Warstwa Fizyczna i Łącza

Warstwa fizyczna

Funkcje warstwy fizycznej

• Ustanawianie i zamykanie połączenia z medium

transmisyjnym

• Zapewnienie efektywnego wykorzystania

zasobów pomiędzy użytkownikami (np. kontrola

przepływu, nawiązywanie połączeń)

• Modulacja / konwersja pomiędzy sygnałem

cyfrowym (danymi użytkownika) a sygnałem

transmitowanym w kanale transmisyjnym

Funkcje w szczegółach

• Udostępnienie zestandaryzowanego interfejsu dostępu

do medium transmisyjnego

– Mechaniczna specyfikacja złączy elektrycznych, kabli itp. (np.

RJ45, maksymalna długość kabla)

– Elektryczna specyfikacja linii transmisyjnej

(np. poziomy sygnałów, impedancja kabli)

– Interfejs radiowy opisujący częstotliwość spektrum

elektromagnetycznego, siłę sygnału, przepustowość itp.

• Typ modulacji (PCM – modulacja impulsowo

kodowa)

• Zapewnienie Synchronizacji – w przypadku

transmisji synchronicznej

Funkcje w szczegółach

• Określanie początku/końca nadawanego

sygnału w przypadku transmisji asynchronicznej

• Przełączanie obwodów

• Multiplesowanie

– Określanie zakończenia połączenia typu „circuit

switching”

• Wykrywanie kolizji oraz stanu medium

• Formowanie i kształtowanie sygnału

transmisyjnego

Sygnał i jego transmisja

• Kanał komunikacyjny – medium

umożliwiające łączność pomiędzy nadawcą a odbiorcą

• Medium transmisyjne – nośnik wykorzystywany do

transmisji wiadomości – przewód, powietrze, włókno

szklane (światłowód)

• Medium o pojedynczym kanale – np. kabel

koncentryczny (tylko jedno urządzenie może

transmitować sygnał)

• Wiele kanałów w jednym medium – wiele urządzeń

wykorzystujących wspólne medium niezależnie

transmitujące informację np. powietrze, TV kablowa z

internetem itp..

Parametry transmisji

• Częstotliwość [Hz - Hertz]

(1Hz = 1/s)– ilość okresów

sygnału mieszczących się w

czasie 1[s]

• Pasmo przepuszczania –

zakres częstotliwości w którym może następować

transmisja sygnału – ograniczona obszarami o dużym

tłumieniu

• Szerokość kanału – zakres częstotliwości przypadających

na jeden kanał. W paśmie przepuszczania o danej

szerokości może być jeden lub wiele kanałów.

Silne tłumienie –

obszar zaporowy

Brak tłumienia –

pasmo

przepuszczania

Parametry transmisji cd.• Nośnik/medium :

– umożliwia transmisję fali – czyli transmisję sygnału

– chroni sygnał przed zakłóceniami

• Każde urządzenie wykorzystywane do transmisji sygnału ma określone wymagania fizyczne:

– Częstotliwość (pasmo częstotliwości)

– sposób kodowania danych (sposób modulacji) (PCM, FSK, PSK, …)

– Sposób kontaktu z medium (złączka RJ45, antena itp)

• szerokość kanału komunikacji mierzona w hercach

– różnica miedzy wyższą i niższą granicą częstotliwości kanału komunikacyjnego

– np. szerokość pasma od 902 do 928 MHz wynosi 26 MHz - to pasmo które można wykorzystać do transmisji sygnału

• UWAGA: Kanały mogą się nakładać, (wspólne korzystanie z fragmentów tego samego zakresu częstotliwości) – dzięki zastosowaniu odpowiedniego sposobu kodowania

• Przepustowość kanału - maksymalna ilość danych które mogą być przesyłane przez kanał transmisyjny mierzona w danej jednostce czasu (zwykle w [s]), przy określonych parametrach transmisji – kodowanie, szerokość pasma, określone medium itp..

Tłumienie sygnału

(długość kanału)

• większa odległość

– zwiększa rozpraszanie sygnału czyli zmniejszanie siły sygnału

– sygnał jest falą elektromagnetyczna która w miarę poruszania się w nośniku zużywa własną energie do pokonywania jego oporów – osłabienie siły sygnału bez zmiany jego kształtu

– wf określa szereg specyfikacji których przestrzeganie gwarantuje ze sytuacje takie nie będą się zdarzać

– Dawniej wzmacniaki nie potrafiły rozpoznać uszkodzonego sygnału, wzmacniają wiec również błędy i zniekształcenia

zniekształcenie

• niepożądana zmiana kształtu sygnału podczas transmisji

• Źródło szumów: wszelkie urządzenia elektryczne, przewody napięcia zmiennego, fale elektromagnetyczne innych urządzeń (telefonia komórkowa, TV sat itp)

• bierny sposób usuwania zniekształceń– komputer-adresat nadal potrafi rozpoznać ze to on jest adresatem i przesyła strumień danych do

protokołów warstwy 2 które rozpoznają zniekształcenie i informują nadawcę uszkodzonej ramki o potrzebie ponownego jej przesłania

• aktywne sposoby– przestrzeganie zasad instalacji załączonych z nośnikiem

– odpowiednia jakość przewodów

– terminowanie

– długość kabli nie przekraczała ustalonych limitów

– rozpoznanie potencjalnych przyczyn zakłóceń i przeprowadzenie kabli z dala od ich źródeł

– używanie protokołów zdolnych do rozpoznania i automatycznego korygowania błędów transmisji

Odbicia sygnału• Brak dopasowania

impedancyjnego powoduje

odbicie sygnału.

