informaticum

Łącza komunikacyjne i urządzenia sieciowe (repeater, bridge, switch, router), ich powiązanie z topologiami sieci komputerowych. Działanie sieci Ethernet i ATM.
BNC (British Naval Connector), sieci oparte o okablowanie koncentryczne są jednymi z pierwszych rodzajów lokalnych "pajęczyn" zgodnych ze standardem Ethernet. Konstruuje się je w oparciu o topologię magistrali. Jej podstawy zostały opracowane w 1980 roku, więc jest to technologia leciwa i niestosowana już dziś do profesjonalnych rozwiązań. Niemniej jednak do małych blokowych sieci jest w sam raz, ze względu na kilka nie zaprzeczalnych zalet.
Zalety sieci opartej na kablu koncentrycznym
Jest relatywnie tania w instalacji i utrzymaniu
Bardzo prosta w montażu.
Brak potrzeby używania (w podstawowych zastosowaniach) elementów aktywnych prócz karty sieciowej.
Doskonale nadaje się do instalacji zewnętrznych ze względu na odporność na zakłócenia, szumy, uszkodzenia mechaniczne oraz na warunki atmosferyczne.
Wady sieci opartej na kablu koncentrycznym
Ograniczona przepustowość do 10Mb/s
Średnia elastyczność kabla
Daje małe możliwości rozbudowy (brak modularnej budowy)
Awaria kabla w jednym miejscu unieruchamia cały segment sieci.
Trudności przy lokalizowaniu usterki
Ethernet to standard wykorzystywany w budowie głównie lokalnych sieci komputerowych. Obejmuje on specyfikację kabli oraz przesyłanych nimi sygnałów. Ethernet opisuje również format ramek.
W sieci Ethernet obowiązują następujące założenia:

Każda stacja prowadzi ciągły nasłuch łącza i sprawdza, stan łącza, tzn. czy łącze jest wolne, zajęte lub czy trwa strefa buforowa. Strefa buforowa jest odcinkiem czasu po ustaniu zajętości łącza. Łącze jest uważane za zajęte jeżeli odbiornik wykryje sygnał pochodzący od co najmniej jednego nadajnika.
Nadawanie jest dozwolone tylko wtedy, gdy łącze jest wolne. Jeżeli łącze jest zajęte a nadajnik ma dane do wysłania, należy poczekać do końca strefy buforowej.
Gdy podczas nadawania zostaje wykryta kolizja, stacja nadaje jeszcze przez pewien czas (tzw. czas wymuszenia) i zawiesza działalność na czas Ti.
Stacja może podjąć do 16 prób nadawania. Podjęcie każdej następnej próby zachodzi w przypadku, jeżeli poprzednia skończyła się kolizją. Jeżeli wystąpiło 16 kolejnych kolizji nadajnik przerywa działanie i sygnalizuje ten fakt warstwie wyższej, która zgłosiła żądanie nadawania.
Ethernet bazuje na idei węzłów podłączonych do wspólnego medium i wysyłających i odbierających za jego pomocą specjalne komunikaty (ramki). Wszystkie węzły posiadają unikalny adres MAC.
Istnieją 3 standardy ramek:
Ethernet wersja 1 - już nie używana,
Ethernet wersja 2 (Ethernet II) - zwana też ramką DIX od firm DEC, Intel i Xerox, które opracowały wspólnie ten typ ramki i opublikowały w 1978. Jest ona w tej chwili najczęściej stosowana, IEEE 802.x LLC,
Ramki różnią się pomiędzy sobą długościami nagłówków, maksymalną długością ramki (MTU) i innymi szczegółami. Różne typy ramek mogą jednocześnie korzystać z tej samej sieci. Na początku każdej ramki Ethernetu w wersji 2 wysyłana jest preambuła składająca się z siedmiu bajtów złożonych z naprzemiennych jedynek i zer:
10101010101010101010101010101010101010101010101010101010
Taki ciąg liczb pozwala na szybką synchronizację odbiorników. Następnie przekazywany jest bajt SFD (ang. start frame delimiter), czyli znacznik początkowy ramki w postaci sekwencji bitów (10101011).
W dalszej kolejności przesyłany jest nagłówek z adresami MAC docelowym i źródłowym oraz dane. Ramkę kończy suma kontrolna.
Długość – długość ramki minimalnie 64 maksymalnie 1518 bajtów
Wybrane wersję protokołu ethernet:
10BASE5 - standard z 1980 roku IEEE 802.3 używający grubego (12 mm) kabla koncentrycznego o impedancji falowej 50 Ohm.
10BASE2 - używa kabla koncentrycznego o średnicy ok. 5 mm.
10Base-T - pracuje na 4 żyłach (2 pary 'skrętki') kategorii 3.
100Base-TX - szybkość 100Mb/s. Wymaga 2 par skrętki kategorii 5.
1000BASE-T - 1 Gb/s na skrętce kat. 5 lub wyższej.
10GBASE-ER - Ethernet za pomocą światłowodów jednomodowych na odległość 40 km.
Kategorie skrętki:
3 - obejmuje typowe techniki sieci LAN wykorzystujące pasmo częstotliwości do 16 Mhz
5 - dla szybkich sieci lokalnych, obejmuje aplikacje wykorzystujące pasmo częstotliwości do 100 Mhz

