Сети ЭВМ и телекоммуникации

Сети ЭВМ и телекоммуникации
Среды передачи данных
•
•
•
•
Определение среды передачи данных
Кабельные среды передачи данных
Методы доступа с среде передачи данных
Определение структурированной
кабельной системы
• Коммуникационное оборудование
• Стандарты построения локальных сетей
Определение
• Среда передачи данных –
линии (каналы) связи, по которым
компьютеры обмениваются
информацией.
А
Б
А-Б – разделяемая среда
передачи данных
• В зависимости от используемой среды
передачи данных линии связи делятся:
–Проводные;
–Кабельные;
–Беспроводные.
Проводные среды передачи данных
• Телефонные и телеграфные линии:
– Низкая скорость передачи;
– Низкая помехозащищенность.
Однако, данный метод позволяет быстро разворачивать сетевые
технологии.
Кабельные системы
• Высокочастотные коаксиальные кабели с
медной жилой;
• Кабели на основе витых пар;
• Оптоволоконные кабели.
Основные параметры кабельных сетей
• Полоса пропускания – частотный диапазон сигналов,
пропускаемых кабелем;
• Задержка распространения сигнала;
• Помехозащищенность кабеля – степень защищенности
кабеля от воздействия помех и наводок;
• Затухание – степень потери мощности сигнала на выходе
по отношению к мощности на входе;
• Волновое сопротивление – полное сопротивление,
которое встречает электромагнитная волна.
Коаксиальный кабель
Витая пара
Контакт
1
2
3
4
5
6
7
8
Назначение
TX+
TXRX+
Не используется
Не используется
RXНе используется
Не используется
Категория
Полоса
пропускания
UTP 1
UTP 2
1 МГц
UTP 3
16 МГц
UTP 4
20 МГц
UTP 5
5-100 МГц
UTP 6 - UTP 7
200-600 МГц
UTP 7a
до 1200 МГц
Цвет провода
Белый/оранжевый
Оранжевый/белый
Белый/зеленый
—
—
Зеленый/белый
—
—
Оптоволоконный кабель
Мода луча – это угол отражения
луча в сердечнике.
Одномодовый кабель – 9/125 мкм
Многомодовый – 50.125 мкм
передача до 2000 км на скоростях не
более 1 Гб/с
Методы доступа к среде передачи
данных
• Централизованные:
Недостаток: неустойчивость к отказам цента управления,
малая гибкость управления (нет оперативности
управления).
Достоинство: отсутствие конфликтов в сети.
• Децентрализованные
Недостаток: обязательное наличие конфликтов в сети.
Достоинства: высокая степень устойчивости отказам
абонентов сети, большая гибкость к управлению сети.
Децентрализованные делятся на детерминированные и случайные.
Методы доступа к сети
• Метод множественного доступа с
прослушиванием несущей и разрешением
коллизий (CSMA/CD - Carier Sense Multiple
Access with Collision Detection).
• Маркерный метод доступа (Arcnet).
• Метод доступа Token-Ring.
Метод доступа CSMA/CD
• Перед началом передачи рабочая станция определяет,
свободен канал или занят. Если канал свободен, станция
начинает передачу.
• Метод не исключает возможности одновременной передачи
сообщений двумя или несколькими станциями. Аппаратура
автоматически распознает такие конфликты, называемые
коллизиями.
• После обнаружения конфликта станции задерживают передачу
на некоторое время. Это время небольшое и для каждой
станции свое (0 до 52,4 мс). После задержки передача
возобновляется.
Реально конфликты приводят к уменьшению быстродействия сети
только в том случае, если работает порядка 80 - 100 станций.
Маркерный метод доступа
• Один из компьютеров создает специальный маркер (сообщение
специального вида), который последовательно передается от
одного компьютера к другому.
• Если станция желает передать сообщение другой станции, она
должна дождаться маркера и добавить к нему сообщение,
дополненное адресами отправителя и назначения.
• Когда пакет дойдет до станции назначения, сообщение будет
"отцеплено" от маркера и передано станции.
Данный метод используется в локальных сетях с топологией
"звезда".
Метод доступа Token-Ring
• Этот метод напоминает Arcnet, использует маркер,
передаваемый от одной станции к другой.
• В отличие от Arcnet при методе доступа
Token-Ring имеется возможность назначать разные
приоритеты разным рабочим станциям.
• Метод доступа Token-Ring был разработан фирмой
IBM и рассчитан на кольцевую топологию сети.
Аппаратные компоненты сетей
• Повторитель – устройство, дублирующее
получаемые сигналы.
• Концентратор – это многопортовый
повторитель.
Сетевой адаптер
• Сетевой адаптер – это устройство ПК
взаимодействующее со средой передачи
данных.
В зависимости от среды взаимодействия
различают:
Ethernet-адаптеры;
TokenRing-адаптеры;
FDDI-адаптеры;
и т.д.
Основные функции сетевых адаптеров
• Гальваническая привязка компьютера и кабеля
локальной сети;
• Кодирование и декодирование данных;