• Odbicie - propagacja fali

elektromagnetycznej w

przeciwnym kierunku

• Aby nie było odbić

Impedancja

wejściowa

Impedancja

wyjściowa /

końcowa

Impedancja

medium

Zwe = Z0 = Zk

Dopasowanie impedancyjne –

sygnał dostarczany jest do

medium z pełną mocą

Zwe = Z0 = Zk = 50 Ohm

(R=0) – linia bezstratna

Brak dopasowania impedancyjnego

Zk=100–

Amplituda sygnału zależna od miejsca

Opóźnienie sygnału

• Prędkość fali elektromagnetycznej:Gdzie :

c – prędkość światła

- przenikalność elektryczna ośrodka

- przenikalność magnetyczna ośrodka

Problem wykrycia zajętości kanału

Stacja A rozpoczyna

nadawanie

Opóźnienie sygnału

• Prędkość fali elektromagnetycznej:Gdzie :

c – prędkość światła

- przenikalność elektryczna ośrodka

- przenikalność magnetyczna ośrodka

Problem wykrycia zajętości kanału

Ponieważ sygnał ze Stacja A nie

dotarł do stacji B rozpoczyna ona

nadawanie

Opóźnienie sygnału

• Prędkość fali elektromagnetycznej:Gdzie :

c – prędkość światła

- przenikalność elektryczna ośrodka

- przenikalność magnetyczna ośrodka

Problem wykrycia zajętości kanału

Kolizja sygnałów –

konieczność retransmisji

Media sieciowe

• dostarczające dane – metoda transmisji

– kable

– transmisja bezprzewodowa

• Kabel koncentryczny

• Skrętka ekranowana STP Shield Twistem Pair

• Skrętka ekranowana FTP Shield Twistem Pair

• Skrętka nieekranowana UTP Unshilded Twistem Pair

• Kabel Światłowodowy

Kabel koncentryczny• zewnętrzny cylindryczny

przewodnik otacza pojedynczy wewnętrzny przewodnik

• w LAN mogą być stosowane bez wzmocnienia na dłuższe odległości

• tańszy niż światłowód, droższe niż skrętka

• różne grubości - min 1cm średnicy, im grubszy tym trudniej go stosować, np. gruby Ethernet Thicknet

• wrażliwa struktura nie znosi ostrych zakrętów ani łagodnie przykładanej siły gniotącej, łatwo ulega uszkodzeniu

• dziś zastosowanie do przesyłania sygnałów szerokopasmowej telewizji kablowej

• 4 pary przewodów

• skręcenie równoważy promieniowanie na jakie wystawiony jest każdy przewód znosząc zakłócenia elektromagnetyczne

• Sygnał wysyłany różnicowo na parę przewodów – te same zakłócenia indukowane na obydwu przewodach więc różnica pozostaje bez zmian

• Łatwy do zainstalowania

• Narażony na interferencję i zakłócenia

• Najszybsze medium wykorzystujące miedziane przewody

• Odległość miedzy wzmacniaczami musi być mniejsza niż dla kabli koncentrycznych

Skrętka nieekranowana

UTP Unshilded Twisted

Pair

Idea działania skretki

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

Sygnał kodowany

różnicowo bez

zakłócenia

Wyindukowane

zakłócenie nie

wpływa na sygnał

róznicowy

Skrętka ekranowana

S/FTP Shield Twisted

Pair

• Łączy technikę ekranowania i skręcania przewodów

• Odporność na zakłócenia elektromagnetyczne i pochodzące od fal radiowych

• Droższa niż UPT

• niezależnie od kategorii i typu używa odrębnych przewodów dla wyprowadzeń dodatnich i ujemnych, dla funkcji wysyłania i odbioru

• specyfikacja określa równowagę miedzy szerokością pasma - określa grubość i długością przewodu, rodzaje terminatorów, maks. długości kabla

• kategorie wydajności

– seria testów

– udowodnienie odpowiedniego poziomu wydajności niezależna od budowy kabla, grubości i innych szczegółów

– kategorie 1 i 2 uznane za przestarzale w 1995

– popularne 3 i 5

– 3 UTP oferuje pasmo o szerokości 16MHz które umożliwia przesyłania sygnałów z prędkością do 10 Mbps na odległość maksymalna 100 metrów

– k4 – 20MHz, rzadko stosowana oferująca zbyt mały wzrost wydajności w stosunku do k3

– k5 - 100MHz, 100Mbps, 155Mbps, 256 Mbps

• zwiększenie maksymalnej szybkości przesyłania danych zmniejsza odległość maksymalna

