее что источником подлинного положительного позитивного знания могут быть лишь отдельные конкретные эмпирические науки и их синтетические объединения а философия как особая наука не может претендовать на...
79000. Философские аспекты обоснования научного знания. Проблемы формализации и математизации научных теорий: история и современность 39.5 KB
  Научное знание выраженное в рамках соответствующей теории позволяет человеку: предвидеть наступление соответствующих событий совершаемых в природе или обществе и тем самым предсказать ход их дальнейшего развития и изменить эту объективную действительность посредством человеческой деятельности в соответствии с полученными научными знаниями и тем самым подчинить эту действительность...
79001. Типология научных проблем, их философско-методологический анализ. Генезис научной проблемы и пути её разрешения 15.5 KB
  Проблема форма теоретического знания содержанием которой является то что еще не познано человеком но что нужно познать. Проблема – это процесс включающий 2 момента – постановку и решение. Однако этим процедурам всегда предшествует вопрос или проблема. Для успешного решения научной проблемы Поппер формулирует 2 основных условия: Ясное четкое формулирование Критическое исследование различных ее решений Тем самым научная проблема выражается в наличии противоречивой ситуации которая требует разрешения.
79002. Теоретический уровень науки. Генезис научной теории, её внутренняя организация. Математический аппарат и его интерпретация 58.5 KB
  Генезис научной теории её внутренняя организация. Выделяют следующие основные элементы структуры теории: 1 Исходные основания фундаментальные понятия принципы законы уравнения аксиомы и т. 3 Логика теории совокупность определенных правил и способов доказательства нацеленных на прояснение структуры и изменения знания. 5 Совокупность законов и утверждений выведенных в качестве следствий из основоположений данной теории в соответствии с конкретными принципами.
79004. Неклассическая модель научного знания. Философский и общенаучный смысл теории относительности. Парадоксы неклассической науки 36.5 KB
  Философский и общенаучный смысл теории относительности. Эти события привели к кризису ньютоновской парадигмы классической физической теории господствовавшей в XVII первой половине XIX в. Кризис разрешился революцией в физике породившей: теорию относительности частную или специальную – СТО и общую ОТО; квантовую механику нерелятивистскую и релятивистскую квантовую теорию поля; Эти теории ознаменовали переход от классической к неклассической науке. Создание теории относительности.
79005. Постнеклассическая наука, её ценностно-целевые ориентиры. Парадигма нелинейного мира 35.5 KB
  Парадигма нелинейного мира. В контексте различных и даже противоречивых концепций можно говорить о новой научной картине мира создаваемой постнеклассической наукой Процесс ее построения еще не завершен но основные контуры уже очевидны. Исходные философские идеи новой науки: единство мира заключается в том что на всех уровнях организации действуют общие законы; системное видение в противовес механическому пониманию мира; синтез детерминизма многовариантности и случайности; отказ от концепции редукционизма: нахождение изоморфных законов в...