Телекоммуникационные системы и сети. Абонентский доступ и технологии локальніх сетей. Том 2  /  Содержание  /  [→] Раздел 1. Принципы устройства и функционирования локальных сетей  /  [→] Тема 1.3. Спецификации физической среды Ethernet

Содержание:
  • [→] Раздел 1. Принципы устройства и функционирования локальных сетей
    • [→] Тема 1.3. Спецификации физической среды Ethernet
    • Тема 1.10. Контрольные вопросы и задания

Спецификации физической среды Ethernet

Первые сети технологии Ethernet были стандартизованы на коаксиальном кабеле. Далее определены и другие спецификации физического уровня для стандарта Ethernet, обеспечивающие использование различных сред передачи данных. Метод доступа CSMA\CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection, множественный доступ с контролем несущей и выявлением конфликтов) и все временные параметры остаются теми же для любой спецификации физической среды Ethernet 10 Мбит/с.

Физическая спецификация технологии Ethernet определяется типом среды передачи и скоростью модуляции и обозначается 10Base-Х. Число 10 в названии означает битовую скорость передачи данных этих стандартов — 10 Мбит/с, а слово Base — метод передачи на одной базовой частоте 10 МГц. Последний символ Х в названии стандарта физического уровня указывает на тип среды передачи.

10Base-5 — «толстый» коаксиальный кабель диаметром 10 мм (0,5 дюйма). Диаметр центрального медного провода 2,17 мм имеет волновое сопротивление 50 Ом. Кабель используется как моноканал для всех станций. Такие характеристики имеют кабели марок RG-8 й RG-11. Максимальная длина сегмента — 500 метров. На концах сегмента устанавливаются терминаторы («поглощающие») с волновым сопротивлением 50 Ом, они поглощают сигналы, распространяющиеся по кабелю, и предотвращают возникновение отраженных сигналов. Терминатор — это соединитель («папа») с запаянным в нем резистором. Станция подключается к кабелю при помощи приемника-передатчика, который называется трансивер (transmitter + receiver = transceiver). Трансивер может присоединяться к линии как методом физического контакта, так и бесконтактным методом.

Трансивер — это часть сетевого адаптера, выполняющего следующие функции:

  • передача сигналов на линию и прием сигналов с линии;
  • определение коллизий в общей среде передачи;
  • электрическая развязка между средой передачи и остальной частью адаптера (РЕ);
  • защита общей среды передачи от некорректной работы адаптера.

Последнюю функцию иногда называют «Контролем болтливости», что является буквальным переводом английского термина (jabber control). Во время возникновения неисправностей в адаптере может сложиться ситуация, когда на кабель безостановочно будет передаваться последовательность случайных сигналов. Поскольку кабель — это общая среда для всех станций, работа сети будет заблокирована одним неисправным адаптером. Чтобы этого не случилось, на выходе передатчика ставится схема, проверяющая время передачи кадра. Если максимально возможное время передачи пакета превышается (с определенным запасом), то эта схема просто отсоединяет выход передатчика от кабеля. Максимальное время передачи кадра (вместе с преамбулой) составляет 1221 мкс, а время джабер-контроля устанавливается равным 4000 мкс (4мс).

Упрощенная структурная схема трансивера изображена на рис. 1.3.1.

Рис. 1.3.1. Структурная схема трансивера

Трансивер соединяется с сетевым адаптером интерфейсным кабелем AUI (Attachment Unit Interface, интерфейс подключения сетевого оборудования) длиной до 50 м, состоящим из 4-х крученых пар.

Наличие стандартного интерфейса между трансивером и другой частью сетевого адаптера очень полезно во время перехода из одного типа среды передачи в другой. Для этого достаточно только заменить трансивер, а остальная часть сетевого адаптера остается неизменной, потому что она отрабатывает протокол уровня МАС. При этом только необходимо, чтобы новый трансивер (в частности для крученой пары) поддерживал стандартный интерфейс AUI. Для присоединения к интерфейсу AUI используется соединитель DB-15.

Допускается подключение к одному сегменту не более 100 трансиверов, причем расстояние между подключениями трансиверов должно быть не меньше 2,5 м. На кабеле есть разметка через каждые 2,5 м, указывающая точки подключения трансиверов. Во время присоединения рабочих станций в соответствии с разметкой влияние стоячих волн в кабеле на сетевые адаптеры сводится к минимуму.