Skrętka ekranowana STP

Shield Twistem Pair

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/21/FTP_cable3.jpg

Skrętka ekranowana FTP Shield

Twistem Pair

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/aa/TwistedPair_S-FTP.jpg/800px-TwistedPair_S-FTP.jpg

Kabel

Światłowodowy

• wyższe częstotliwości spektrum elektromagnetycznego – światło

• dostępne w wielu kształtach, rozmiarach i kategoriach długości fal

• znacznie większa przepustowość niż UTP STP i koncentryk

• odporny na zakłócenia elektromagnetyczne i fale radiowe - bezpieczne transmisje

• znacznie większe odległości niż w przypadku innych mediów

• niewielka średnica - plaski

• wykorzystywane parami – do wysyłania sygnałów i odbioru

• w sieciach LAN do łączenia serwerów i koncentratorów

• droższy

• trudniejszy do zainstalowania

• transmisja światłowodowa:

– wielomodowa – diada LED, rozpraszanie, podatność na tłumienie, tańsze niż jednomodowe

– jednomodowa – laser – koncentracja wiązki promienia, sygnał dociera do miejsca przeznaczenia w jednym modzie w całości w jednym punkcie czasu – wysoki koszt – do tworzenia wysokiej jakości infrastruktur informacyjnych (komercyjne sieci telefoniczne) niż do sieci lokalnych

podsumowanie

• proces transmisji - kodowaniem

• dane - tekst , obraz, dźwięk są reprezentowane przez impulsy elektryczne/świetlne i przenoszone przez przewody

• stosowany materiał określa ilość danych i szybkość - przepustowość

• wf dzieli ramki na strumienie zer i jedynek - włączeń i wyłączeń

• nośnik nie jest częścią jednak istotnym dodatkiem

• wf określa wymagania co do wydajności przewodnika miedzy komunikującymi się urządzeniami

• decyzja o wyborze kabla zależy od wielu czynników

– do przyłączania stacji – nieekranowana skrętka dwużyłowa kategorii 5

– do łączenia koncentratorów i serwerów – kable światłowodowy 850 nm

Warstwa łącza

Typy i topologie sieci LAN

składanie elementów w sieć

Typy sieci

ze względu na rodzaj

połączeń pomiędzy hostami

sieć LAN bez wzmacniaków

• dwa komputery + zgodne karty sieciowe + niewielka odległość

• skrzyżowanie ścieżek wysyłania i odbierania – okablowanie skrętką

dwużyłową – para której jedno urządzenie używa do wysyłania jest

ta na której drugie urządzenie oczekuje transmisji

Kabel skrośny (skretka)

• Para 1,2 – nadawanie

• Para 3,6 – odbieranie

• Kabel skrośny

Nadawanie hosta 1

łączymy z

odbieraniem hosta 2 i

odwrotnie, nadawanie

hosta 2 łączymy z

odbieraniem hosta 1

magistralowe sieci LAN

• nośnik

• interfejs fizyczny, nad-biornik dla każdego urządzenia przyłączanego

do sieci

• nie używają wzmacniaków – ogranicza odległość i liczbę urządzeń

• zapomniane

sieci oparte na koncentratorze

• wzmacnia sygnał – większa odległość i liczba urządzeń

• Wzmacniak – urz. elektroniczne do wzmacniania sygnałów, przy przesyłaniu sygnałów na duże odległości, aby zrekompensować straty sygnału powstające na długich nośnikach. telekomunikacja, radiofonia przewodowa, technika cyfrowa - sieci LAN -funkcje wzmacniaka pełni koncentrator

sieci WAN

• łączą sieci LAN – routery – bez utraty odrębności

• dowolna odległość

• wiele wzmacniaków które stanowią całkowicie zintegrowana

część infrastruktury komercyjnej

Typy sieci LAN i topologie

typy i topologie sieci LAN

• atrybuty sieci LAN (podział sieci na warstwy): – metodologia dostępu do zasobów sieci

• w jaki sposób przyłączone do sieci zasoby są udostępniane

• typy sieci:

– równorzędne

– oparte na serwerach

– topologia sieci• sposób organizacji koncentratorów i okablowania

• magistrala

• pierścień

• gwiazda

• przełączana

urządzenia sieci LAN

• funkcje LAN – przyłączanie:– stacji

– serwera

– do sieci WAN

– do szkieletu

• zasoby LAN:– klienci – dostęp do zasobów

– serwery – komputer udostępniający zasoby, wielodostępny, zwykle wyspecjalizowane w wykonywaniu określonych funkcji

• plików

• wydruków

• aplikacji

– drukarki

Typy serwerów• plików

– scentralizowany mechanizm składowania plików

– centralna lokalizacja, przeszukiwanie, logowanie

– zabezpieczenie źródła zasilania –podtrzymanie napięcia ups

– zorganizowane archiwizowanie danych – kopie zapasowe

– szybkość – niezawodna, konfigurowalna, wydajna platforma

• wydruków– przyjmowanie żądań wydruków

– ustawianie ich w kolejki

– spoolowanie ich do odpowiedniej drukarki - buforowanie

• aplikacji– centralne składy oprogramowania

użytkowego

– miejsce gdzie znajdują się wykonywalne programy użytkowe

– wielodostępna kopia programu –koszty nabycia i konserwacji niższe

– aplikacje tworzące i obsługujące bazy danych

Typy sieci ze względu na

architekturę• równorzędne, każdy z każdym, Peer – to – peer

• oparte na serwerach, klient-serwer, client/serwer

sieci równorzędne • nieustrukturalizowany dostęp do zasobów sieci

• każde urządzenie może być klientem i serwerem

• korzyści:– łatwe do wdrożenia i obsługi:

• wymaga jedynie zainstalowania koncentratorów

– tanie w eksploatacji• odpada: administracja, klimatyzacja, szkolenie

– mogą być ustanawiane przy wykorzystaniu prostych systemów operacyjnych

– odporne na błędy związane z uszkodzeniem serwera – pojedynczy punkt defektu

• ograniczenia:– wiele haseł

– brak centralnych zasobów

– bezpieczeństwo całej sieci proporcjonalne do wiedzy i umiejętności jej technicznie najmniej biegłego uczestnika

– problemy logistyczne:• nieskoordynowane i niekonsekwentne tworzenie kopii zapasowych

• zdecentralizowana odpowiedzialność

– dla małych instytucji

oparte na

serwerach

• hierarchia – sterowalność – skala

• zasoby gromadzone w serwerach – brak użytkowników bezpośrednich

• korzyści:– bezpieczeństwo, liczba haseł,

kopie zapasowe

– wydajność – przetwarzanie przez specjalnie skonfigurowany serwer – większa moc, pamięć, szybszy dysk

– administracja

– skalowalność – zmiana rozmiarów sieci nie wpływa na jej wydajność

• ograniczenia: – koszt zainstalowani i obsługi czy

przestoju

• dla dużych instytucji wymagających bezpieczeństwa

Topologie sieci

topologie

• logiczna - opisuje standardy z których powinna korzystać sieć podczas komunikacji. definiuje IEEE

• fizyczna - zbiór zasad fizycznego łączenia poszczególnych części sieci ze sobą takich jak np. koncentratory, hosty

• teoretyczna struktura

• rodzaj topologii wynika z rodzaju zastosowanych technologii sieci LAN

– siec Token Ring – topologia pierścienia, koncentratory (MSAU) –rozmyły różnice między topologia sieci a gwiazdy – pierścienie gwiaździste

• przełączanie rozdzieliło topologię od technologii (rodzaj ramki i metody dostępu, protokół warstwy łącza danych) – Ethernet, Token Ring, FDDI

– magistrali

– pierścienia

– gwiazdy

– przełączane (switch)

• jeden kabel – jeden kanał

• sieć równorzędna

• terminatory - odbicia

• proste

• niedrogie

• ograniczenia:

– odległość

– funkcjonalność

– skalowalność

– dla małych sieci

• specyfikacja IEEE 802.4 magistrali Token Bus sieci LAN – technologia odporna na błędy, wysoki stopień determinizmu (podobna do Token Ring) kontrola poprzez określenie maksymalnej ilości czasu podczas którego ramka danych może znajdować się w transmisji

• formy Ethernetu – 10Base2 i 10Base5 oparte na magistrali i kablu koncentrycznym

magistrala

pierścień

• prosta sieć równorzędna – każda staja robocza ma 2 połączenia, działa jak wzmacniak – fizyczna pętla. dane przesyłane w jednym kierunku

• czas odpowiedzi możliwy do ustalenia – im więcej urządzeń tym dłuższy

• uszkodzenie jednej stacji –unieruchamia całą sieć

• Token Ring IBM – IEEE 802.5 –koncentratory wzmacniające, eliminacja wad – kształt pierścienia (wirtualny – logiczna topologia) lecz fizycznie zastosowana topologia gwiazdy i metoda dostępu cyklicznego (round-robin) do nośnika – token przesyłany do pktów końcowych mimo koncentratora (hub)

gwiazda

• połączenia rozchodzą się z koncentratora –jednostka dostępu do stacji wieloterminalowej

• każde urządzenie może uzyskać bezpośredni i niezależny dostęp do nośnika – urządzenia współdzielą dostępne szerokości pasma koncentratora – 10BaseT Eternet

• dominujące, elastyczne, skalowalne, tanie w porównaniu z bardziej skomplikowanymi sieciami LAN o ściśle regulowanych metodach dostępu

• podstawa topologii przełączanej

• Hub (koncentrator)

– urządzenie łączące wiele urządzeń sieciowych w sieci komputerowej o topologii gwiazdy

– do huba podłączane są komputery będące stacjami roboczymi lub serwerami, drukarki sieciowe oraz inne urządzenia sieciowe

– podłączany do routera

– działa na poziomie pierwszej warstwy OSI, kopiując sygnał z jednego komputera do wszystkich pozostałych do niego podłączonych

– stosowane coraz rzadziej, zastąpione szybszymi switchami

przełączana • wiele połączeń urządzeń z portami koncentratora przełączającego

– każdy port oraz urządzenie doń przyłączone ma własną dedykowaną szerokość pasma