• Опознавание принимаемых кадров;
• Буферизация передаваемой и принимаемой
информации;
• Организация доступа к сетям в соответствии с
принимаемым методом доступа.
Мосты
• Используется при перегрузке в сети.
• Мост – специальной устройство,
ретранслирующее пакеты между сегментами
сети
Мосты
Мосты с маршрутизацией от источника (source-routing bridge)
Характерны для маркерных сетей (Token Ring) и выполняют
передачу кадров между сегментами на основании информации
о маршруте, предоставленной отправителем кадра. Такие
мосты имеют локальные адреса во всех сегментах, к которым
они подключены, другие узлы знают об их существовании и
целенаправленно взаимодействуют с ними.
Прозрачные мосты (transparent bridge)
Мост невидим для других узлов и не имеет своего локального
адреса. Мост прослушивает все сегменты, подключенные к его
портам, принимает все кадры и составляет таблицу MACадресов узлов, находящихся в этих сегментах. Если адрес
получателя принятого кадра неизвестен мосту, то этот кадр
передается во все порты, кроме того, откуда он поступил.
Коммутаторы
Коммутатор (switch) – это многопортовое устройство
соединяющее несколько отдельных сегментов в
одну сеть.
Способен одновременно связывать
несколько узлов на максимальной
скорости, обеспечиваемой средой
передачи.
Часто коммутаторы используются для
сегментации – уменьшения размеров
доменов коллизий.
Фактически, коллизии преобразуются в
очереди кадров внутри коммутатора.
Режимы работы коммутатора
• Коммутация с буферизацией (store-and-forward):
каждый кадр целиком помещается в буферной памяти коммутатора, затем
проверяется его контрольная сумма, определяется порт назначения,
ожидается освобождение порта, и производится передача кадра.
• Этот способ гарантирует фильтрацию ошибочных и отсеченных коллизией кадров.
• Основной недостаток – большая задержка передачи, достигающая нескольких
миллисекунд на кадр.
• Коммутация “на лету” (cut-through):
кадр передается в порт назначения сразу после приема адреса получателя
(в Ethernet – первые 6 байт заголовка кадра). Если в этот момент порт
назначения занят, коммутатор обрабатывает пакет в режиме с
буферизацией.
• Коммутация на лету вносит минимально возможную задержку – 11.2 мкс для Ethernet,
однако при этом передаются все кадры – в том числе и ошибочные.
• Бесфрагментная коммутация (fragment-free):
коммутатор буферизует первые 64 байта кадра, и, если кадр не длиннее 64
байт, то коммутатор обрабатывает его в режиме с буферизацией. Если кадр
длинный, то он передается в порт назначения, как в режиме “на лету”.
Группа стандартов IEEE
• IEEE 802 — группа стандартов семейства IEEE, касающихся локальных
вычислительных сетей (LAN).
• Стандарты IEEE 802, ограничены сетями с пакетами переменной
длины.
• Службы и протоколы, указанные в IEEE 802 находятся на двух нижних
уровнях семиуровневой сетевой модели OSI:
– Канальный уровень
• Подуровень LLC
• Подуровень MAC
– Физический уровень
Семейство стандартов IEEE 802 поддерживается комитетом по
стандартам IEEE 802 LAN/MAN Standards Committee (LMSC).
24
Рабочие группы
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Название
IEEE 802.1
IEEE 802.2
IEEE 802.3
IEEE 802.4
IEEE 802.5
IEEE 802.6
IEEE 802.7
IEEE 802.8
IEEE 802.9
IEEE 802.10
IEEE 802.11 a-n
IEEE 802.13
IEEE 802.14
IEEE 802.15
EEE 802.15.1
IEEE 802.15.4
•
•
•
•
•
IEEE 802.16
IEEE 802.16e
IEEE 802.16.1
IEEE 802.20
IEEE 802.23
описание
примечание
Управление сетевыми устройствами и их взаимодействие
Logical Link Control (LLC)
не активна
Технология Ethernet
Маркерная шина Token bus
расформирована
Определяет MAC уровень для маркерного кольца
не активна
Сети мегаполисов (MAN)
расформирована
Широкополосная передача по коаксиальному кабелю
расформирована
Волоконно-оптические сети
расформирована
Интегрированные сети передачи голоса и данных
расформирована
Сетевая безопасность
расформирована
Беспроводные локальные сети
Использовалась для 100BASE-X Ethernet
Кабельные модемы
расформирована
Беспроводные персональные сети (WPAN), Bluetooth
Bluetooth сертификация
Физический слой и управление доступом к среде для беспроводных
персональных сетей с низким уровнем скорости ( Low-rate WPAN).
Беспроводная городская сеть (WiMAX сертификация)
(Мобильные) Широковещательные беспроводные сети
Служба местного многоточечного распределения
Мобильный широковещательный беспроводной доступ
Рабочая группа чрезвычайных сервисов
новая (Март, 2010)
25
Стандартные сегменты сети
Ethernet/Fast Ethernet
Сеть Ethernet (10 Мбит/с, IEEE 802.3, шина и пассивная звезда):




