Лабораторная работа. Исследование топологий сети.

 

Лабораторная работа № 3.

Исследование топологий сети

Цель работы: Изучение особенностей проектирования ЛВС  базовой топологии ЛВС на примере  стандартных технологий

 

 

Краткие теоретические сведения

 

Топология ЛВС - это способ соединения компьютеров сети между собой друг относительно друга. Топология может относиться к физической структуре сети или же к логической структуре, которая характеризует способ прохождения данных по сети. Топология во многом определяет такие важнейшие характеристики сети, как ее надежность, производительность, стоимость, защищенность и т.д. В настоящее время в локальных сетях используются следующие физические топологии:

        «шина»;

        «звезда»;

        «кольцо».

Сети с шинной топологией используют линейный моноканал (коаксиальный кабель) передачи данных, на концах которого устанавливаются оконечные сопротивления (терминаторы) (рисунок 3.1). Каждый компьютер подключается к коаксиальному кабелю с помощью Т-разъема (Т - коннектор). Данные от передающего узла сети передаются по шине в обе стороны, отражаясь от оконечных терминаторов. Терминаторы предотвращают отражение сигналов, т.е. используются для гашения сигналов, которые достигают концов канала передачи данных. Таким образом, информация поступает на все узлы, но принимается только тем узлом, которому она предназначается. В топологии логическая шина среда передачи данных используются совместно и одновременно всеми ПК сети, а сигналы от ПК распространяются одновременно во все направления по среде передачи. Так как передача сигналов в топологии физическая шина является широковещательной, т.е. сигналы распространяются одновременно во все направления, то логическая топология данной локальной сети является логической шиной.

 

 

Рисунок 3.1 - Сеть с шинной топологией

 

Преимущества сетей шинной топологии:

        отказ одного из узлов не влияет на работу сети в целом;

        сеть легко настраивать и конфигурировать;

        сеть устойчива к неисправностям отдельных узлов.

Недостатки сетей шинной топологии:

        разрыв магистрального кабеля может повлиять на работу всей сети;

        ограниченная длина кабеля и количество рабочих станций;

        трудно определить дефекты соединений;

        возможность возникновения конфликтов.

В сети, построенной по топологии типа «звезда», каждая рабочая станция подсоединяется кабелем (витой парой или оптоволокном) к концентратору или хабу(hub). Концентратор обеспечивает параллельное соединение ПК и, таким образом, все компьютеры, подключенные к сети, могут общаться друг с другом (рисунок 3.2).

 

 

Рисунок 3.1 - Сеть с топологией звезда

 

Данные от передающей станции сети передаются через хаб по всем линиям связи всем ПК. Информация поступает на все рабочие станции, но принимается только теми станциями, которым она предназначается. Так как передача сигналов в топологии физическая звезда является широковещательной, т.е. сигналы от ПК распространяются одновременно во все направления, то логическая топология данной локальной сети является логической шиной.

Преимущества сетей топологии звезда:

        легко подключить новый ПК;

        имеется возможность централизованного управления;

        сеть устойчива к неисправностям отдельных ПК и к разрывам соединения отдельных ПК.

Недостатки сетей топологии звезда:

        отказ центрального элемента влияет на работу всей сети;

        большой расход кабеля.

В сети с топологией кольцо все узлы соединены каналами связи в неразрывное кольцо (необязательно окружность), по которому передаются данные. Выход одного ПК соединяется со входом другого ПК (рисунок 3.3). Начав движение из одной точки, данные, в конечном счете, попадают на его начало. Данные в кольце всегда движутся в одном и том же направлении.

 

 

Рисунок 3.3 - Сеть с топологией кольцо

 

Принимающая рабочая станция распознает и получает только адресованное ей сообщение. В сети с топологией типа физическое кольцо используется маркерный доступ, который предоставляет станции право на использование кольца в определенном порядке. Логическая топология данной сети - логическое кольцо. Данную сеть очень легко создавать и настраивать. К основному недостатку сетей топологии кольцо является то, что повреждение линии связи в одном месте или отказ ПК приводит к неработоспособности всей сети.

 

 

Технология Ethernet

 

Наибольшее распространение среди стандартных технологий локальных вычислительных сетей получила сеть Ethernet (разработчик фирма Xerox) - спецификация IEEE 802.3. Для сетевой технологии  Ethernet характерны:

        коммутация пакетов;

        топологии общая шина и пассивная звезда;

        плоская числовая адресация;

        разделяемая передающая среда.

Управление доступом к линии связи осуществляется сетевыми адаптерами. Для управления передачей данных по локальной сети Ethernet использует алгоритм Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) - (множественный доступ к среде с детектированием несущей и обнаружением конфликтов) при передаче электрических сигналов по соединяющему компьютеры кабелю.

Передача данных в сети Ethernet происходит со скоростью 10 Мбит/с.  Применяемая топология шина подразумевает, что:

        все устройства, подключённые к сегменту сети, равноправны, т. е. любая станция может начать передачу в любой момент времени, если передающая среда свободна;

        кадр, передаваемый одной станцией, одновременно анализируется всеми остальными станциями сегмента.

При применении топологии типа «пассивная звезда» предполагается использование дополнительного оборудования - концентраторов, соединяющих между собой различные части (сегменты) сети. В качестве среды передачи может использоваться толстый или тонкий коаксиальный кабель, витая пара, оптоволокно или радиоволны. Коаксиаль­ный кабель принято использовать для шинных сегментов, а витая пара и оптоволоконный кабель - для лучей пассивной звезды. Главное - чтобы в полу­ченной в результате топологии не было замкнутых путей (петель), фактически получается, что абоненты соединены в физическую шину, так как сигнал от каждого из них распространяется сразу во все стороны и не воз­вращается. Гальваническая развяз­ка в сети Ethernet осуществляется аппаратурой адаптеров, репитеров и концентраторов.