• tymczasowo między nadawcą ramki i jej odbiorcą tworzone są ścieżki przełączane (komutowane)

• pierwotnie przełączniki przesyłały ramki na podstawie adresów fizycznych, obecnie potrafią używać adresów warstwy 3

• przełączniki poprawiają sprawność sieci LAN:

– zwiększają szerokość pasma dostępnego w sieci (np. przełączany koncentrator Ethernetu o 8 portach zawiera 8 odrębnych domen kolizji z których każda przesyła dane z prędkością 10Mbps co daje łączną szerokość pasma rzędu 80Mbps

– zmniejszanie liczby urządzeń wymuszających udostępnienie wszystkich segmentów pasma szerokości. każda przełączana domena kolizji składa się z 2 urządzeń: sieciowego oraz portu koncentratora przełączanego. tylko te 2 urz. rywalizują o szerokość pasma 10Mbps w segmencie w którym się znajdują –sieci Token Ring, FDDI nie korzysta z metody dostępu do nośnika na zasadzie rywalizacji lecz tokeny krążą miedzy dużo mniejsza liczba urządzeń sieciowych

– segmentacja domeny kolizji a nie domeny rozgłaszania

• problem – przełączniki nie rozróżniają rozgłoszeniowych transmisji danych. nadmierne natężenie rozgłaszania może niekorzystnie wpłynąć na wydajność sieci LAN

• Switch (przełącznik, wieloport, komutator)– łączy segmenty sieci

– przekazuje ramki między segmentami

– pracuje w warstwie 2

– wieloportowy most - używa logiki podobnej jak most do przekazywania ramek tylko do docelowego segmentu sieci (a nie do wszystkich segmentów jak hub)

– inteligentnych hub - umożliwia połączenie wielu segmentów sieci w gwiazdę jak hub (nie jest ograniczony do łączenia dwóch segmentów jak most)

Technologie sieciowe

Na podstawie:

http://www.cisco.com/univercd/cc/t

d/doc/cisintwk/ito_doc/

Technologie sieciowe

• Ethernet

• Token Ring

• FDDI

• ATM

Ethernet

Ethernet = 802.3 IEEE

• Technologia stosowane do budowy sieci lokalnych (najpopularniejsza)

• Określa typ nośnika (kable) oraz wartości sygnałów

• Projektant - Roberta Metcalfa w Xerox PARC (standard od 1976)

• Wysyłane dane w postaci ramek! o zmiennej długości

• Walka o dostęp do medium CSMA/CD (ang. Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection).

• Idea węzłów podłączonych do wspólnego medium

• Wszystkie węzły posiadają unikalny adres MAC.

Szybkości transmisji

• 10 Mb/s

• 100 Mb/s

• 1 Gb/s (1999 rok)

• 10 Gb/s (2002 rok)

• 100 Gb/s

Standardy 10MB

• 10BASE5 - Kabel koncentryczny, 50 [ohm]-

Baseband(manchester) – Magistrala - 500m –

100

• 10BASE2 - Kabel koncentryczny 50[ohm]-

Baseband(manchester) – Magistrala - 185m - 30

• 10Base-T - Nieekranowana skrętka przewodów-

Baseband(manchester) – Gwiazda - 100m

• 10Base_FP – Światlowód - Manchester on-off –

Gwiazda - 500m - 33

Syandard 100Mb/s

• 100Base-TX - podobny do 10BASE-T, ale z szybkością 100Mb/s. Wymaga 2 par skrętki kategorii 5. Obecnie jeden z najpopularniejszych standardów sieci opartych na 'skrętce'.

• 100Base-T4 - Używa 4 par 'skrętki' kategorii 3. Obecnie przestarzały.

• 100Base-T2 - Miał używać 2 par 'skrętki' kategorii 3 jednak nie ma sprzętu sieciowego wspierającego ten typ Ethernetu.

• 100Base-FX - Ethernet 100Mb/s za pomocą włókien światłowodowych wielomodowych. Zasięg rozwiązania wynosi do 2km.

• 100Base-LX - Ethernet 100Mb/s za pomocą włókien światłowodowych.

• 100Base-LX10 - Ethernet 100Mb/s za pomocą włókien światłowodowych jedno i wielomodowych. Zasięg dla jednomodów wynosi 10km, dla wielomodów 550m.

• 100Base-SX - Ethernet 100Mb/s za pomocą włókien światłowodowych wielomodowych. Zasięg około 460 m.

• 100Base-CX - Ethernet 100Mb/s za pomocą 2 par skrętki. Zasięg około 25 m.

Ramka

• Preambuła - 7 bajtów złożonych z naprzemiennych jedynek i zer:

• SFD - (ang. start frame delimiter), 8-bitowy znacznik początku ramki: hex AB

• adres MAC odbiorcy (6 bajtów)

• adres MAC nadawcy (6 bajtów)

• typ (2 bajty) - jeżeli wartość mniejsza niż 1500, to oznacza długość ramki, jeżeli większa to typ pakietu

• dane (46 - 1500 bajtów) - jeżeli dane mniejsze niż 46 bajtów, to uzupełniane są zerami

• suma kontrolna (4 bajty) CRC

Simplex / duplex / półduplex

• Sposób wymiany danych pomiędzy

– Simplex – transmisja jednokierunkowa

– Półduplex – jak jeden nadaje to drugi słucha

– Duplex – jednoczesne nadawanie i odbieranie

Dostęp do medium - kolizje

• Na raz nie mogą nadawać dwa urządzenia – nakładanie się sygnałów z różnych źródeł (kabel koncentryczny, hub)!!!