Стандарт 10Base-5 определяет возможность использования в сети специального устройства — повторителя (repeator). Повторитель состоит из 2-х (или нескольких) трансиверов, подсоединенных к сегментам кабеля, а также блока повторения со своим тактовым генератором. Для лучшей синхронизации переданных битов повторитель задерживает передачу нескольких первых битов преамбулы кадра, за счет чего увеличивается задержка передачи кадра с сегмента на сегмент, а также уменьшается межкадровый интервал (Inter Packet Gap, IPG). Структурная схема повторителя показана на рис. 1.3.2.

Рис. 1.3.2. Упрощенная схема повторителя

Стандарт разрешает использовать в сети не более 4-х повторителей и, соответственно, не более 5-и сегментов кабеля. С максимальной длиной сегмента кабеля в 500 м это дает максимальную длину сети 10Base-5 в 2500 м. Только 3 сегмента из 5-и могут быть нагруженными, то есть такими, к которым подключаются конечные узлы. Между нагруженными сегментами могут быть ненагруженные.

Правило применения повторителей в сети Ethernet 10Base-5 называется правилом 5-4-3: 5 сегментов, 4 повторителя, 3 нагруженных сегмента. Ограниченное количество повторителей объясняется вносимыми ими добавочными задержками распространения сигнала. Применение повторителей увеличивает время двойного распространения сигнала, что для надежного распознавания коллизий не должно превышать время передачи кадра минимальной длины, то есть кадра в 72 байта или 576 битов.

Каждый повторитель подключается к сегменту одним своим трансивером, поэтому к нагруженным сегментам можно подключить не более 99-и узлов. Максимальное количество конечных узлов в сети 10Base-5 составляет 99×3 = 297 297 узлов. Фрагмент сети, построенной на основе повторителей, показан на рис. 1.3.3.

Рис. 1.3.3. Сеть, построенная с использованием повторителей

просмотреть анимацию

Flash-анимация. Нажмите на поле для запуска

10Base-2 — «тонкий» коаксиальный кабель диаметром около 6 мм (0,25 дюйма) с диаметром центрального медного провода 0,89 мм. Кабель имеет волновое сопротивление 50 Ом. Такие характеристики имеют кабели марок RG-58/U, RG-58 A/U, RG-58C/U. Тонкий коаксиальный кабель дешевле толстого, поэтому сети 10Base-2 иногда называют сетями Cheaper-net (от cheaper — дешевый). Но за дешевизну кабеля приходится расплачиваться качеством — «тонкий» коаксиал имеет худшую защиту от внешних влияний, худшую механическую прочность и более узкую полосу пропускания.

Максимальная длина сегмента без повторителей — 185 м, сегмент должен иметь на концах терминаторы. Станция подключается к кабелю с помощью высокочастотного Т-коннектора, являющегося тройником, один вывод которого соединяется с сетевым адаптером, а два других — с двумя концами разрыва кабеля (рис. 1.3.4). При отключении узла Т-коннектор необходимо оставить в сети, чтобы не нарушать ее работоспособность, либо заменить Т-коннектор прямым соединителем (I-connector).

Рис. 1.3.4. Внешний вид Т-коннектора

Максимальное количество станций, подключенных к одному сегменту, — 32, минимальное расстояние между станциями — 1 м. Кабель «тонкого» коаксиала имеет разметку для подключения узлов с шагом 1 м.

Стандарт 10Base-2 также предусматривает использование повторителей, применение которых тоже должно отвечать правилу 5-4-3. В этом случае сеть может иметь длину 5×185 = 925 м. Общее количество узлов в сети 10Base-2 не должно превышать 29×3 = 87.

Стандарт 10Base-2 очень близок к стандарту 10Base-5, но трансиверы в нем объединены с сетевыми адаптерами за счет того, что гибкий тонкий коаксиальный кабель может быть подведен непосредственно к выходному разъему платы сетевого адаптера. Кабель в этом случае «висит» на сетевом адаптере, что усложняет физическое перемещение компьютеров.

Общим недостатком стандартов 10Base-5 и 10Base-2 является отсутствие оперативной информации относительно состояния моноканала. Повреждение кабеля обнаруживается сразу (сеть перестает работать), но для поиска отказавшего отрезка кабеля необходим специальный прибор — кабельный тестер.