Передача данных в сети происходит следующим образом. Станция проверяет состояние среды передачи данных (шины). Если среда занята, то станция ожидает освобождения среды. Если среда свободна, то станция начинает передавать кадр данных, одновременно контролируя состояние среды (несущую частоту). В том случае, когда за время передачи кадра станция не обнаружила состояние коллизии в сети (т. е. частота  не изменилась), считается, что данные переданы успешно.

Если при передаче кадра произошла коллизия (т. е. несущая частота изменилась и значит, что в среде передачи столкнулись кадры нескольких абонентов), то станция прекращает передавать данные и выдаёт специальный сигнал «Jam», для того, чтобы указать на возникновение коллизии и позволить всем станциям определить, что произошла коллизия. Затем станция переходит в состояние ожидания на небольшой случайный промежуток времени, по окончании которого она, проверив среду, пытается ещё раз передать по сети свой кадр. Если за 16 попыток станции не удается передать свои данные, то считается, что среда недоступна.

Существуют две основных причины возникновения коллизий в сети Ethernet:

        наличие неисправной сетевой карты - NIC (Network Interface Card) у одного или нескольких абонентов сети;

        наличие задержки распространения сигнала по сети Ethernet.  

Задержка распространения сигнала в сегменте (propagation delay) это интервал времени, отделяющий момент начала процесса передачи данных абонентом, который размещен на одном окончании сегмента сети от момента начала приема данных абонентом, который размещен на другом окончании сегмента сети.

Наиболее неблагоприятной с точки зрения возникновения коллизии является ситуация, когда одна станция уже завершила передачу кадра, но переданный кадр из-за задержки распространения сигнала в линии ещё не дошел до другой станции, которая тоже начинает выполнять  передачу своего кадра. Для того чтобы избежать возникновения подобных ситуаций, все станции должны быть размещены внутри так называемого коллизионного домена (collision domain). Коллизионный домен  - виртуальная область в пределах сегмента локальной сети. Задержка распространения сигнала между любыми двумя станциями, которые принадлежат данной области, не должна превышать установленного значения - диаметра коллизионного домена. Значение диаметра коллизионного домена обычно определяется в единицах времени и соответствует удвоенному времени передачи кадра минимальной длины для данного типа сети Ethernet.

Каждый компьютер, а точнее, каждый сетевой адаптер, имеет уникальный адрес. Такой адрес обычно используется только аппаратурой, поэтому его стараются сделать по возможности компактным и записывают в виде двоичного или шестнадцатеричного значения 6-байтного значения, например 0081005е24а8. Использование аппаратных адресов связано с одним недостатком - при замене аппаратуры, например, сетевого адаптера, изменяется и адрес компьютера. Более того, при установке нескольких сетевых адаптеров у компьютера появляется несколько адресов, что не очень удобно для пользователей сети.

Физический адрес в сети Ethernet является 6-тибайтным и состоит из двух частей:

        идентификатор производителя оборудования;

        индивидуальный идентификатор устройства.

В сети Ethernet предусмотрена инди­видуальная, групповая и широковещательная адресация и три основных режима формирования адреса назначения:

        Unicast;

        Multicast;

        Broadcast. 

Первый режим адресации (Unicast) используется в том случае, когда станция - источник адресует передаваемый пакет только одному получателю данных. Признаком использования режима адресации Multicast является наличие 1 в младшем бите старшего байта идентификатора производителя оборудования, например 01-00-0C-CC-CC-CC. Кадр, содержание поля «Адрес» которого принадлежит типу Multicast, будет принят и обработан всеми станциями, которые имеют соответствующее значение поля.

Станция сети Ethernet может также использовать режим адресации типа Broadcast. Адрес станции назначения типа Broadcast кодируется специальным значением FF-FF-FF-FF-FF-FF.  При использовании данного адреса переданный пакет будет принят всеми станциями, которые находятся в данной сети.

Помимо адреса, который жестко определен при изготовлении (Universally Administered Address), сетевое устройство может получить с помощью специального программного обеспечения адрес, который будет иметь только локальное значение (Locally Administered Address). Признаком использования адреса такого типа является наличие в МАС – адресе источника 1 во втором бите старшего байта идентификатора производителя оборудования.

 

Таблица 3.1 - Формат кадра Ethernet

Preamble	Преамбула	8 байт	Поле преамбулы Ethernet  у кадра объясняется необходимостью установления надежной взаимной синхронизации тактовых генераторов передатчика и приемника данных. Преамбула состоит из 8 байт, первые семь из которых пред­ставляют собой код 10101010, а последний восьмой - код 10101011.
DA	Адрес назначения	6 байт	В этом поле кадра Ethernet  отправитель размещает МАС адрес получателя для данного пакета. Адреса назначения могут иметь один из типов - Unicast/broadcast/multicast.
SA	Адрес Источника	6 байт	В этом поле кадра Ethernet отправитель размещает свой собственный MAC - адрес, для того чтобы получатель мог его идентифицировать.
Type	Тип	2 байта	Это поле в пакете Ethernet   содержит информацию о типе данного пакета и используемого протокола. Поле обрабатывается программно.
Data	Данные	46-1500 байт	В этом поле размещается полезная нагрузка кадра – блоки данных верхних уровней. Длина этого поля является переменной и определяется размером инкапсулируемого блока данных верхнего уровня. Если пакет должен содержать менее 46 байт данных, то поле данных дополняется байтами заполнения.
CRC	Контрольная сумма	4 байта	Это поле занимает 4 последних байта кадра Ethernet  и содержит контрольную 32–х разрядную контрольную сумму всех информационных полей кадра – без преамбулы и собственно поля CRC.