• Jeśli jedno nadaje to inne muszą słuchać

• Kolizja powoduje zniszczenie sygnału i konieczność jego retransmisji

• W przypadku switchów realizują

one buforowanie ramek i dbają o to

by nie powstawały kolizje, standard

100Gb Ethernet wymaga używania

switchów!

CSMA/CD (ang. Carrier Sense Multiple

Access with Collision Detection).Główna procedura

• Przygotuj ramkę do transmisji (zebranie danych do przesłania)

• Sprawdź stan medium czy jest wolne jeśli nie czekaj stałą przerwę między ramkową (9.6 µs w przypadku 10 Mbit/s Ethernet).

• Rozpocznij transmisję

• W przypadku wystąpienia kolizji przejdź to procedury jej rozwiązania

• Wyzeruj licznik transmisji i skończ wysyłanie

Procedura kolizji

• Kontynuuj transmisję do momentu osiągnięcia limitu czasu transmisji, tak by wszystkie odbiorniki wykryły istnienie kolizji

• Zwiększ licznik retransmisji

• Sprawdź licznik prób retransmisji, jeśli przekroczony limit nie wysyłaj nic więcej

• Wylicz i wyznacz losowe opóźnienie bazując na liczbie kolizji

• Wróć do głównej procedury.

IBM Token Ring/IEEE 802.5

Token Ring

• Projekt IBM lata 1970

• Dwa rozwiązanie– projekt IBM

• IBM Token Ring bazuje na strukturze gwiazdy gdzie wszystkie urządzenia końcowe podłączone są do koncentratora zwanego „multistation access unit” (MSAU).

• Jednoznaczna specyfikacja medium transmisyjnego – kabel, skrętka

– projekt IEEE

• Standard IEEE 802.5 (token ring) nie definiuje topologii sieci

• Nie definiuje medium transmisyjnego

IBM Token Ring

Łączenie różnych MSAU w postaci ringu

Zasada działania – Token passing

• Obydwa standardy – token passing (również FDDI)

• Zasada działania sieci typu token passing– Token – mała ramka podróżująca po sieci.

– Urządzenie posiadające token ma prawo nadawania

– Jeżeli urządzenie nie ma nic do nadania – przesyła token dalej

– Każde urządzenie może posiadać token przez max. Określony czaas

– Jeżeli stacja posiadająca token chce nadawać, ustawia odpowiedni bit tokena oraz traktuje go jako początek nadawanej ramki

– Ramka przesyłana jest do kolejnej/kolejnych stacji w sieci (więc inne stacje nie mogą nadawać, chyba że w sieci zaimplementowana jest technologia z wstępnym uwalnianiem tokena)

– Jeżeli informacja (ramka nadawana) dotrze ponownie do stacji nadającej (dokona pełnego obiegu pierścienia) następuje zwolnienie tokena i przekazanie dalej. Nadajnik ma więc kontrolę nad jakością przesyłanych informacji

Zalety Token Ring nad Ethernet

• Brak możliwości powstawania kolizji

• Możliwość kontroli przesyłanych danych (wykrywanie uszkodzeń przez porównanie danych wysyłanych i odbieranych)

• Możliwość oszacowania czasu w jakim dane zostaną transmitowane (determinizm!!!)Zastosowanie

– automoatyka

– robotyka

– Przemysł

• Priorytetowanie – możliwość nadawanie priorytetów poszczególnym stacjom– Możliwość rezerwacji tokena

FDDI

FDDI (ang. Fiber Distributed Data Interface)

• Standard zaproponowany przez ANSI w połowie lat 1980

• Medium transmisyjne - światłowodach

• Przepustowość 100Mb/s

• Max. dystans 2km (światłowód wielomodowy, przy jednomodowym nawet więcej)

• Dostęp do medium – Token Passing

• Zasada działania – podwójny pierścień bazujący na łączach światłowodowych

• Zastosowanie FDDI – szybka i wydajna sieć szkieletowa o dużej przepustowości i dużych odległościach (znacznie większych niż połączenia kablowe)

• Również wersja CDDI (ang. Copper Data Distribution Interface) – implementacja bazująca na skrętce

FDDI - podstawy

• Wykorzystuje architekturę podwójnego

pierścienia z przeciwstawnym ruchem na

obydwu pierścieniach

• Podwójny ring to ring podstawowy i wtórny

• Normalna praca to wykorzystanie

pierścienia podstawowego (pierścień

wtórny jest niewykorzystywany)

• Ring (pierścień) wtórny wykorzystywany

podczas problemów w celu zapewnienia

niezawodności

FDDI - podstawy

FDDI cd.