10Base-Т — кабель на основе неэкранированной (незащищенной) крученой пары (Unshielded Twisted Pair, UTP). Многопарный кабель на основе неэкранированной крученой пары категории 3 телефонные компании уже давно используют для подключения телефонных аппаратов внутри зданий. Категория характеризует полосу пропускания кабеля, величину перекрестных наведений NEXT (Near-End Crosstalk, межкабельные наведения на ближнем конце линии) и некоторые другие параметры его качества.

Стандарт принят в 1991 г. в качестве дополнения к существующему набору стандартов Ethernet и имеет обозначение 802.3i.

Все работы по монтажу крученой пары необходимо начинать с составления подробной схемы прокладки кабелей и расположения устройств. При прокладке кабеля UTP необходимо придерживаться следующих условий.

Минимальный радиус изгиба для крученой пары — четыре диаметра кабеля (или 1 дюйм, равняющийся 25 мм), но есть рекомендации располагать кабель таким образом, чтобы обеспечивать изгиб радиусом 50 мм. Минимальное расстояние между сетевым кабелем и проложенным параллельно ему силовым кабелем — 125 мм.

Все кабельные элементы сети должны быть одной категории. Причем рекомендуется сразу делать все кабели 5, 6 или 7 категории, чтобы не пришлось все перекладывать при переходе на новый стандарт. Кабель UTP лучше использовать 4-парный, поскольку в стандарте 1000Base-TX применяются все четыре пары.

Максимальная длина кабеля для стандарта 10Base-T между розетками или между розеткой и patch-панелью — 90 метров. Это правило разработано исходя из ограничения максимального расстояния 100 метров между DTE (Data Terminal Equipment, конечное оборудование данных) и хабом. Причем оставшиеся 10 метров предназначаются для провода (patch cord) между розеткой и узлом или розеткой (patch-панелью) и хабом.

Рatch cord — отрезок провода (не более 5 метров) крученой пары с обжатыми на его концах вилками RJ-45 для подключения узла к сетевой розетке. Он изготавливается из кабеля более гибкого и прочного, чем основной (многожильный), чтобы случайно не передавить и не переломить его. Крученая пара должна быть обжата в соответствии с различными стандартами (568А или 568В). Стандарт зависит исключительно от провода, используемого в сети.

Для монтажа нужны вилки и гнезда (рис. 1.3.5). Гнезда устанавливаются в сетевые карты, хабы, трансиверы, розетки и другие устройства. Сам соединитель представляет собой ряд (8 шт.) упругих контактов и выемку для фиксатора вилки (рис. 1.3.5).

Рис. 1.3.5. Разъем и гнездо для крученой пары

На новой вилке контакты выходят за пределы корпуса (рис. 1.3.6). В процессе обжатия они будут утоплены внутрь корпуса, прорежут изоляцию (2) провода и воткнутся в жилу (1).

Вилки разделяются на экранированные и неэкранированные, со вставкой и без, для круглого и для плоского кабеля, для одножильного и для многожильного кабеля, с двумя и с тремя зубцами. Полезно вместе с вилкой на кабель устанавливать защитный колпачок.

Рис. 1.3.6. Внешний вид и строение вилки RJ-45

Кабель Twisted Pair — крученая пара, состоит из пар проводов, закрученных один вокруг другого и одновременно вокруг других пар в пределах одной оболочки. Каждая пара состоит из провода Ring и провода Tip (название пришло из телефонии). Каждая пара в оболочке имеет свой номер, таким образом, каждый провод можно идентифицировать как Ring1, Tip1, Ring2, Tip2 и т. д.

Вдобавок к нумерации проводов каждая пара имеет свою уникальную цветную схему (см. табл. 1.3.1). Кабель обрабатывают одинаково с двух сторон. Выбор варианта закладки 568А или 568В зависит исключительно от принятого в сети типа кабеля. Для монтажа вилки необходимо удалить внешнюю оболочку кабеля на длину 12,5 мм (0,5 дюйма, см. рис. 1.3.7). В обжимном инструменте есть специальный нож и ограничитель для этой операции.

Провод зачищать не нужно. Необходимо расплести кабель и расположить провода в соответствии с выбранной схемой закладки, причем длина расплетения не должна превышать 12,5 мм.