 

Минимальная длина кадра для сетей Ethernet (пакета без преамбулы) состав­ляет 64 байта (512 бит). Именно эта величина определяет максимально допустимую двойную задержку распространения сигнала по сети в 512 битовых интервалов (51,2 мкс для Ethernet). Стандарт предполагает, что преамбула может уменьшаться при прохождении пакета через различные сетевые устройства, поэтому она не учитывается. Максимальная длина кадра равна 1518 байтам (12144 бита, то есть 1214,4 мксдля Ethernet). Это важно для выбора размера буферной памяти сетевого оборудования и для оценки общей загруженности сети.

Один из механизмов, который предназначен для обеспечения равномерного доступа, определяется процедурой inter frame gap (интервал между кадрами). Для сетей 10 Мбит/сек величина IFG составляет 9.6 микросекунд.

Стандарт IEEE 802.3 содержит несколько спецификаций сетей, отличающихся топологией и типом используемого кабеля. Для сети Ethernet, работающей на скорости 10 Мбит/с, стандарт опреде­ляет четыре основных типа среды передачи информации:

        10BASE5 (толстый коаксиальный кабель);

        10BASE2 (тонкий коаксиальный кабель);

        10BASE-T (витая пара);

        10BASE-FL, 10BASE-F, 10BASE-FB,  FOIRL (оптоволоконный кабель).

Обозначение среды передачи включает в себя три элемента: цифра «10» означает скорость передачи 10 Мбит/с, слово BASE означает передачу в основной полосе частот (то есть без модуляции высокочастотного сигна­ла), а последний элемент означает допустимую длину сегмента: «5» - 500 метров, «2» - 200 метров(точнее, 185 метров) или тип линии связи: «Т» - витая пара (от английского «twisted-pair»), «F» - оптоволоконный кабель (от английского «fiber optic»).

Для передачи двоичной информации по кабелю для всех вариантов физического уровня технологии Ethernet, обеспечивающих  пропускную способность 10 Мбит/с используется манчестерский код и один и тот же метод разделения среды передачи - CSMA/CD.

Спецификация IEEE 802.3 10 Base 5

В качестве среды передачи данных технология использует толстый коаксиальный кабель марок RG-8 и RG-11, который имеет механические и электрические характеристики, приведенные в таблице 3.2.

 

Таблица 3.2 - Спецификация IEEE 802.3 10 Base 5

Параметр	Значение
Волновое сопротивление	50 Ом
Наружный диаметр кабеля	10 мм
Диаметр центрального проводника	2,17 мм
Максимальная длина сегмента	500 м
Максимальное число станций в сети	297
Максимальное число станций в сегменте	100
Минимальное расстояние между станциями	2,5 м
Максимальное расстояние между уздами при использовании hub	2500 м
Максимальное число повторителей между любыми станциями сети	4

 

Каждый сегмент должен иметь физическое и электрическое завершение – терминатор с сопротивлением 50 Ом. Терминатор предназначен для согласования с линией окончания кабеля. Станция должна подключаться к кабелю при помощи трансивера, который устанавливается непосредственно на кабеле и питается от сетевого адаптера компьютера. Трансивер может подключаться к кабелю как методом прокалывания, так и бесконтактным способом. Трансивер с сетевым адаптером соединяется интерфейсным кабелем AUI (Attachment Unit Interface) длиной до 50 метров, состоящим из 4 витых пар (адаптер должен иметь разъем AUI). Основными активными компонентами сети 10Base5 являются повторители – репитеры, которые обеспечивают возможность объединения нескольких физических сегментов в один логический сегмент.

При проектировании сети Ethernet стандарта 10Base-5 правило 5-4-3 звучит следующим образом:

Сеть стандарта 10Base-5 может состоять максимум из 5-ти сегментов кабеля, соединенных 4-мя репитерами, но только к трем сегментам могут быть подключены рабочие станции. Тем самым два сегмента служат исключительно целям удлинения магистрали.

 

 

Спецификация IEEE 802.3 10 Base 2

 

Сети, которые построены по технологии 10Base2, иногда называют «cheaper net» - дешевые сети. В качестве среды передачи данных технология 10Base2 использует тонкий коаксиальный кабель марки RG-58. Таблица 3.3 представляет механические и электрические характеристики этого кабеля, а также некоторые параметры сетей 10 Base 2.

 

Таблица 3.3 - Спецификация IEEE 802.3 10 Base 2

Параметр	Значение
Волновое сопротивление	50 Ом
Наружный диаметр кабеля	5 мм
Диаметр центрального проводника	1 мм
Максимальная длина сегмента	185 м
Максимальное число станций в сети	87
Максимальное число станций в сегменте	30
Минимальное расстояние между станциями	1  м
Максимальное расстояние между уздами при использовании hub	925 м
Максимальное число повторителей между любыми станциями сети	4

 

Каждый сегмент должен иметь физическое и электрическое завершение – терминатор с сопротивлением 50 Ом. Терминатор предназначен для согласования с линией окончания кабеля. Станции подключаются к кабелю с помощью BNC T-коннектора, который представляет собой тройник, один отвод которого соединяется с сетевым адаптером, а два других – с двумя концами разрыва кабеля. Основными активными компонентами сети 10Base2 являются повторители – репитеры, которые обеспечивают возможность объединения нескольких физических сегментов в один логический сегмент.