• FDDI opisuje pierwsze dwie warstwy modelu OSI (fizyczną i danych)

• Nie jest standardem tylko specyfikacją techniczną

• Umożliwia działanie wyższych warstw modelu OSI implementujących takie protokoły jak TCP/IP IPX/SPX

• FDDI określa 4 specyfikacje:– Media Access Control (MAC)

– Physical Layer Protocol (PHY)

– Physical-Medium Dependent (PMD)

– Station Management (SMT)

FDDI - specyfikacje

• MAC określa sposób dostępu do medium – format ramki, adresowanie, uchwyt tokena, algorytm weryfikacji sum kontrolnych CRC oraz mechanizm naprawiania błędów.

• PHY – opisuje sposób kodowania i dekodowania danych, wymagania zegara, formatowanie oraz kilka innych funkcji

• PMD – opisuje charakterystykę medium transmisyjnego czyli jakość łącza, poziomy mocy, bit-error rates (BER),komponenty optyczne itp.

• SMT to statyczna konfiguracja FDDI, konfiguracja pierścienia oraz cechy jego kontroli (dodawanie/usuwanie stacji, inicjalizacja, izolacja błędów i ich przywracanie, harmonogramowanie

Typy stacji i sposoby ich

podłącania• single-attachment station (SAS) – stacja podłączona pojedynczo

• dual-attachment station (DAS) – stacja podłączona podwójnie

• single-attached concentrator (SAC) – koncentrator podłączony pojedynczo

• and dual-attached concentrator (DAC) – koncentrator podłączony podwójnie

– SAS podłączony jest jedynie do ringu podstawowego za pośrednictwem koncentratoraKorzyści - podłączone urządzenie nie ma wpływu na działanie pierścienia w zależności od tego czy jest włączone czy nie

– DAS posiada dwa porty A i B za pośrednictwem których urządzenie podłączone jest jednocześnie do obydwu pierścienie. Urządzenia DAS gdy są odłączone zakłucają działanie rungu

Urządzenie DAS

Koncentrator DAC

Zasada niezawodności

ATM

ATM podstawy

• Asynchronous Transfer Mode (ATM) – standard organizacji International Telecommunication Union-Telecommunications Standards Section (ITU-T)

• Zorientowany na różne typy usług: wideo, dźwięk, dane.

• Protokół połączeniowy!!!

• Mały i stały rozmiar ramki 53 oktety (bajty) – 5 nagłówek + 48 dane. (wcześniej omawiane standardy miały ruchomy rozmiar ramki)– Przewidywalność czasu transmisji

– Prostota budowy urządzeń

– W przypadku błędów transmisji duża łatwość ich usunięcia

ATM – cd.

• ATM jest technologią przełączania obwodów (circuit switching)– Gwarantuje pojemność i stały czas opóźnienia transmisji

• Inne opisywane technologie to przełączanie pakietów (packet switching)– Elastyczna i wydajna technologia użyteczna przy ruchu

okresowym (gwałtownym)

• ATM pozwala na dużą skalowalność przepustowości kilka Mb/2 do wielu Gb/s

• Ze względu na asynchroniczność może być bardziej wydajna od metod synchronicznych typu time-division multiplexing (TDM).

Pojęcia

• Kanał wirtualny – musi być ustanowiony przed

transmisją danych

• Wirtualna ścieżka – zbiór wirtualnych kanałów

• Ścieżka transmisyjna – zbór wirtualnych ścieżek

Topologie złożone

obszary funkcjonalne sieci LAN

• sieć LAN dzielona jest na składniki funkcjonalne co umożliwia zastosowanie odpowiedniej technologii dla każdej z realizowanych funkcji:

– przyłączanie stacji roboczej

– przyłączanie serwera

– przyłączanie do sieci WAN

– przyłączanie do szkieletu

• skalowalność topologii podstawowych jest ograniczona– rozszerzenia

– połączenia

• łańcuchy– szeregowe połączenie koncentratorów sieci – łańcuchowanie

– specyfikacja LAN -802.3 Ethernet – max rozmiar sieci LAN: max liczba koncentratorów i/lub wzmacniaków które można łączyć szeregowo

– max dł. kabla * max liczba urz. = max rozmiar sieci LAN – max średnica sieci

– problem: zwiększenie sieci nie zwiększa szerokości pasma ani domen kolizji

• hierarchie– pierścienie

– gwiazdy

– melanże

topologie złożone

– kilka warstw koncentratorów, każda w. realizuje inna funkcję sieci

– w. podstawowa – do komunikacji miedzy stacja roboczą a serwerem

– poziomy wyższe – grupowanie wielu poziomów użytkownika – wiele koncentratorów poziomu użytkownika połączonych jest za pomocą mniejszej liczby koncentratorów wyższego poziomu

– koncentratory takie same – różnią się warstwą na której się znajdują

– rozwiązują problem skalowalności i agregacji ruchu w sieci

• zwiększanie rozmiarów sieci pierścieniowych

• dwa pierścienie Token Ring o szybkości przesyłania danych rzędu 16 Mbps do łączenia komputerów użytkownika oraz pętle FDDI do łączenia serwerów i tworzenia szkieletu

hierarchiczne

pierścienie

hierarchiczne gwiazdy

• mogą być realizowane jako pojedyncze domeny kolizji lub dzielone przy użyciu przełączników, routerów i mostków na segmenty z których każdy jest domeną kolizji