10BASE5 (толстый коаксиальный кабель) ─ до 500 м;
10BASE2 (тонкий коаксиальный кабель) — до 185 м;
10BASE-T (две витые пары) — до 100 м;
10BASE-FL (оптоволоконный кабель) — до 2 км.
Сеть Fast Ethernet (100 Мбит/с, IEEE 802.3u, пассивная звезда):
 100BASE-T4 (четыре витые пары) — до 100 м;
 100BASE-TX (две витые пары) — до 100 м;
 100BASE-FX (оптоволоконный кабель) — до 412 м.
26
Стандартные сегменты Gigabit Ethernet
(стандарт IEEE 802.3z)

1000BASE-SX (мультимодовый оптоволоконный кабель с
длиной волны 850 нм) — до 500 м;

1000BASE-LX (одномодовый оптоволоконный кабель с
длиной волны 1300 нм) — до 2 км;

1000BASE-CX (четыре экранированных витых пары STP)
— до 25 м;

1000BASE-T (стандарт IEEE 802.3ab — четыре
неэкранированных витых пары UTP категории 5 или 6)
— до 100 м.
27
Стандартные сегменты сети
Гигабитный/10-гигабитный Ethernet
Сеть Гигабитный Ethernet (Gigabit Ethernet, 1 Гбит/с):






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 — стандарт, использует раздельную приёмо-передачу (по одной паре в
каждом направлении, 6 категории), что существенно упрощает конструкцию
приёмопередающих устройств;
1000BASE-X;
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 зависит только от типа используемых
приемопередатчиков и, как правило, составляет от 5 до 50 км.
1000BASE-LH (Long Haul) — стандарт, использующий одномодовое волокно. Дальность
прохождения сигнала без повторителя до 100 километров.
10-гигабитный Ethernet (Ethernet 10G, 10 Гбит/с):