Сеть стандарта 10Base-2 может состоять максимум из 5-ти сегментов кабеля, соединенных 4-мя репитерами, но только к трем сегментам могут быть подключены рабочие станции. Тем самым два сегмента служат исключительно целям удлинения магистрали.  Для сетей 10Base-2 максимальная длина сегмента - 185 м. Максимальный диаметр сети  185х5=925 м.

 

 

Спецификация IEEE 802.3 10 Base T

 

Для обеспечения информационного обмена в технологии 0BaseT используются две неэкранированные витые пары (unshielded twisted pair – UTP категории 3). Одна пара служит для передачи данных, другая – для приема.   Сеть 10BaseT имеет топологию типа «звезда». В сегменте этой сети может находиться только два устройства – обычно это рабочая станция и многопортовый повторитель (концентратор, хаб). Поскольку каждый компонент сети 10BaseT использует отдельные сигнальные пары для передачи и приема информации, факт возникновения коллизии в этой сети регистрируется в  момент, когда передающая станция обнаруживает появление сигнала SFD на линии принимаемых данных.  Концентраторы 10BaseT можно соединять друг с другом с помощью тех же портов, которые предназначены для подключения конечных узлов. Для создания сетей с большим количеством станций концентраторы можно соединять друг с другом иерархическим способом, образуя древовидную структуру.

В технологии 10BaseT возможно использование двух режимов информационного обмена:

        полудуплексный режим;

        полнодуплексный режим.

Полудуплексный режим – для передачи и приема данных используются различные каналы. Передача и прием данных не могут осуществляться одновременно. Полнодуплексный режим – для передачи и приема данных используются различные каналы. Передача и прием данных могут осуществляться одновременно. При использовании полнодуплексного режима производительность сети увеличивается вдвое.

В таблице 3.4 приведены некоторые обобщенные характеристики сетей, которые построены по технологии 10 Base T.

 

Таблица 3.4 - Спецификация IEEE 802.3 10 Base Т

Параметр	Значение
Максимальная длина сегмента	100 м
Максимальное число станций в сегменте	2
Тип используемого соединителя	RG45
Категория сетевых компонентов	3 и выше
Макс. число репитеров между станциями	4
Общее количество станций в сети	1024
Максимальный диаметр сети	500 м

 

В сетях 10 Base T действует правило «4 хабов» - между двумя любыми станциями сети может быть установлено не более 4-х концентраторов, заменяющее правило «5-4-3» для коаксильных сетей.

 

 

Спецификация IEEE 802.3 10 Base FO

 

Сеть 10BaseFO имеет топологию типа «звезда». В сегменте этой сети может находиться только два устройства – обычно это рабочая станция и многопортовыйповторитель (концентратор, хаб). Для соединения адаптера с повторителем используется два оптоволокна. Применение оптических (FO) кабельных систем позволяет увеличить длины кабельных сегментов, возрастает безопасность (несанкционированное подключение к оптическому кабелю в реальной практике можно не рассматривать) и помехоустойчивость (FO кабели связи не восприимчивы к внешним электромагнитным излучениям и не излучают сами).

 

Таблица 3.4 - Спецификация IEEE 802.3 10 Base FO

Параметр	Значение
Максимальная длина сегмента 10BASE-FL	2000 м
Максимальная длина сегмента FOIRL	1000 м
Максимальное число станций в сегменте	2
Общая длина сети	2500 м
Максимальное число повторителей	4
Общее количество станций в сети	1024

 

Для стандартов 10BASE-FL и FOIRL  максимальные отрезки кабеля между повторителями и между повторителями и конечными узлами использовать недопустимо.

Стандарт 10BASE-FB предназначен только для соединения повторителей, а конечные узлы не могут использовать этот стандарт для присоединения к портам концентраторов. Между узлами сети можно установить до 5 повторителей 10BASE-FB при максимальной длине одного сегмента 2000м, а максимальная длина сети – 2740 м. Оптоволоконные стандарты разрешают соединять концентраторы только в древовидные иерархические структуры.

 

 

Методика расчета конфигурации сети Ethernet

 

Соблюдение многочисленных ограничений, установленных для различных стандартов сети, гарантирует корректную работу сети. Наиболее часто требуется проверять ограничения, связанные с длиной отдельного сегмента, количеством повторителей и общей длиной сети.

Специалисты, которые хотят самостоятельно рассчитывать максимальное количество повторителей и общую длину сети могут использовать две системы расчетов:

    первая система предполагает вычисление двойного (круго­вого) времени прохождения сигнала по сети и сравнение его с максимально допустимой величиной – не более 575 битовых интервалов;

    вторая система проверяет допустимость величины получа­емого межкадрового временного интервала, межпакетной щели (IPG - InterPacket Gap) в сети – не больше 49 битовых интервала.

При этом вычисления в обеих системах расчетов ведутся для наихудше­го случая, для пути максимальной длины, то есть для такого пути пере­даваемого по сети пакета, который требует для своего прохождения мак­симального времени.

При первой системе расчетов выделяются три типа сегментов:

    начальный сегмент - это сегмент, соответствующий началу пути максимальной длины;

    конечный сегмент - это сегмент, расположенный в конце пути максимальной длины;

    промежуточный сегмент - это сегмент, входящий в путь максимальной длины, но не являющийся ни начальным, ни конечным.