• domena kolizji– składa się ze wszystkich urządzeń konkurujących o prawo do transmisji przy użyciu

współdzielonego nośnika

– przełączniki, mostki i routery dzielą domeny kolizji tworząc wiele mniejszych domen kolizji

• używa jednego poziomu do łączenia użytkownika z serwerem a drugiego jako szkielet

hierarchiczne

melanże

• nowoczesne koncentratory przełączające - łączenie wielu różnych technologii

– nowe topologie -wstawiając płytki logiczne w obudowę koncentratora przełączającego o wielu gniazdach

• do łączenia serwerów – sieć FDDI

• do łączenia stacji roboczych – Ethernet

• do łączenia koncentratorów poziomu użytkownika używany jest szkielet ATM asynchronicznego tryby przesyłania

przyłączanie

stacji

• najmniejsze wymagania odnośnie wydajności sieci LAN

• koncentratory obsługują wiele technologii

• podstawowy sposób łączenia stacji roboczych i urz. peryferyjnych

• różne wymagania stacji roboczych mogą wymagać stosowania mieszanych rozwiązań topologiczno-technologicznych

przyłączanie

serwera

• solidniejsze od stacji roboczych

• miejsca dużego natężenia ruchu

• obsługa wielu klientów i /lub serwerów – agregowanie ruchu musi

być ujęte w projekcie topologii sieci LAN – żeby wydajność nie uległa obniżeniu

• przyłączalność serwerów musi być niezawodna w zakresie dostępnych szerokości pasma oraz metody dostępu

• serwery połączone za pomocą pętli FDDI, stacje robocze - Ethernetu

przyłączanie do

sieci WAN

• łączenie sieci LAN z WAN

• siec WAN jest przyłączana za

pomocą pojedynczego łącza

szkieletu z routerem

• technologie LAN używające

dostępu do nośnika na

zasadzie rywalizacji są

nieodpowiednie do

wykonywania tej funkcji –

zatkanie sieci

• wybór technologii –

niezawodna pod względem

jej nominalnej szybkości

transmisji oraz stosowanej

metody dostępu

przyłączanie

do szkieletu

• szkielet:– urządzenia do łączenia

koncentratorów

– w różnych topologiach za pomocą różnorodnych składników sieciowych

• szkielet łączy zasoby sieci lokalnej oraz sieć lokalną z siecią rozległą

• cechy wybranej topologii szkieletu:

– łatwość opracowania

– cena

– łatwość obsługi

– skalowalność – granica

– każda opcja musi być sprawdzona indywidualnie

topologie:

– szeregowy

– rozproszony

– segmentowy

– równoległy

szkielet

szeregowy

• szereg koncentratorów połączonych łańcuchowo

• dla małych sieci

szkielet

rozproszony

• rodzaj topologii hierarchicznej

• zamontowanie koncentratora szkieletowego w centralnym miejscu sieci

– centrum topologii okablowania – rozdzielnia telefoniczna

• połączenia rozchodzą się z tego koncentratora do innych w budynku

• umożliwia pokrycie dużych budynków bez obaw o przekroczenie maksymalnych średnic sieci

• znane: topologia okablowania budynku i ograniczenia długości poszczególnych nośników sieci LAN

• nośnik – kabel światłowodowy

szkielet

segmentowy

• centralnie umieszczony router łączy wszystkie segmenty sieci LAN

• router skutecznie tworzy wiele domen kolizji i rozgłaszania zwiększając wydajność każdego z segmentów – 3w –funkcjonują wolniej od koncentratorów – ograniczają wydajność transmisji miedzy segmentami LAN

• wprowadzają pojedynczy punkt defektu sieci LAN

• podczas projektowania sieci – minimalizowanie natężenia ruchu przechodzącego przez routery

szkielet

równoległy

• zmodyfikowana wersja szk. segmentowego

• grupy użytkowników porozrzucane po całym budynku

• niektóre z nich oraz niektóre aplikacja mogą mieć wysokie wymagania odnośnie bezpieczeństwa sieciowego

• potrzebny wysoki stopień dostępu do sieci

• przeprowadzenie połączeń równoległych od routera szkieletu segmentowego do szafki rozdzielczej umożliwia obsługę z tej szafki wielu segmentów

• pokój rozdzielni czy pojedyncza szafka rozdzielcza mogą obsługiwać wiele segmentów

• podniesienie kosztu utworzenia sieci

• zwiększenie wydajności każdego segmentu

• większe bezpieczeństwo

• dokładne zrozumienie potrzeb i wymagań klienta odnośnie każdego z obszarów funkcjonalności sieci LAN jest kluczowe do utworzenia idealnej topologii

• innowacje technologiczne będą zwiększać różnorodność topologiczna rozwiązań dostępnych dla projektantów sieci

Alternatywne rozwiązania

warstwy łacza

• InfiniBand

• Myrinet

• Quadrics

• Scalable Coherent Interface