6 - obejmuje okablowanie, którego parametry są określone do częstotliwości 250 MHz.Przewiduje się implementację Gigabit Ethernetu (4x 250 MHz = 1 GHz) i transmisji ATM 622 Mb/s 7- możliwa jest realizacja aplikacji wykorzystujących pasmo do 600 MHz. Różni się ona od poprzednich klas stosowaniem kabli typu STP
Światłowód włóknisty
(inne nazwy: włókno światłowodowe, włókno optyczne)
Schemat ilustrujący rozchodzenie się światła w wielomodowym światłowodzie włóknistym
Światłowód włóknisty to zazwyczaj, falowód dielektryczny o przekroju kołowym otoczony przez płaszcz z innego materiału dielektrycznego o mniejszym współczynniku załamania. Włókna światłowodowe wykonywane są najczęściej ze szkła krzemionkowego, czasem z innych szkieł lub z plastiku. Światłowody plastikowe są stosowane na krótkich odległościach.
Światłowód jednomodowy to rodzaj światłowodu służący do przesyłania jednego modu (promienia) światła, nazywanego modem podstawowym. W porównaniu ze światłowodem wielomodowym pozwala na transmisję na dłuższą odległość, bez stosowania wzmacniacza. Rdzeń włókna światłowodu jednomodowego ma średnicę 5-10 mikronów, natomiast płaszcz tego typu światłowodu ma zawsze średnicę 125 mikronów.
Światłowód wielomodowy jest rodzajem światłowodu przenoszącym wiele modów (promieni) światła, padających pod różnymi kątami do płaszcza światłowodu. W porównaniu ze światłowodem jednomodowym umożliwia transmisję na mniejszą odległość bez wzmacniacza sygnału.
Repeater

Repeater (czyli regenerator) jest to urządzenie sieciowe LAN używane do regenerowania lub replikowania sygnałów. Repeater może odtwarzać (czyli przywracać pierwotną postać) sygnały analogowe lub cyfrowe, które są zbyt słabe, aby je dalej transmitować. Repeatery analogowe pełnią najczęściej rolę prostych wzmacniaczy sygnału, podczas gdy regeneratory cyfrowe odbierają dane i po odpowiedniej obróbce kierują je do kolejnego segmentu sieci komputerowej LAN (Local Area Network). Repeater LAN sprzęga w sieci komputerowej poszczególne segmenty sieci LAN, zwiększając w ten sposób jej zasięg. Segmenty te mogą korzystać z różnych protokołów lub używać innego systemu okablowania. Regenerator logicznie jest traktowany jako kabel sieciowy. Po prostu regenerator, odbierając sygnały z sieci, wzmacnia je, poprawia ich parametry czasowe czyli regeneruje je. W dzisiejszych sieciach LAN nie wystepują już regeneratory, ich funkcje są już zaimplementowane w inteligentniejszych urządzeniach sieciowych LAN, jakimi są most , przełącznik , router , które na poziomie każdego portu dokonują regeneracji.
Bridge (most)

Most (bridge) jest inteligentnym urządzeniem w sieci LAN (Local Area Network), pozwalającym na łączenie kilku segmentów sieci LAN. Mosty są zorientowane na adresy fizyczne MAC, oznacza to, że ich zadaniem jest zapamiętywanie (uczenie się) adresów fizycznych urządzeń w sieci LAN, znajdujących się na każdym porcie mostu i budowanie tablic przekazywania CAM (Content Addressable Memory), w oparciu o które przekazywane są ramki między źródłem a przeznaczeniem. W klasycznej definicji bridge (most) ma tylko dwa porty, natomiast jego bardziej rozbudowana wersja nosi już nazwę przełącznika (switch ).
Switch (przełącznik)