 

Таблица 3.5 - Величины задержек для расчета двойного времени прохождения

Тип кабеля	Максимальная длина сегмента	Начальный сегмент		Промежуточный сегмент		Конечный сегмент		Задержка на метр длины,
		T0	tm	T0	tm	T0	tm	T1
10 BASE5	500	11,8	55,0	46,5	89,8	169,5	212,8	0,0866
10BASE2	185	11,8	30,8	46,5	65,5	169,5	188,5	0,1026
10BASE-T	100	15,3	26,6	42,0	53,3	165,0	176,3	0,113
10BASE-FL	2000	12,3	212,3	33,5	233,5	156,5	356,5	0,100
10BASE-FB	2000	-	-	24.0	110,0	-	-	0.100
FOIRL	1000	7,8	107,8	29,0	129,0	152,0	252,0	0,100
AUI	50	0	5,1	0	5,1	0	5,1	0,1026

 

Промежуточных сегментов в выбранном пути может быть несколько, а начальный и конечный сегменты при разных расчетах могут меняться местами друг с другом. Выделение трех типов сегментов позволяет авто­матически учитывать задержки сигнала на всех концентраторах, входя­щих в путь максимальной длины, а также в приемопередающих узлах адаптеров.

Для расчетов используются величины задержек, представленные в таб­лице. Методика расчета сводится к следующему:

1. в сети выделяется путь максимальной длины. Все дальней­шие расчеты ведутся для него. Если этот путь не очевиден, то расчеты ведутся для всех возможных путей, и на основании этих расчетов выбирается путь максимальной длины;

2. если длина сегмента, входящего в выбранный путь, не мак­симальна, то рассчитывается двойное (круговое) время про­хождения в каждом сегменте выделенного пути по форму­ле: t_s = LT₁ + T₀, где L - длина сегмента в метрах (при этом надо учитывать тип сегмента: начальный, промежуточный или конечный);

3. если длина сегмента равна максимально допустимой, то из таблицы для него берется величина максимальной задерж­ки t_m;

4. суммарная величина задержек всех сегментов выделенно­го пути не должна превышать предельной величины 575 битовых интервалов (57,5 мкс);

5. выполняются те же действия для обратного направления выбранного пути (то есть конечный сегмент считается на­чальным, и наоборот). Из-за разных задержек передающих и принимающих узлов концентраторов величины задержек в разных направлениях могут отличаться (правда, не слиш­ком сильно);

6. если задержки в обоих случаях не превышают величины 575 битовых интервалов, то сеть считается работоспособной.

 

Второй расчет проверяет соответствие стан­дарту величины межкадрового интервала (IPG).

Эта величина изначаль­но не должна быть меньше, чем 96 битовых интервалов (9,6 мкс), то есть только через 9,6 мкс после освобождения сети абоненты могут начать свою передачу. Однако при прохождении пакетов (кадров) через репитеры и концентраторы межкадровый интервал может сокращаться, вследствие чего два пакета могут в конце концов восприниматься абонентами как один. Допустимое сокращение IPG определено стандартом в 49 битовых интер­валов (4,9 мкс).

 

Таблица 3.6 -  Величины сокращения межкадрового интервала (IPG) для разных сегментов Ethernet

Сегмент	Начальный	Промежуточный
10BASE-2	16	11
10BASE-5	16	11
10BASE-T	10,5	8
10BASE-FL	10,5	8
10BASE-FB	-	2

 

Для вычислений здесь используют­ся понятия начального сегмента и промежуточного сегмента. Конечный сегмент не вносит вклада в сокращение межкадрового интервала, так как пакет доходит по нему до принимающего компьютера без прохождения репитеров и концентраторов. Вычисления здесь очень простые. Для них используются данные таблицы 3.6. Для получения полной величины сокращения IPG надо просуммировать величины из таблицы для сегментов, входящих в путь максимальной дли­ны, и сравнить сумму с предельной величиной 49 битовых интервалов. Если сумма меньше 49, мы можем сделать вывод о работоспособности сети. Для гарантии расчет производится в обоих направлениях выбранного пути.

 

 

Репитер (повторитель)

 

Если длина сети превышает максимальную длину сегмента сети, необходимо разбить сеть на несколько сегментов, соединив их через репитер.  Конструктивно репитер может быть выполнен либо в виде отдельной конструкции со своим блоком питания, либо в виде платы, вставляемой в слот расширения материнской платы компьютера.  Репитер в виде отдельной конструкции стоит дороже, но он может быть использован для соединения сегментов Ethernet, выполненных как на тонком, так и на толстом кабеле, так как он имеет и коаксиальные разъемы, и разъемы для подключения трансиверного кабеля. С помощью этого репитера можно даже соединять в единую сеть сегменты, выполненные и на тонком, и на толстом кабеле.  Репитер в виде платы имеет только коаксиальные разъемы и поэтому может соединять только сегменты на тонком коаксиальном кабеле. Однако он стоит дешевле и не требует отдельной розетки для подключения электропитания. Один из недостатков встраиваемого в рабочую станцию репитера заключается в том, что для обеспечения круглосуточной работы сети станция с репитером также должна работать круглосуточно. Если вы выключите питание, связь между сегментами сети будет нарушена.  Функции репитера заключаются в физическом разделении сегментов сети и обеспечении восстановления пакетов, передаваемых из одного сегмента сети в другой. Репитер повышает надежность сети, так как отказ одного сегмента (например, обрыв кабеля) не сказывается на работе других сегментов. Однако, разумеется, через поврежденный сегмент данные проходить не могут.