Таблица 1.3.1.Стандарты 568А и 568В для крученой пары

10 Base-T/100 Base-TX

Одна сторона Цвет провода Другая сторона
1 белый/оранжевый
1
2 оранжевый/белый
2
3 белый/синий
3
6 синий/белый 6
EIA/ TIA-568A

Одна сторона Цвет провода Другая сторона
1 белый/зеленый 1
2 зеленый/белый
2
3 белый/оранжевый
3
4 синий/белый
4
5 белый/синий
5
6 оранжевый/белый
6
7 белый/коричневый
7
8 коричневый/белый 8
EIA/ TIA-568B, AT&T 258A
Одна сторона Цвет провода Другая сторона
1 белый/зеленый 1
2 зеленый/белый 2
3 белый/оранжевый 3
4 синий/белый 4
5 белый/синий 5
6 оранжевый/белый 6
7 белый/коричневый 7
8 коричневый/белый 8

Рис. 1.3.7. Порядок подготовки кабеля

Далее необходимо повернуть вилку контактами к себе, как на рис. 1.3.8, и аккуратно надвинуть ее на кабель до упора, чтобы проводка прошла под контактами. Затем при помощи специального инструмента обжать вилку.

Рис. 1.3.8. Порядок монтажа вилки и кабеля

Упрощенный порядок монтажа имеет вилка со вставкой (рис. 1.3.9). Расплетенные и расположенные в соответствии с выбранным способом провода кабеля заводятся во вставку до упора, лишнее обрезается, затем полученная конструкция вставляется в вилку. Вилка обжимается.

Рис. 1.3.9. Строение вилки со вставкой

Если нет обжимного инструмента, можно обжать разъем RJ-45 тонкой отверткой. Для этого необходимо утопить восемь контактов (1) (см. рис. 1.3.5) в корпус вилки, а также фиксатор провода (3). Целесообразно подложить что-нибудь под разъем, чтобы не сломать его фиксатор (2). Это не очень надежный способ монтажа, но вполне применимый.

Станции соединяются по топологии «точка — точка» со специальным приспособлением — концентратором (многопортовым повторителем) при помощи двух крученых пар, то есть образуют звездообразную топологию на основе концентратора (см. рис. 1.3.10).

Рис. 1.3.10. Локальная сеть на базе концентратора

Одна крученая пара используется для передачи данных от станции к повторителю (выход Тх сетевого адаптера), а другая — для передачи данных от повторителя к станции (вход Rx сетевого адаптера).

Концентратор выполняет функции повторителя сигналов на всех отрезках крученых пар, подключенных к его портам, так что образуется единая среда передачи данных — логичный моноканал (логичная общая шина). Концентратор обнаруживает коллизию в сегменте в случае одновременной передачи сигналов несколькими своими Rx-входами и посылает jam-последовательность на все свои Тх-выходы.

Стандарт определяет битовую скорость передачи данных 10 Мбит/с и максимальную длину отрезка крученой пары между двумя непосредственно соединенными узлами (станциями и концентраторами) не более 100 м при наличии крученой пары качеством не ниже категории 3. Эта длина определяется полосой пропуска крученой пары — на длине 100 м она позволяет передавать данные со скоростью 10 Мбит/с во время использования манчестерского кода.

Этот код может использоваться в сетях со скоростью передачи менее 1 Гбит/с и предназначен как для передачи данных, так и для синхронизации. При этом каждый бит-символ делится на две части, причем вторая часть всегда является инверсной по отношению к первой. В первой половине кодированный сигнал представлен в дополнительном виде, а во второй — в обычном. Примеры форм сигналов при манчестерском кодировании показаны на рис. 1.3.10. Верхний уровень сигнала соответствует +0,85 В, нижний —0,85 В.

Основное преимущество манчестерского кода — отсутствие постоянной составляющей в сигнале. Это дает возможность легко применять для гальванической развязки импульсные трансформаторы. При этом не нужно дополнительного источника питания для линии связи, резко уменьшается влияние низкочастотных помех, не проходящих через трансформатор, легко решается проблема согласования. Постоянная составляющая равняется среднему значению между двумя уровнями сигнала. Манчестерский код соединяет в бит-сигнале данные и синхронизацию.

При скорости передачи данных 10 Мбит/с манчестерское кодирование к смене частоты колебаний в линии от 5 МГц (соответствует последовательности из нулей и единиц: 1010101010...) до 10 МГц (соответствует переданной цепочке из одних нулей или из одних единиц).

Рис. 1.3.11. Примеры кодирования с использованием манчестерского кода

Концентраторы 10Base-T можно соединять друг с другом при помощи тех же портов, предназначенных для подключения конечных узлов. При этом необходимо следить, чтобы передатчик и приемник одного порта были соединены соответственно с приемником и передатчиком другого порта.