Przełącznik (switche) są inteligentnie pracującymi węzłami sieci LAN. Przełącznik odbiera pakiety z jednego portu, poddaje je filtrowaniu (uruchamia funkcje bridge i sprawdza w CAM adresy MAC) i wysyła do drugiego portu. Klasyczne przełączniki LAN odczytują adresy zawarte w warstwie MAC, dlatego mogą obsługiwać pakiety generowane przez dowolny protokół operujący w warstwie sieciowej modelu OSI. Słowo klasyczne jest tu użyte celowo, ponieważ przełączniki pracujące w trybie Layer 3 Switching (zwane też przełącznikami trasującymi) mają już dostęp do adresów sieciowych stacji docelowych (czyli w sieciach Internet). Przełaczniki LAN pozwalają na budowanie komputerowych sieci lokalnych w oparciu o polityki logiczne i fizyczne, co pozwala na uniezależnienie hostów od położenia geograficznego w sieci LAN (Local Area Network).
Router

Węzły sieci operujące w trzeciej (sieciowej) warstwie modelu OSI noszą nazwę routerów. Są to urządzenia wyposażone najczęściej w kilka interfejsów sieciowych LAN, porty obsługujące sieci WAN, pracujący wydajnie procesor i specjalne oprogramowanie zawiadujące ruchem pakietów przepływających przez router. Jak sama nazwa wskazuje (ang. route to trasa), routery wyznaczają pakietom marszruty, kierując je do odpowiedniego portu lub karty sieciowej.
Chociaż routerem może też być zwykły komputer dysponujący kilkoma kartami sieciowymi i specjalnym oprogramowaniem, to jest to najczęściej dedykowany komputer, dysponujący rozwiązaniami znacznie zwiększającymi wydajność tego rodzaju węzłów sieci.
Przez lata routing IPv4 ewoluował od przekazywania pakietów obsługiwanych programowo (w pamięci), poprzez przekazywanie realizowane przez specjalizowane uklady scalone (ASIC), dalej przekazywanie przez uklady ASIC z szybkoscia danego interfejsu, az do wprowadzanego obecnie, przekazywania realizowanego przez procesory sieciowe z szybkością interfejsu (wirespeed).
Routery są stosowane zarówno w sieci LAN, jak i WAN. W sieci LAN (routery lokalne) są używane wtedy, gdy sieci LAN (Local Area Network) chcemy podzielić na dwie lub więcej podsieci, czyli poddać operacji segmentowania. Segmentacja sieci powoduje, że poszczególne podsieci sieci LAN są od siebie odseparowane i pakiety (zarówno unicast, jak i multicast czy broadcast) nie przenikają z jednej podsieci do drugiej. Korzyść jest oczywista: w ten sposób zwiększamy przepustowość każdej z podsieci w sieci LAN.
Topologia magistrali:
Sieć o takiej topologi umożliwia tylko jedną transmisję w danym momencie (wyjątkiem jest tutaj 10Broad36, który umożliwia podział kabla na kilka kanałów). Sygnał nadany przez jedną ze stacji jest odbierany przez wszystkie (co bez zastosowania dodatkowych zabezpieczeń umożliwia jego przechwycenie, które opiera się wyłącznie na przestawieniu karty sieciowej w tryb odbierania promiscuous), jednakże tylko stacja do której pakiet został zaadresowany, interpretuje go. Maksymalna przepustowość łącza w tych trzech podanych standardach sieci Ethernet to 10 Mb/s.
Zalety i wady
Zaletymałe użycie kabla
brak dodatkowych urządzeń (koncentratory, switche)
niska cena sieci
łatwość instalacji
awaria pojedynczego komputera nie powoduje unieruchomienia całej sieci
Wady
trudna lokalizacja usterek
tylko jedna możliwa transmisja w danym momencie (wyjątek: 10Broad36)
potencjalnie duża ilość kolizji
awaria głównego kabla powoduje unieruchomienie całej domeny kolizji
słaba skalowalność
niskie bezpieczeństwo
Topologia gwiazdy – charakteryzująca się tym, że kable sieciowe połączone są w jednym wspólnym punkcie, w którym znajduje się koncentrator lub przełącznik.
Topologia pierścienia
W topologii tej komputery połączone są za pomocą jednego nośnika informacji w układzie zamkniętym - okablowanie nie ma żadnych zakończeń (tworzy krąg). W ramach jednego pierścienia można stosować różnego rodzaju łącza. Długość jednego odcinka łącza dwupunktowego oraz liczba takich łączy są ograniczone. Sygnał wędruje w pętli od komputera do komputera, który pełni rolę wzmacniacza regenerującego sygnał i wysyłającego go do następnego komputera. W większej skali, sieci LAN mogą być połączone w topologii pierścienia za pomocą grubego kabla koncentrycznego lub światłowodu.
Metoda transmisji danych w pętli nazywana jest przekazywaniem żetonu dostępu. Żeton dostępu jest określoną sekwencją bitów zawierających informację kontrolną. Przejęcie żetonu zezwala urządzeniu w sieci na transmisję danych w sieci. Każda sieć posiada tylko jeden żeton dostępu. Komputer wysyłający, usuwa żeton z pierścienia i wysyła dane przez sieć. Każdy komputer przekazuje dane dalej, dopóki nie zostanie znaleziony komputer, do którego pakiet jest adresowany. Następnie komputer odbierający wysyła komunikat do komputera wysyłającego o odebraniu danych. Po weryfikacji, komputer wysyłający tworzy nowy żeton dostępu i wysyła go do sieci.
Zalety:
małe zużycie przewodów
możliwość zastosowania łącz optoelektronicznych, które wymagają bezpośredniego nadawania i odbierania transmitowanych sygnałów
możliwe wysokie osiągi, ponieważ każdy przewód łączy dwa konkretne komputery
Wady:
awaria pojedynczego przewodu lub komputera powoduje przerwanie pracy całej sieci jeśli nie jest zainstalowany dodatkowy sprzęt
złożona diagnostyka sieci
trudna lokalizacja uszkodzenia
pracochłonna rekonfiguracja sieci
wymagane specjalne procedury transmisyjne
dołączenie nowych stacji jest utrudnione, jeśli w pierścieniu jest wiele stacji
Topologia drzewa – topologia rozproszonej gwiazdy, poszczególne węzły rozgałęziają się tworząc małe podsieci.
ATM - Asynchronous Transfer Mode, technologia asynchronicznego przesyłu danych.
Sieć ATM powstała w wyniku połączenia techniki sieciowej wykorzystanej zarówno w sieciach lokalnych, jak i w sieciach rozległych.
Sieci ATM mogą przekazywać dane z szybkością rzędu gigabitów na sekundę.
Sieci ATM są droższe niż sieci zrealizowane przy użyciu innych technik. Aby zapewnić duże szybkości przesyłania danych, sieci ATM wykorzystują specjalne techniki sprzętowe i programowe.