Многопортовые повторители Ethernet на витой паре стали называть концентраторами или хабами. Концентратор Ethernet обычно имеет от 8 до 72 портов, причем основная часть портов предназначена для подключения кабелей на витой паре. На рис. показан типичный концентратор Ethernet, рассчитанный на образование небольших сегментов разделяемой среды. Он имеет 16 портов стандарта 10Base-T с разъемами RJ-45, а также один порт AUI для подключения внешнего трансивера. Обычно к этому порту подключается трансивер, работающий на коаксиале или оптоволокне. С помощью этого трансивера концентратор подключается к магистральному кабелю, соединяющему несколько концентраторов между собой.

 

 

Рисунок 3.4 - Концентратор Ethernet

 

Для соединения концентраторов технологии 10Base-T между собой в иерархическую систему можно применять те же порты, что и для подключения конечных станций, с учетом одного обстоятельства. Дело в том, что обычный порт RJ-45, предназначенный для подключения сетевого адаптера и называемый MDI-Х (кроссированный MDI), имеет инвертированную разводку контактов разъема, чтобы сетевой адаптер можно было подключить к концентратору с помощью стандартного соединительного кабеля, не кроссирующего контакты. В случае соединения концентраторов через стандартный порт MDI-Х приходится использовать нестандартный кабель с перекрестным соединением пар. Поэтому некоторые изготовители снабжают концентратор выделенным портом MDI, в котором нет кроссирования пар. Таким образом, два концентратора можно соединить обычным некроссированным кабелем, если это делать через порт MDI-Х одного концентратора и порт MDI второго.

В большинстве моделей hub Ethernet все порты связаны с единственным блоком повторения, и при прохождении сигнала между двумя портами блок повторения повторяет сигнал на все свои порты, кроме того, откуда он поступил, внося задержку всего один раз.  Некоторые концентраторы реализуют дополнительную функцию по отключению портов. Эту функцию называют автосегментацией (autopartitioning). Основной причиной отключения порта в стандартах Ethernet является отсутствие ответа на последовательность импульсов link test, посылаемых во все порты каждые 16 мс. В этом случае неисправный порт переводится в состояние "отключен", но импульсы link test будут продолжать посылаться в порт с тем, чтобы при восстановлении устройства работа с ним была продолжена автоматически.

 

 

Технология Token Ring

 

Сетевая технология Token Ring была разработана компанией IBM, а затем передана в качестве проекта стандарта в комитет IEEE 802, который на ее основе принял стандарт 802.5.

Token Ring (кольцевая сеть с маркерным доступом) называется так, потому что образует из хостов (узлов) логическое кольцо. Сегменты локальной сети, организованной по технологии Token Ring, передают сигналы по очереди от одного хоста к следующему, как если бы кабель на самом деле представлял собой одно гигантское кольцо. На практике компьютеры объединены в физическое кольцо с помощью концентраторов, к которым они подключаются по топологии "звезда". Логически сеть Token Ring также имеет топологию «кольцо».

Сети Token Ring характеризует разделяемая среда передачи данных, которая состоит из отрезков кабеля, соединяющих все станции сети в кольцо. Кольцо рассматривается - это общий разделяемый ресурс. Метод доступа к этому общему разделяемому ресурсу называют маркерный. Сети Token Ring работают с двумя битовыми скоростями - 4 и 16 Мбит/с. В одном кольце все станции могут работать только на одной определенной скорости - либо 4 Мбит/с, либо 16Мбит/с.

Спецификации Token Ring допускают такие типы кабелей как экранированные с проводом типа "витая пара" UTP Type 3,4,5,5е,6, волоконно-оптические кабели двух стандартов, и гибкие экранированные кабели типа «витая пара» STP Type I.   Для присоединения кабеля к сетевому адаптеру используется внешний 9-контактный разъем типа DIN. Концентраторы, которые используются в технологии Token Ring IBM имеют специфические названия, которые означают - устройство многостанционного доступа.  MAU (Multistation Access Unit) или MSAU (Multi-Station Access Unit).  Концентраторы в технологии Token Ring разделили на два типа: активные и пассивные.  Пассивный концентратор просто соединяет порты внутренними связями так, чтобы станции, подключаемые к этим портам, образовали кольцо. Ни усиление сигналов, ни их ресинхронизацию пассивный MSAU не выполняет. Если какая-то станция отключается, то MSAU обеспечивает обход того порта, к которому присоединена эта станция. Поэтому кольцо всегда сохраняет свою работоспособность, даже если какая-то станция выключена. Активныеконцентраторы именно и выполняют функции повторителя, такие же, как и повторители Ethernet. Они обеспечивают ресинхронизацию сигналов и исправление их амплитуды и формы.

Конечные узлы сети подключаются к MSAU по топологии звезды, а сами MSAU объединяются друг с другом через специальные порты Ring In (RI) и Ring Out(RO) для образования магистрального физического кольца (рисунок 3.5).

 

 

Рисунок 3.5 - Концентратор Token Ring

 

Кабели, соединяющие станцию с концентратором, называются ответвительными (lobe cable), а кабели, соединяющие концентраторы, - магистральными (trunkcable).  Чтобы избежать выхода из строя всей сети, если какая-либо из станций отказалась работать, станции подключаются к магистрали кольца через специальные устройства, называемые устройствами подключения к магистрали (Trunk Coupling Unit, TCU). Это устройство должно образовать, в случае отказа или отключения какой-то станции, обходной путь, исключающего заход магистрали в MAC-узел этой станции.  При подключении станции в кольцо через концентратор, устройства TCU встраивают в порты концентратора.