10GBASE-CX4 — технология 10-гигабитного Ethernet для коротких расстояний (до
15 метров), используется медный кабель CX4 и коннекторы InfiniBand;
10GBASE-LX4 — использует уплотнение по длине волны для поддержки
расстояний от 240 до 300 метров по многомодовому волокну. Также
поддерживает расстояния до 10 километров при использовании одномодового
волокна;
10GBASE-LR и 10GBASE-ER — эти стандарты поддерживают расстояния до 10 и
40 километров соответственно.
28
Обозначение
Скорость
Спецификации стандарта Ethernet
Тип кабеля
Топологи
я
10Base5
10Base2
10BaseT
10 Мбит/с
10 Мбит/с
10 Мбит/с
Шина
Шина
Звезда
Коаксиальный RG-8
Коаксиальный RG-58
UTP 3
Максимальная
Тип стандарта
длина кабельного
сегмента
500 м
Ethernet
185 м
Ethernet
100 м
Ethernet
10BaseFL
10 Мбит/с
Звезда
Многомодовое оптоволокно 62,5/125
2000 м
Ethernet
10BaseFB
10 Мбит/с
Звезда
Многомодовое оптоволокно 62,5/125
2000 м
Ethernet
10BaseFP
10 Мбит/с
Звезда
Многомодовое оптоволокно 62,5/125
500 м
Ethernet
100BaseTX
100 Мбит/с
Звезда
UTP 5
100 м
FastEthernet
100BaseT4
100 Мбит/с
Звезда
UTP 3
100 м
FastEthernet
100BaseFX
100 Мбит/с
Звезда
Многомодовое оптоволокно 62,5/125
1000BaseLX
1000BaseLX
1000 Мбит/с Звезда
1000 Мбит/с Звезда
Одномодовое оптоволокно 9/125
Многоходовое оптоволокно 50/125 или 62,5/125
412 м при полуд FastEthernet
канале и/или
2000 м при
полнодупл
5000 м
GigabitEthernet
550 м
GigabitEthernet
1000BaseSX
1000 Мбит/с Звезда
Многомодовое оптоволокно 50/125 (частота 400 МГц)
500 м
GigabitEthernet
1000BaseSX
1000 Мбит/с Звезда
Многомодовое оптоволокно 50/125 (частота 500 МГц)
550 м
GigabitEthernet
1000BaseSX
1000 Мбит/с Звезда
Многомодовое оптоволокно 62,5/125 (частота 160 МГц) 220 м
GigabitEthernet
1000BaseSX
1000 Мбит/с Звезда
Многомодовое оптоволокно 62,5/125 (частота 200 МГц) 275 м
GigabitEthernet
1000BaseLH
1000BaseZX
1000BaseCX
1000 Мбит/с Звезда
1000 Мбит/с Звезда
1000 Мбит/с Звезда
Одномодовое оптоволокно 9/125
Одномодовое оптоволокно 9/125
Экранированный медный кабель (сопротивление 150
Ом)
10 км
100 км
25 м
GigabitEthernet
GigabitEthernet
GigabitEthernet
1000BaseT
1000 Мбит/с Звезда
На основе неэкранированной витой пары, категория 5
100 м
GigabitEthernet
Стандарты беспроводной связи
Пример структуры промышленного
объекта
Промышленный объект
состоит из нескольких
насосных
электроприводов,
устройства сбора
информации с
различных
технологических
датчиков, например,
датчиков давления,
температуры, расхода, в
том числе
установленных
удаленно, операторского
пульта и диспетчерского
пункта.
Управление насосами
производится с
операторского пульта, а
в диспетчерском пункте
производится
непрерывный
мониторинг системы.
Стандарт беспроводной связи ZigBee
ZigBee — стандарт беспроводной связи, который изначально разрабатывался как средство для
передачи небольших объемов информации на малые расстояния с минимальным
энергопотреблением. Фактически этот стандарт описывает правила работы программноаппаратного комплекса, реализующего беспроводное взаимодействие устройств друг с другом.