Sieć ATM składa się z jednego lub wielu szybkich wymienników, z których każdy jest połączony z komputerami użytkowymi i z innymi wymiennikami ATM.
Po drugie sieci ATM wykorzystują kable optyczne również do łączenia komputerów użytkowych z wymiennikami ATM. Kable optyczne zapewniają większą szybkość przesyłania informacji niż kable miedziane. Typowe połączenie między komputerem użytkownika a wymiennikiem ATM pracuje z szybkością od 100 do 155 Mb/s. Po trzecie, najniższe warstwy sieci ATM używają pakietów stałej wielkości, nazywanych komórkami (ang cells). Wszystkie komórki mają ten sam rozmiar, wymienniki ATM mogą je więc przetwarzać bardzo szybko.
ATM zapewnia bardzo dużą szybkość przesyłanych danych, nadaje się zarówno do sieci lokalnych, jak i rozległych; umożliwia realizację wielu rozmaitych usług, takich jak przesyłanie dżwięków i obrazów w czasie rzeczywistym oraz konwencjonalne przesyłanie danych.
Komórka sieci ATM ma 53 bajty. Każda komórka zawiera 5 bajtów nagłówka, po którym następuje 48 bajtów danych. Przy przesyłaniu pakietów IP przez sieć ATM, rozmiar 53 bajtów jest nieistotny - sieć ATM przyjmuje i przesyła znacznie dłuższe pakiety.
Rodzaje interfejsów:
Styk użytkownik-sieć UNI (ang. User-Network Interface) określający zasady połączenia stacji komputerowej użytkownika z siecią ATM. Istnieją dwa rodzaje UNI. Prywatny UNI odnosi się do styku między użytkownikiem a systemem komutacyjnym (przełącznikiem ATM) należącym do tej samej korporacji, co użytkownik. Publiczny UNI używany jest, gdy użytkownik łączy się z publiczną siecią ATM.
Styk sieć-sieć NNI (ang. Network-Node Interface) opisuje zasady łączenia komutatorów ATM i odpowiada głównie za zarządzanie ich współdziałaniem. Rozróżniamy styki: NNI prywatny (dotyczy urządzeń wewnątrz sieci prywatnej) oraz NNI publiczny.
Rozróżniamy dwa typy połączeń w ATM:
kanał wirtualny VCC (ang. Virtual Channel Connection)
ścieżka wirtualna VPC (ang. Virtual Path Connection).