 

Таблица 3.7 - Общие характеристики стандарта 802.5

Тип кабеля	STP	UTP
Максимальное число узлов	260	72
Максимальное число MSAU на сегменте	33	9
Максимальная длина ответвительного кабеля, м:
1) (для скорости 4 Mbps)	300	150
2) (для скорости 16 Mbps)	100	50
Максимальная длина сегмента,м:
1) между активными репитерами	730	365
2) между пассивными репитерами	100	50
Максимальная длина кольца – 4000м

 

Оптоволоконный кабель позволяет увеличивать длину кабеля до 1 км. (5000м)

Компьютер, который первым начал работу, наделяется системой Token Ring особыми функциями и называется активным монитором. Все стальные ПК будут называться резервными мониторами. Активный монитор должен осуществлять текущий контроль за работой всей сети: отслеживая кадры, проходящие по кольцу более одного раза; следить, чтобы в кольце одномоментно находился лишь один – единственный маркер и т. п.  Как только в сети Token Ring начинает работать первый компьютер, он генерирует маркер. Маркер проходит по кольцу от компьютера к компьютеру, пока один из них не изъявит желание передать данные.  Захватив маркер, компьютер-отправитель присоединяет к маркеру кадр данных и отправляет его в сеть. Кадр проходит по кольцу, пока не достигнет узла с адресом, соответствующим адресу приёмника в кадре. Компьютер – приёмник копирует кадр в буфер СА и делает пометку в поле статуса кадра о получении информации. Кадр продолжает передаваться по кольцу, пока не достигнет отправившего его компьютера. ПК- отправитель удостоверившись, что передача прошла успешно изымает кадр и возвращает в сеть маркер. В сети одномоментно может передаваться только один маркер, причём только в одном направлении.  Каждый компьютер действует как однонаправленный повторитель, регенерируя  и посылая его дальше по кольцу.

Token Ring определяет три типа кадров: маркер, кадр данных (служебных или пользовательских) и прерывания.

 

Таблица 3.8 - Структура пакетов Token Ring

Поле кадра, байт	Маркер
Стартовый разделитель – 1	Сигнализирует о начале кадра
Управление доступом - 1	Указывает на приоритет кадра и на то, что передается кадр маркера или кадр данных
Конечный разделитель -1	Сигнализирует о конце кадра
	Кадр данных
Стартовый разделитель - 1	Сигнализирует о начале кадра
Управление доступом - 1	Указывает на приоритет кадра и на то, что передается кадр маркера или кадр данных
Управление кадром - 1	Указывает, что передача осуществляется только для одного компьютера или  для всех компьютеров
Адрес получателя - 6	Старший бит адреса определяет получателя: 0 - индивидуальный (одна станция), 1 - групповой. Второй бит адреса определяет способ назначения адреса: 0 - глобально (универсально, зашито в ПЗП адаптера), 1 - локально. Другие биты используются для указания адреса станции, кольца или группы получателей.
Адрес отправителя - 6	имеет тот же формат, что и адрес назначения, за исключением старшего бита. В адресе источника старший бит называется (Routing Information Indicator) и указывает (если RII=1) на наличие данных в поле маршрутной информации.
Маршрутная информация -0	содержит последовательность (двухбайтных) адресов сегментов на пути к получателю. Данные этого поля управляют работой мостов в режиме маршрутизации от источника
Данные – 4/16 К	Передаваемая информация
CRC - 4	Поле для проверки ошибок
Конечный разделитель - 1	Сигнализирует о конце кадра
Статус кадра - 1	Сообщает, был ли распознан и скопирован кадр (доступен ли адрес приемника)
	Прерывание
Стартовый разделитель – 1	Сигнализирует о начале кадра
Конечный разделитель -1	Сигнализирует о конце кадра

 

 

Лабораторная работа рассчитана на 3 часа аудиторных занятий и включает в себя изучение кратких теоретических сведений,  выполнение задания к лабораторной работе, оформление отчета и сдачу работы.

 

 

Задание к работе:

В процессе проектирования одноранговой локальной  вычислительной сети предприятия спецификаций IEEE 802.3  и 802.5 в соответствии с индивидуальным вариантом задания осуществить:

    подбор оборудования для реализации ЛВС;

    построение функционально-логической схемы ЛВС;

    расчет работоспособности конфигурации ЛВС;

    подготовку спецификации на компьютеры, телекоммуникационное оборудование, кабель, коннекторы.

 

 

Содержание отчета:

1.      название, задание и индивидуальный вариант к работе;

2.      функционально-логическая схема проектируемой ЛВС;

3.      спецификация на компьютеры, телекоммуникационное оборудование, кабель, коннекторы;

4.      расчеты, подтверждающие работоспособность сети.

 

 

Индивидуальные варианты

 

 