Для обеспечения синхронизации станций во время реализации процедур доступа и надежного распознавания коллизий в стандарте определено максимальное количество концентраторов между любыми двумя станциями — 4. Максимальная протяженность сети 4×100 м + 100 = 500 м. Общее количество станций в сети 10Base-T не должно превышать общего предела в 1024.

Сети, построенные на основе стандарта 10Base-T, имеют по сравнению с коаксиальными вариантами Ethernet множество преимуществ. Эти преимущества связаны с делением общего физического кабеля (шины) на отдельные кабельные отрезки, подключенные к центральному коммуникационному устройству, что дает возможность контролировать состояние отдельных сегментов.

И хотя логично эти отрезки, как и раньше, образуют общую делимую среду, их физическое разделение дает возможность контролировать ее состояние и отключать их в случае обрыва, короткого замыкания или неисправности сетевого адаптера. Это существенно облегчает эксплуатацию больших сетей Ethernet.

В стандарте 10Base-T определена процедура тестирования физической работоспособности двух отрезков крученой пары, соединяющих трансивер конечного узла и порт повторителя. Эта процедура называется тестом связности (link test) и основана на передаче каждые 16 мс специальных импульсов J (11000) и К (10001) манчестерского кода между передатчиком и приемником каждой крученой пары. Если тест не проходит, порт блокируется и отключает проблемный узел от сети.

Появление между конечными узлами активного устройства, которое может контролировать работу узлов и изолировать от сети некорректно работающие, является главным преимуществом технологии 10Base-T по сравнению со сложными в эксплуатации коаксиальными сетями. Благодаря концентраторам сеть Ethernet приобрела определенные черты отказоустойчивой системы.

Соединение концентраторов по топологии «кольцо» в стандарте 10Base-T запрещено, потому что оно приводит к некорректной работе сети. Это требование означает, что в сети 10Base-T не разрешается создавать параллельные каналы связи между критично важными концентраторами для резервирования связи на случай отказа порта, концентратора или кабеля.

10Base F — многомодовый волоконно-оптический кабель. Функционально сеть строится аналогично стандарту 10Base-T. Длина сегмента — 1000 м. Максимальное количество концентраторов между узлами сети — 4, максимальный диаметр сети 2500 м. В качестве среды передачи данных 10-мегабитный Ethernet использует оптическое волокно.

Различают одномодовые и многомодовые волокна. Если волокно многомодовое, диаметр одномодового сердечника (обычно 50 или 62,5 мкм) 8—10 мкм.

Стандарт FOIRL (Fiber Optic Inter-Repeater Link, звено волоконно-оптической связи между повторителями) является первым стандартом комитета 802.3 для использования оптоволокна в сетях Ethernet. Он гарантирует длину оптоволоконной связи между повторителями до 1 км при общей длине сети не более 2500 м. Максимальное количество повторителей между любыми узлами сети — 4.

Стандарт 10Base-FL является незначительным улучшением стандарта FOIRL. Увеличена мощность передатчиков, поэтому максимальное расстояние между узлом и концентратором увеличилось до 2000 метров. Максимальное количество повторителей между узлами осталось 4, а максимальная длина сети — 2500 м.

Стандарт 10Base-FB предназначен только для соединения повторителей. Между узлами сети можно установить до 5 повторителей 10Base-FB при максимальной длине одного сегмента 2000 м и максимальной длине сети — 2740 м.

Повторители, функционирующие по стандарту 10Base-FB, при отсутствии информационных кадров для передачи совершают постоянный обмен специальными последовательностями сигналов для поддержки синхронизации, отличающимися от сигналов кадров данных. Поэтому они вносят меньшие задержки при передаче данных из одного сегмента в другой, и это главная причина, из-за которой количество повторителей удалось увеличить до 5. Специальные сигналы используют манчестерские коды J и K в такой последовательности: J-J-K-K-J-J-... Эта последовательность порождает импульсы частотой 2,5 МГц, поддерживающие синхронизацию приемника одного концентратора с передатчиком другого. Поэтому стандарт 10Base-FB имеет также название синхронный Ethernet.

Как и в стандарте 10Base-T, оптоволоконные стандарты Ethernet соединяют концентраторы деревоподобные иерархические структуры. Любые петли между портами концентраторов не допускаются.

Содержание | 1.2.4. Форматы кадров уровня МАС | 1.4.1. Расчет пропускной способности... | Вверх