Połączenia typu VCC i VPC są jednokierunkowe i są zestawiane między dwoma użytkownikami końcowymi (VCC) lub komutatorami ATM (VPC). Połączenia typu VPC definiuje się jako grupa połączeń typu VCC. Ścieżki i kanały wirtualne są rozróżniane za pomocą identyfikatorów: ścieżki wirtualnej VPI (ang. VP Identifier) i kanału wirtualnego VCI (ang. VC Identifier) umieszczonych w nagłówku komórki. Konkretne połączenie logiczne jest identyfikowane przez parę numerów VPI i VCI.
W sieci ATM dane są przesyłane podzielone na małe porcje o stałej i niezbyt dużej długości zwane komórkami. Komórka składa się z 53 bajtów, 5 bajtów zajmuje nagłówek komórki a 48 bajtów jest przeznaczone na przesyłane dane.
Pole kontroli dostępu GFC (ang. Generic Flow Control) występuje tylko dla interfejsu UNI. Umożliwia wielu stacjom korzystanie z tego samego UNI w obrębie sieci prywatnej. Poza tym to pole może służyć do określania klasy usług QoS.
Identyfikator ścieżki logicznej VPI identyfikuje grupę kanałów wirtualnych. Dla styku UNI możliwa jest obsługa 256 ścieżek, dla NNI 4096 ścieżek.
Identyfikator kanału logicznego VCI identyfikuje kanał wirtualny pomiędzy dwoma urządzeniami ATM. Możliwe jest stworzenie 65536 kanałów wirtualnych w obrębie jednej ścieżki.
Typ danych PT' (ang. Payload Type) określa, czy przesłane są dane użytkownika (pierwszy bit 0) czy dane kontrolne ATM (pierwszy bit 1). Drugi bit ustawiony na 1 wskazuje na przeciążenie sieci.
Res pełni funkcję sygnału sterującego i może być wykorzystywany np. do poinformowania o zakończeniu transmisji serii komórek.
Bit priorytetu CLP (ang. Cell Loss Priority) umożliwia wskazanie komórek z bitem o wartości 1 jako pierwszych w kolejności do usunięcia w czasie przeciążenia sieci.
Pole kontrolne HEC (ang. Header Error Control) to suma kontrolna pierwszych czterech bajtów nagłówka.
Stała długość komórek ma szereg zalet:

opóźnienia wynikające z pracy sieci, w tym procesów przełączania połączeń w przełącznikach ATM, dają się lepiej przewidzieć dla komórek o stałej długości.
przetwarzanie komórek o stałej długości jest łatwiejsze oraz bardziej niezawodne i efektywne niż przetwarzanie pakietów o zmiennej długości (np. z powodu stałych rozmiarów buforów).
stała długość komórek umożliwia przetwarzanie równoległe, co zwiększa prędkość przetwarzania.
Do wad komórek ATM można zaliczyć:
długość komórki oraz pola danych nie jest potęgą dwójki
Połączenia w sieci ATM

PVC (ang. Permanent Virtual Connection) stałe połączenia wirtualne. Te połączenia mają przydzielone stałe wartości identyfikatorów VPI/VCI. Połączenia PVC nie są zestawiane przez protokół sygnalizacyjny ATM, często te połączenia są zestawiane w sposób manualny przez administratora sieci.
SVC (ang. Switched Virtual Connection) przełączane połączenie wirtualne. Te połączenia są zestawiane przez protokół sygnalizacyjny ATM i nie wymagają interwencji z zewnątrz.

Podstawowe operacje wykonywane przez przełącznik ATM:
odbiór komórki przez jeden z portów wejściowych przełącznika.
odszukanie identyfikatora VPI/VCI odebranej komórki w lokalnej tabeli translacji w celu określenia portu wyjściowego oraz nowej wartości VPI/VCI dla danego połączenia.
retransmisja odebranej komórki przez odpowiedni port z nowymi wartościami VPI/VCI.
IEEE (ang. Institute of Electrical and Electronics Engineers - Instytut Inżynierów Elektryków i Elektroników).