Вариант	Здание	Этаж	Количество рабочих станций
			Кабинет 1	Кабинет 2	Кабинет 3	Кабинет 4	Кабинет 5	Кабинет 6
1	1	1	1	2	1	2	1	3
		2	3	1	2	1	2	1
		3	1	3	1	2		2
	2	1	2	1	3	1	2	-
		2	2	3	1	2	3	-
2	1	1	3	1	2	1	2	1
		2	1	3	1	2	1	2
	2	1	2	1		1	3	-
		2	2	3	1	2	2	-
		3	4	2	1	2	1	-
3	1	1	3	1	2	1	2	1
		2	1	2	1	2	1	3
		3		1	2	1	3	1
	2	1	3	1	3	1	2	-
		2	1	2	1	2	4	-
		3	2	3	4	5	3	-
4	1	1	1	3	1	2	1	2
		2	3	1	2	1	2	1
	2	1	3	1	2	3	1	-
		2	4	1	2	1	2	-
5	1	1	1	2	1	2	1	3
	2	1	2	4	2	1	3
		2	3	1	3	1	2	-
6	1	1	2	3	1	2	2	5
		2	4	2	-	2	1	3
	2	1	3	1	2	1	2	-
		2	1	2	1	2	1	-
		3	2	1	2	1	3	-
7	1	1	2	3	1	2	3	-
		2	3		2	1	2	1
		3	1	3	1	2	1	2
	2	1	2	1	3	1	3	-
8	1	1	3	1	2	3	1	5
		2	4	1	2	1	2	4
	2	1	3	3	1	2	1	-
		2	1	2	1	2	1
9	1	1	2	1	2	1	3	1
	2	1		1	3	1	2	-
		2	2	3	1	2	2	-
		3	4	2	1	2	1	-
10	1	1	3	1	2	1	2	1
		2	1	2	1	2	1	3
		3	2	1	2	1	3	4
	2	1	2	3	1	2	3	-
		2	3	4	5	1	2	-
		3	4	5	1	2	3	-
11	1	1	1	2	1	2	1	3
		2	3	1	2	1	2	1
	2	1	1	3	1	2	1	-
		2	2	1	3	1	2	-
		3	2	3	1	2	3	-
12	1	1	3	1	2	1	2	1
		2		3	1	2	1	2
		3	2	1	3	1	3	-
	2	1	2	3	1	2	2	-
		2	4	2	1	2	1	-
13	1	1	4	3	2	1	2	3
		2	5	2	1	2	1	3
		3	2	3	2	1	4	1
	2	1	3	4		1	2	-
		2	1	2	4	2	4	-
		3	2	3	4	5	3
14	1	1	3	3	1	2	1	2
		2	3		2	4	2	2
	2	1	3	1	2	3	1	-
		2	4	3	2	1	3	-
15	1	1	1	2	1	2	1	3
		2	2	3	3	4	4	4
	2	1	2	4	2	1	3
		2	3	1	3	1	2	-
16	1	1	2	3	1	2	2	1
		2	4	2	1	2	1	3
	2	1	3	2	2	5	2
		2	1	2	1	2	1
		3	2	1	4	4	3
17	1	1	2	3	4	2	3	-
		2	3		2	1	2	1
		3	4	3	1	2	2	2
	2	1	2	5	3	1	3	-
18	1	1	3	1	2	3	1	-
		2	4	1	5	2	2	5
	2	1	3	3	1	2	1	-
		2	4	2	4	2	3	-
19	1	1	2	5	1	4	3	1
	2	1	3	2	3	1	4	-
		2	5	3	1	2	2
		3	4	2	3	2	5
20	1	1	3		2	1	2	1
		2	2	2	1	2	5	3
		3	2	1	2	1	3	1
	2	1	2	3	1	2	3	-
		2	4	2	5	1	2	-
		3	4	5	1	2	3	-
21	1	1	3	1	2	1	2	1
		2	1	3	1	2	1	2
	2	1	2	1	3	1	3	-
		2	2	3	1	2	2	-
22	1	1	4	2	1	2	1	-
		2		1	2	1	2	1
	2	1	5	2	1	2	1	-
		2	2	1	2	4	3	-
23	1	1	3	1	3	1	2	7
		2	1	2	1	2	4	1
	2	1	2	3	4	5	1	-
		2	1	3	1	2	1	-
		3	3	1	2	1	2	-
24	1	1	3	1	-	3	1	-
		2	4	1	2	1	2	1
		3	1	2	4	2	1	3
	2	1	3	1	2	1	1
25	1	1	3	1	3	1	2	2
		2	2	1	5	2	3	5
	2	1	3	3	2	1	1	-
		2	4	2	4	2	1	-

 

Вариант	L1, м	H1, м	D1, м	L11, м	L12, м	H2, м	D2, м	L21, м	L22, м	Тип среды передачи в зданиях и между зданиями
1	Max	9	45	5	6	6	15	3	5	10BASE5
2	Max	6	24	6	9	9	21	4	7	Tokin Ring (UTP)
3	Max	9	30	7	10	9	27	5	9	10BASE2
4	Max/2	6	15	8	12	6	30	6	10	10BASE-T
5	Max	3	18	10	5	6	42	7	6	10BASE-FL
6	Max	6	45	5	6	9	15	8	8	10BASE5
7	Max	9	24	6	9	3	21	9	5	Tokin Ring (UTP)
8	Max/2	6	30	7	10	6	27	10	4	10BASE2
9	Max	3	15	8	12	9	30	3	5	10BASE-T
10	Max	9	18	10	5	9	42	4	7	10BASE-FL
11	Max	6	45	5	6	9	15	5	9	10BASE5
12	Max/2	9	24	6	9	6	21	6	10	Tokin Ring (UTP)
13	Max	9	30	7	10	9	27	7	6	10BASE2
14	Max	6	15	8	12	6	30	8	8	10BASE-T
15	Max	6	18	10	5	6	42	9	5	10BASE-FL
16	Max/2	6	45	5	6	9	15	10	4	10BASE5
17	Max	9	24	6	9	3	21	3	5	Tokin Ring (UTP)
18	Max	6	30	7	10	6	27	4	7	10BASE2
19	Max	3	15	8	12	9	30	5	9	10BASE-T
20	Max/2	9	18	10	6	9	42	6	10	10BASE-FL
21	Max	6	45	5	9	6	15	7	6	10BASE5
22	Max	6	24	6	10	6	21	8	8	Tokin Ring (UTP)
23	Max	6	30	7	12	9	27	9	5	10BASE2
24	Max/2	9	15	8	5	3	30	10	4	10BASE-T
25	Max	6	18	10	15	6	42	8	5	10BASE-FL